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Cuantificación y modelización de parámetros de interacción de radionucleidos en suelos

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Universitat de Barcelona. Departament de Química Analítica

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[spa] El objetivo general de esta tesis ha sido la realización de un estudio crítico sobre la cuantificación y la predicción del coeficiente de distribución sólido-líquido (Kd) de radionucleidos en suelos del sur de Europa. La mayoría de los datos referidos a las Kd que se utilizan en los modelos de predicción de riesgo para la toma de decisiones, están construidos a partir de datos obtenidos en suelos próximos a la central nuclear de Chernóbil y en suelos de zonas de clima templado, los cuáles no presentan las mismas características que las que presentan los suelos del sur de Europa, y en concreto del territorio español, objeto del presente estudio. 
En una primera fase de la tesis, se obtuvieron los valores de Kd de radioestroncio y radiocesio en 30 suelos del territorio español, próximos a instalaciones radioactivas, incluyendo centrales nucleares. Estos suelos presentaron un mayor contenido de carbonatos y de arcillas y un menor contenido de materia orgánica respecto a los suelos de clima templado. La comparación de valores de Kd obtenidos confirmó que los mecanismos de interacción entre los radionucleidos y el suelo son comunes para suelos de climas templados y suelos del territorio español. 
Los modelos de predicción del impacto de una contaminación radioactiva pueden utilizar como información de entrada datos individuales de Kd o datos agrupados en función de unos parámetros predeterminados. El uso de criterios de agrupación inadecuados, junto con una gran diversidad de métodos y procedimientos existentes para la determinación del parámetro Kd, conlleva la propuesta de valores de Kd con intervalos de variabilidad de varios órdenes de magnitud, lo que repercute negativamente en los ejercicios de predicción. Por este motivo, en una segunda fase de la tesis se llevó a cabo un análisis crítico de valores de Kd de la literatura y de los criterios previamente utilizados para agrupar estos valores, y se redefinieron criterios de agrupación basados en aquellos factores que rigen la interacción de un determinado radionucleido en los suelos. En este contexto, se creó una nueva base de datos de sorción de radionucleidos en suelos, con más de 2900 entradas para 67 radionucleidos. La base de datos consta de 27 campos obligatorios, más algunos adicionales para ciertos radionucleidos. A partir de la información incluida en la base de datos, se revisaron los criterios para el agrupamiento de los valores de Kd. 
Finalmente se desarrollaron modelos de predicción de Kd de radiocesio y radioestroncio a partir de propiedades de suelos, tanto mecanísticos como basados en análisis multivariante. En el caso de radioestroncio, se propuso un modelo mecanístico simple basado sólo en la capacidad de intercambio catiónico y la concentración de Ca y Mg en la solución de suelo, con una varianza explicada del 75% y predicción sin sesgo (pendiente próxima a la unidad). Para radiocesio se propuso un modelo mecanístico sencillo basado únicamente en RIPK, K intercambiable y concentración de K en la solución de suelo, con una varianza explicada del 80% y una pendiente próxima a la unidad. También se evaluó un modelo simplificado sustituyendo la variable RIPK por sus correlaciones con el contenido y el tipo de arcillas, siendo la varianza explicada superior al 55%, por lo que puede considerarse un modelo alternativo adecuado, con la ventaja de no ser necesaria la determinación de parámetros de suelo específicos como el RIP.
Para el desarrollo de los modelos multivariantes, el uso de la Regresión por Mínimos Cuadrados Parciales (Partial Least Squares Regression, PLS) permitió identificar los parámetros clave para predecir los valores de Kd. Los modelos de predicción no variaron significativamente en función del conjunto de datos utilizado llegándose a explicar el 80% de la varianza acumulada de Kd(Sr) con 3 componentes principales, y de Kd(Cs) con cuatro componentes principales. La validación externa de los modelos PLS confirmó su capacidad de predicción de los valores Kd(Sr) y Kd(Cs) a partir de propiedades de suelo, con un porcentaje de varianza explicada de hasta el 85% y sin sesgo.

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[eng] The main objective of this thesis was to perform a critical study on the quantification and prediction of the solid-liquid distribution coefficient (Kd) of radionuclides in soils of southern Europe. Most of the Kd values used in risk assessment models are constructed from data obtained in soils near the Chernobyl nuclear power plant and in temperate climate zones, which do not have the same characteristics as the soils of southern Europe, specifically Spain.
As a first stage of the thesis, Kd values of Sr and Cs (radioactive isotopes) were obtained in 30 Spanish soils near radioactive facilities and nuclear power plants. Most of these soils have higher carbonate and clay contents and lower organic matter content than soils from temperate zones. The ranges of Kd values obtained confirmed common radionuclide-soil interaction mechanisms for Spanish soils and soils from temperate areas.
In a second phase, a critical analysis of literature data on Kd was carried out and an updated database was created, with 2,900 entries for 67 radionuclides. Based on the information included in the database, more appropriate criteria were defined to group soils according to the factors governing the interaction of a given radionuclide in soils.
Finally, we developed mechanistic models and models based on multivariate analysis to predict the Kd values of Sr and Cs from soil properties. In the case of Sr, a simple mechanistic model based solely on CIC and the concentration of Ca and Mg in the soil solution was proposed, with an explained variance of 75%. For Cs, a simple mechanistic model based solely on RIPK, exchangeable K and K concentration in the soil solution was proposed, with an explained variance of 80%.
Regarding the multivariate soft-models (Partial Least Squares Regression, PLS), 3 principal components explained 80% of the cumulative variance of Kd (Sr), while in the case of Kd (Cs), 4 principal components were required. The external validation of the PLS models confirmed the use of soft-modelling as a powerful tool for predicting Kd values of these radionuclides from soil parameters.

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cc by (c) Gil García, Carlos Javier, 2024

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Tesis Doctorals - Departament - Química Analítica

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Cuantificación y modelización de parámetros de interacción de radionucleidos en suelos