W fascynującym świecie eksperymentów naukowych pociągające wydaje się przede wszystkim to, co trudne i niebezpieczne. Próby naśladowania natury przynoszą niejednokrotnie zaskakujące efekty, ale strach ma często wielkie tylko oczy – o czym przekonuje dr Dariusz Malczewski, adiunkt w Zakładzie Geofizyki Stosowanej na Wydziale Nauk o Ziemi UŚ, kierujący badaniami naturalnej promieniotwórczości minerałów i skał w warunkach in situ oraz laboratoryjnych.

Dr Dariusz Malczewski z detektorem promieniowania gamma

Gleba, Giewont, ściana

Złe skojarzenia budzi już samo słowo ‘promieniotwórczość’. Wiele sprzecznych informacji, rozpowszechnianych przede wszystkim w mediach, sprawia, że pojęcie obrosło mitem, budząc najczęściej negatywne reakcje. Okazuje się, że takie słowa, jak ‘promieniotwórczość’, ‘radioaktywność’ czy ‘uran’ kojarzą się głównie z bombą atomową czy z katastrofą elektrowni jądrowej w Czarnobylu i trudno walczy się z jednoznacznie uformowanym obrazem. Tymczasem zaskakująca jest przede wszystkim wszechobecność występowania pierwiastków promieniotwórczych. Jak wyjaśnia geofizyk, nie ma naturalnej substancji, która nie zawierałaby uranu czy toru.

Promieniotwórczość mierzy się w jednostce aktywności promieniotwórczej, którą w układzie SI jest bekerel (Bq). Dana substancja ma aktywność jednego Bq/kg wówczas, gdy na kilogram masy owej substancji następuje jeden rozpad promieniotwórczy na sekundę. Typowa gleba charakteryzuje się stężeniem uranu rzędu 22 Bq/kg oraz toru rzędu 37 Bq/kg. W glebie na obszarze o wymiarach 100x100 m do głębokości 30 cm znajduje się około 9 kg uranu i 40 kg toru – wyjaśnia dr Malczewski.

– Co więcej, przykładem skały o naturalnie podwyższonej promieniotwórczości jest granit. Jeden kilometr sześcienny granitu zawiera około 9000 ton uranu i 46000 ton toru. Na szczęście nikt z tego powodu nie ograniczył naszych wycieczek w Tatry, powiedzmy, do kilku rocznie – dodaje. Pierwiastki promieniotwórcze znajdują się również w naszym ciele, jak na przykład węgiel 14C i potas 40K. Aktywność promieniotwórcza pochodząca od tych pierwiastków oraz śladowych ilości uranu i toru w naszych organizmach wynosi około 350 Bq/kg, w pewnym sensie więc sami jesteśmy materiałami promieniotwórczymi. Promieniotwórczość naturalna minerałów, skał, gleb i innych ośrodków geologicznych, którą mierzy dr Malczewski, jest nieszkodliwa, ponieważ jesteśmy do niej biologicznie przystosowani. Naturalne dawki promieniowania, które otrzymujemy rocznie, są kilka tysięcy razy niższe od tej potencjalnie zagrażającej życiu ludzkiemu i wynoszącej około 5 siwertów. Aby otrzymać powyższą dawkę, trzeba znaleźć się w sąsiedztwie wybuchu jądrowego lub ciężko uszkodzonego reaktora jądrowego. Taki przypadek miał miejsce w Czarnobylu, gdzie materiał promieniotwórczy został rozerwany.

Wiele mówiło się w mediach o uszkodzeniu elektrowni jądrowej w Fukushimie. – W Japonii nikt nie zginął z powodu napromieniowania. Do atmosfery przedostały się i zostały rozproszone nieznaczne ilości lotnych radionuklidów, wyniesione przez parę wodną z uszkodzonych układów chłodzenia reaktorów. Nie musimy się więc obawiać żadnych skutków radiacyjnych. Porównywanie skutków awarii elektrowni jądrowej w Fukushimie do skutków Czarnobyla jest nieuzasadnione i po prostu nieuczciwe – wyjaśnia geofizyk.

Jedni z niewielu

Dr Malczewski zajmuje się tematyką naturalnej promieniotwórczości od ponad dwunastu lat. Rozprawę doktorską z zakresu fizyki jądrowej obronił na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii UŚ, ale to właśnie na Wydziale Nauk o Ziemi zaczął przygotowywać pierwszą na Uniwersytecie Pracownię Promieniotwórczości Naturalnej. Dzięki unikatowej aparaturze, w tym dzięki przenośnemu systemowi spektrometrycznemu promieniowania gamma, możliwe stało się wykonywanie pomiarów nie tylko w warunkach laboratoryjnych, lecz również w warunkach in situ, czyli bezpośrednio w terenie. – Uruchamiamy spektrometr, wprowadzamy wymiary geometryczne odsłonięcia i typ skały, przy której się znajdujemy, a specjalne oprogramowanie oblicza aktywności promieniotwórcze radionuklidów obecnych w danej skale – wyjaśnia geofizyk. Zaletą takiego badania jest próbkowanie dużego obszaru, co jest w zasadzie niemożliwe w warunkach laboratoryjnych.

Przykład minerału metamiktycznego – gadolinit w wieku 1,8 mld lat

Projekt badania naturalnej promieniotwórczości skał realizowany jest przez dr. Malczewskiego w Sudetach, przy współpracy z geologiem prof. dr. hab. Jerzym Żabą – w warunkach in situ oraz w warunkach laboratoryjnych. Wybrany łańcuch górski jest nieprzypadkowy, tam bowiem występują największe w Polsce koncentracje uranu i toru. Badania sprowadzają się przede wszystkim do pomiarów koncentracji promieniotwórczych 238U, 232Th i 40K. Efektem prac ma być pierwszy atlas radiologiczny Sudetów. Zebrane informacje mogą być wykorzystywane do określenia stopnia i dróg migracji uranu i toru w różnych okresach geologicznych tego obszaru i powiązaniu ich z innymi procesami geologicznymi.

Badania nad właściwościami minerałów zawierających znaczne koncentracje uranu i toru mają również szersze zastosowania, np. w energetyce jądrowej, w problematyce składowania odpadów promieniotwórczych. Minerały takie, odkryte i nazywane od końca XIX wieku minerałami metamiktycznymi, tracą na ogół swoją krystaliczność na skutek rozpadów promieniotwórczych i stają się amorficzne w geologicznej skali czasu. Jak wyjaśnia dr Malczewski, prowadzone badania służą wyjaśnieniu, w jaki sposób takie minerały radzą sobie z ogromną ilością rozpadów promieniotwórczych, zachodzących w ich strukturach w czasie od kilkuset milionów do nawet 2 miliardów lat. Dotychczasowe badania wykazały, że są one bardzo odporne na rozpady promieniotwórcze. Dlatego w Japonii czy w Stanach Zjednoczonych testowane są złożone formy ceramiczne oparte na syntetycznych odpowiednikach naturalnych minerałów, w których umieszczane będą wysokoaktywne produkty rozszczepienia oraz aktynowce, w tym głównie izotopy plutonu. Jest to alternatywna koncepcja immobilizacji wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych w stosunku do dotychczasowych metod polegających na ich zeszkliwianiu bądź umieszczaniu w asfalcie czy cemencie. Forma ceramiczna odpadu promieniotwórczego zostaje następnie umieszczona w stalowym kontenerze i w tej postaci może być składowana przez setki tysięcy lat. Istnieje zatem technologia bezpiecznego składowania odpadów promieniotwórczych; co więcej, sama natura podpowiedziała naukowcom, jak sobie z nimi radzić.

Duże znaczenie mogą mieć również wyniki badania procesu rekrystalizacji minerałów metamiktycznych. Jak wyjaśnia dr Malczewski, mają one ciekawą właściwość. Jeżeli zostaną wygrzane w atmosferze neutralnej w temperaturze 1000 °C lub wyższej, w ciągu około godziny odzyskają swoją krystaliczną strukturę. Otrzymuje się tym samym minerał w postaci, w jakiej występował na przykład 1,5 miliarda lat temu. Jest to niesamowity rodzaj „nowonarodzenia”, przy czym proces zachodzi, jeżeli skład chemiczny minerału nie uległ zmianie w stosunku do formy wyjściowej. Podczas swoich badań dr Malczewski zwrócił uwagę na pewną interesującą właściwość minerałów metamiktycznych. Minerał amorficzny jest izolatorem, po rekrystalizacji jego przewodnictwo elektryczne w temperaturze 400 oC może wzrosnąć około siedmiu rzędów wielkości w stosunku do przewodnictwa poniżej 0 oC i staje się on dobrym półprzewodnikiem. Takie właściwości mogą być kiedyś wykorzystane na przykład w elektronice. Są to unikatowe badania w skali światowej.

Godzilli nie będzie

Samarskit mający 1,4 mld lat

Skały zbudowane są z minerałów i ich promieniotwórczość uzależniona jest od składu mineralnego. Znamy wiele miejsc na świecie o naturalnie bardzo wysokim tle promieniotwórczym. Najbardziej znany jest stan Minas Gerais w Brazylii ze swoim wzgórzem Morro do Ferro, na którym znajduje się 30 tys. ton toru, a naturalne tło promieniotwórcze jest kilkaset razy większe niż to, które mamy w Polsce. – Żyją tam zwierzęta, nie są zmutowane, rośliny nie gryzą, nie zaobserwowano Godzilli – zapewnia geofizyk. – Do tego słynne plaże brazylijskie w stanach Espirito Santos i Rio de Janeiro, wyściełane piaskami monacytowymi, gdzie tło promieniotwórcze jest 1000 razy większe niż naturalne tło obserwowane w Polsce. Tylu ludzi jedzie na te plaże i są szczęśliwi – dodaje ze śmiechem.

Oprócz promieniotwórczości skał zespół dr. Malczewskiego zajmuje się również pomiarem stężenia radonu w powietrzu glebowym. Jest to najważniejszy składnik naturalnego promieniowania. Wykorzystywane są w tym celu specjalne sondy glebowe i przenośny detektor radonu. Izotopy radonu 222Rn i 220Rn zasysane są do detektora, gdzie następnie rejestruje się cząstki alfa z ich rozpadów, a urządzenie podaje wynik – stężenie w bekerelach na m3. Jednym z najciekawszych dotychczas zmierzonych stanowisk okazała się, położona w województwie dolnośląskim, Pobiedna, gdzie w latach 50-tych znajdowała się największa kopalnia uranu na terenie Polski. Na tym obszarze licznik sondy się „zatkał”. Koncentracja radonu 222Rn przekroczyła górny limit detekcji, wynoszący w tym urządzeniu około miliona Bq/m3. Konieczny okazał się zakup tzw. extendera, dzięki któremu zespół może obecnie dokonywać pomiarów do ośmiu milionów Bq/m3. Mieszkańcy tego regionu mają świadomość wyjątkowości swojego miejsca zamieszkania. Muszą zwrócić jednak szczególną uwagę przy budowaniu domów lub remontach już istniejących. W fundamencie nie mogą pojawić się pęknięcia, przez które mógłby migrować radon, jak tłumaczy geofizyk. W przeciwnym razie, w okresie jesienno- zimowym koncentracje radonu mogłyby przyjmować wartości znacznie przekraczające 150-200 Bq/m3, uznawane za górne limity koncentracji tego pierwiastka w pomieszczeniach mieszkalnych. Radą na to jest solidny fundament, sprawna wentylacja lub częstsze wietrzenie, wówczas stężenie radonu spada do poziomu normy.

Badania dr Malczewskiego pokazują, że warto inspirować się naturą i odkrywać jej tajemnice. Z jednej strony zetknięcie się z czymś nowym wzbudza duże emocje, z drugiej – rozwiązanie najmniejszej nawet zagadki daje ogromną satysfakcję.