Environmental Carbon-14 Monitoring in Marine Ecosystems Near Nuclear Power Plants – A Methodological Intercomparison of Accelerator Mass Spectrometry, Liquid Scintillation Counting, and SCAR Spectroscopy

Abstract

Environmental monitoring of Carbon-14 around nuclear power plants (NPPs) has traditionally prioritized gaseous emissions, leaving waterborne liquid discharges unmonitored due to low nominal volumes (<0.5%) and analytical challenges using traditional techniques. However, liquid releases do not experience as effective dilution as gas releases, instead discharging directly into coastal ecosystems where Carbon-14 accumulates in marine organisms, raising localized specific activities above regional background levels. This thesis presents a methodological intercomparison evaluating three analytical technologies for marine monitoring: Accelerator Mass Spectrometry (AMS), Liquid Scintillation Counting (LSC), and laser-based Saturated-Absorption Cavity Ring-down Spectroscopy (SCAR).

Biological and environmental samples collected near the Ringhals NPP cooling water outlets were analyzed across five international facilities in Lund (Sweden), Debrecen (Hungary), Mangalore (India), Borås (Sweden), and Florence (Italy). The technologies were evaluated based on, for example, precision, sample throughput, investment costs, labor requirements, and automation.

Findings confirm that while AMS offers superior precision, its high capital costs make it impractical for routine industrial use. Traditional LSC has low investment barriers but suffers from throughput limitations due to intensive manual chemistry and long decay-counting times. The more recent addition to the market, SCAR spectroscopy, effectively bridges this gap; by analyzing carbon dioxide gas directly and eliminating graphitization, it delivers near-AMS precision, high automation, and rapid turnaround times for a fraction of the capital investment. The study concludes that routine liquid emission monitoring using automated systems like SCAR is fully justified under the ALARA principle to ensure transparency, public safety, and institutional trust.

Popular Abstract (Swedish)

Ny laserteknik gör det enkelt att övervaka radioaktivt kol i havsmiljöer

Idag mäts inte flytande utsläpp av kol-14 från kärnkraftverk, trots att isotopen anrikas i marina organismer. Ett nytt examensarbete visar att modern laserteknik kan göra övervakningen både billig och effektiv.

Kärnkraftverk släpper regelmässigt ut små mängder radioaktivt kol, så kallat kol-14. Eftersom kol är livets byggsten tas det snabbt upp av allt levande. I Sverige mäts sedan 2002 de gasformiga utsläppen i luften, men de flytande utsläppen som spolas ut med kylvattnet i havet mäts inte. Detta beror på att de utgör en mycket liten andel, mindre än 0,5%, av de totala nominella utsläppen och historiskt har varit svåra att analysera med traditionella metoder.

Men till skillnad från gaser i luften, som sprids och späds ut effektivt, hamnar de flytande utsläppen direkt i det lokala marina ekosystemet. Studier nära Ringhals kärnkraftverk visar att marina organismer som lever nära kylvattenutsläppet kan få halter av kol-14 som är flera gånger högre än den naturliga bakgrundsnivån. Att övervaka dessa utsläpp handlar om ren strålsäkerhet, men också om öppenhet och att allmänheten ska kunna känna förtroende för både kärnkraftsindustrin och tillsynsmyndigheter.

I detta examensarbete utvärderades tre olika mättekniker för att hitta en lämplig väg framåt för miljöövervakning av de flytande utsläppen av kol-14. Biologiska prover i form av blåmusslor, tång och rödspätta insamlade nära Ringhals analyserades vid fem olika laboratorier runtom i världen: i Lund, Borås, Ungern, Italien och Indien.

De tekniker som jämfördes var traditionell acceleratorbaserad masspektrometri (AMS), radioaktiv sönderfallsmätning (LSC) och en nyare laserteknik kallad SCAR-spektroskopi.

Resultaten bekräftar att den tekniskt avancerade partikelacceleratortekniken (AMS) erbjuder bäst precision, men dess enorma investeringskostnader gör den opraktisk för rutinmässig industrianvändning. Den äldre metoden (LSC) har lägre inköpskostnad men lider av begränsningar, särskilt om man vill uppnå hög precision, som stora provmägnder och hög tidsåtgång, såväl under mätningarna som under provförberedelsen. Den nya lasertekniken (SCAR) visar sig däremot överbrygga detta gap. Genom att analysera koldioxidgas direkt, och därmed korta ner provberedningstiden, levererar den de snabbaste svaren till högre precision än standard-LSC och till en bråkdel av kostnaden av AMS.

Arbetet drar slutsatsen att en rutinmässig mätning av flytande utsläpp med hjälp av automatiserade system som SCAR är möjlig och motiverad. Genom att införa detta kan industrin bättre leva upp till den grundläggande ALARA-principen, det vill säga att hålla stråldoser så låga som det bara är rimligt möjligt, och därmed säkerställa transparens och samhälleligt förtroende.

• author: Herceg, Kristian
• supervisor: Kristina Stenström; Karin Aquilonius
• organization: Particle and nuclear physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Carbon-14, 14C, Radioecology, Environmental monitoring, Accelerator Mass Spectrometry, Liquid Scintillation Counting, AMS, LSC, Saturated-Absorption Cavity Ring-Down Spectroscopy, SCAR
• language: English
• id: 9231973
• date added to LUP: 2026-06-12 09:27:28
• date last changed: 2026-06-12 09:27:28