Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: The facilities for radionuclide production at iThemba LABS have undergone a number of significant upgrades over the last decade in order to increase the production capacity and to diversify the product portfolio. Central to this effort is a new vertical beam target station (VBTS) and its associated targetry, designed and built to operate at higher proton beam intensities for the large-scale production of relatively long-lived, high-value radionuclides such as 22Na, 68Ge and 82Sr. Along with the VBTS, an existing smaller horizontal beam target station was adapted to accommodate targetry for 18F production, mainly to supply 18F-FDG for use in positron emission tomography (PET). The production capacity was further enhanced by means of a beam splitter to enable bombardments in two target stations simultaneously. This required new developments on several systems, e.g. beam diagnostics, control, interlocking and cooling. This project brings together a number of different aspects of the upgraded facilities as well as the associated research and development that enable the production of radionuclides in the medium energy region, up to approximately 70 MeV. Investigations were performed on the cooling of the interfacial windows between the cyclotron vacuum and the targets as well as the direct cooling of the targets themselves during intense proton bombardments. For this purpose, empirical as well as computational fluid dynamics (CFD) calculations were performed. In addition, the local radiation shield of the VBTS as well as the beam transport in some of the targetry was investigated by means of Monte Carlo radiation transport calculations. Excitation functions for the production of various radionuclides in the 66 MeV proton bombardment of 192Os, 159Tb, natGd, 155Gd, 152Gd, 93Nb, natZr and 89Y were measured and compared with theoretical predictions by means of statistical nuclear model calculations as well as the TENDL-2012 library. In particular, the production of 186Re, selected radioterbiums (149;152;155Tb) and radiozirconiums (88;89Zr) is of interest in existing and emerging diagnostic and therapeutic applications in nuclear medicine. A study on 28Mg production in the proton bombardment of natCl using stacked chloride targets was also performed at 200 MeV. This radionuclide is of interest as 28Mg is the only practical radiotracer of Mg. Finally, new targetry for the production of 18F was developed, modelled and optimized for the non-standard degraded beam employed in this particular case. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die fasiliteite vir die produksie van radionukliede by iThemba LABS is gedurende die afgelope dekade aansienlik opgegradeer om die produksiekapasiteit te verhoog en om die portfolio van produkte te diversifiseer. Sentraal tot hierdie poging is ’n vertikale-bundel skyfstasie (VBTS) wat gebou is om skywe met hoër intensiteit protonbundels te bombardeer ten einde relatief langlewende, hoë-waarde radionukliede op grootmaat te produseer, insluitende 22Na, 68Ge en 82Sr. Terselfdetyd is ’n bestaande, kleiner horisontale-bundel skyfstasie aangepas om skywe vir die produksie van 18F te huisves, meestal om 18FFDG vir positronemissietomografie (PET) te lewer. Die produksiekapasiteit is verder verhoog d.m.v. ’n bundeldeler sodat bundel gelyktyding aan twee skyfstasies gelewer kan word. Dit het ontwikkelingswerk vereis aan verskeie stelsels, insluitende diagnostiek, beheer, vergrendeling en verkoeling. Hierdie projek bring verskeie aspekte bymekaar t.o.v. die opgegradeerde produksiefasiliteite sowel as die geassosieerde navorsing en ontwikkeling benodig vir radionukliedproduksie in die middelenergiegebied tot ongeveer 70 MeV. Die verkoeling van die foelievensters tussen die vakuum van die siklotron en die skyfgerei is ondersoek sowel as die direkte verkoeling van skywe onder intense protonbombardement. Hierdie studie sluit beide empiriese sowel as numeriese vloeidinamika berekeninge in. Verder is die afskerming van die VBTS asook die bundeltransport in verskeie skywe ondersoek m.b.v. Monte Carlo stralingstransport berekeninge. Opwekkrommes vir die produksie van verskeie radionukliede met protongeïnduseerde reaksies tot en met 66 MeV op 192Os, 159Tb, natGd, 155Gd, 152Gd, 93Nb, natZr en 89Y is gemeet en vergelyk met statistiese kernmodel berekeninge sowel as die TENDL-2012 biblioteek. Die produksie van 186Re, verskeie radioterbiums (149;152;155Tb) en radiozirkoniums (88;89Zr) is van spesifieke belang vir bestaande en toekomstige diagnostiese en terapeutiese toepassings in die kerngeneeskunde. ’n Studie op die produksie van 28Mg in die bombardement van natCl met 200 MeV protone is ook onderneem. In hierdie ondersoek is ’n stapel chloriedskywe gebruik. Die 28Mg is van belang omdat dit die enigste Mg radioisotoop is wat geskik is as ’n radiospoorder van dié element. Laastens is nuwe skyfgerei vir die produksie van 18F ontwikkel, gemodelleer en geoptimiseer vir die nie-standaard afgeremde bundel wat benut word in hierdie geval.

Técnicas radioquímicas de separação têm sido comumente utilizadas para a caracterização de rejeitos radioativos. No entanto, a determinação de radionuclídeos emissores alfa, beta e gama por análise radioquímica, em amostras de filtro cartucho utilizado no processo de retratamento da água de um reator do tipo piscina, não foi abordada anteriormente na literatura. Este trabalho tem como objetivo estabelecer um método de solubilização para os filtros, identificar e quantificar os radionuclídeos presentes nestes rejeitos, sendo eles os Radionuclídeos Chaves (RC) (60Co, 108mAg, 110mAg) e principalmente os Radionuclídeos de Difícil Medição (RDM) (63Ni, 90Sr, 234U, 235U, 238U, 238Pu, 239+240Pu, 241Pu, 241Am, 242Cm e 243+244Cm), para posterior aplicação do método de Fator de Escala (FE) no trabalho rotineiro de caracterização de rejeitos radioativos. A distribuição dos radionuclídeos no filtro cartucho foi investigada pela determinação dos radionuclídeos emissores gama e os resultados obtidos foram utilizados para calcular o escore-Z. Os resultados indicaram que todos os filtros podem ser considerados homogêneos, atendendo aos critérios de homogeneidade recomendados pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), e com isso foi possível definir a quantidade de amostras representativas a serem analisadas. Foram determinados, a partir de dados analíticos, a correlação existente entre os RDMs e RCs selecionados e foram obtidos FEs para todos os RDMs, com exceção do 241Pu. / Separation radiochemical techniques have been commonly used for the characterization of radioactive waste. However, the determination of alpha, beta and gamma emitting radionuclides by radiochemical analysis in cartridge filter samples used in the water re-treatment process of a pool-type reactor was not previously discussed in the literature. This work aims to establish a method of solubilization for the filters, to identify and quantify the radionuclides present in these wastes, being the Key Nuclides (KN) (60Co, 108mAg, 110mAg) and especially the Difficult To Measure radionuclides (DTM) (63Ni , 90Sr, 234U, 235U, 238U, 238Pu, 239+240Pu, 241Pu, 241Am, 242Cm and 243+244Cm), for later application of the Scaling Factors (SF) method in routine radioactive waste characterization work. The distribution of the radionuclides in the cartridge filter was investigated by determination of gamma-emitting radionuclides and the results obtained were used to calculate the Z-score. The results indicated that all the filters can be considered homogeneous, according to the criteria of homogeneity recommended by the International Atomic Energy Agency (IAEA), and with this it was possible to define the quantity of representative samples to be analyzed. From the analytical data, the correlation between the DTMs and the selected KNs was determined and the SFs were obtained for all the DTMs, except for the 241Pu.

Dentre os diversos agentes existentes no meio ambiente que podem nos expor a diferentes riscos e efeitos, há a radiação ionizante cujo conhecimento da dose é de importância para o efetivo controle e prevenção dos seus possíveis danos aos seres humanos e ao ambiente. A transferência de radionuclídeos dos adubos para/e dos solos para os alimentos podem resultar em incremento na dose interna ao serem consumidos pelo ser humano. Este trabalho avalia a contribuição dos fertilizantes para o aumento da dose de radiação ionizante no meio ambiente e no ser humano. Amostras de fertilizantes, de solos e de hortaliças produzidas em solos adubados foram analisadas através da espectrometria gama com o uso de um detector semicondutor de germânio hiperpuro. Medidas de dose ambiente também foram realizadas com dosímetros termoluminescentes. Nas amostras de solos adubados foram obtidos valores de atividades específicas de 36 a 342 Bq/kg para K-40, de 42 a 142 Bq/kg para U-238 e de 36 a 107 Bq/kg para Th-232. Nas hortaliças os valores variaram de 21 a 118 Bq/kg para K-40 e para os elementos da série do urânio e tório os valores foram menores que 2 Bq/kg. Para fertilizantes o valor máximo obtido foi de 5800 Bq/kg para K-40, 430 Bq/kg para U-238 e 230 Bq/kg para Th-232. As médias dos valores de fator de transferência solo-planta não foram significativamente diferentes entre os tipos de hortaliças analisados. A dose efetiva comprometida anual de 0,882 µSv devido à ingestão de K-40 das espécies estudadas é bem pequena em relação ao valor de referência de 170 µSv dada pela United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR, 2000). A dosimetria termoluminescente forneceu valores de taxa de equivalente de dose ambiente anual entre 1,5 e 1,8 mSv, sem diferenças entre locais cultivados e não cultivados. Através dos resultados obtidos, não foi observada uma transferência significativa de radionuclídeos dos fertilizantes para os alimentos e para os solos nas condições adotadas neste trabalho e conseqüentemente não há incremento de dose de radiação devido à prática da adubação. / Among several agents that exist in the environment which can expose us to different risks and effects, there is the ionizing radiation whose knowledge of dose is of importance to the effective control and prevention of possible damages to human beings and to the environment. The transfer of radionuclides from fertilizers to/and soils to the foodstuffs can result as an increment in the internal dose when they are consumed by the human beings. This work evaluates the contribution of fertilizers to the ionizing radiation dose in the environment and in the human being. Samples of fertilizers, soils and vegetables produced in fertilized soils were analised through gamma spectrometry with the use of a hyperpure germanium detector. Measurements of ambient dose with thermoluminescent dosimeters were also performed. In the fertilized soil samples values of specific activities from 36 to 342 Bq/kg for K-40, from 42 to 142 Bq/kg for U-238 and from 36 to 107 Bq/kg for Th-232 were obtained. In the vegetables the values varied from 21 to 118 Bq/kg for K-40 and for the elements of uranium and thorium series the values were less than 2 Bq/kg. In fertilizers the maximum value of 5800 Bq/kg was obtained for K-40, 430 Bq/kg for U-238 and 230 Bq/kg for Th-232. The average values of soil to plant transfer factor were not significantly different among the types of vegetables. The annual committed effective dose of 0.882 µSv due to the ingestion of K-40 from the analised vegetables is very small if compared to the reference value of 170 µSv given by United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR, 2000). The thermoluminescent dosimetry provided the annual ambient dose equivalent from 1.5 to 1.8 mSv without differences between cultivated and non cultivated fields. Through the results obtained, it was not observed a significant transfer of radionuclides from fertilizers to soils and to foodstuffs in the conditions adopted in this work and consequentely there is no increment in the radiation dose due to the practice of fertilization

A Baixada Santista é a região mais populosa do litoral do Estado de São Paulo, onde estão localizados o maior porto da América Latina, na cidade de Santos e, um dos mais importantes pólos industriais, na cidade de Cubatão. Esta região, que apresenta a área de maior ocorrência de manguezais do litoral do estado de São Paulo, recebeu nos últimos anos uma grande carga de efluentes industriais e domésticos em seus corpos hídricos como conseqüência direta das atividades do pólo industrial, do porto e do grande crescimento demográfico das últimas décadas, tornando-a altamente impactada. No presente trabalho foram coletados perfis de sedimento no estuário de Santos-Cubatão, estuário de São Vicente, canal de Bertioga e Baía de Santos com o objetivo de se determinar a concentração de elementos traço, maiores e radionuclídeos das séries do 238U e 232Th e avaliar possíveis contaminações ocorridas ao longo do tempo. As técnicas utilizadas foram a análise por ativação com nêutrons, a fluorescência de raios X e a espectrometria gama, respectivamente. Os resultados obtidos para os elementos traço Cr, Sb, Ta e Zn, em alguns perfis, apresentaram valores maiores que os da literatura, indicando uma possível contribuição antrópica. Comparandose os valores obtidos das concentrações dos elementos Cr e Zn nos perfis de sedimentos com os valores dos índices TEL e PEL para qualidade de sedimentos, verificou-se que a região estudada apresenta níveis do elemento Cr superiores ao TEL no estuário de Santos-Cubatão e canal de Bertioga e o elemento Zn apresenta valores acima do TEL para algumas fatias dos perfis do estuário de Santos-Cubatão, em um perfil do estuário de São Vicente, um perfil do canal de Bertioga e da baía de Santos. Para os demais elementos os valores obtidos no presente trabalho podem ser considerados como níveis de referência da região. Embora o elemento As tenha apresentado valores maiores que o TEL em todos os ambientes estudados, as concentrações obtidas são da mesma ordem de grandeza de dados da literatura e, portanto, podem ser consideradas valores de referência da região. Nenhum dos elementos maiores determinados apresentouse enriquecido nos ambientes estudados, com exceção do elemento P que apresentou valores maiores que os da Crosta Continental Superior nos perfis que recebem maior influência do Pólo Industrial de Cubatão e de efluentes industriais e domésticos. Considerando-se a Resolução CONAMA N° 344/04, todos os sedimentos amostrados podem ser considerados de nível 1, ou seja, estão abaixo dos valores de referência para tomada de decisão para fins de gerenciamento de destino do material dragado. Desta forma, os dados obtidos neste trabalho podem servir de norteamento para a revisão dos valores que constam desta resolução. / Baixada Santista is the region of higher population of the coast of São Paulo State, where it is located the largest port in Latin America, in the city of Santos, and the most important industrial complex of Latin America, in the city of Cubatão. This region has received in recent years a considerable load of industrial and domestic effluents in its water bodies, as a direct result of the industrial and port activities and the large population growth in recent decades, and is considered nowadays highly impacted. In the present study sediment cores were collected in the estuary of Santos-Cubatão, in the estuary of São Vicente, in the channel of Bertioga and Santos Bay, in order to determine the concentration of trace and major elements and natural radionuclides from the 238U and 232Th series. The techniques used were neutron activation analysis, X-ray fluorescence and gamma spectrometry, respectively. The obtained values for the elements Cr, Sb, Ta and Zn in some cores, are higher than data from literature, and can indicate a possible antropic contribution. Comparing the obtained values of Cr and Zn elements determined in the sediment cores with the values of TEL and PEL index for sediment quality, it was verified that the studied region presents Cr levels higher than TEL in Santos-Cubatão estuary and Bertioga channel and Zn element presented values higher than TEL for some core slices of Santos-Cubatão estuary, for one core of São Vicente estuary, one core in Bertioga channel and Santos Bay. For the other elements, the values obtained in this study can be considered as reference values for the region. Although the element As presented higher values than the TEL in all the studied environments, the concentrations obtained are of the same order of magnitude as literature data and, therefore, can be considered also as reference values for the region. No enrichment was found for the major elements in all the ecosystems studied, with the exception for the element P that presented higher values for the cores that are under influence of the industrial complex and receive industrial and domestic effluents. The highest concentrations of 232Th and 238U were found in ecosystems that are under the influence of the industrial complex, indicating a probable contamination due to release of its industrial effluents. Taking under consideration CONAMA no 344/04 resolution, all the sediments can be considered as level 1, and are below the reference values for the decision to manage the dredged material. The data obtained in this work can be used as reference values for the revision of CONAMA no 344/04 Resolution.

O Brasil é o maior exportador e o segundo maior produtor de tabaco do mundo, de acordo com a safra de 2013/2014. A planta de tabaco (Nicotiana tabacum L.) é usada na fabricação de todos os derivados e a composição química do tabaco varia de acordo com o tipo de folha, como foram cultivadas, a região do plantio, as características da preparação (compressão, filtro e papel) e a variação de temperatura resultante da combustão incompleta do tabaco. Os derivados do tabaco são os produtos comercializados mais consumidos no mundo, como por exemplo, o cigarro, o charuto e o narguilé. Os efeitos danosos que estes produtos causam a saúde humana são há anos intensivamente discutidos e muitos estudos são realizados mundialmente relacionando o uso dos derivados do tabaco com diversas doenças. Existe pouca informação a respeito da caracterização radiológica da planta de tabaco na literatura internacional e nacional. O objetivo deste trabalho foi determinar a concentração dos radionuclídeos 238U, 234U, 230Th, 226Ra, 210Pb e 210Po, membros da série de decaimento do 238U, e os radionuclídeos 232Th e 228Ra membros da série de decaimento do 232Th nas variedades Burley e Virginia, as quais são as mais cultivadas no Brasil. Estes radionuclídeos naturais foram determinados em plantas adquiridas de produtores da região Sul do Brasil e também em plantas dessas mesmas variedades cultivadas em vasos com substrato orgânico e fertilizante com o objetivo de verificar prováveis influências dos fertilizantes e defensivos agrícolas usados pelos produtores na concentração dos radionuclídeos determinados. Os isótopos de U e Th, além do 210Po foram determinados por espectrometria alfa, após separação radioquímica e os radionuclídeos 226Ra, 228Ra e 210Pb pela medida alfa e beta total, também após separação radioquímica. Todas as partes da planta foram analisadas: raízes, caules e folhas, bem como os substratos orgânicos, fertilizantes e solos usados nos cultivos. Os isótopos de U e Th apresentaram resultados abaixo dos limites de detecção dos métodos para as folhas e caules de todas as plantas analisadas, apresentando resultados mensuráveis apenas nas raízes, solo e substrato. Os radionuclídeos 226Ra, 228Ra, 210Pb e 210Po foram determinados na grande maioria das partes das plantas, sendo os maiores valores obtidos para o 228Ra, o qual apresentou também o maior valor do fator de transferência. As plantas cultivadas no IPEN apresentaram valores inferiores de concentração dos radionuclídeos analisados quando comparados com as plantas cultivadas pelo produtor, pois estas foram cultivadas em potes com substrato orgânico e adição de fertilizante, cuja análise apresentou baixas concentrações dos radionuclídeos estudados. Baseados em dados da literatura nacional que estudou o fertilizante brasileiro, pode-se concluir, para as plantas do produtor, que o fertilizante exerce uma grande influência na concentração dos radionuclídeos estudados. / Brazil is the largest exporter and second largest producer of tobacco worldwide, according to the crop production of 2013/2014. The tobacco plant (Nicotiana tabacum L.) is used to manufacture all derivatives and the chemical composition of the resulting tobacco products varies with the type of tobacco leaves, how they are grown, the region where they are cultivated, the characteristics of preparation (compression, filter and paper) and the temperature variations resulting from the incomplete combustion of tobacco. Tobacco products are extensively used throughout the world, and the most consumed are cigarettes, cigars and narghile. The damaging effects that these products cause to human health are discussed globally, and many surveys are performed with the aim of relating the use of these products with various illnesses. There is a lack of information about the radiological characterization of the tobacco plant both in international and Brazilian literature. The objective of this study was to determine the concentration of radionuclides 238U, 234U, 230Th, 226Ra, 210Pb and 210Po, members from the 238U decay series, and the radionuclides 232Th and 228Ra members of the 232Th decay series in the varieties Burley and Virginia, which are the most cultivated in Brazil. Plants from these varieties were cultivated in pots with organic substrate and fertilizer and also acquired from the producers and analyzed by alpha spectrometry for U and Th isotopes and 210Po determination, and gross alpha and beta counting, 228Ra, 226Ra and 210Pb determination. The whole plant, from both places, was analyzed; root, stem, leaves, as well as the organic substrate, the fertilizers, and the soil. The results for U and Th isotopes presented values below the detection limits of the methods to the leaves and stems of all plants analyzed, with measurable results only in roots, soil, and substrate. The radionuclides 226Ra, 228Ra, 210Pb, and 210Po, were determined in most parts of the plants, with the highest values obtained for 228Ra, which also had the highest value of the transfer factor. Plants grown at IPEN showed lower concentration of radionuclides analyzed when compared with plants grown by the producer, as these were grown in pots with organic substrate and addition of fertilizer, whose analysis showed low concentrations of radionuclides studied. Based on data from national literature who studied the Brazilian fertilizer, it can be concluded, to the plants from the producer, the fertilizer has a great influence in the concentration of radionuclides studied.

O carvão ativado é um tipo comum de rejeito radioativo que contém elevada concentração de produtos de ativação e fissão. O gerenciamento deste rejeito inclui a sua caracterização, visando à determinação e quantificação dos radionuclídeos específicos, incluindo aqueles conhecidos como Radionuclídeos de Difícil Medição (RDM). A análise dos RDMs geralmente envolve análises radioquímicas complexas para purificação e separação dos radionuclídeos, as quais são caras e demandam muito tempo. O objetivo deste trabalho foi definir uma metodologia de análise sequencial de isótopos de urânio, netúnio, plutônio, amerício e cúrio, presentes em um tipo de rejeito radioativo, avaliando-se rendimento químico, tempo de análise, quantidade de rejeito secundário gerado e custo. Foram comparadas e validadas três metodologias que empregam a troca iônica (TI + EC), extração cromatográfica (EC) e extração com polímeros (ECP). O rejeito estudado foi o carvão ativado, proveniente do sistema de purificação de água do circuito primário de refrigeração do reator IEA-R1. As amostras de carvão foram dissolvidas por digestão ácida, seguida de purificação e separação dos isótopos com resinas de troca iônica, extração cromatográfica e extração com polímeros. Os isótopos foram analisados em um espectrômetro alfa, equipado com detectores de barreira de superfície. O rendimento químico de todos os elementos foi satisfatório para os métodos TI + EC e EC. Para o método ECP, apenas o rendimento químico do U foi comparável aos outros métodos. As análises estatísticas dos resultados bem como a análise de custo e volume de rejeito secundário gerado demonstraram que o método EC é o mais adequado para a identificação e quantificação dos isótopos estudados em carvão ativado. / Activated charcoal is a common type of radioactive waste that contains high concentrations of fission and activation products. The management of this waste includes its characterization aiming the determination and quantification of the specific radionuclides including those known as Difficult-to-Measure Radionuclides (RDM). The analysis of the RDM\'s generally involves complex radiochemical analysis for purification and separation of the radionuclides, which are expensive and time-consuming. The objective of this work was to define a methodology for sequential analysis of the isotopes of uranium, neptunium, plutonium, americium and curium present in a type of radioactive waste, evaluating chemical yield, analysis of time spent, amount of secondary waste generated and cost. Three methodologies were compared and validated that employ ion exchange (TI + EC), extraction chromatography (EC) and extraction with polymers (ECP). The waste chosen was the activated charcoal from the purification system of primary circuit water cooling the reactor IEA-R1. The charcoal samples were dissolved by acid digestion followed by purification and separation of isotopes with ion exchange resins, extraction and chromatographic extraction polymers. Isotopes were analyzed on an alpha spectrometer, equipped with surface barrier detectors. The chemical yields were satisfactory for the methods TI + EC and EC. ECP method was comparable with those methods only for uranium. Statistical analysis as well the analysis of time spent, amount of secondary waste generated and cost revealed that EC method is the most effective for identifying and quantifying U, Np, Pu, Am and Cm present in charcoal.

O fertilizante fosfatado brasileiro é obtido pela reação por via úmida da rocha fosfática de origem ígnea com ácido sulfúrico concentrado, obtendo como produto final, o ácido fosfórico e como resíduo, o fosfogesso, que é estocado em pilhas, a céu aberto, junto às instalações produtoras. Parte do fosfogesso vem sendo utilizada na agricultura como condicionador de solos, devido a sua alta solubilidade, podendo melhorar a estrutura do solo, reduzir a erosão do solo, aumentar os níveis de enxofre e fósforo disponíveis e melhorar a composição dos fertilizantes. Mas a presença de radionuclídeos e metais no fosfogesso impõem restrições sobre o uso na agricultura. Para garantir uma utilização segura, é importante estimar a lixiviação dos radionuclídeos e metais presente no fosfogesso. O objetivo deste trabalho foi estudar a disponibilidade dos radionuclídeos relevantes do ponto de vista radiológico (238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb e 210Po) e dos metais (As, Cd, Cr, Ni, Se, Hg e Pb) presentes no fosfogesso de procedência brasileira, levando em consideração sua aplicação em solo agricultável. Para esta finalidade, foi desenvolvido um protocolo experimental em escala de laboratório, no qual colunas foram preenchidas com misturas de solos arenosos e argilosos típicos brasileiros condicionados com fosfogesso. A essas colunas foi adicionada água, a fim de se alcançar uma extração branda desses elementos. Foi implantado um procedimento analítico para a determinação sequencial dos radionuclídeos de interesse na solução obtida na lixiviação. As frações disponíveis foram obtidas utilizando-se a razão entre as concentrações dos radionuclídeos no lixiviado e as concentrações dos radionuclídeos nas amostras de solo, solo condicionado com fosfogesso e fosfogesso. Os valores de concentração dos radionuclídeos 238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb e 210Po obtidos no fosfogesso das duas procedências variaram de 86 Bq kg-1 a 352 Bq kg-1. As concentrações de 226Ra e 228Ra obtidas no fosfogesso ficaram abaixo do limite máximo permitido pela resolução da Comissão Nacional de Energia Nuclear, atendendo às condições necessárias para o seu uso na agricultura. Os resultados obtidos para os metais As, Cd, Cr, Ni, Pb, Se e Hg no fosfogesso foram inferiores ao limite máximo para condicionador de solo e para fertilizantes estabelecidos pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, atendendo às condições necessárias para o seu uso na agricultura. Os radionuclídeos 226Ra, 210Pb, 210Po e 228Ra apresentaram frações disponíveis nos solos e solos condicionados com fosfogesso variando de 0,05% a 1,2%; para o 238U e 232Th as frações disponíveis apresentaram valores inferiores a 0,05%. Os metais apresentaram frações disponíveis nos solos e solos condicionados com fosfogesso variando de 0,05% a 1,07%. Os resultados obtidos para a fração disponível de metais e radionuclídeos no solo condicionado com fosfogesso demostraram que mesmo utilizando concentrações de fosfogesso dez vezes acima da dose recomendada, a disponibilização foi desprezível. Pode-se concluir que a utilização do fosfogesso como condicionador de solos é viável, no que concerne a disponibilidade dos metais e radionuclídeos estudados. / The Brazilian phosphate fertilizer is obtained by wet reaction of the igneous phosphate rock with concentrated sulphuric acid, giving as final product, phosphoric acid, and dehydrated calcium sulphate (phosphogypsum) as by- product. The phosphogypsum is stored in stacks at open air. Part of this phosphogypsum has been used in agriculture as soil amendment, mainly due to the characteristics of CaSO4, which improves the root penetration in soil. It provides calcium in the soil depth, reduces the aluminium saturation, contributes to the deepening of the plant root system and favours the absorption of water and nutrients. However, the presence of radionuclides and metals put restrictions on the use of phosphogypsum in agriculture. To assure a safe application of phosphogypsum, it is important to estimate the lixiviation of radionuclides and metals present in phosphogypsum. The main objective of this thesis is to study the availability of natural radionuclides, important in terms of radiological protection (238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb and 210Po), and metals (As, Cd, Cr, Ni, Se, Hg and Pb), present in the Brazilian phosphogypsum used in agriculture. For this purpose, an experimental protocol was conducted in the laboratory, in which columns filled with Brazilian typical sandy and clay soils and phosphogypsum were percolated with water, to achieve a mild extraction of these elements. The availability of the radionuclides and metals was evaluated by measuring the total concentration in the soil amended with phosphogypsum and the concentration in the leachate, to establish the ratio between the available fraction and the total one. An experimental procedure was established for the sequential determination of the radionuclides in the leachate. The concentration of the radionuclides 238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb and 210Po in phosphogypsum from the two provenances varied from 86 Bq kg-1 to 352 Bq kg-1. The concentration of the radionuclides 226Ra and 228Ra showed compliance with the limits adopted by Comissão Nacional de Energia Nuclear, for the safe use of phosphogypsum in agriculture. The concentration of As, Cd, Cr, Ni, Se, Hg and Pb in phosphogypsum were below the limits adopted by Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, for the safe use of phosphogypsum in agriculture. The available fractions of the radionuclides 226Ra, 210Pb, 210Po and 228Ra in soils and soil amended with phosphogypsum varied from 0.05% to 1.2%. For 238U and 232Th, the available fractions were lower than 0.05%. The metals showed available fractions in soils and soil amended with phosphogypsum from 0.05% to 1.07%. The results obtained for the concentration of the radionuclides and metals in the available fractions were low; giving evidence that, even when these elements are present in the phosphogypsum, they do not contribute to an enhancement of their content in water. It can be concluded that the utilization of Brazilian phosphogypsum as soil amendment is viable, concerning the availability of the metals and radionuclides studied.

Dentre os diversos agentes existentes no meio ambiente que podem nos expor a diferentes riscos e efeitos, há a radiação ionizante cujo conhecimento da dose é de importância para o efetivo controle e prevenção dos seus possíveis danos aos seres humanos e ao ambiente. A transferência de radionuclídeos dos adubos para/e dos solos para os alimentos podem resultar em incremento na dose interna ao serem consumidos pelo ser humano. Este trabalho avalia a contribuição dos fertilizantes para o aumento da dose de radiação ionizante no meio ambiente e no ser humano. Amostras de fertilizantes, de solos e de hortaliças produzidas em solos adubados foram analisadas através da espectrometria gama com o uso de um detector semicondutor de germânio hiperpuro. Medidas de dose ambiente também foram realizadas com dosímetros termoluminescentes. Nas amostras de solos adubados foram obtidos valores de atividades específicas de 36 a 342 Bq/kg para K-40, de 42 a 142 Bq/kg para U-238 e de 36 a 107 Bq/kg para Th-232. Nas hortaliças os valores variaram de 21 a 118 Bq/kg para K-40 e para os elementos da série do urânio e tório os valores foram menores que 2 Bq/kg. Para fertilizantes o valor máximo obtido foi de 5800 Bq/kg para K-40, 430 Bq/kg para U-238 e 230 Bq/kg para Th-232. As médias dos valores de fator de transferência solo-planta não foram significativamente diferentes entre os tipos de hortaliças analisados. A dose efetiva comprometida anual de 0,882 µSv devido à ingestão de K-40 das espécies estudadas é bem pequena em relação ao valor de referência de 170 µSv dada pela United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR, 2000). A dosimetria termoluminescente forneceu valores de taxa de equivalente de dose ambiente anual entre 1,5 e 1,8 mSv, sem diferenças entre locais cultivados e não cultivados. Através dos resultados obtidos, não foi observada uma transferência significativa de radionuclídeos dos fertilizantes para os alimentos e para os solos nas condições adotadas neste trabalho e conseqüentemente não há incremento de dose de radiação devido à prática da adubação. / Among several agents that exist in the environment which can expose us to different risks and effects, there is the ionizing radiation whose knowledge of dose is of importance to the effective control and prevention of possible damages to human beings and to the environment. The transfer of radionuclides from fertilizers to/and soils to the foodstuffs can result as an increment in the internal dose when they are consumed by the human beings. This work evaluates the contribution of fertilizers to the ionizing radiation dose in the environment and in the human being. Samples of fertilizers, soils and vegetables produced in fertilized soils were analised through gamma spectrometry with the use of a hyperpure germanium detector. Measurements of ambient dose with thermoluminescent dosimeters were also performed. In the fertilized soil samples values of specific activities from 36 to 342 Bq/kg for K-40, from 42 to 142 Bq/kg for U-238 and from 36 to 107 Bq/kg for Th-232 were obtained. In the vegetables the values varied from 21 to 118 Bq/kg for K-40 and for the elements of uranium and thorium series the values were less than 2 Bq/kg. In fertilizers the maximum value of 5800 Bq/kg was obtained for K-40, 430 Bq/kg for U-238 and 230 Bq/kg for Th-232. The average values of soil to plant transfer factor were not significantly different among the types of vegetables. The annual committed effective dose of 0.882 µSv due to the ingestion of K-40 from the analised vegetables is very small if compared to the reference value of 170 µSv given by United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR, 2000). The thermoluminescent dosimetry provided the annual ambient dose equivalent from 1.5 to 1.8 mSv without differences between cultivated and non cultivated fields. Through the results obtained, it was not observed a significant transfer of radionuclides from fertilizers to soils and to foodstuffs in the conditions adopted in this work and consequentely there is no increment in the radiation dose due to the practice of fertilization

O Brasil é o maior exportador e o segundo maior produtor de tabaco do mundo, de acordo com a safra de 2013/2014. A planta de tabaco (Nicotiana tabacum L.) é usada na fabricação de todos os derivados e a composição química do tabaco varia de acordo com o tipo de folha, como foram cultivadas, a região do plantio, as características da preparação (compressão, filtro e papel) e a variação de temperatura resultante da combustão incompleta do tabaco. Os derivados do tabaco são os produtos comercializados mais consumidos no mundo, como por exemplo, o cigarro, o charuto e o narguilé. Os efeitos danosos que estes produtos causam a saúde humana são há anos intensivamente discutidos e muitos estudos são realizados mundialmente relacionando o uso dos derivados do tabaco com diversas doenças. Existe pouca informação a respeito da caracterização radiológica da planta de tabaco na literatura internacional e nacional. O objetivo deste trabalho foi determinar a concentração dos radionuclídeos 238U, 234U, 230Th, 226Ra, 210Pb e 210Po, membros da série de decaimento do 238U, e os radionuclídeos 232Th e 228Ra membros da série de decaimento do 232Th nas variedades Burley e Virginia, as quais são as mais cultivadas no Brasil. Estes radionuclídeos naturais foram determinados em plantas adquiridas de produtores da região Sul do Brasil e também em plantas dessas mesmas variedades cultivadas em vasos com substrato orgânico e fertilizante com o objetivo de verificar prováveis influências dos fertilizantes e defensivos agrícolas usados pelos produtores na concentração dos radionuclídeos determinados. Os isótopos de U e Th, além do 210Po foram determinados por espectrometria alfa, após separação radioquímica e os radionuclídeos 226Ra, 228Ra e 210Pb pela medida alfa e beta total, também após separação radioquímica. Todas as partes da planta foram analisadas: raízes, caules e folhas, bem como os substratos orgânicos, fertilizantes e solos usados nos cultivos. Os isótopos de U e Th apresentaram resultados abaixo dos limites de detecção dos métodos para as folhas e caules de todas as plantas analisadas, apresentando resultados mensuráveis apenas nas raízes, solo e substrato. Os radionuclídeos 226Ra, 228Ra, 210Pb e 210Po foram determinados na grande maioria das partes das plantas, sendo os maiores valores obtidos para o 228Ra, o qual apresentou também o maior valor do fator de transferência. As plantas cultivadas no IPEN apresentaram valores inferiores de concentração dos radionuclídeos analisados quando comparados com as plantas cultivadas pelo produtor, pois estas foram cultivadas em potes com substrato orgânico e adição de fertilizante, cuja análise apresentou baixas concentrações dos radionuclídeos estudados. Baseados em dados da literatura nacional que estudou o fertilizante brasileiro, pode-se concluir, para as plantas do produtor, que o fertilizante exerce uma grande influência na concentração dos radionuclídeos estudados. / Brazil is the largest exporter and second largest producer of tobacco worldwide, according to the crop production of 2013/2014. The tobacco plant (Nicotiana tabacum L.) is used to manufacture all derivatives and the chemical composition of the resulting tobacco products varies with the type of tobacco leaves, how they are grown, the region where they are cultivated, the characteristics of preparation (compression, filter and paper) and the temperature variations resulting from the incomplete combustion of tobacco. Tobacco products are extensively used throughout the world, and the most consumed are cigarettes, cigars and narghile. The damaging effects that these products cause to human health are discussed globally, and many surveys are performed with the aim of relating the use of these products with various illnesses. There is a lack of information about the radiological characterization of the tobacco plant both in international and Brazilian literature. The objective of this study was to determine the concentration of radionuclides 238U, 234U, 230Th, 226Ra, 210Pb and 210Po, members from the 238U decay series, and the radionuclides 232Th and 228Ra members of the 232Th decay series in the varieties Burley and Virginia, which are the most cultivated in Brazil. Plants from these varieties were cultivated in pots with organic substrate and fertilizer and also acquired from the producers and analyzed by alpha spectrometry for U and Th isotopes and 210Po determination, and gross alpha and beta counting, 228Ra, 226Ra and 210Pb determination. The whole plant, from both places, was analyzed; root, stem, leaves, as well as the organic substrate, the fertilizers, and the soil. The results for U and Th isotopes presented values below the detection limits of the methods to the leaves and stems of all plants analyzed, with measurable results only in roots, soil, and substrate. The radionuclides 226Ra, 228Ra, 210Pb, and 210Po, were determined in most parts of the plants, with the highest values obtained for 228Ra, which also had the highest value of the transfer factor. Plants grown at IPEN showed lower concentration of radionuclides analyzed when compared with plants grown by the producer, as these were grown in pots with organic substrate and addition of fertilizer, whose analysis showed low concentrations of radionuclides studied. Based on data from national literature who studied the Brazilian fertilizer, it can be concluded, to the plants from the producer, the fertilizer has a great influence in the concentration of radionuclides studied.

O fertilizante fosfatado brasileiro é obtido pela reação por via úmida da rocha fosfática de origem ígnea com ácido sulfúrico concentrado, obtendo como produto final, o ácido fosfórico e como resíduo, o fosfogesso, que é estocado em pilhas, a céu aberto, junto às instalações produtoras. Parte do fosfogesso vem sendo utilizada na agricultura como condicionador de solos, devido a sua alta solubilidade, podendo melhorar a estrutura do solo, reduzir a erosão do solo, aumentar os níveis de enxofre e fósforo disponíveis e melhorar a composição dos fertilizantes. Mas a presença de radionuclídeos e metais no fosfogesso impõem restrições sobre o uso na agricultura. Para garantir uma utilização segura, é importante estimar a lixiviação dos radionuclídeos e metais presente no fosfogesso. O objetivo deste trabalho foi estudar a disponibilidade dos radionuclídeos relevantes do ponto de vista radiológico (238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb e 210Po) e dos metais (As, Cd, Cr, Ni, Se, Hg e Pb) presentes no fosfogesso de procedência brasileira, levando em consideração sua aplicação em solo agricultável. Para esta finalidade, foi desenvolvido um protocolo experimental em escala de laboratório, no qual colunas foram preenchidas com misturas de solos arenosos e argilosos típicos brasileiros condicionados com fosfogesso. A essas colunas foi adicionada água, a fim de se alcançar uma extração branda desses elementos. Foi implantado um procedimento analítico para a determinação sequencial dos radionuclídeos de interesse na solução obtida na lixiviação. As frações disponíveis foram obtidas utilizando-se a razão entre as concentrações dos radionuclídeos no lixiviado e as concentrações dos radionuclídeos nas amostras de solo, solo condicionado com fosfogesso e fosfogesso. Os valores de concentração dos radionuclídeos 238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb e 210Po obtidos no fosfogesso das duas procedências variaram de 86 Bq kg-1 a 352 Bq kg-1. As concentrações de 226Ra e 228Ra obtidas no fosfogesso ficaram abaixo do limite máximo permitido pela resolução da Comissão Nacional de Energia Nuclear, atendendo às condições necessárias para o seu uso na agricultura. Os resultados obtidos para os metais As, Cd, Cr, Ni, Pb, Se e Hg no fosfogesso foram inferiores ao limite máximo para condicionador de solo e para fertilizantes estabelecidos pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, atendendo às condições necessárias para o seu uso na agricultura. Os radionuclídeos 226Ra, 210Pb, 210Po e 228Ra apresentaram frações disponíveis nos solos e solos condicionados com fosfogesso variando de 0,05% a 1,2%; para o 238U e 232Th as frações disponíveis apresentaram valores inferiores a 0,05%. Os metais apresentaram frações disponíveis nos solos e solos condicionados com fosfogesso variando de 0,05% a 1,07%. Os resultados obtidos para a fração disponível de metais e radionuclídeos no solo condicionado com fosfogesso demostraram que mesmo utilizando concentrações de fosfogesso dez vezes acima da dose recomendada, a disponibilização foi desprezível. Pode-se concluir que a utilização do fosfogesso como condicionador de solos é viável, no que concerne a disponibilidade dos metais e radionuclídeos estudados. / The Brazilian phosphate fertilizer is obtained by wet reaction of the igneous phosphate rock with concentrated sulphuric acid, giving as final product, phosphoric acid, and dehydrated calcium sulphate (phosphogypsum) as by- product. The phosphogypsum is stored in stacks at open air. Part of this phosphogypsum has been used in agriculture as soil amendment, mainly due to the characteristics of CaSO4, which improves the root penetration in soil. It provides calcium in the soil depth, reduces the aluminium saturation, contributes to the deepening of the plant root system and favours the absorption of water and nutrients. However, the presence of radionuclides and metals put restrictions on the use of phosphogypsum in agriculture. To assure a safe application of phosphogypsum, it is important to estimate the lixiviation of radionuclides and metals present in phosphogypsum. The main objective of this thesis is to study the availability of natural radionuclides, important in terms of radiological protection (238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb and 210Po), and metals (As, Cd, Cr, Ni, Se, Hg and Pb), present in the Brazilian phosphogypsum used in agriculture. For this purpose, an experimental protocol was conducted in the laboratory, in which columns filled with Brazilian typical sandy and clay soils and phosphogypsum were percolated with water, to achieve a mild extraction of these elements. The availability of the radionuclides and metals was evaluated by measuring the total concentration in the soil amended with phosphogypsum and the concentration in the leachate, to establish the ratio between the available fraction and the total one. An experimental procedure was established for the sequential determination of the radionuclides in the leachate. The concentration of the radionuclides 238U, 232Th, 226Ra, 228Ra, 210Pb and 210Po in phosphogypsum from the two provenances varied from 86 Bq kg-1 to 352 Bq kg-1. The concentration of the radionuclides 226Ra and 228Ra showed compliance with the limits adopted by Comissão Nacional de Energia Nuclear, for the safe use of phosphogypsum in agriculture. The concentration of As, Cd, Cr, Ni, Se, Hg and Pb in phosphogypsum were below the limits adopted by Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, for the safe use of phosphogypsum in agriculture. The available fractions of the radionuclides 226Ra, 210Pb, 210Po and 228Ra in soils and soil amended with phosphogypsum varied from 0.05% to 1.2%. For 238U and 232Th, the available fractions were lower than 0.05%. The metals showed available fractions in soils and soil amended with phosphogypsum from 0.05% to 1.07%. The results obtained for the concentration of the radionuclides and metals in the available fractions were low; giving evidence that, even when these elements are present in the phosphogypsum, they do not contribute to an enhancement of their content in water. It can be concluded that the utilization of Brazilian phosphogypsum as soil amendment is viable, concerning the availability of the metals and radionuclides studied.