Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 2 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn - Chương 2: Nguồn gốc phóng xạ cung cấp cho người học các kiến thức: Phóng xạ tự nhiên, sản xuất và tái chế nhiên liệu hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân, vũ khí hạt nhân. Mời các bạn cùng tham khảo.

1

Chương 2 NGUỒN GỐC PHÓNG XẠ

NỘI DUNG

 Phóng xạ tự nhiên

 Sản xuất và tái chế nhiên liệu hạt nhân

 Nhà máy điện hạt nhân

 Vũ khí hạt nhân

Phóng xạ tự nhiên trong đất

cùng với vũ trụ và Trái Đất Theo thời gian đa số các đồng vị phóng xạ này phân rã và trở thành các nguyên

tố bền

Các nhân phóng xạ tự nhiên phổ biến nhất

trong vỏ Trái Đất

Đồng vị phóng

xạ

238U 4,47.109 năm 99,27% Uran tự nhiên 0,5-0,7ppm Uran trong đá

232Th 1,41.1010 năm 1,6-20 ppm trong các loại đá, trung bình 10,7 ppm

226Ra 1,60.103 năm 16 Bq/kg trong đá vôi và 48 Bq/kg trong đá magma

222Rn 3,82 ngày 0,6-28 Bq/ m3 trong không khí ( tại

Mỹ)

40K 1,28.109 năm 37- 1100 Bq/kg trong đất

Phóng xạ tự nhiên trong đất

 Các đồng vị phóng xạ này cùng với sản phẩm phân rã của chúng là nguồn chính của bức xạ ion hóa tự nhiên tác dụng lên mọi sinh vật trên Trái Đất Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên còn tồn tại đến nay tạo thành ba dãy phóng xạ, đứng đầu là các đồng vị 238U, 232Th và

235U

 Đồng vị Kali (40K) có rất nhiều trong tự nhiên

 Đồng vị Chì (210Pb) có rất nhiều trong tự nhiên, thời gian bán rã

T1/2 = 22,23 năm 210Pb phân rã gamma với năng lượng 46,5 keV

 Đồng vị Cesium (137Cs) phân rã gamma với năng lượng 661,6 keV Thời gian bán rã T1/2= 30,7 năm

Phóng xạ tự nhiên trong không khí

 - Nguồn từ vũ trụ

 - Nguồn khí phóng xạ phát ra từ đất Khí phóng xạ phát ra từ đất,

đá gốc, và nước trong tự nhiên khuếch tán và lan truyền trong không khí Sự có mặt của Radon là nguyên nhân chính gây nên phông phóng xạ tự nhiên trong không khí

 Về phương diện an toàn bức xạ sự chiếu ngoài của nó không gây tác hại bằng sự chiếu trong cơ thể khi con người hít phải bụi có nhân phóng xạ bám vào Hội đồng khoa học Liên Hiệp Quốc về ảnh hưởng của bức xạ nguyên tử (UNSCEAR) năm 2000 đã thống kê và cho thấy sự đóng góp của Radon vào liều chiếu cho con người gây bởi các nguồn tự nhiên lên đến 50%. Vì thế, Radon được xem là nguồn phóng xạ tự nhiên có ảnh hưởng lớn nhất đối với sức khỏe con người

Phóng xạ tự nhiên trong nước

 Nước trong các đại dương chứa hàng tỷ tấn K Ru, U, Th và Ra Đặc biệt, độ phóng xạ trong nước chủ yếu là do K quyết định vì nồng độ của nó cao hơn nhiều so với các đồng vị khác

 Các nguyên tố Uranium, Thorium tách ra từ đất, đá rồi bị cuốn trôi theo dòng nước nhưng hàm lượng của chúng trong nước nhỏ hơn trong đất khoảng 10-100 lần, vì trong quá trình lưu chuyển, các nhân phóng xạ chỉ tan một phần nhỏ trong nước, phần còn lại

sẽ lắng đọng vào đất

 Nồng độ các nguyên tố phóng xạ trong nước cũng thay đổi theo

độ mặn và độ sâu Ngoài ra, nồng độ của chúng còn tùy thuộc vào điều kiện địa lý và các loại nham thạch quanh vùng Nồng độ Uranium trong các con sông chảy ở phương Nam thường cao hơn phương Bắc

Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong các đại dương được tính

Đồng vị Hoạt độ

Hoạt độ trong đại dương (EBq)

Thái Bình Dương (6594.1017 m3)

Đại Tây Dương (3095.1017

m3)

Tất cả các đại dương (13.1018 m3)

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong cơ thể người

 Cơ thể con người được cấu tạo từ các nguyên tố hóa học vì thế trong cơ thể người có chứa các nhân phóng xạ

Đồng vị phóng

xạ

Lượng nhân phóng xạ tìm thấy trong cơ thể

Hoạt độ (Bq)

Lượng nhân phóng xạ hấp thụ hằng ngày

Các đồng vị phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ

 Trong nhân phóng xạ tạo từ tia vũ trụ chỉ có 3H, 14C, 7Be có thời gian sống tương đối dài, có hoạt độ đáng kể và có ý nghĩa đối với các nghiên cứu môi trường, đa số các đồng vị còn lại có hoạt độ yếu

 Các đồng vị được tạo ra từ lớp trên của khí quyển bởi tương tác của tia vũ trụ với hạt nhân của các nguyên tử khí Sau đó chúng được vận chuyển tới bề mặt Trái Đất và gắn kết vào hệ sinh học và các vật liệu địa chất Đó là các hạt nhân: 3H, 10Be, 14C, 26Al, 32Si, 36Cl, 41Ca

 Quan trọng nhất trong số đó là 14C đặc trưng cho chu trình carbon sinh địa hóa để định tuổi các vật liệu khảo cổ và môi trường.

Bức xạ vũ trụ

 Các bức xạ đến Trái Đất từ vũ trụ gọi là tia vũ trụ Tia vũ trụ được chia thành hai loại là tia vũ trụ sơ cấp và tia vũ trụ thứ cấp Tia sơ cấp là những hạt tích điện có năng lượng cao đến từ vũ trụ Tia thứ cấp là các bức xạ được tạo ra từ các tia sơ cấp khi chúng tương tác với các nguyên tử của bầu khí quyển

 Trong tự nhiên, việc hình thành nhân phóng xạ trong khí quyển phụ thuộc vào độ cao và vĩ độ, tương ứng với mật độ tia vũ trụ Khoảng 70% các hạt nhân, sản phẩm của sự phân mảnh, phát sinh trong tầng bình lưu Khoảng 30% hình thành trong tầng đối lưu Như vậy, khí quyển và trường điện từ của Trái Đất có vai trò như lớp màn bảo

vệ để giảm lượng bức xạ vũ trụ đến bề mặt Trái Đất

Các đồng vị phóng xạ nhân tạo

 Việc gia tăng nhanh chóng các ứng dụng công nghệ hạt nhân và sự tăng đột biến các vụ thử vũ khí hạt nhân trong thời chiến tranh lạnh

đã khiến cho thế giới lo ngại về sự quản lí các nguồn đồng vị phóng

xạ mà nguồn phóng xạ được quan tâm hàng đầu

 Phóng xạ nhân tạo chiếm khoảng 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ

Một số đồng vị phóng xạ nhân tạo chính

Thử vũ khí hạt nhân và các lò phản ứng phân hạch, các cơ sở tái chế và sản xuất vũ khí hạt nhân

tuyến giáp

239 Pu 2,41.10 4 năm Sản phẩm của phản ứng bắn phá hạt nhân 238U

bằng nơtron

Vũ khí hạt nhân

 Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi trường

 Vụ nổ hạt nhân đầu tiên có công suất 19 kilôtôn vào ngày 16 tháng 7 năm 1945 tại

Mỹ và sau đó là hai quả bom nguyên tử được ném xuống Nhật Bản tai Hirosima và Nagasaki vào đầu tháng tám năm 1945

 Các vụ thử hạt nhân trong khí quyển đã được tiến hành vào những năm 1952 đến

Vũ khí hạt nhân

 Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch của 235 U và 239 Pu

 Dấu hiệu của các thiết bị nhiệt hạch là 3 H đi kèm với các sản phẩm phân hạch thứ cấp khi nơtron nhanh tương tác với 238 U ở lớp vỏ bọc ngoài

 Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết quả của việc bắt nơtron với các vật liệu làm bom và không khí xung quanh Một trong những sản phẩm quan trọng nhất là 14 C được tạo ra do phản ứng 14 N (n,p) 14 C

 Hầu hết phóng xạ từ các vụ thử hạt nhân đều đã phân rã đến mức không còn ý nghĩa về mặt môi trường, chỉ còn các đồng vị 14 C, 90 Sr, 137 Cs và 239 Pu do chu

kì bán rã của chúng dài Hạt nhân 241 Am không sinh ra từ các vụ thử hạt nhân nhưng nó lại có ý nghĩa về mặt môi trường do nó là con cháu của 241 Pu

 Một lượng lớn các đồng vị phóng xạ đã được đưa vào lòng đất qua các vụ thử hạt nhân nhưng chúng ta không có đầy đủ thông tin để đánh giá các ảnh hưởng lâu dài của nó

Điện hạt nhân

 Theo thống kê, năm 1954 là năm thế giới có trạm phát điện nguyên

tử đầu tiên đưa vào vận hành, cho tới cuối năm 2006, toàn thế giới

đã có 34 nước với 560 trạm phát điện nguyên tử, tạo ra 5780 tỷ kWh chiếm 1/4 tổng lượng điện toàn thế giới làm ra

 Hầu hết các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, trạm nghiền uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu Do hoạt độ thải nhỏ nên việc thải loại này không có ý nghĩa

 Quặng uran được tách và đúc dưới lòng đất Hơn nữa các phần quặng chứa uran và các nhân con cháu của nó sẽ bị lắng tụ gần nơi khai thác và chế biến, dẫn đến nhiễm bẩn rất lâu dài

Tai nạn hạt nhân

thải các chất làm biến đổi khí hậu và làm tăng hiệu ứng nhà kính

sự chấp nhận của cộng đồng đối với năng lượng hạt nhân thì cuộc sống cần tất cả các khả năng có thể để tránh các thảm họa và tai nạn hạt nhân

nhất vẫn là tai nạn Chernobyl (26/4/1986) Ucraina Tai nạn Chernobyl có ảnh hưởng mang tầm quốc tế do thải vào khí quyển một lượng lớn các đồng vị phóng xạ Gần đây đã xảy ra tai nạn hạt nhân do thảm họa sóng thần làm hỏng nhà máy điện hạt nhân Fukushima ở Nhật bản (11/3/2011)

từ các sai sót của con người hơn là sự cố kĩ thuật

Cháy máy lạnh, bộ làm chậm graphit được dùng

để sản xuất Pu và 210 Po (chiếu xạ Bi) 1975 TBq 2200

1968

Tai nạn của máy bay ném bom, bom được tháo ra

và 239,240 Pu phân rã

239 Pu, 240 Pu (11TBq) -

Chernobyl

Ukraine 4/1986

Nổ và cháy lò RBMK do mất lạnh Hỏng phần lớn cấu trúc lò và thải khí và bốc hơi phóng xạ và các sản phẩm kích hoạt vào khí quyển

Chưa xác định được -

Fukushima Japan

11/3/2011

Thảm họa sóng thần làm hỏng nhà máy điện hạt nhân gây thiệt hại trực tiếp cho người và tài sản đồng thời gây nhiếm bẩn phóng xạ đến môi trường

Chưa xác định được -

Các khu chứa chất thải phóng xạ

thải bị nổ, các chất thải phóng xạ được tích từ năm 1956 đến 1977 đã bị rò

ảnh hưởng toàn cầu, đặc biệt trên bắc cực Ví dụ các tàu ngầm nguyên tử

bị chìm, 10 lò phản ứng hết nhiên liệu của hải quân Xô Viết trên biển Karen

và vịnh hẹp Novaya Zemlya trong 30 năm Việc thải các chất phóng xạ lỏng

có hoạt độ tới 100 PBq (sản phẩm phân hạch và đồng vị Pu) khoảng các năm 1949-1956 từ trung tâm sản xuất Pu Chelyabinsk-40 gần Kyshtym của Liên Xô trước đây đã gây ra nhiễm bẩn 50 km lòng sông Techa

THIẾT BỊ GHI NHẬN BỨC XẠ

CHUẨN NIM

 Chuẩn NIM (Nuclear Instrument Modules)

 Chuẩn NIM cho phép cắm các khối điện tử (khuếch đại, Cao thế, ADC, ngưỡng,…) vào chung một khung cơ khí gọi là NIM Crate hoặc NIM Bin

BIN (khung chuẩn) NIM có kích thước:

3M, 4M…: nhân bội số bề rộng chuẩn 1M

Chuẩn NIM cũng quy định tiêu chuẩn cáp nối, ổ cắm, trở kháng

và các mức tín hiệu

CHUẨN CAMAC

And Control) áp dụng kỹ thuật máy tính để đo đạc và điều khiển ra đời ở Châu Âu

Crate (khung chuẩn) CAMAC có kích thước :

Thiết bị truyền thống

Thiết bị kỹ thuật số

Hàm Poisson

Hàm Gaussian Poisson Gaussian

Trung bình m = 10

Biến n = 8

Xác suất P(n) = 0.113 G(n) = 0.103

Hàm Biến (n) Đặc điểm độ lệch chuẩn

Poisson nguyên không đối xứng σ= √m

Gaussian Thực đối xứng σ= √m

Thống kê số đếm : Hàm phân bố

Gaussian, bởi vì quá trình phân rã phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên

σ

m - kσ m m + kσ

Ss có thể

Độ lệch chuẩn 90%

Cộng Trừ Nhân Chia Hàm e mũ Hàm logarithm

Hiệu suất ghi



peak total r

r= Tỉ số đỉnh trên tổng

 Hiệu suất tuyệt đối được định nghĩa là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được và số các lượng tử bức xạ phát ra bởi nguồn

 Hiệu suất nội được định nghĩa là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được và số các lượng tử bức xạ đến đầu dò

d 1

Hiệu suất đỉnh hình học và năng lượng

Điều kiện đo Đặc trưng của detector

P(E) = G I(E)

Hiệu suất hình học

Hiệu suất nội

Hiệu suất nội : I

d 0

0

d(E)

Detector đồng trục HPGe

End cap

(Aluminum)

cách điện Khuếch đại

Bơm N2 lỏng

Thanh Cu từ bình làm lạnh

FET

Full Width at 1/10 Maximum

ε 1332 (Ge)

η REL = x 100

ε 1332 (3" NaI) ( đo tại 25 cm )

Hiệu suất tương đối

Độ phân giải

Tỉ số P/C

Đường kính ngoài

Hiệu suất tương đối là đỉnh năng lượng

toàn phần 1332,5keV từ nguồn Co60 với

hiệu suất đỉnh tuyệt đối của tinh thể nhấp

nháy NaI(Tl) có giá trị 1.2x10-3 Khoảng

cách giữa nguồn với đầu dò được cho là

25cm trong cả hai trường hợp để chuẩn

hoá

Tỉ số P/C là số đếm tại đỉnh 1332,5keV của

60Co chia cho số đếm trung bình của năng

lượng 1040-1096keV

Độ phân giải của detector là thông số đánh

giá độ giãn nở của đỉnh Gauss Vì đỉnh phổ

2,3548

FWHM  s

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG

LƯỢNG LÀ GÌ???

Độ phân giải

Nguồn gốc gây nhiễu loạn

•Sự trôi của detector

•Nhiễu ngẫu nhiên của detector

và thiết bị

• Nhiễu tín hiệu

Phổ nguồn phóng xạ 60 Co được đo bằng đầu dò NaI(Tl) và đầu dò bán dẫn HPGe

Xác định diện tích đỉnh

Sơ đồ khối khi phân tích phổ

Sử lý đỉnh chập nếu có

Diện tích đỉnh & ss

Tính toán các tham số cơ bản

Xác xuất phát & ss Hiệu suất đỉnh

Tính toán diện tích đỉnh bằng pp Covell 39

FWHM

kênh

P

Bức xạ vũ trụ

2) Cosmic rays : tạo ra gamma đĩnh tán xạ, hạt năng

lượng cao , gamma hủy (511keV), and

cph /peak cph/1keV

Continuous

Anni

0 500 1000 1500 2000 Energy (keV)

Bảng 1: Nguồn gốc gây sai số theo tiêu chuẩn ANSI Std N42.14-1999

Vị trí = năng lượng (E)

Nhận diện đồng vị (E, Ig(E))

Thông tin về đỉnh gamma

Diện tích = số photon phát ra (N(E), (E)

N E A

Chuẩn phổ gamma

chuẩn năng lượng

chuẩn hiệu suất

( )

N E A







Chuẩn năng lượng

 Mối quan hệ giữa số kênh (vị trí đỉnh) và năng lượng

Chuẩn hiệu suất

( ) ( ) ( ).

N E A

2 3 5 7 10 20 30 50 70 100 200 300 500 700 1000 2000 3000 5000 7000 10000 20000 30000 50000

Phổ 137 Cs

(E): hiệu suất đỉnh năng lượng phụ thuộc vào năng lượng và bố trí

hình học nguồn và detector 

Sai số

( ) ( )

( ).

N E E

2 2

) E ( I

) E ( I A

A N

) E ( N )

E (

10

1 )

E ( I

) E (

I 10

5 A

A )

E ( N

1 )

E ( N

) E ( N )

E

(

N

) E

Chuẩn hiệu suất (2)

Để nhận được giá trị hiệu suất của năng lượng bất kỳ : cần có một

đường chuẩn năng lượng bao gồm toàn bộ vùng năng lượng quan tâm

1 Sử dụng nguồn đồng vị

Phát gamma đơn năng : 51 Cr (320 keV), 137 Cs (662 keV)

54 Mn (834 keV) : một giá trị hiệu suất trên một năng lượng Nhiều gamma : 60 Co, 133 Ba, 152 Eu, 56 Co :

Cho mỗi giá trị ta thu nhận được các giá trị rời rạc của FEPE (E1), (E2), … 

(En)

2 Hiệu suất tính toán: làm khớp hàm toán học các giá trị hiệu suất

thực nghiệm

Đồng vị Năng lượng Hiệu suất sai số

Đồng vị Năng lượng Hiệu suất sai số

Hiệu suất theo khoảng cách

Nội suy:

E1 -> 1

E2 -> 2

Tính hiệu suất  (E) với E1 < E < E2

PP1 : Nội suy tuyến tính ( )

) E E

(

) E E ( )

E

1 2

PP2: Nội suy theo logarit

: Chỉ chính xác khi hiệu suất nội suy rất gần hiệu suất thực nghiệm

!

) ln

(ln ) E ln E

(ln

) E ln E

(ln )

ln(

)) E (

1 2

Ví dụ

Giá trị thưc nghiệm tại E = 662 keV : (E) = 1,90 10-3

Xác định hiệu suất với E = 662 keV (137Cs) :

1 E1 = 569 keV (134Cs) 1 = 2,21 10-3

E2 = 766 keV (95Nb) 2 = 1,67 10-3

Nội suy tuyến tính : (E) = 1,96 10-3

Nội suy logarit : (E) = 1,92 10-3

2 E1 = 122 keV (57Co) 1 = 8,22 10-3

E2 = 1 173 keV (60Co) 2 = 1,13 10-3

Nội suy tuyến tính : (E) = 4,57 10 -3

Nội suy logarit :  (E) = 1,87 10-3

Chuẩn hiệu suất (5)

0.1 1

Hàm đa thức dạng log-log: i

n 0 i

i (ln E ) a

) E (

0 i

i E a

) E (

- Trong một số trường hợp phai chia vùng làm khớp

- Kiểm tra giá trị làm khớp

Bậc 6 th Bậc 5 th

Bậc 4th

Bậc 4 th

HỆ PHỔ KẾ GAMMA

 Xử lý đỉnh

 Chuẩn năng lượng và hiệu suất

 Giới hạn tối thiểu LC là mức giới hạn mà tại đó quyết định mẫu khảo sát có hoặc không có đỉnh quan tâm

α

k : hệ số được chọn để cung cấp độ tin cậy cho trước

B: số đếm phông nền trong khu vực đỉnh quan tâm

N: số đếm của đỉnh quan tâm

n: số kênh trong khu vực đỉnh quan tâm

m: số kênh của phông nền về mỗi bên của đỉnh

(95% độ tin cậy)

 Khi tổng số kênh được sử dụng ước tính phông nền bằng bề rộng của đỉnh cần quan tâm (n=2m)

Giới hạn tối thiểu LC