Ydinvoimalassa vuonna 2011 sattuneen onnettomuuden seurauksena rakennukseen tunkeutuneet hiukkaset voivat olla uhka ihmisen terveydelle hengitettyinä. Tutkimus osoittaa, että sisätiloissa esiintyvät cesiumpitoiset mikrohiukkaset tulee ottaa huomioon turvallisuusarvioinneissa ja alueen puhdistustöissä.
Tutkimukseen osallistui tutkijoita Japanista (Kyushun yliopisto), Suomesta (Helsingin yliopisto), Ranskasta (IMT Atlantique, Nantesin yliopisto) ja Yhdysvalloista (Stanfordin yliopisto). Helsingin yliopistosta tutkimukseen osallistui professori Gareth Law. Tutkimusta johtivat apulaisprofessori Satoshi Utsunomiya sekä jatko-opiskelijat Kazuki Fueda ja Tatsuki Komiya Kyushun yliopiston kemian osastolta.
Viime vuosina tutkimusryhmä on osoittanut, että ydinvoimalan vaurioituneista reaktoreista vapautui huomattava määrä cesiumpitoisia mikrohiukkasia. Hiukkaset ovat säteeltään vain muutaman mikrometrin kokoisia ja koostuvat pääasiassa piilasista, raudasta ja sinkistä. Hiukkasten radioaktiivisen cesiumin pitoisuus on paljon suurempi kuin minkään muun cesiumpitoisen laskeuman, joka sai alkunsa Fukushiman ydinvoimalan vaurioituneista reaktoriyksiköistä 1–3.
Ryhmä on aiemmin osoittanut, että hiukkaset syntyivät todennäköisesti väliaikaisesti reaktoriytimen sulaessa, jolloin sulaa polttoainetta pääsi kunkin reaktorin ensiösuojarakennuksen ulkopuolelle vaikuttamaan pohjalla olevaan betoniin. Tähän mennessä cesiumpitoisiin mikrohiukkasiin kohdistuneet tutkimukset ovat keskittyneet pääasiassa ulkoilmassa esiintyviin hiukkasiin. Mikrohiukkaset läpäisivät betonia ja levisivät sitä kautta vaurioituneista reaktoreista laajalle ympäristöön Fukushiman ydinonnettomuuden suoja-alueella. Useiden tutkimusryhmien viimeaikaiset tutkimukset ovat myös osoittaneet, että cesiumpitoisten mikrohiukkasten saastuttamat ilmamassat ylittivät Tokion alueen maaliskuussa 2011. Tämä tieto yhdistettynä havaintoihin, joiden mukaan tällaiset hiukkaset ovat huonosti liukenevia, on herättänyt kysymyksiä sisäisen säteilyaltistuksen mahdollisista terveysriskeistä, kun hiukkasille altistutaan hengitysilman mukana.
– Hiukkaset ovat yleensä alle 5 mikrometriä ja saattavat pienen kokonsa ansiosta tunkeutua keuhkojen syvimpiin osiin pysyvästi, sanoo Utsunomiya.
Tuoreimmassa tutkimuksessaan ryhmä osoittaa, että cesiumpitoisia mikrohiukkasia voi kertyä rakennuksiin huomattavassa määrin, mikä saattaa aiheuttaa riskejä sisätiloissa ja korostaa tarvetta puhdistaa suojavyöhykkeellä olevat rakennukset perusteellisesti, jos niitä aiotaan palauttaa julkiseen käyttöön.
Pölynäytteitä hylätystä koulusta
Utsunomiya kertoi, että ryhmälle myönnettiin pääsy koulurakennukseen, joka sijaitsee 2,8 kilometrin päässä vuonna 2011 hylätystä ydinvoimalasta.
– Onneksi saimme luvan tutkia peruskoulun sisätiloja. Kouluun astuessamme järkytyimme kaikki näkemästämme. Näytteitä oli kerätty viisi vuotta aiemmin vuonna 2016, mutta mihinkään ei ollut kajottu sitten vuoden 2011 maanjäristyksen. Aivan kuin aika olisi pysähtynyt, sanoo Utsunomiya.
Ryhmä keräsi pölynäytteitä lattioista läheltä koulun sisäänkäyntiä, toisesta kerroksesta ja koulun pihalta. Opiskelijat Kazuki Fueda ja Tatsuki Komiya laskivat cesiumpitoisten mikrohiukkasten määrän koulusta kerätyistä näytteistä tutkimusryhmän aiemmin kehittämällä autoradiografiamenetelmällä ja määrittivät, kuinka suuri osa kunkin näytteen cesiumsäteilystä oli peräisin mikrohiukkasista.
Koulun lattioille kertyneen pölyn cesiumaktiivisuus vaihteli välillä 340–4 040 Bq/m2 (134+137Cs-aktiivisuus hajoamiskorjattuna päivämäärään 15.3.2011, mikä vastaa 125–1 490 Bq/m2 vuonna 2023). Säteilystä 4,5–38,9 % oli peräisin cesiumpitoisista mikrohiukkasista. Suurin määrä mikrohiukkasia löytyi koulun sisäänkäynnin läheltä (jopa 2 481 hiukkasta neliömetriä kohden), ja merkittäviä (mutta pienempiä) määriä havaittiin myös toisessa kerroksessa (jopa 1 273 hiukkasta/m2). Tämä osoittaa pienten laskeumahiukkasten tunkeutuneen syvälle rakennukseen.
Mielenkiintoista kyllä, cesiumpitoisten mikrohiukkasten määrä ja niistä lähtöisin olleen cesiumaktiivisuuden osuus koulurakennuksen läheltä ulkoilmasta kerätyissä näytteissä olivat huomattavasti pienempiä (23–63 hiukkasta yhtä pöly- tai maagrammaa kohden, ja 1,14–1,61 % cesiumaktiivisuuden kokonaismäärästä). Tutkimusryhmän mukaan sisätiloissa havaittiin kuivalaskeuman aiheuttamaa cesiumlaskeumaa. Koska koulua ei ole käytetty onnettomuuden jälkeen, siellä oli edelleen huomattavia määriä cesiumpitoisia mikrohiukkasia. Ulkoa kerätyistä näytteistä havaittiin cesiumlaskeuman johtuvan sekä kuiva- että märkälaskeumasta. Ulkoilmassa sade ja tuuli ovat luultavasti pesseet tai puhaltaneet pois osan cesiumpitoisista mikrohiukkasista, minkä vuoksi valtaosa ulos jääneistä cesiumhiukkasista on peräisin märkälaskeumasta. Nämä cesium-tyypit jakautuivat helposti liukeneviin (liukoisiin) muotoihin, jotka ovat tätä nykyä sitoutuneet etupäässä pöly- ja maahiukkasiin (esim. saveen). Ryhmä teki sisätiloista kerätyillä näytteillä eräänlaisen märkätestin arvioidakseen cesiumhydroksidin, cesiumjodidin ja muiden yleisten cesiumin liukoisten muotojen esiintyvyyttä näytteissä. Vedellä kastelluista sisäpölynäytteistä ei löytynyt vesiliukoisia cesiumin muotoja.
Utsunomiyan mukaan koulussa esiintyvien cesiumpitoisten mikrohiukkasten ominaisuudet muistuttavat monissa aiemmissa tutkimuksissa raportoituja ominaisuuksia. Ne ovat jopa samankaltaisia kuin Tokiossa havaitut hiukkaset.
– Nämä hiukkaset levisivät laajalle alueelle, myös Fukushiman prefektuuriin ja Kanton eli Tokion alueelle. Cesiumpitoiset mikrohiukkaset saattavat olla uhka. Kuten tutkimuksemme osoittaa, niitä voi kertyä paikallisesti pesäkkeiksi jopa sisätiloissa, sanoo Utsunomiya.
Tarvitaan lisätutkimusta terveysvaikutuksista
Helsingin yliopistosta tutkimukseen osallistuneen professori Gareth Law’n mukaan Cesiumpitoisten mikrohiukkasten mahdollinen esiintyminen sisätiloissa edellyttää seikkaperäisiä hiukkastutkimuksia niillä asuinalueilla, joihin Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden laskeuma vaikuttaa.
–Tarvitaan lisätutkimusta hiukkasten käyttäytymisestä sisään hengitettyinä ja niiden terveysvaikutuksista, sanoo Gareth Law.
Helsingin ja Kyushun yliopistot ovat saaneet rahoitusta Japanin tieteellisen tutkimuksen edistämisseuralta ja Suomen Akatemialta yhteistyön kehittämiseksi viimeksi mainitun aiheen puitteissa. Law’n ja Utsunomiyan mukaan tarvitaan ehdottomasti mikrohiukkasten ominaisuuksien yksityiskohtaista tuntemusta, uusia menetelmiä niiden määrien arvioimiseen sekä tietämystä niiden käyttäytymisestä ja vaikutuksesta ympäristöön ja biologisiin järjestelmiin, jos halutaan ymmärtää ydinonnettomuuksien todellisia vaikutuksia, sillä mikrohiukkaset näyttävät olevan yleismaailmallinen radioaktiivinen saaste vakavissa ydinonnettomuuksissa.
Viimeaikaiset tapahtumat Ukrainassa sijaitsevien ydinlaitosten läheisyydessä lisäävät tällaisen tutkimuksen tarvetta entisestään.
Nantesin yliopistoa tutkimuksessa edustanut professori Bernd Grambow sanoo, että kaikkien puhdistusstrategioiden on lähdettävä siitä, että voimalaitoksen lähellä saastumisaste voi vaihdella paljon. Sekä ionimuotoista että hiukkasiin sitoutunutta cesiumia täytyy analysoida ja poistaa, joista jälkimmäinen on erityisen vaarallista puhdistamiseen osallistuville työntekijöille.
– Tämä tutkimus on uusin kattavassa tutkimusten sarjassa, joka käsittelee cesiumpitoisten mikrohiukkasten koostumusta, ominaisuuksia, muodostumista ja lukumäärää. Tutkimukset ovat uraauurtavia siksi, että niissä on yhdistetty monia pitkälle kehitettyjä menetelmiä, muun muassa tutkimusryhmän käyttämää autoradiografiaa, korkean resoluution elektronimikroskopiaa ja isotooppianalyyseja. Näiden tutkimusten atomitason tarkkuus tarjoaa mallin tuleville ympäristön saastumista koskeville tutkimuksille, sanoo professori Rodney C. Ewing Stanfordin yliopistosta.
– Uskon, että meidän velvollisuutemme on tehdä perusteellista tieteellistä tutkimusta Fukushiman järkyttävistä tapahtumista, jotta löydämme ja voimme julkaista uutta yhteiskunnalle ja tuleville sukupolville tärkeää tietoa. Ehkä jonakin päivänä aika alkaa jälleen kulkea koulussa ja muissa hylätyissä rakennuksissa, mutta se edellyttää huomattavia puhdistustoimia. Jos niihin ryhdytään, aivan ensimmäiseksi on tunnettava rakennuksissa vallitsevan saastumisen muodot ja laajuus, jotta työntekijöitä ja rakennusten mahdollisia käyttäjiä voidaan suojella, toteaa Utsunomiya tutkimusryhmän näytteenottomatkasta ja aiemmasta cesiumpitoisiin mikrohiukkasiin kohdistuneesta tutkimuksesta.
Tutkimusartikkeli: Occurrence of radioactive cesium-rich micro-particles (CsMPs) in a school building located 2.8 km south-west of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant. Chemosphere. Volume 328, July 2023, 138566 DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.138566
Kirjoittajat: Kazuki Fueda; Tatsuki Komiya; Kenta Minomo; Kenji Horie; Mami Takehara; Shinya Yamasaki; Hiroyuki Shiotsu; Toshihiko Ohnuki; Bernd Grambow; Gareth T. W. Law; Rodney C. Ewing; Satoshi Utsunomiya
Yhteystiedot:
Gareth Law: gareth.law@helsinki.fi
Satoshi Utsunomiya: utsunomiya.satoshi.998@m.kyushu-u.ac.jp