The transfer of radiocesium in coastal waters : radiocesium tracer to investigate mixing zone processes in brackish waters

Abstract

In the event of a reactor accident, debris plumes containing artificially produced radionuclides could impose a great risk for the environment in distances far from the accident site. Radionuclides can enter the marine environment through atmospheric deposits and runoffs from terrestrial environment by rivers. To evaluate the risk of radionuclides in marine systems, it is important to identify their physico-chemical form (speciation). The speciation of radionuclides are dynamic and changes in dissimilar water qualities e.g., in estuaries. Speciation of radionuclides will change by time and transport in coastal water. In water, cesium (Cs) can be present as different species, where the ions are more reactive and mobile than particles. Utilizing numerical models as a tool to predict the atmospheric transport and deposition of radionuclides in the event of nuclear accidents can be helpful in risk assessments and in deciding where countermeasures are necessary. Such models are using the distribution coefficient, Kd, as a basis to estimate the water-sediment distributions. The Kd is the ratio between radionuclide concentrations in the particulate (Bqkg-1) and in the dissolved phase (BqL-1). Kd is site specific and depend upon the physico-chemical properties of both the radionuclide and the water-sediment system. If the system change, the Kd changes. Existing Kd values are based on the assumption that equilibrium conditions are valid, but such systems are, however, highly dynamic and more information about the dynamic changes are needed. Recently, a numerical dispersion model was developed where speciation of Cs was included. To improve the dispersion model, more information about the changes of Cs species as a function of salinity and time are required. This master thesis provides such inputs to the dispersion model by generating experimental data of time dependent changes in Cs speciation by mixing freshwater with saline water and the use of gamma emitting 134Cs and 137Cs tracers to follow the processes. The experiments simulate the transformation processes in mixing zones that occur in the river outlet where fresh waters meet saline water. In the saline water, the ionic composition differs greatly from the riverine fresh water, leading to an alteration of the water chemistry, which again can change the radionuclide speciation, as well as components found in the river water, e.g. particles and humic substances.

Water and sediment samples were retrieved from the river Storelva situated in Risør, in south of Norway. The sorption of 134Cs was studied by adding tracer to isolated riverine colloids and clay. Further on, the riverine colloids and clay were studied as two compartment systems in brackish water designed to investigate; (i) the remobilization of 134Cs associated with riverine colloids and sorption of 137Cs ions in saline water to riverine colloids as a function of increasing salinity and time (ii) the remobilization of 134Cs from clay and sorption of 137Cs ions in saline water to clay as a function of salinity and time. The brackish water had an increasing salinity from 1 to 25 PSU (Practical salinity unit). The compartment experiments lasted one month. The Cs speciation was determined by utilizing size fractionation techniques at different timelines and the tracer activity was measured by a NaI-detector (PerkinElmer 2480 automatic gamma counter with wizard software). The sorption of 134Cs to riverine colloids had inconsistencies, compared to the sorption to clay. After 5 months only ±5 % 134Cs was associated with the colloidal fraction while for the clay fraction, 99 % 134Cs was associated with the clay fraction. This experiment is still ongoing. The remobilization of 134Cs from the riverine colloids was rapid in freshwater. As for 137Cs accompanied by the saline water, there was only a minor association with the riverine colloids. The remobilization of 134Cs from riverine clay was minimum at the lowest salinities (1, 3 and 5 PSU) and then increased with salinity and time. The 137Cs sorption to riverine clay was higher for the low salinities. The 137Cs was, mostly associated with the LMM fraction at high salinities. The apparent Kd obtained in this experiment was in the range of 73-215 Lkg-1 for 134Cs and 13-54 Lkg-1 for 137Cs, decreasing with increasing salinity in line with literature data. The transfer rates, k, that describe the dynamic changes in transfer models, for both sorption and desorption were in the same magnitude in brackish water with low and high salinity. In general, the sorption rates (k1) seemed to decrease by salinity by a factor of 2, while the desorption rates (k2) were not dependent upon salinity.

Ved hendelser som involverer reaktor ulykker kan antropogene radionuklider, som transporteres til atmosfæren, utgjøre en stor risiko for det marine miljøet også på store avstander fra ulykkesstedet. Radionuklider kan tilføres det marine miljøet direkte ved atmosfæriske avsetninger og ved avrenning fra terrestrisk miljø til elver. Radionuklider kan foreligge som ulike tilstandsformer i vann, som løste ioner, tilknyttet kolloider eller partikler. For å evaluere risikoen med radionuklider i marine systemer er det viktig å identifisere biotilgjengelighet og mobilitet til radionuklidene. Dette avhenger av tilstandsformen, hvor ioner er mere reaktive og mobile enn partikler. Fordelingen av de ulike tilstandsformene er avhengige av en rekke nøkkelfaktorer og ved endring av disse nøkkelfaktorene så vil tilstandsformene endres. Slike endringer finner sted for eksempel i estuarier der ulike vannkvaliteter blandes. Fordeling av tilstandsformer i estuarier vil endre seg som funksjon av tid og med økt innblanding av sjøvann. Numeriske modeller er verktøy som blant annet kan benyttes for å simulere transport av radionuklider. Slike modeller benyttes for å vurdere risiko, for eksempel etter en atomulykke og for å vurdere hvor tiltak skal iverksettes. Slike modeller er basert på informasjon om hvordan radionuklidene vil fordele seg mellom vann og sedimenter, som uttrykkes ved fordelings koeffisienten Kd. Kd beskriver slik forholdet mellom partikulære og oppløste konsentrasjoner. Den vil variere fra sted til sted og er avhengig av de fysiske-kjemiske egenskapene til både radionukliden og vann-sediment systemet. Ved endring av de vannkjemiske forholdene vil også Kd endres. Eksisterende Kd verdier baserer seg på at det foreligger likevekt. Men naturlige akvatiske økosystem er høyst dynamiske og det er derfor behov for mer informasjon om dynamikken i endringene. Nylig ble det utviklet en spredningsmodell hvor tilstandsformene til Cs ble inkludert. For å forbedre spredingsmodellene ytterligere er det behov for mer kunnskap om endringene i tilstandsformene til Cs som en funksjon av saltholdighet og tid. Målet med denne master oppgaven er å gi bidrag til utviklingen av spredningsmodeller, ved å generere eksperimentell informasjon om tidsavhengige endringer i fordeling av tilstandsformene til Cs i vann av varierende saltholdighet. Dette ble utført ved å bruke 134Cs og 137Cs tracer i ulike blandinger av ferskvann og sjøvann. Forsøket simulerte endringene som skjer i blandingssonene i elveutløp, der hvor ferskvann møter sjøvann. Det er spesielt den høye ione-konsentrasjonen i sjøvannet og at sjøvann har høyere pH enn ferskvannet som påvirker tilstandsformene til Cs i en slik blanding. Prøver av vann og sediment ble hentet fra Storelva som ligger i Risør, sør i Norge. Sorpsjon av 134Cs ble studert ved å tilsette tracer til isolert kolloid- og leirefraksjon fra elven. Kolloid- og leirefraksjonen ble studert i to separate systemer i brakkvann utformet for å undersøke; (i) remobilisering av 134Cs assosiert med kolloidene og sorpsjon av 137Cs-ioner i saltvann til kolloidene som funksjon av økende salinitet og tid. (ii) (ii) remobilisering av 134Cs fra leire og sorpsjon av 137Cs-ioner i saltvannet til leire som funksjon av salinitet og tid. Brakkvannet hadde en økende saltholdighet fra 1 til 25 PSU (praktiske salinitetsenheter). Mobiliseringsstudiene varte i en måned. For å bestemme tilstandsformene til Cs ble det benyttet fraksjonering med hensyn på størrelse på fastsatte tidspunkt og tracer aktiviteten ble bestemt med en NaI-detektor (PerkinElmer 2480 automatic gamma counter with wizard software). Det var stor forskjell i sorpsjon av 134Cs til kolloider og til leire i elvevannet. Etter 5 måneder var kun ±5% assosiert med den kolloidale fraksjonen mens for leire var hele 99% 134Cs assosiert med leire. Dette sorpsjonseksperimentet pågår fremdeles. Remobilisering av 134Cs fra kolloidene var hurtig i ferskvann og sorpsjon av 137Cs fra saltvannet til kolloidene var minimal. Remobiliseringen av 134Cs fra leire var minimal ved de laveste saltholdighetene (1, 3 og 5 PSU) og økte deretter med økt saltholdighet og tid. Det var høyere sorpsjon av 137Cs fra saltvann til leire i brakkvann med lav saltholdighet. For brakkvann med høyere saltholdighet var 137Cs for det meste assosiert med LMM fraksjonen. Den tilsynelatende Kd var i området 73 - 215 Lkg-1 for 134Cs og 13 - 54 Lkg-1 for 137Cs og avtok som en funksjon av økende saltkonsentrasjon på lik linje som i litterære data. Endringskoeffisientene, k, som forklarer de dynamiske endringene for både sorpsjons og desorpsjons var i samme størrelsesområde for brakkvann med lav og moderat saltholdighet. Generelt, avtok sorpsjonsratene (k1), grunnet saltholdighet med en faktor på 2, mens desorpsjonsratene (k2) viste ingen endringer grunnet saltholdighet.