Nghiên cứu xác định hệ số cân bằng phóng xạ, hệ số eman hóa quặng urani trong cát kết vùng trũng nông sơn

Nguyễn Văn Phóng BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CÂN BẰNG PHÓNG XẠ, HỆ SỐ EMAN HÓA QUẶNG URANI TRONG CÁT KẾT VÙNG TRŨNG NÔNG SƠN LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHÁT XẠ HIẾM Chủ nhiệm đề tài

Cơ quan chủ trì: Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm Chủ nhiệm đề tài: ThS Vũ Văn Bích

8730

17/6/2011

HÀ NỘI, NĂM 2010

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM

LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHẤT XẠ HIẾM

Tác giả: ThS Vũ Văn Bích

TS Nguyễn Văn Nam

KS Trần Thiên Nhiên ThS Nguyễn Thái Sơn

KS Nguyễn Văn Phóng

BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CÂN BẰNG PHÓNG

XẠ, HỆ SỐ EMAN HÓA QUẶNG URANI TRONG CÁT KẾT VÙNG TRŨNG NÔNG SƠN

LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHÁT XẠ HIẾM Chủ nhiệm đề tài

ThS Vũ Văn Bích

Hà Nội,NĂM 2010

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 34

PHẦN 1: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CÂN BẰNG PHÓNG XẠ, 35

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 35

1.1 Hiện tượng phóng xạ 35

1.2 Các thông số đặc trưng cho quá trình phóng xạ: 35

1.3 Dãy phóng xạ tự nhiên 36

1.4 Cân bằng phóng xạ 37

1.5 Cân bằng phoáng xạ giữa Urani (U) và Radi (Ra) 39

1.6 Hệ số eman hóa 40

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA VẬT LÝ VÀ KHOÁNG HÓA 42

2.1 Đặc điểm địa chất và khoáng hóa Urani trũng Nông Sơn 42

2.2 Một số vấn đề liên quan đến đề tài và chưa được giải quyết 43

PHẦN 2 : XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CÂN BẰNG PHÓNG XA,HỆ SỐ EMAN HÓA 46

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CÂN BẰNG GIỮA RADI VÀ URANI 46

3.1 Sự mất cân bằng phóng xạ giữa Radi và Urani trong tự nhiên 46

3.2 Ảnh hưởng của sự mất cân bằng phóng xạ 46

3.3 Các phương pháp xác định hệ số cân bằng phóng xạ 47

3.4 Xác định hàm lượng rađi bằng phương pháp hóa phóng xạ 49

3.5 Xác định hàm lượng Radi bằng phương pháp đo phổ gamma 66

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ EMAN HÓA 79

4.1 Ảnh hưởng của sự eman hóa 79

4.2 Xác định hệ số eman hóa thực địa 80

4.3 Xác định hệ số eman trong phòng 84

CHƯƠNG 5: TỔ CHỨC THỰC HIỆN VÀ GIÁ TRỊ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 95

5.1 Thời gian thực hiện 95

5.2 Tình hình sử dụng lao động 95

5.3 Tình hình thực hiện chỉ tiêu pháp lệnh 95

5.4 Khối lượng và giá trị đã thực hiện 97

KẾT LUẬN ……….109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

MỞ ĐẦU

Cân bằng phóng xạ và eman hóa là hai nội dung chuyên sâu đối với ngành phóng

xạ Việc hiểu rõ bản chất và xác định được hệ số cân bằng phóng xạ và hệ số eman hóa là những yếu tố rất quan trọng và có ý nghĩa thiết thực, để hiệu chỉnh các phép đo phóng xạ ngoài thực địa và phân tích mẫu phóng xạ trong phòng

Xuất phát từ yêu cầu phục vụ kịp thời nhiệm vụ thăm dò urani ở vùng trùng Nông Sơn, với kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu và tìm kiếm, thăm dò quặng phóng xạ và năng lực hiện nay của đội ngũ cán bộ kỹ thuật, Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm được Bộ Tài

nguyên và Môi trường giao cho thực hiện đề tài "Nghiên cứu xác định hệ số cân bằng

phóng xạ, hệ số eman hóa quặng Urani trong cát kết vùng trũng Nông Sơn" thông qua

hợp đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ số 06-ĐC-09/HĐKHCN ngày 08/5/2009

Báo cáo này tổng kết các kết quả lao động, nghiên cứu của các cán bộ kỹ thuật Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm trong 2 năm và các kết quả trước đó về lĩnh vực hệ số eman hóa và hệ số cân bằng phóng xạ Thông qua việc thực hiện đề tài, cán bộ kỹ thuật của Liên đoàn đã nâng cao sự hiểu biết về lĩnh vực chuyên sâu của phóng xạ, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tiễn và tương lai của ngành

Nội dung của báo cáo gồm các phần chính:

Phần 1- Cơ sở khoa học xác định hệ số cân bằng phóng xạ, hệ số eman hoá

Chương 1 Cơ sở lý thuyết

Chương 2 Đặc điểm địa chất, địa vật lý và khoáng hóa Urani vùng trũng Nông Sơn

Phần 2- Xác định hệ số cân bằng phóng xạ, hệ số eman hoá vùng trũng Nông Sơn

Chương 3 Xác định hệ số cân bằng phóng xạ giữa Urani và Radi

Chương 4 Xác định hệ số eman hóa

Chương 5 Tổ chức thực hiện và khối lượng, giá trị thực hiện đề tài

Thực hiện đề tài này tập thể các cán bộ kỹ thuật của Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm: ThS Vũ Văn Bích (Chủ nhiệm đề tài), TS Nguyễn Văn Nam, KS Trần Thiên Nhiên, ThS Nguyễn Thái Sơn, KS Phạm Duy Ái, KS Hoàng Hữu Ước, KS Nguyễn Quang Vinh, KS Trần Văn Triển… KS Nguyễn Văn Phóng (Trung tâm nghiên cứu phát triển

công nghệ môi trường) Chúng tôi cũng nhận được sự quan tâm của cán bộ lãnh đạo, quản

lý của Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm, các nhà khoa học, nhà giáo thuộc trường đại học Mỏ

và Đia chất Hà Nội, cán bộ kỹ thuật, quản lý của Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Liên đoàn Vật lý - Đia chất…

Nhân dịp này, tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hợp tác đã dành cho chúng tôi

PHẦN 1: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CÂN BẰNG PHÓNG XẠ,

HỆ SỐ EMAN HÓA CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Hiện tượng phóng xạ

Phóng xạ là hiện tượng các hạt nhân nguyên tử tự động phát ra các bức xạ (còn gọi

là tia phóng xạ) và biến đổi thành hạt nhân khác Sự biến đổi đó gọi là phân rã phóng xạ Hiện tượng phóng xạ không phụ thuộc vào môi trường bên ngoài, không phụ thuộc và nhiệt độ, áp suất

Trong tự nhiên, có 3 loại tia phóng xạ chính:

- Tia anpha (α): thực chất tia anpha là hạt nhân của nguyên tử hêli 24He (khối lượng bằng 4 đơn vị, mang hai điện tích dương p) Vận tốc hạt anpha cao nhất lúc phát ra khoảng 107m/s Do có khối lượng lớn nên hạt anpha có năng lượng lớn và trong quá trình xuyên qua vật chất, nó có thể ion hóa rất mạnh các hạt nhân của nguyên tố khác và do vậy mất năng lượng nhanh chóng Tia anpha chỉ đi được khoảng 3÷10cm trong không khí bình thường (Bảng 1.1)

- Tia bêta (β): thực chất tia bêta là hạt điện tử (electron âm) là chủ yếu và một

phần rất nhỏ là hạt pôzitron (gọi là electron có điện tích dương hoặc bêta cộng) Vận tốc hạt bêta rất cao, xấp xỉ vận tốc ánh sáng, tuy nhiên mức độ ion hóa không mạnh lắm và quãng đường đi được trong không khí không lớn (khoảng trên 1m)

- Tia gamma (γ): là các sóng điện từ, có bước sóng rất ngắn, thực chất là các hạt

photon có năng lượng cao Tia gamma không mang điện, không có khối lượng và khả năng đâm xuyên rất lớn, đến hàng trăm mét trong không khí hoặc vài chục cm đất đá

1.2 Các thông số đặc trưng cho quá trình phóng xạ:

* Chu kỳ bán rã T (chu kỳ bán phân hủy) của một chất phóng xạ là thời gian để một nửa (1/2) số nguyên tử của chất đó bị phân rã phóng xạ thành chất khác Ví dụ: hạt nhân nguyên tử Urani (U238) có T=4,5.109 năm, nghĩa là cứ sau thời gian 4,5.109 năm thì

số lượng nguyên tử (khối lượng) của U238 bị phân rã còn một nửa Hạt nhân nguyên tử Thori (Th232) có T=14.109 năm

* Hằng số phân hủy: gọi No là khối lượng ban đầu của một chất phóng xạ, Nt là khối lượng còn lại của chất đó sau thời gian t Khi đó, người ta xác định được công thức:

Nt = No e-λt (1.1) Trong đó :

e là số tự nhiên, e=2,71

λ gọi là hằng số phân hủy và λ = 0,693/T

Bảng 1.1 Đặc tính vật lý của các tia phóng xạ

Khối lượng

Tốc độ

Dưới 107m/s (phụ thuộc vào năng lượng)

Xấp xỉ tốc độ ánh sáng Tốc độ ánh sang

Khả năng

đâm xuyên

3-10 cm trong không khí

Khoảng 1m trong không khí

Hàng trăm mét trong không

Trong quá trình phân rã phóng xạ, các nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ có

thể phát ra các tia phóng xạ: anpha, bêta, gamma và tạo thành nguyên tử của nguyên tố

mới Bản thân các nguyên tố vừa sinh ra này cũng có thể lại là nguyên tố phóng xạ và lại

phát ra các tia phóng xạ và sinh ra các nguyên tố khác

Quá trình đó cứ diễn ra cho đến khi nguyên tố sinh ra là nguyên tố bền vững,

không bị phân hủy phóng xạ

Đó là dãy phân rã phóng xạ Dãy phân rã phóng xạ bao gồm một dãy các nguyên

tố phóng xạ là sản phẩm phân rã từ một nguyên tố phóng xạ ban đầu (nguyên tố mẹ) đến

nguyên tố bền vững cuối cùng Trong tự nhiên, có 3 dãy phân rã phóng xạ: Actini (Actinouran), Urani và Thori

Dãy phân rã phóng xạ actini (U235): Hạt nhân U235 (có số thứ tự trong bảng

tuần hoàn Z=92) trải qua 11 lần phân rã phóng xạ, cuối cùng trở thành đồng vị chì bền

vững Pb207 (Z=82) Trong dãy này, có Actinon là khí phóng xạ với chu kỳ bán rã rất

ngắn (T = 3,96 giây) nên ít có tác dụng thực tế trong tìm kiếm, thăm dò phóng xạ

Dãy phân rã phóng xạ Urani (U238): Hạt nhân U238, qua 14 lần phân rã, trở

thành đồng vị chì bền vững Pb206 Trong dãy này, có nguyên tố Radi (Ra226) với chu kỳ

bán rã là 1602 năm, sau đó là khí phóng xạ Radon, với chu kỳ bán rã T = 3,82 ngày Radon là đối tượng khảo sát để tìm kiếm thăm dò quặng phóng xạ, phát hiện cấu trúc địa

chất và nó cũng là nguyên tố gây ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe con người

Dãy phân rã phóng xạ thori (Th232): Với Th232 (Z=90), qua 10 lần phân rã, trở

thành đồng vị chì bền vững Pb208 Trong dãy này, có nguyên tố thoron là khí phóng xạ,

chu kỳ bán rã T = 55,6 giây

Ngoài ra, trong tự nhiên còn có Kali (K40, chiếm 0,0118% Kali tự nhiên) không có dãy phân rã phóng xạ, nó có thể phát ra tia bêta để trở thành Ca40 (chiếm 89% số phân rã của K40) hoặc bắt 1 hạt bêta trong quỹ đạo của nó để trở thành Ar40 và phát ra tia gamma (chiếm 11%) với năng lượng 1,46MeV

Hình 1.1 dưới đây là sơ đồ 3 dãy phân huỷ phóng xạ nêu trên và các bức xạ của

số hạt nhân của đồng vị con Tương ứng, gọi λ1 và λ2 là hằng số phân huỷ của đồng vị mẹ

và đồng vị con Khi đó, tốc độ phân huỷ của đồng vị mẹ và con sẽ là λ1N1 và λ2N2 Do vậy, tốc độ tích luỹ của đồng vị con theo thời gian t sẽ là:

1 1 2

t t

o e e

N

λ λ

e− λ 1 − − λ 2 ≈ − λ 1Thay vào công thức (1.2) và chú ý là N1 = No1e-λ1t:

1 2

1 1

2 1

1

2 2

λ λ

λ λ

λ

−

=

N N

Hình 1.1 Sơ đồ dãy phóng xạ tự nhiên

Biểu thức (1.3) cho thấy, tỷ số tốc độ phân rã của 2 đồng vị mẹ và con là một hằng

Đó là cân bằng bền hay gọi đơn giản là cân bằng phóng xạ

Xét trường hợp, nếu có n đồng vị phóng xạ liên tiếp, thì khi thiết lập được trạng thái cân bằng bền của cả dãy, có thể biểu diễn bằng biểu thức:

λ1N1 = λ2N2 = … = λnNn Suy ra, đối với đồng vị thứ k bất kỳ:

1

1

T N

Người ta tính được thời gian để đạt đến trạng thái cân bằng bền đó là khoảng bằng

10 lần chu kỳ bán rã (10T) của đồng vị con sống lâu nhất trong dãy (không kể đồng vị mẹ) Đối với dãy U238, thời gian đạt trạng thái cân bằng bền là khoảng 8.105 năm (coi U238 và U234 là cân bằng) Còn dãy Th232 là khoảng 70 năm

1.5 Cân bằng phoáng xạ giữa Urani (U) và Radi (Ra)

Căn cứ các biểu thức cân bằng phóng xạ, có thể tính lượng cân bằng của các nguyên tử của bất kỳ đồng vị nào trong dãy đã cho

Nhân cả tử số và mẫu số của (1.5) với A1.Ak/(A1.Ak), trong đó A1, Ak tương ứng là khối lượng nguyên tử của hạt nhân thứ 1 và k, ta được:

1 1

A A N

1.

.

T

T A

A A N

A m

k

k =

Từ đó rút ra:

1 1 1

.m

A T

A T

k = (1.6)

Từ công thức (1.6) có thể tính được số gam Ra cân bằng với 1 gam U238:

238 10

47 , 4

226 1602

=

U

Ra cb

ra sự mất cân bằng phóng xạ giữa Radi và Urani hay gọi đơn giản là sự mất cân bằng phóng xạ

Xác định hệ số cân bằng phóng xạ giữa Radi và Urani là một trong 2 nhiệm vụ chính của đề tài này

1.6 Hệ số eman hóa

Trong 3 dãy phóng xạ nêu trên, đều có sản phẩm phân rã là chất khí phóng xạ Với dãy Urani, đó là khí Radon (Rn222) Sau khi hình thành do quá trình phân rã, các chất khí đó có thể

bị giữ lại trong vật thể mẹ (mẫu hoặc quặng phóng xạ…), hoặc thoát ra ngoài môi trường

Sự thoát khí phóng xạ ra khỏi vật thể mẹ gọi là sự eman hóa

Để đánh giá mức độ eman hóa, người ta sử dụng khái niệm hệ số eman hóa

Hệ số eman hóa (Kem) là tỷ số giữa lượng khí Radon thoát ra khỏi mẫu (Radon tự

do - NRntd) và toàn bộ lượng Radon (NRn) tích luỹ được trong cùng thời gian

Hệ số eman hóa thường tính bằng phần trăm, theo công thức:

%100

Rn

Rntd em

tính phóng xạ, có ảnh hưởng đến phương pháp phân tích trong phòng và đo phóng xạ thực địa

Lưu ý rằng, hệ số eman hóa trong phòng và thực địa có giá trị khác nhau Hệ số eman hoá trong phòng là giá trị thu được khi tính toán với số liệu đo trên mẫu Còn hệ số eman hóa thực địa là giá trị thu được khi tính toán với số liệu đo trên đối tượng quặng phóng xạ và địa chất ngoài thực tế

Giá trị Kem phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá, độ rỗng của đá, độ hạt của mẫu phân tích, bản chất vật chất và độ ẩm của mẫu, của đất đá

Do có sự eman hóa, một phần khí phóng xạ bị thoát ra khỏi vật thể quặng hoặc mẫu đo, làm mất cân bằng phóng xạ trong dãy Điều đó dẫn đến cường bộ bức xạ ghi nhận được bị giảm đi, làm sai lệch kết quả tính toán, đánh giá hàm lượng quặng phóng xạ

Việc xác định hệ số eman hóa trong phóng và thực tế là một trong hai nhiệm vụ chính của đề tài này

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA VẬT LÝ VÀ KHOÁNG HÓA

URANI VÙNG TRŨNG NÔNG SƠN 2.1 Đặc điểm địa chất và khoáng hóa Urani trũng Nông Sơn

Theo kết quả nghiên cứu, tìm kiếm và thăm dò của Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm và các Liên đoàn khác, bồn trũng Nông Sơn chủ yếu được lấp đầy bởi các trầm tích lục nguyên, tuổi Trias Xung quanh và trong trũng Nông Sơn là các đá xâm nhập và phun trào

có thành phần axit, có hàm lượng nguyên tố phóng xạ tương đối cao (cường độ phóng xạ

đo được từ vài chục đến hàng trăm gamma) Đó cũng là nguồn cung cấp Urani chủ yếu để hình thành các mỏ Urani của trũng Nông Sơn

Đá chứa quặng Urani vùng trũng Nông Sơn bao gồm các đá màu xám và xám tím xen kẽ: sạn kết, cát sạn kết, cát kết hạt thô, cát kết hạt trung, cát kết hạt nhỏ và ít hơn có bột kết Trong đó, cát kết hạt trung đến thô là chủ yếu Về màu sắc, các đá chứa quặng chủ yếu có màu xám, xám đen và loang lổ, xen kẽ màu tím-xám Kết quả xử lý thống kê

610 mẫu phân tích hoá U3O8 được lấy từ các lớp đá chứa quặng trong khu Pà Rồng (kể cả phần trên mặt và dưới sâu) được thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Kết quả xử lý thống kê hàm lượng Urani trong các loại đá khu Pà Rồng

Hàm lượng U3O8 (%) Loại đá

Tổng

số

Trung bình

Độ lệch chuẩn

Hệ số biến thiên (%)

Tỷ lệ phân bố (%)

Cát kết hạt nhỏ 181 0,006 0,327 0,057 0,047 83,2 29,6 Cát kết hạt trung 208 0,007 0,525 0,071 0,089 125,8 34,9 Cát kết hạt thô 166 0,006 1,43 0,104 0,15 144,57 27,2

Từ bảng trên cho thấy có sự khác biệt về độ chứa quặng Urani trong các loại đá khác nhau Quặng hoá Urani tồn tại chủ yếu trong đá cát kết hạt thô đến hạt trung Với các số liệu trên cho thấy quan hệ giữa hàm lượng Urani và cấp hạt của đá phù hợp với quy luật chung của trầm tích thấm đọng

Các kết quả nghiên cứu thành phần vật chất quặng trước đây cho thấy, trong trũng Nông Sơn có các khoáng vật Urani nguyên sinh và thứ sinh:

- Nhóm khoáng vật Urani nguyên sinh bao gồm: nasturan, coffinit

- Nhóm khoáng vật Urani thứ sinh bao gồm: uranofan, soddyit, uranoxiaxit - metauranoxiaxit, autunit, metaautunit và metaautunit ngậm nước, fotfUranilit và basnesit

- Các khoáng vật đi cùng gồm: các khoáng vật sulfur (pyrit, maccazit, galenit, sphalerit), các khoáng vật nhóm oxyt, hydroxyt sắt và mangan

2.2 Một số vấn đề liên quan đến đề tài và chưa được giải quyết

Trong các đề án và đề tài nghiên cứu đã thực hiện ở trũng Nông Sơn, vấn đề cân bằng phóng xạ và hệ số eman hóa luôn được quan tâm đến

Tại khu Khe Hoa-Khe Cao, đã phân tích 168 mẫu cân bằng phóng xạ, cho thấy hệ

số cân bằng phóng xạ giữa Ra và U trung bình là 95,4%

Hệ số cân bằng phóng xạ khu Pà Lừa được thể hiện ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Thống kê kết quả phân tích cân bằng phóng xạ Pà Lừa

Từ bảng 2.2 cho thấy hệ số cân bằng phóng xạ trung bình toàn khu Pà Lừa đạt gần 89% Trong đó, trong sạn kết là lớn nhất đạt 93,8% và hệ số cân bằng trong cát kết hạt nhỏ bé nhất chỉ đạt 74,4% Mặt khác, trong đá tươi hệ số cân bằng là 86,6%, nhỏ hơn trong đá phong hóa (94,81%)

Bảng 2.3 là số liệu thống kê hệ số cân bằng phóng xạ tại khu Pà Rồng Giá trị hệ số cân bằng phóng xạ trung bình của các thân quặng 57-91%