VII RADIONUKLIDIT Radionuklideja on seuraavia neljää tyyppiä jaoteltuna syntyperänsä mukaan: primääriset luonnon radionuklidit sekundääriset luonnon radionuklidit kosmogeeniset radionuklidit keinotekoiset radionuklidit Primääriset luonnon radionuklidit Primääriset luonnon radionuklidit syntyivät Suuressa Alkuräjähdyksessä n. 4.5 miljardia vuotta ajassa taaksepäin. Tällöin syntyivät lämpöydinreaktioissa myös muut alkuaineet kun valtavat protoni- ja heliumvuot yhtyivät yhä raskaammiksi ytimiksi. Suuri osa syntyneistä uusista ytimistä oli energeettisesti liian raskaita pysyäkseen koossa ja niistä suurin osa onkin jo hajonnut stabiileiksi alkuaineiksi. Pysymättömistä ytimistä on jäljellä ne, joiden puoliintumisaika on tarpeeksi pitkä. Primääriset luonnon radionuklidit, joita tunnetaan n. 25, voidaan jakaa kahteen luokkaan: pitkien hajoamisarjojen emonuklidit 238 U, 235 U ja 232 Th (näistä lisää alla) yksittäiset vismuttia kevyemmät nuklidit (Taulukko VII.1.) Taulukko VII.1. Eräitä kevyempiä primäärisiä luonnon radionuklideja. Nuklidi Isotooppirunsaus Hajoamismuoto Puoliintumisaika 40 K 0.0117% β - 1.26 10 9 a 87 Rb 27.83 β - 4.88 10 10 a 123 Te 0.905 EC 1.3 10 13 a 144 Nd 23.80 α 2.1 10 15 a 174 Hf 0.162 α 2 10 15 a Kaikki nämä kevyemmät nuklidit eivät ole yksittäisiä, vaan kuuluvat lyhyisiin hajoamisarjoihin, kuten 152 Gd 148 Sm 144 Nd 140 Ce. Useita näitä pitkäikäisiä nuklideja 28
on aiemmin pidetty stabiileina, mutta mittaustekniikan kehittyessä ne onkin todettu erittäin hitaasti hajoaviksi radioaktiivisiksi ytimiksi. Sekundääriset luonnon radionuklidit hajoamisarjat Edellä mainitut raskaiden alkuaineiden ytimet 238 U, 235 U ja 232 Th ovat emonuklideina pitkissä hajoamissarjoissa, jotka johtavat useiden perättäisten radioaktiivisten hajoamisten ja niissä syntyvien sekundääristen luonnon radionuklidien kautta lopulta stabiileihin lyijy-ytimiin. 238 U:n puoliintumisaika on 4.5 10 9 a ja siitä alkaa hajoamissarja, jossa on välituotteina 17 alfa- ja betahajonnalla hajoavaa radionuklidia ja päätetuotteena stabiili 206 Pb (Kuva VII.1.) Sarjaa kutsutaan uraanisarjaksi ja kun sen jäsenten massaluvut jaetaan luvulla 4 jää jännökseksi 2. Kuva VII.1. Uraanisarja, A = 4n+2. 235 U:a, jonka puoliintumisaika on 7 10 8 a, alkaa A=4n+3 hajoamissarja, jota kutsutaan aktiniumsarjaksi. Siinä on 15 välituotenuklidia ja päätetuote on stabiili 207 Pb. 29
Kuva VII.2. Aktiniumsarja, A = 4n+3. Kolmas luonnon radioaktiivinen sarja alkaa 232 Th:sta, jonka puoliintumisaika on 1.4 10 10 a. Tätä A = 4n sarjaa kutsutaan toriumsarjaksi. Siinä on 10 välituotenuklidia ja päätetuote on stabiili 208 Pb. Kuva VII.3. Toriumsarja, A = 4n. Luonnon radioaktiivisissa hajoamissarjoissa on monia ihmisten saamaan säteilyannokseen merkittävästi vaikuttavia nuklideja. Tärkein niistä on kaasumainen radon, erityisesti uraanisarjan 222 Rn, jonka puoliintumisaika on 3.8 d. Maaperästä hengitysilmaan tihkuva radon ja erityisesti sen tytärnuklidit aiheuttavat kaiken kaikkiaan lähes puolet suomalaisten saamasta säteilyannoksesta. Muita merkittäviä radionuklideja ovat 226 Ra, 210 Pb ja 210 Po, jotka ravinnon ja juomaveden kautta ihmisen kehoon joutuessaan aiheuttavat merkittäviä annoksia, joskin selvästi pienempiä kuin radon. 30
Luonnossa on ollut myös 4n+1 sarja, mutta koska sen emonuklidin 237 Np:n puoliintumisaika, 2.1 10 6 a, on yli kolme kertalukua lyhyempi kuin maan ikä, on se jo kuollut pois. Neptuniumsarja päättyy stabiiliin 209 Bi:in ja siinä on yhteensä seitsemän alfa- ja neljä betahajomista. Kosmogeeniset radionuklidit Kosmogeeniset radionuklidit syntyvät kosmisen säteilyn aiheuttamasta aktivoitumisesta ilmakehässä. Kosmisen säteilyn pääkomponentit ovat korkeaenergiset protonit ja alfapartikkelit. Niiden aiheuttamissa ydinreaktioissa syntyy myös neutroneja, jotka puolestaan voivat saada aikaan sekundääristä aktivoitumista. Kosmogeenisia radionuklideja tunnetaan n. 40 ja osa niistä on lueteltu alla olevassa taulukossa. Ne syntyvät ilmakehän kaasuissa (happi, typpi, argon) tapahtuvissa ydinreaktioissa. Esim. 3 H ja 14 C syntyvät seuraavissa reaktioissa: 14 N + n 14 C + p [VII.I] 14 N + n 12 C + 3 H [VII.II] Taulukko VII.2. Tärkeitä kosmogeenisiä radionuklideja. Nuklidi Puoliintumisaika Nuklidi Puoliintumisaika 3 H 12.3 a 7 Be 53 d 10 Be 2.5 10 6 a 22 Na 2.62 a 32 Si 710 a 33 P 24.4 d 36 Cl 3.1 10 5 a 14 C 5730 a 26 Al 7.4 10 5 a 32 P 14.3 d 35 S 88 d 39 Ar 269 a Koska kosmisen säteilyn intensiteetti on melko vakio, pysyy myös näiden nuklidien muodostumisnopeus lähes vakiona, joskin ilmäkehän eri korkeuksilla ja myös eri puolilla maapalloa on kohtalaisia vaihteluita. Kosmisen säteilyn kaikkein energeettisimmät partikkelit menettävät energiansa ilmakehän korkeimmissa osissa. Kosmogeeniset radionuklidit pysyvät pääosin ilmakehässä, mutta osa niistä huuhtoutuu sateen mukana maan pinnalle ja vesistöihin. 31
Merkittävin kosmogeeninen radionuklidi on 14 C, jota käytetään kuolleen eloperäisen aineen iänmäärityksissä. Vastaavasti primäärisiä luonnon radionuklideja, kuten 87 Rb:a käytetään geologisissa iänmääritykssissä. Muita kosmogeenisia radionuklideja on käytetty ilmakehässä ja merissä tapahtuvien sekoitusprosessien tutkimiseen. Keinotekoiset radionuklidit Ihminen on omalla toiminnallaan saanut aikaiseksi noin 2000 uuden radionuklidin synnyn viimeisen 70 vuoden aikana. Keinotekoisia radionuklideja on saatu aikaan seuraavasti: ydinräjäytyksissä ja ydinasetuotannossa ydinvoimatuotannossa ja ydinreaktorionnettomuuksissa radionuklidien valmistuksessa reaktoreissa ja kiihdyttimissä Ydinräjäytyksissä syntyy valtava määrä erilaisia radioaktiivisia halkeamistuotteita, fissionuklideja ja aktivoitumistuotteita, transuraaneja. Tärkeimmät fissiotuotteet ovat 90 Sr ja 137 Cs ja transuraaneista tärkeimmät ovat Pu:n, Am:n ja Cm:n eri isotoopit. Maan sisällä tehdyissä ydinräjäytyksissä syntyneet radionuklidit jäävät miltei kokonaan maan sisään, mutta ilmakehässä tehdyissä räjäytyksissä kaikki radionuklidit joutuvat ensin ilmakehään, josta ne eri nopeuksilla laskeutuvat maan pinnalle. 1950-ja 1960-luvuilla suurvallat tekivät ilmakehässä satoja ydinasekokeita, joista aiheutui maailmanlaajuinen radioaktiivinen laskeuma (fallout). Pitkällä aikavälillä merkittävimmän säteilyannoksen ihmisille aiheuttaa ydinasekokeista ilmakehään syntynyt 14 C. Ydinasetuotannosta on syntynyt valtava määrä korkea-aktiivista liuosjätettä, kun säteilytetty polttoaine on liuotettu happoon ja siitä on erotettu U ja Pu pommimateriaaliksi. USA:ssa happojäte on neutraloitu NaOH:lla ja säilytetty tankeissa, joista suurin osa on Hanfordissa ja Savannah Riverissä. Jotkin tankit ovat jo yli 50 vuotta vanhoja ja vuotavat. Venäjällä tankkiongelma ei ole yhtä iso, koska ydinasetuotannon alkuaikoina 1940- ja 1950-luvuilla kaikki korkea-aktiivinen jäte Majakin laitoksilla Etelä- Uralilla laskettin ensin Techa-jokeen ja myöhemmin Karachai-järveen. Ehkä on turha sanoa, että vastaavasti ympäristöongelma on sitäkin suurempi. Ydinasetuotannossa on sattunut kaksi suureen ympäristön saastumiseen johtanutta onnettomuutta, kun vuonna 1957 Majakin laitoksilla yksi ydinjätetankki rajähti ja radioaktiivinen jäte levisi tuulen mukana laajalle, mutta onneksi harvaan asutulle alueelle. Toinenkin onnettomuus tapahtui samana vuonna, kun 32
Windscalen asemateriaalituotannossa toiminut reaktori syttyi tuleen Englannissa ja saastutti ympäristöä laajalla alueella. Ydinvoimatuotannossa syntynyt radioaktiivisuus on 99.99:sti käytetyssä polttoaineessa, josta 96% on uraania, 3% fissiotuotteita ja 1% transuraaneja. Käytetty polttoaine tullaan loppusijoittamaan geologisiin muodostumiiin joko sellaisenaan tai jälleenkäsiteltynä. Jälleenkäsittely tarkoittaa uraanin ja plutoniumin erottamista myöhempää polttoainekäyttöä varten. Käytetyn polttoaineen lisäksi ydinvoimalaitoksilla syntyy aktivoitumis- ja korroosionuklideja, kuten 60 Co, 63 Ni, 65 Zn, 54 Mn jne, jotka ovat pääosin melko lyhytikäisiä. Niistä pääosa joutuu radioaktiivisen jätteen mukana loppusijoituspaikkoihin, mutta jonkun verran joutuu ympäristöön radioaktiivisina päästöinä. Ympäristöön joutuu myös jonkun verran liuosmuodossa olevia ja erityisesti kaasumaisia fissiotuotteita, joista pitkäikäisin on 85 Kr. Ydinjätteen loppusijoituksesta ja radioaktiivisista päästöistä ihmisille aiheutuva säteilyannos on erittäin pieni verrattuna ihmisten kokonaisannokseen ja myös verrattuna ydinasekokeiden aiheuttamaan annokseen. Suurin ydinvoimalaitoksella tapahtunut onnettomuus, joka johti ympäristöpäästöihin, tapahtui vuonna 1986 Ukrainassa, Tsernobylissa, jossa yksi reaktori räjähti ja syttyi tuleen. Onnettomuudessa syntyi radioaktiivinen laskeuma, joka ulottui koko Eurooppaan mukaan lukien Suomi. Huomattavasti pienempi onnettomuus tapahtui Harrisburgissa USA:ssa vuonna 1979. Monia tutkimukseen ja hoitoon tarkoitettuja radionuklideja tuotetaan reaktoreissa ja kiihdyttimillä. Käytön jälkeen ne joko vanhennetaan tai lasketaan laimennettuina vesistöihin. Alla luettelo tärkeistä bio- ja lääketieteissä käytetyistä radionuklideista. Taulukko VII.3. Eräitä merkittäviä bio- ja lääketieteissä käytettyjä radionuklideja. Nuklidi Säteilylaji Puoliintumis- Nuklidi Säteilylaji Puoliintumisaika aika 3 H beta 12.3 a 14 C beta 5730 a 18 F beta 1.8 h 35 S beta 87 d 82 Br beta/gamma 36 h 125 I gamma 57 d 32 P beta 14.3 d 45 Ca beta 165 d 99m Tc gamma 6 h 131 I beta/gamma 8 d 33