Minerały promieniotwórcze

Minerały, które emitują promieniowanie jonizujące, to temat rzeka, którego bez przygotowania geologicznego nawet nie próbuję rozwijać. Wspomnę jedynie, że wyróżnić możemy wśród nich trzy główne grupy:

• minerały uranu – uraninit i jego odmiana blenda smolista, autunit, uranofan, torbenit, karnotyt
• minerały toru – monacyt, toryt, torianit, huttonit
• minerały mieszane - uranotoryt (odmiana torytu zawierająca uran)

Średnia zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 2,8 ppm (części na milion), zaś toru 8-12 ppm. Złoża rud uranu są nieregularnie rozrzucone po całym świecie, a tylko część jest opłacalna w eksploatacji:

https://www.wise-uranium.org/umaps.html 

Dokładną lokalizację światowych złóż uranu przedstawiono na mapie opublikowanej przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej - poniżej wycinek dotyczący Europy, całość mapy jest dostępna w wysokiej rozdzielczości pod linkiem:

https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1800.pdf

Niektóre minerały radioaktywne są dosyć pospolite w swoich złożach, np. blenda smolista:

Weirdmeister, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0,
via Wikimedia Commons

Inne zaś są rzadkie, czy nawet bardzo rzadkie, np. skłodowskit i cuproskłodowskit. 

Zbiory Muzeum Marii Skłodowskiej-Curie [LINK]

Poszukiwania na szczęście ułatwia promieniowanie oraz ekshalacja gazowych produktów rozpadu: radonu-222 w przypadku minerałów uranu i radonu-220 (d. "toronu") przy minerałach toru. Poszukiwanie za pomocą aparatury dozymetrycznej jest jedną z metod prospekcji geologicznej. Służą do niej głównie radiometry scyntylacyjne o dużej czułości i wydajności na promieniowanie gamma, wykrywające nawet niewielkie wahania tła naturalnego. Mają mały zakres, ale z drobną podziałką, np. 0,5 µR/h (0,05 µSv/h), co pozwala zarejestrować nawet nieznaczne wahania mocy dawki. Takim przyrządem był radziecki SRP-2 i późniejszy SRP-68 oraz SRP-88. W Polsce w latach 60. produkowano radiometr geologiczny RUG-1, RUG-3 oraz SRP-2

Zarówno prospekcja geologiczna, jak i pomiary ekshalacji radonu były szeroko stosowane podczas poszukiwań złóż uranu na Dolnym Śląsku, co opisywałem przy okazji recenzji książki „Atomowa tajemnica Sudetów”.

Intensywne prace wydobywcze w regionie Kowar spowodowały wyeksploatowanie tych niezbyt bogatych złóż. W końcowym etapie przerabiano już tylko niskoprocentowy materiał zalegający na hałdach, produkując z niego koncentrat uranowy. Obecnie znalezienie jakiegoś okazu, szczególnie bardziej aktywnego, wymaga wielogodzinnych poszukiwań. Osobiście jeszcze nie odwiedziłem tych okolic, polegając na Czytelnikach bloga (pozdrowienia!), którzy udostępniali do pomiarów co ciekawsze znaleziska. 

 ***

W minerałach aktywność danego okazu zależy zarówno od procentowej zawartości radionuklidu, jego rodzaju (uran lub tor) jak również od wielkości próbki. W rudach uranu większość emisji pochodzi od niskoenergetycznego promieniowania gamma i beta z uranu i jego produktów rozpadu. Przy mniejszych próbkach powoduje to duży odczyt przy pomiarze łącznym (alfa+beta+gamma lub tylko beta+gamma), który następnie wyraźnie spada przy pomiarze samego promieniowania gamma. Dobrym przykładem są te małe bryłki, których łączną aktywność alfa+beta+gamma mierzona dozymetrem MKS-01SA1M zawierała się między 300 a 1100 rozp/min/cm2:

Z kolei moc dawki gamma nieznacznie przekraczała tło. Po zapakowaniu wszystkich do metalowej puszki moc dawki na pokrywce sięgała 0,25 µSv/h, zaś na boku 0,35 µSv/h, czyli w górnej granicy tła naturalnego.

Niekiedy jednak niewielki okaz może generować dużo wyższy odczyt. Ten minerał udostępnił do testów Rosomack (pozdrowienia!)

Waży zaledwie 5,6 grama, a mimo to emituje 2,7-3,4 µSv/h czystego promieniowania gamma, czyli znacznie więcej niż niektóre dużo większe próbki udostępnione mi do pomiarów:

Pomiary prowadzono z obu stron każdej próbki, dodatkowo za pomocą Sosny mierzono
również łączną emisję beta+gamma (wszystkie wartości w µSv/h)

Drugi okaz, choć waży 30 g, czyli 6 razy więcej, to generuje zaledwie 2 razy większą moc dawki. Nazwałem go roboczo "22 mikro", ponieważ taki odczyt (beta+gamma na nieskompensowanym liczniku G-M) uzyskał jego znalazca. Poniżej porównanie z w/w okazem od Rosomacka:

Okaz ten wykazuje dość częstą u minerałów nierównomierne rozłożenie aktywności - odczyt przytaczany w tabeli występuje tylko po jednej stronie.

Niektóre minerały uranu wykazują luminescencję w ultrafiolecie, szczególnie generowanym przez świetlówki UV (365 nm), a nie LED (395 nm). Jednym z najbardziej znanych jest autunit. 

https://www.flickr.com/photos/usageology/11669990923

Kolor świecenia porównywalny jest z luminescencją szkła uranowego. Niestety znaczna większość minerałów znajdowanych w Polsce fluoryzuje lub ma jedynie niewielkie świecące plamki. Przykładem może być ważący 130 g płaski okaz udostępniony przez Alka (pozdrawiam!). 

Jego moc dawki gamma oscyluje wokół 1 µSv/h, choć łączna emisja jest znacznie wyższa. Czasami trafia się bardziej intensywna luminescencja, połączona z wysoką mocą dawki (~20 µSv/h):

Niekiedy minerały generują jeszcze wyższe poziomy promieniowania. Pisze Czytelnik z Niemiec (pozdrowienia!):

Ten minerał trafiłem na moim Flohmarku (niem. pchli targ - przyp. red.). Po przeszukaniu większości kartonów zauważyłem wysoki odczyt na moim Gamma Scoucie przy jednym z ostatnich pudeł. Był on jednak silniejszy niż dla skorup z glazurą uranową, a nie widziałem tam zegara lotniczego czy innego mocnego źródła. Moją uwagę zwróciło korytko z trzema kamykami. Największy, jakby pumeks, nie był aktywny, tak samo mniejszy kawałek ciemnozielonego szkliwa. Pozostała czarna matowa bryłka, taka jak pół pięści. 

Aby nie przeciążać czułego przyrządu, wziąłem Soeksa 01M - momentalnie pokazał 500 µSv/h, wiem jednak, że ten miernik zawyża odczyt, poza tym mierzy łącznie emisję gamma i beta. Później wykonałem pomiar samego promieniowania gamma za pomocą ANRI Sosna, który pokazał "tylko" 13-16 mR/h, czyli 2-3 x więcej niż najbardziej aktywne zegary lotnicze. 

Minerał ten wygląda na typową niemiecką blendę smolistą. Czytelnikowi gratuluję znaleziska, które jest cennym źródeł do testowania np. wojskowych przyrządów o wysokim zakresie lub do sprawdzania odporności mierników na przeciążenie. Zaletą minerałów o tak dużej aktywności jest też to, że praktycznie każdy dozymetr klasy popularnej zareaguje, jeśli przejdziemy w pobliżu takiego okazu. Pozostaje wówczas kwestia lokalizacji, jeśli minerałów jest więcej. Nie zawsze też będziemy mieć po temu sposobność, gdyż sprzedający różnie patrzą na pomiary. 

***

Oprócz minerałów uranu możemy spotkać się też ze związkami toru. W tym przypadku różnica między udziałami obu składowych promieniowania będzie mniejsza. Stosunek pomiaru łącznego za pomocą nieskompensowanego licznika G-M do pomiaru z filtrem odcinającym emisję beta i miękką gamma pozwoli doraźnie ustalić, z jakim nuklidem mamy do czynienia. Oczywiście najpewniejszą metodą identyfikacji będzie spektrometria - wówczas możemy porównać uzyskane widmo ze spektrogramami siateczek żarowych lub soczewek ze szkła torowanego. Poniżej porównanie dwóch minerałów uranu (wykres niebieski i brązowy) i soczewki zawierającej Th-232 (wykres zielony):

Generalnie większość minerałów spotykanych w Polsce to rudy uranu i uzyskamy z nich takie widma, jak zaznaczone kolorem niebieskim i brązowym na powyższym spektrogramie. O samej spektrometrii pisałem osobno przy okazji omawiania spektrometru uSpect [LINK].

***

Jako źródło promieniowania minerały są bardzo kłopotliwe. Pierwszym problemem jest ekshalacja radonu w przypadku rud uranowych lub w mniejszym stopniu toronu z minerałów toru. 

Wystarczyła godzina z powyższymi minerałami w pokoju 3x3 m, by czujka Airthings Wave zarejestrowała wzrost koncentracji radonu z typowych ~10 Bq/m3 do 70.

Oczywiście zaraz potem wszystkie kawałki zostały spakowane do woreczków strunowych i umieszczone w szczelnym pojemniku z węglem aktywnym na dnie, a po przewietrzeniu poziom radonu wrócił do normy i pozostaje stabilny. Ekshalacja radonu zależy zarówno od zawartości uranu w rudzie, jak również od spoistości danej próbki.

***

Drugim problemem jest ryzyko skażenia. Minerały kruszą się i pylą, szczególnie gdy są zwietrzałe. Wietrzenie zaczyna się już w złożu na skutek działania różnych czynników fizykochemicznych, swój udział ma też ich własne promieniowanie, niszczące strukturę krystaliczną minerałów. Wydobycie minerałów na powierzchnię i długie leżenie na hałdach przyspiesza ten proces na skutek działalności powietrza, wody, światła i zmian temperatury. W przypadku okazów znajdujących się w kolekcjach dochodzi problem uszkodzeń w transporcie na dużą odległość, w którym minerały zdążyły się poocierać o siebie. Dotyczy to szczególnie fragmentów kolekcji, sprzedawanych przy okazji na wspomnianych stoiskach z naczyniami i drobnym AGD z Zachodu. Osobiście przekonałem się o tym, przeglądając zawartość pudełka z kamykami na moim targu. RKP-1-2 wykazał duży odczyt przy tej kolekcji, zatem aby wyselekcjonować aktywne obiekty, mierzyłem poszczególne okazy w pewnej odległości od pudełka. Na rękach miałem skórzane ocieplane rękawiczki, trochę powycierane na palcach od wieloletniego noszenia. Po powrocie do domu sprawdziłem je sondą SSA-1P i zauważyłem wyraźną aktywność alfa, szczególnie na palcach, którymi przekładałem minerały:

Rękawiczki powędrowały do woreczka strunowego, a w przyszłości postaram się zrobić z nich autoradiogram na papierze fotograficznym. Dla pewności sprawdziłem jeszcze inne powierzchnie, które mogły mieć kontakt z minerałami, na szczęście nie zarejestrowałem na nich aktywności. Bardzo przydatna jest tu wspomniana sonda SSA-1P, wykrywająca promieniowanie alfa bez uwzględniania tła gamma. Jej zaletą jest też mała odległość między scyntylatorem a mierzoną powierzchnią, szczególnie istotna dla cząstek alfa, silnie osłabianych przez powietrze. 

 

Pamiętajmy zatem o zasadach BHP przy postępowaniu z minerałami radioaktywnymi (i generalnie innymi źródłami, które niosą ryzyko skażenia lub ekshalacji radonu):

• nie dotykać gołą ręką!
• stosować gumowe rękawice lub szczypce 
• wszelkie manipulacje prowadzić nad dużą kuwetą lub innym naczyniem
• przechowywać w woreczkach strunowych, najlepiej podwójnych
• monitorować poziom radonu w miejscu przechowywania za pomocą czujki
• sprawdzać czystość stanowiska pracy sondą SSA-1P

Oczywiście obowiązują również wszystkie reguły ochrony radiologicznej, czyli:

1. odległość 
2. osłona 
3. czas

Promieniowanie maleje wraz z kwadratem odległości, zatem dwukrotnie oddalając się od źródła, zmniejszamy moc dawki czterokrotnie. Nawet niewielkie oddalenie się od źródła powoduje już znacznie zmniejszenie narażenia na promieniowanie. Jeśli nie możemy się oddalić, stosujemy osłony, które są szczególnie skuteczne w przypadku niskoenergetycznego promieniowania emitowanego przez uran naturalny. Dodatkową ochronę zapewni skrócenie czasu narażenia. W formie graficznej przedstawia to poniższa prezentacja: 

https://slideplayer.pl/slide/15169533/

Została przygotowana przez Państwową Agencję Atomistyki, przedstawiająca ochronę radiologiczną w muzealnictwie, gdzie oprócz minerałów występować też mogą np. radowe farby świecące. 

***

Zaletą minerałów jest względna łatwość pozyskania, jeżeli oczywiście ma się czas na chodzenie po hałdach i trafi na odpowiednie miejsce. Przy zakupie ceny są bardzo zróżnicowane - na targach staroci, gdzie minerały pojawiają się przypadkowo, w kartonach z naczyniami, sprzedający uważają je za "jakieś kamienie" i puszczają po 5-10 zł czy kilka euro na Zachodzie. Można w ten sposób nabyć nawet mocno "świecący" okaz, choć najczęściej będzie to pospolita blenda smolista z Niemiec lub Czech, jak wspomniany wyżej okaz. Z drugiej strony kolekcjonerzy, znający rynek i towar, będą żądać znacznie wyższych kwot, ale mogą oferować rzadkie, ciekawe odmiany, np. wykazujące silną luminescencję albo mające interesującą formę krystaliczną. 

Jeżeli znaleźliście lub kupiliście jakiś wyjątkowo ciekawy minerał i chcecie podzielić się zdjęciami lub wynikami pomiarów, dajcie znać w komentarzach!