Tìm hiểu về mô hình và phần mềm đánh giá tác động của các nhân phóng xạ tới môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Thị Xuân Đến TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH VÀ PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NHÂN PHÓNG XẠ TỚI CÁC MÔI TRƯỜNG Chuyên ng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Xuân Đến

TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH VÀ PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NHÂN PHÓNG XẠ

TỚI MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016

Footer Page 1 of 126

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Xuân Đến

TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH VÀ PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NHÂN PHÓNG XẠ

TỚI CÁC MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Hào Quang

Hà Nội – Năm 2016

Footer Page 2 of 126

i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN iv

DANH MỤC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN v

CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Mục đích 5

1.2 Cơ sở của phương pháp trong ERICA 5

1.2.1 Mô hình dịch chuyển 6

1.2.2 Phép đo liều 9

1.2.2.1 Hệ số chuyển đổi liều 9

1.2.2.2 Tính toán suất liều 10

1.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá tác động của bức xạ tới môi trường 11

1.2.3.1 Các tiêu chuẩn dựa trên phân bố độ nhạy cảm của các loài ( SSD) 12 1.2.3.2 Các tiêu chuẩn dựa trên phương pháp hệ số an toàn (SF) 13

1.2.3.3 Tác động của phóng xạ tới hệ sinh thái: động vật, thực vật 17

1.2.4 Mô hình SRS-19 18

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU-PHẦN MỀM ERICA 21

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 21

2.1.1 Các nhân phóng xạ 21

Footer Page 3 of 126

ii

2.1.2 Các sinh vật tham chiếu 23

2.2 Chi tiết về phương pháp đánh giá theo từng mức trong phần mềm ERICA 24

2.2.1 Mức 1 27

2.2.2 Mức 2 29

2.1.3 Mức 3 32

2.3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm ERICA 35

2.3.1 Thêm các đồng vị phóng xạ 36

2.3.2 Mô tả tên, chi tiết các sinh vật 36

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ERICA ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHÂN PHÓNG XẠ TỚI MÔI TRƯỜNG 38

3.1 Khu vực Drigg Coast, vương quốc Anh 38

3.1.1 Tình trạng 39

3.1.2 Bài toán 41

3.2 Khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ 53

3.2.1 Tình trạng 53

3.2.2 Bài toán 53

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

Footer Page 4 of 126

iii

LỜI CẢM ƠN

Để có được bản luận văn này, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến T.S Nguyễn Hào Quang -Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy cô giáo – Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội đã giảng dạy và truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành bổ ích cho bản thân em trong những năm tháng qua

Em xin ghi nhận công sức và những đóng góp quý báu và nhiệt tình của các bạn trong lớp cao học Vật lý khóa 2014-2016 đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn này Để hoàn thành luận văn này, em xin cám ơn nhà trường đã tạo điều kiện hướng dẫn và giúp đỡ em, đặc biệt là sự quan tâm động viên khuyến khích và cảm thông sâu sắc của gia đình

Cuối cùng, em rất mong nhận được sự đóng góp, nhận xét và phê bình của quý Thầy cô và tất cả bạn đọc

Em xin chân thành cảm ơn!

Footer Page 5 of 126

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1: Cơ sở đánh giá trong ERICA

Hình 1.2: Mô hình hệ sinh thái dưới biển [4]

Hình 1.3: Hàm phân bố độ nhạy loài [7]

Hình 2.1: Cấu trúc của phương pháp tích hợp ERICA [5]

Hình 3.1: Vị trị lấy mẫu trong Khu vực Drigg Coast, vương quốc Anh [7] Hình 3.2: Kết quả về hiệu ứng ở mức 2 tại khu vực Drigg Coast

Hình 3.3: Đồ thị so sánh suất liều trong sinh vật tại mức 2 và mức 3

Hình 3.4: Kết quả hiệu ứng ở mức 3 tại khu vực Drigg Coast

Hình 3.5: Kết quả về rủi ro ở mức 2 tại Khu vực xóm Dấu, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

Hình 3.6: Kết quả về hiệu ứng ở mức 2 tại Khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

Hình 3.7: Kết quả ở mức 3 tại Khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

Footer Page 6 of 126

v

DANH MỤC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1: Phương pháp sàng lọc đối với hệ sinh thái trên cạn [7]

Bảng 1.2: Phương pháp sàng lọc đối với hệ sinh thái dưới nước [7]

Bảng 2.1 Các nhân phóng xạ mặc định trong ERICA [4]

Bảng 2.2: Các hạt nhân con cháu được sử dụng trong hệ số chuyển đổi liều [4]

Bảng 2.3: Danh sách các sinh vật tham chiếu mặc định trong hệ sinh thái

tương ứng của phần mềm ERICA [4]

Bảng 3.4: Kết quả rủi ro cho mức 1 tại khu vực Drigg Coast

Bảng 3.5: Số liệu đầu vào mức 2 – Nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong sinh vật tại khu vực Drigg Coast [7]

Bảng 3.6: Kết quả thu được ở mức 2 tại khu vực Drigg Coast

Bảng 3.7: Kết quả suất liều trong sinh vật mức 3 tại khu vực Drigg Coast

Bảng 3.8: Kết quả ở mức 1 với phông phóng xạ tự nhiên tại khu vưc Drigg Coast

Footer Page 7 of 126

vi

Bảng 3.9: Nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong đất và cây sắn (cây lương thực) tại khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ [1]

Bảng 3.10: Kết quả thu được ở mức 1 tại khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

Bảng 3.11: Kết quả suất liều cho sinh vật ở mức 3 khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

Footer Page 8 of 126

vii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AW Ash weight - Khối lượng tro

CR Concentration Ratio - Tỉ lệ nồng độ

DCC Dose Conversion Coefficient - Hệ số chuyển đổi liều

DW Dry weight -Khối lượng khô

EC European Commission - Ủy bản châu Âu

EIA Environmental Impact Assessment - Đánh giá tác động môi

trường

EMCL Environmental Media Concentration Limits - Giới hạn nồng

độ hoạt độ môi trường

ERA Ecological Risk Assessment -Đánh giá rủi ro sinh thái

ERICA Environmental Risk from Ionising Contaminants: Assessment

and Management -Quản lý và đánh giá tác động của nhân phóng xạ tới môi trường

EAEC European Atomic Energy Community - Cộng đồng Năng

lượng nguyên tử châu Âu

EU European Union- Liên minh châu Âu

FASSET Framework for Assessment of Environmental Impact - Quy

trình đánh giá tác động môi trường

FW Fresh weight –Khối lượng tươi

HDR Hazardous Dose Rate -Suất liều ảnh hưởng độc hại

HNED(R) The highest no effect dose or dose rate- Suất liều cao nhất mà

không có ảnh hưởng sinh học

Footer Page 9 of 126

MUT Mutation - Đột biến

PCC Pearson Correlation Coefficient - Hệ số tương quan Pearson

pdf Probability distribution function - Hàm phân bố xác suất

PNEC Predicted No-Effect Concentration – Giá trị nồng độ hoạt độ

dự đoán không ảnh hưởng

PNED(R) Predicted No-Effect Dose (Rate) – giá trị suất liều dự đoán

không ảnh hưởng

RC Reproductive Capacity - Sinh sản

RQ Risk Quotient - Mức rủi ro

SCC Spearman Rank Correlation Coefficient - Hệ số tương quan

Spearman

SF Safety factor - Hệ sốan toàn

SRS-19 Safety Report Series no 19 – Mô hình SRS-19

SSD Species Sensitivity Distribution - Phân bố độ nhạy cảm loài

UF Uncertainty factor - Hệ số sai số

Footer Page 10 of 126

ix

UNSCEAR The United Nations Scientific Committee on the Effects of

Atomic Radiation - Ủy ban khoa học của Liên hợp quốc về ảnh hưởng của bức xạ nguyên tử

USDOE United States Department of Energy - Bộ năng lượng Hoa Kỳ

Footer Page 11 of 126

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, các nhà máy điện hạt nhân đã và đang tạo ra nguồn năng lượng rất lớn phục vụ cho nhu cầu của con người Nhiều nhà máy điện hạt nhân và lò phản ứng được xây dựng làm tăng ô nhiễm phóng xạ do rò rỉ phóng xạ, đặc biệt là các sự

cố nổ lò phản ứng hạt nhân (Chenobyl (Nga), Fukushima Daiichi (Nhật Bản), Three Mile Island (Mỹ), Windscale (Anh)…) đã gây ảnh hưởng rất lớn đối với môi trường

và tác động xấu đến cuộc sống của con người Các chất thải chứa chất phóng xạ chưa qua xử lí được thải trực tiếp ra môi trường xung quanh làm tăng hoạt độ chất phóng xạ trong môi trường Việc khai thác, chế biến đất hiếm có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao do trong quặng đất hiếm có khoáng chất như urani, thori… mang tính phóng xạ với cường độ cao gây ô nhiễm phóng xạ và phương pháp chế biến đất hiếm cần sử dụng nhiều hóa chất ảnh hưởng đến môi trường

- Bức xạ tự nhiên Một phần của phông phóng xạ là bức xạ vũ trụ đến từ không gian Chúng hầu hết bị cản lại bởi khí quyển bao quanh Trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được Trái đất Trên đỉnh núi cao hoặc bên ngoài máy bay, độ phóng xạ lớn hơn nhiều so với ở mặt biển Các chất phóng xạ có đời sống dài có trong thiên nhiên thường ở dạng các chất bẩn trong nhiên liệu hoá thạch Trong lòng đất, các chất như vậy không làm ai

bị chiếu xạ, nhưng khi bị đốt cháy, chúng được thải vào khí quyển rồi sau đó

khuyếch tán vào đất, làm tăng dần phông phóng xạ

Nguyên nhân chung nhất của sự tăng phông phóng xạ là Radon, một chất khí sinh ra khi Radi kim loại phân rã Các chất phóng xạ khác được tạo thành trong quá trình phân rã tồn tại tại chỗ trong lòng đất, nhưng Radon thì bay lên khỏi mặt đất Nếu nó lan toả rộng và hoà tan đi thì không gây ra nguy hại gì, nhưng nếu một ngôi nhà xây dựng tại nơi có Radon bay lên tới mặt đất, thì Radon có thể tập trung trong nhà đó, nhất là khi các hệ thống thông khí không thích hợp Radon tập trung trong nhà có thể lớn hơn hàng trăm lần, có khi hàng ngàn lần so với bên ngoài

Footer Page 12 of 126

2

Loại trừ khí Radon, bức xạ tự nhiên không có hại đối với sức khoẻ Nó là một phần của tự nhiên và các chất phóng xạ có trong cơ thể con người cũng là một phần của tạo hoá

- Bức xạ nhân tạo Những hoạt động của con người cũng tạo ra các chất phóng xạ được tìm thấy trong môi trường và cơ thể Một số chất đã được thải vào khí quyển do các vụ thử

vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy điện hạt nhân bảo đảm chúng không gây tác hại gì Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường

Do đó việc xác định và đánh giá liều lượng phóng xạ mà sinh vật nhận được là khá quan trọng để kiểm soát mức độ ảnh hưởng của môi trường đối với sinh vật và cuộc sống của con người

Phương pháp phổ biến và chính xác nhất để xác định liều mà sinh vật nhận được do các đồng vị phóng xạ gây ra là lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên công việc này cần kết hợp với việc sử dụng các mô hình mô tả quá trình xâm nhập của các nhân phóng xạ vào trong các cấu phần của hệ sinh thái

để có thể đánh giá các tác động xấu của các nhân phóng xạ tới môi trường một cách nhanh và hiệu quả hơn ERICA là một phương pháp hiệu quả để tính toán suất liều

và xem xét ảnh hưởng xấu của chúng tới sinh vật dựa trên sự phân chia hệ sinh thái thành các cấu phần nhỏ là hệ sinh thái trên cạn, hệ sinh thái nước ngọt và hệ sinh

sinh thái biển Luận văn “Tìm hiểu về mô hình và phần mềm đánh giá tác động của nhân phóng xạ tới môi trường” giới thiệu về phần mềm tính toán liều phóng xạ

trong môi trường ERICA và sử dụng nó để phân tích và đánh giá tác động của các nhân phóng xạ tới các môi trường tại hai khu vực Drigg Coast, vương quốc Anh và khu vực Phú Thọ, Việt Nam

Luận văn được trình bày trong ba chương:

Footer Page 13 of 126

Một vài kết luận và kiến nghị của tác giả được trình bày ở cuối luận văn

Footer Page 14 of 126

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

ERICA là dự án được tài trợ bởi Cộng đồng nguyên tử châu Âu (EURATOM), bao gồm 15 tổ chức trong 7 nước Châu Âu (Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Wale, Ai-len, Thụy Điển) tham gia vào dự án này Dự án được thực hiện

từ năm 2004 tới 2007 với mục đích hỗ trợ, giúp đỡ các nước châu Âu đánh giá tác động của bức xạ ion hóa tới môi trường và bảo vệ môi trường khỏi các ảnh hưởng xấu của chất phóng xạ [2] Hiện nay, ngoài các nước trong khu vực châu Âu thì một số quốc gia khác cũng sử dụng phần mềm ERICA để đánh giá tác động của các nhân phóng xạ trong môi trường như: Nhật, Nga (ứng dụng vào đánh giá trong sự

cố nhà máy điện hạt nhân), Úc (đánh giá tác động của phóng xạ xung quanh khu vực lưu trữ chất thải phóng xạ, nước cộng hòa Komi (đánh giá ảnh hưởng xấu của phóng xạ tự nhiên tới sinh vật)…

Phương pháp tích hợp ERICA là phương pháp bảo vệ môi trường khỏi các tác động xấu của phóng xạ bao gồm các yếu tố về đánh giá, đặc điểm rủi ro và quản

lý Phương pháp hướng dẫn người dùng cách xây dựng vấn đề và thực hiện các đánh giá tác động Đánh giá trong ERICA được chia thành ba mức là: mức sàng lọc chung, mức sàng lọc riêng và mức phân tích chi tiết, được dựa trên các khái niệm sinh vật tham chiếu liên quan tới liều chiếu, liều ảnh hưởng và các nhóm động thực vật tương thích với phương pháp đánh giá của ICRP [2]

ERICA là một phần mềm tính toán linh hoạt có cấu trúc dựa theo phương pháp tích hợp ERICA để đánh giá rủi ro sinh học trong sinh vật Phần mềm cũng liên kết với cơ sở dữ liệu hiệu ứng bức xạ trong FREDERICA-được biên soạn qua các tài liệu khoa học, thí nghiệm tác dụng bức xạ và các nghiên cứu thực địa, xung quanh các nhóm động vật hoang dã khác nhau với hầu hết dữ liệu và phân loại rộng rãi theo hiệu ứng sinh học, bao gồm bốn loại hiệu ứng chính: mắc bệnh, tử vong, sinh sản và đột biến Trong đó, cơ sở dữ liệu được xây dựng dựa trên các sinh vật tham chiếu, mỗi sinh vật tham chiếu có quy định riêng về hình học, khối lượng và chúng đại diện cho các sinh vật trên đất liền, trong nước ngọt và hệ sinh thái biển

Footer Page 15 of 126

5

1.1 Mục đích

Áp dụng phần mềm ERICA để đánh giá tác động của nhân phóng xạ tới môi trường, bảo vệ sinh vât, môi trường khỏi tác động xấu của phóng xạ Trên thực tế, các đánh giá để xác định liều phóng xạ và ước tính ảnh hưởng của chúng tới con người là rõ ràng, chi tiết và phát triển hơn so với hệ sinh thái Tuy nhiên, khi đề cập tới sinh vật, người ta cho rằng mức độ an toàn bức xạ đối với con người cũng sẽ là

đủ để bảo vệ môi trường tự nhiên Theo Ủy ban Quốc tế về an toàn bức xạ (ICRP)

đã tuyên bố năm 1977: “Các nguyên tắc hướng tới mục tiêu an toàn bức xạ là phù hợp, hiệu quả và duy trì điều kiện an toàn cho các nồng độ hoạt độ liên quan tới con người Mức độ an toàn được yêu cầu để bảo vệ con người là phù hợp để bảo

vệ các loài khác” [2]

Năm 1990, ICRP quan tâm tới hướng di chuyển phóng xạ trong môi trường

và cho rằng: Các tiêu chuẩn để kiểm soát môi trường để bảo vệ con người ở mức

độ hiện nay được cho rằng sẽ đảm bảo an toàn cho các sinh vật khác tránh khỏi các rủi ro Con đường chiếu phóng xạ tới con người và sinh vật rất khác nhau kể cả khi sinh sống trong cùng một môi trường, do đó, suất liều nhận được cũng khác nhau

Ví dụ, trong hệ sinh thái biển, liều mà sinh vật đáy nhận được rất cao, trong khi liều

mà con người nhận được lại ở dưới ngưỡng phát hiện Do vậy, rủi ro mà con người nhận được sẽ khác so với rủi ro mà môi trường nhận được và đánh giá rủi ro sinh học được sử dụng để đánh giá các ảnh hưởng xấu có thể gây ra cho sinh vật do bị chiếu xạ [2]

1.2 Cơ sở của phương pháp trong ERICA

Cơ sở của phương pháp ERICA là dựa vào các mô hình dịch chuyển, phép

đo liều, các tiêu chuẩn và hiệu ứng sinh học trong các sinh vật tham chiếu Trong

trường hợp, số liệu về nồng độ hoạt độ môi trường bị thiếu thì phần mềm ERICA cung cấp cho người dùng mô hình phát tán để ước lượng nồng độ hoạt độ môi trường

Footer Page 16 of 126