Radiological modeling in the environment: application and adaptation of ionising radiation dosimetry models in the Mediterranean terrestrial ecosystem

Abstract

The present study deals with the quantification of radionuclides' transfer in the terrestrial environment and with the estimation of the subsequent radiological exposure of non-human organisms. In order to describe the behavior of radionuclides in the environment, a dose assessment software was used. The ERICA Assessment Tool was applied and adapted to the peculiarities of a simple food chain, representative of the terrestrial Mediterranean ecosystem. The followed methodology consisted of site-specific sampling of abiotic material (soil) and organisms (vegetation and mammals). The selected samples were properly treated, in order to obtain the appropriate geometry, and afterwards measured with gamma spectrometry using HPGe detectors. After the determination of radionuclides' content, the simulations were conducted. The obtained results give an insight of the levels of the radioecological parameters that were calculated based on the studied ecosystem features. The Concentration Ratio is used to describe radionuclides’ transfer within the environmental components and the Dose Conversion Coefficient is used to describe the received radiological dose. The benchmarking of the radiological parameters indicates highlighted the differences between the measured and the simulated values, but there are natural explanations to them. Even though the simulations can facilitate the radiological characterization process, they cannot replace the actual radioactivity measurements. However, the ERICA Tool is user-friendly software that could be used for management and forecast assessment for the radiological impact assessment to natural populations, especially in cases where measurements in organisms are impossible or impractical to be made due to practical and/or ethical reasons. The results indicate that the dose assessment tools may be very useful for radiological risk assessment, but for robust calculation of dose rates of non-human organisms’ specific consideration should be given and field measurements seem inevitable. Furthermore, the obtained results give an insight of the radioactivity levels in the country, especially in the light of the Fukushima N.P.P. accident. The detected radionuclides are due to the natural background (K-40, Pb-212, Bi-214, Pb-214, Th-228, Ra-228, Th-232 and Ra-226), radioactive traces of the Chernobyl accident and the global fallout (Cs-137) and traces from the Fukushima accident (Cs-137, Cs-134 and I-131). The measured activity concentrations and the calculated dose rates are by far lower than the screening levels that have been proposed by the international organizations (related to the various levels of life organization) and indicated no significant radiological impact to the studied organisms. However, interest for further research has risen, since the impacts of low-level protracted ionising radiation to the lowest taxonomic levels are still under research. Furthermore, the obtained results may strengthen the adaptation of relevant software to a wider range of ecosystems and to similar environments, or in environments that have not been studied yet.

Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής εξετάζεται η συμπεριφορά φυσικών και τεχνητών ραδιονουκλιδίων στο χερσαίο περιβάλλον της Ελλάδας. Συγκεκριμένα, γίνεται η ποσοτικοποίηση της διασποράς των ραδιονουκλιδίων στα συστατικά στοιχεία του οικοσυστήματος και η εκτίμηση των ραδιολογικών δόσεων στους εκτιθέμενους οργανισμούς μελέτης. Επιπλέον, πραγματοποιείται υπολογισμός των ραδιολογικών παραμέτρων που αντιπροσωπεύουν την συμπεριφορά των ραδιονουκλιδίων στο οικοσύστημα με την χρήση του λογισμικού ERICA Assessment Tool. Η παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε μέσω της διεξαγωγής μετρήσεων ραδιενέργειας σε φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς και σε δείγματα χώματος, τα οποία συλλέχθηκαν από τις περιοχές βόσκησης των θηλαστικών, σχηματίζοντας με αυτό τον τρόπο μια απλή τροφική αλυσίδα, τυπική του χερσαίου – Μεσογειακού τύπου – οικοσυστήματος της χώρας. Τα δείγματα υπέστησαν την κατάλληλη επεξεργασία, προκειμένου να αποκτήσουν την απαραίτητη γεωμετρία, και ακολούθησε η μέτρηση της ενεργότητάς τους με την μέθοδο της γ-φασματομετρίας και την χρήση ανιχνευτών υπερ-καθαρού γερμανίου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή και προσαρμογή του ERICA Tool στις ιδιαιτερότητες του οικοσυστήματος μελέτης. Τα ραδιονουκλίδια που ανιχνεύτηκαν είναι φυσικής προέλευσης (K-40, Pb-212, Bi-214, Pb-214, Th-228, Ra-228, Th-232 και Ra-226), εναπομείναντα ραδιενεργά ίχνη από το ατύχημα του Chernobyl και την παγκόσμια επίπτωση (Cs-137) και ίχνη προερχόμενα από το ατύχημα στην Fukushima (Cs-137, Cs-134 και I-131). Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και η λεπτομερής αξιολόγηση της επικινδυνότητας έδειξαν ότι δεν υπάρχει επίπτωση στους οργανισμούς και στο οικοσύστημα ύστερα από την έκθεση τους στην ιοντίζουσα ακτινοβολία. Σε κάθε περίπτωση, οι συγκεντρώσεις ενεργότητας και οι δόσεις που υπολογίστηκαν ήταν κατά πολύ χαμηλότερες των προτεινόμενων ορίων επικινδυνότητας, σε επίπεδο οργανισμού και οικοσυστήματος. Ωστόσο, προς το παρόν δεν υπάρχουν επαρκή δεδομένα σχετικά με την αξιολόγηση των επιπτώσεων της χαμηλού επιπέδου συνεχούς διάρκειας ιοντίζουσας ακτινοβολίας στα χαμηλότερα ταξινομικά επίπεδα. Η συγκριτική μελέτη των ραδιολογικών παραμέτρων υπέδειξε ότι υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις μεταξύ των τιμών της παρούσας εργασίας και των βιβλιογραφικών, αλλά δίνεται επαρκής αιτιολόγηση για αυτές τις διαφορές. Η χρήση του ERICA Tool ενδείκνυται για την αρχική αξιόπιστη εκτίμηση του ραδιολογικού κινδύνου και των ενδεχόμενων επιπτώσεων σε επίπεδο οικοσυστήματος. Επιπλέον, η χρήση του ενδείκνυται όταν δεν υπάρχουν μετρήσεις ενεργότητας σε οργανισμούς. Τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας μπορούν να ενισχύσουν την προσαρμογή των λογισμικών υπολογισμού δόσεων σε μη-ανθρώπινους οργανισμούς σε ένα ευρύτερο φάσμα οργανισμών και να χρησιμεύσουν στην περεταίρω έρευνα της συμπεριφοράς των ραδιονουκλιδίων σε παρόμοια οικοσυστήματα ή σε οικοσυστήματα που δεν έχουν ακόμα μελετηθεί. Επιπλέον, μπορούν να συνεισφέρουν στην ενσωμάτωση αυτών των λογισμικών στην διαδικασία ανάπτυξης ενός ολοκληρωμένου συστήματος αξιολόγησης της ραδιολογικής επίπτωσης στο περιβάλλον.