Xây dựng bản đồ phóng xạ môi trường tại quận 3 – tphcm ứng dụng phương pháp phân tích phổ gamma phông thấp và hệ thống thông tin địa lý (gis)

• Thực hiện việc thu thập các mẫu đất ở 14 Phường của Quận 3, số lượng 30 mẫu: các mẫu đất mang về phòng thí nghiệm phân tích hoạt độ phóng xạ các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHAN THỊ QUÝ TRÚC

XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG QUẬN 3- TP HCM ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ GAMMA VÀ HỆ THỐNG

THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)

Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật

Mã số: 60520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Huỳnh Quang Linh

ThS Thái Mỹ Phê

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KHOA HỌC ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAN THỊ QUÝ TRÚC MSHV: 11120682

Ngày, tháng, năm sinh: 26/5/1983 Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số : 60520401

I TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng bản đồ phóng xạ môi trường tại Quận 3 – TPHCM ứng

dụng phương pháp phân tích phổ gamma phông thấp và hệ thống thông tin địa lý

(GIS)

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xem xét cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng bản đồ; nghiên cứu phương pháp

xạ trình suất liều bức xạ gamma và phân tích phổ gamma bằng hệ gamma phông thấp;giới thiệu về hệ thống thông tin địa lý (GIS)

- Thống kê tình hình xây dựng bản đồ phóng xạ môi trường trên thế giới, tại Việt Nam và ở Thành phố Hồ Chí Minh Các yêu cầu cấp thiết phải xây dựng bản đồ phóng xạ môi trường tại TPHCM

- Thực hành:

• Tiến hành xạ trình suất liều gamma tại địa bàn Quận 3, số lượng 300 điểm: thiết

kế mạng lưới bố trí đo suất liều gamma bằng máy đo suất liều hiện trường tại vị trí lấy mẫu đất phân tích và chung quanh khu vực lấy mẫu theo hình mạng lưới có bán kính

và tọa độ xác định bằng thiết bị đinh vị tọa độ

• Thực hiện việc thu thập các mẫu đất ở 14 Phường của Quận 3, số lượng 30 mẫu: các mẫu đất mang về phòng thí nghiệm phân tích hoạt độ phóng xạ các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo có ý nghĩa về mặt phóng xạ môi trường bằng hệ phổ kế gamma phông thấp với detector bán dẫn

- Sử dụng GVSIG, MAPINFO và các phần mềm chuyên dụng xây dựng bản đồ suất liều gamma và bản đồ hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ môi trường; đánh giá kết quả thu được

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/7/2014

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Huỳnh Quang Linh; ThS Thái Mỹ Phê

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ của bố mẹ, thầy cô, và các bạn đồng nghiệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến:

Thầy Thái Mỹ Phê là người hỗ trợ chính về chuyên môn đã giúp đỡ tôi rất nhiều về kiến thức và thiết bị trong quá trình thực hiện luận văn

Thầy Huỳnh Quang Linh đã luôn hỗ trợ và động viên tôi cũng như đưa ra những góp ý quan trọng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Anh Lỗ Thái Sơn đã hỗ trợ tôi trong việc thu thập các mẫu đất, xạ trình suất liều gamma

Bộ môn Vật lý hạt nhân - khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên

TP Hồ Chí Minh đã hướng dẫn tôi quy trình đo đạc khi sử dụng thiết bị đo phổ gamma phông thấp

Anh Đỗ Nam Trung và các bạn đồng nghiệp trong Phòng Quản lý Công nghệ thuộc Sở Khoa học và Công nghệ TPHCM đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Sau cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình đã luôn là nguồn động viên lớn nhất giúp tôi hòan thành luận văn này

Mặc dù tôi đã nghiêm túc và cố gắng hoàn tất đề tài nhưng chắn chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong sự thông cảm và góp ý giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 7 năm 2014

Học viên

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Thành phố Hồ Chí Minh là địa phương được chỉ định xây dựng trạm quan trắc phóng xạ địa phương và trạm vùng theo Quyết định 1636/QĐ-TTg, ngày 31/08/2010 Phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường quốc gia đến năm 2020” Do đó việc xây dựng cơ sở dữ liệu về phóng xạ môi trường sẽ hỗ trợ cho việc xây dựng trạm quan trắc phóng xạ vùng

và địa phương Đề tài “xây dựng bản đồ phóng xạ môi trường Quận 3 ứng dụng phương pháp phân tích phổ gamma phông thấp và hệ thống thông tin địa lý (GIS)” là thí điểm cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu ban đầu Kết quả đã đạt được như sau:

a) Thực hiện xạ trình suất liều gamma tại 300 điểm trên địa bàn Quận 3 cho thấy giá trị suất liều gamma phân bố trong dải từ 0,07µSv/h đến 0.2µSv/h Giá trị suất liều trung bình là 0,13µSv/h, trong đó suất liều 0,15µSv/h chiếm đa số (26,6%) tương ứng với 80 điểm đo được Kết quả suất liều gamma đo được là thấp và không gây ảnh hưởng nhiều đến con người và môi trường

b) Kết quả phân tích hoạt độ riêng của 30 mẫu đất : Hoạt độ riêng trung bình của 238U là (26,021,44) Bq/kg; 232Th là (20,730,93) Bq/kg; 40K là (98,821,10) Bq/kg Chỉ số nguy hiểm bức xạ đều nhỏ hơn 1 Từ giá trị hoạt độ phóng xạ riêng của các chất ta tính được suất liều hiệu dụng với giá trị trung bình 0,040mSv/năm Giá trị suất liều hiệu dụng cao nhất là 0,069mSv/năm là rất nhỏ so với chuẩn ICRP 1mSv/năm cho dân chúng và môi trường Vì vậy ảnh hưởng của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên là không đáng kể

Hiện chưa phát hiện được điểm dị thường trong kết quả đo Kết quả này cũng phù hợp với điều kiện tự nhiên tại Quận 3

ABSTRACT

Ho Chi Minh City is a region which will be designated for building local radiation monitoring station and regional station according to the Decision No 1636/QD-TTg approving the Master Plan on the National Monitoring Network

up to 2020 Building a database of environmental radioactivity would support thus the design and construction of radiation monitoring stations The thesis

“Mapping environmental radioactivity of District 3, HCMC using low gamma spectrum analysis method and geographic information system(GIS) is a pilot study for the construction of initial databases with following results:

- Performing the itinerary measurement of gamma dose rate at 300 points

in the District 3 shows the value gamma dose rate distribution in the range from 0,07µSv/h to 0.2µSv/h The distribution has average value at 0,13µSv/h, mean while the dose rate of 0,15µSv/h is the majority(26,6%) corresponding to 80 measured points Results of measured gamma dose rate are low and do not affect

to people and the environment significantly

The analytical results of the specific activity of 30 land samples in District

3 showed that the average specific activity of 238U is (26.021.44) Bq/kg,232Th is (20.730.93) Bq/kg,40Kis(98.821.10) Bq/kg Radiation hazard indices are less than 1 From the activities of mentioned radionuclides the effective dose rate can

be calculated with the average value at 0.040 mSv per year The greatest effective dose rate is 0.069mSv/year compared with ICRP recommended annual population dose 1mSv shows that the influence of the natural radionuclides is negligible

There are notanomaly detected in the measurement results These results are consistent with the natural conditions in District 3

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi cam đoan luận văn “X ây dựng bản đồ phóng xạ môi trường Quận 3 ứng dụng phương pháp phân tích phổ gamma phông thấp và hệ thống thông tin địa lý (GIS) ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Kết quả đạt được trong luận văn không sao chép lại của người khác Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn

1

MỤC LỤC

TỔNG QUAN 6

CHƯƠNG I: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 9

1 Nguyên tử, hạt nhân và các tia bức xạ 9

2 Các loại phân rã phóng xạ: 10

2.1 Hạt  : 11

2.2 Các hạt bêta (  - ) và positron (  + ) 11

2.3 Tia gamma (  ) 11

2.4 Tia X: 12

2.5 Hạt nơtrôn: 12

3 Quy luật phân rã phóng xạ 12

3.1 Phương trình cân bằng phóng xạ 13

3.2 Phân rã phóng xạ đơn 13

3.2.1.Hoạt độ phóng xạ 14

3.2.2 Hoạt độ phóng xạ riêng 14

3.2.3 Thời gian sống hiệu dụng 15

3.3 Phân rã phóng xạ hợp phần (n 1  n 2  n 3 ) 15

3.3.1 Không cân bằng phóng xạ 15

3.3.2 Cân bằng hóng xạ thế kỷ 16

3.3.3 Cân bằng phóng xạ chuyển tiếp 16

3.3.4 Phương trình phân rã phóng xạ Bateman 17

3.4 Phân rã phóng xạ phức 17

4 Các đơn vị đo lường bức xạ 18

4.1 Hoạt độ phóng xạ 18

4.2 Liều chiếu 18

4.3 Liều hấp thụ D 19

4.4 Liều tương đương 19

4.5 Liều hiệu dụng tương đương 20

5 Thiết bị ghi đo bức xạ 20

CHƯƠNG II: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO 21

1 Lịch sử về phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo 21

1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường 22

2

1.2 Nguồn phóng xạ tự nhiên 23

1.2.1 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ [2] 23

1.2.2 Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy 23

1.2.3 Các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong các môi trường 27

1.3 Nguồn phóng xạ nhân tạo 30

1.3.1 Vũ khí hạt nhân 31

1.3.2 Điện hạt nhân 31

1.3.3 Tai nạn hạt nhân 31

1.3.4 Y học hạt nhân 32

2 Phông phóng xạ môi trường 32

CHƯƠNG III: NGUYÊN TẮC PHỔ BỨC XẠ GAMMA 35

1.Tương tác của bức xạ gamma với vật chất 35

1.1 Hiệu ứng quang điện 35

1.2 Hiệu ứng Compton 36

1.3 Hiệu ứng tạo cặp 37

2 Cấu trúc phổ gamma 40

3 Vai trò của bức xạ gamma 41

4 Phương pháp phân tích phổ gamma 42

4.1 Khái niệm 42

4.2 Nguồn bức xạ gamma 42

5 Đặc tính phổ bức xạ gamma của bức xạ môi trường 43

5.1 Các chuổi phóng xạ tự nhiên tiêu biểu có trong đất đá 44

5.1.1 Chuổi phóng xạ U-238 44

5.1.2 Chuổi phóng xạ U-235 45

5.1.3 Chuỗi phóng xạ Th-232 46

5.2 Nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong đất đá 45

5.2.1 Đồng vị phóng xạ K-40 45

5.2.2 Đồng vị phóng xạ Cs137 46

CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHÔNG PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 47

1.Phương pháp xạ hình đường bộ 47

1.1 Thiết bị 47

1.2 Thu thập và xử lý mẫu 47

1.3 Xử lý số liệu 47

3

2 Phương pháp đo hoạt độ phóng xạ: nghiên cứu phổ gamma bằng hệ phổ kế gamma

phông thấp với detector bán dẫn 47

2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe 48

2.1.1 Nguyên lý ghi nhận bức xạ 48

2.1.2 Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe và các đặc trưng 49

2.2 Quy trình phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm 54

2.2.1 Thu thập mẫu 54

2.2.2 Xử lý mẫu 54

2.2.3 Đo mẫu 55

2.3 Xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu môi trường 56

2.3.1 Phương pháp tuyệt đối 56

2.3.2 Phương pháp tương đối 57

2.3.3 Tính trung bình các giá trị có trọng số 58

2.4 Các đại lượng vật lý đánh giá mức nguy hiểm phóng xạ 58

2.4.1 Suất liều hấp thụ 58

2.4.2 Liều hiệu dụng hàng năm 59

2.4.3 Chỉ số nguy hiểm bức xạ 59

CHƯƠNG V: HỆ THỐNG BẢN ĐỒ THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS 60

1.Giới thiệu 60

1.1 Định nghĩa 60

1.2 Thành phần và dữ liệu của GIS 60

2.Chức năng của GIS 61

2.1 Quản lý dữ liệu: 61

2.2 Phân tích dữ liệu: 61

3 Phần mềm sử dụng cho GIS 62

4 Các đặc điểm của hệ thống bản đồ Quận 3 – TPHCM của Trung tâm ứng dụng thông tin địa lý 63

CHƯƠNG VI: XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 64

1.Nguyên tắc xây dựng bản đồ 64

2 Phép chiếu 64

3 Bản đồ phông phóng xạ 65

4 Tình hình nghiên cứu phóng xạ môi trường 66

4.1 Trên thế giới: 66

4.2 Trong nước và trên địa bàn Thành phố HCM 66

4

CHƯƠNG VII: TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC THỰC TẾ TẠI QUẬN 3, THU THẬP

SỐ LIỆU, XỬ LÝ MẪU, PHÂN TÍCH DỮ LIỆU 68

1.Đặc điểm của Quận 3 -TPHCM 68

1.1 Vị trí địa lý 68

1.2 Dân số 68

1.3 Đặc điểm kinh tế, văn hóa xã hội 68

1.3.1.Cơ sở hạ tầng: 68

1.3.2 Phát triển kinh tế: 68

1.3.3 Giáo dục – đào tạo: 69

1.3.4.Thể dục Thể Thao: 70

1.3.5.Y tế: 70

1.3.6 Chăm lo đời sống: 70

2.Xạ trình suất liều bức xạ gamma 70

2.1 Mô tả khu vực khảo sát và thu thập số liệu cho bản đồ suất liều 70

2.1.1.Xác định tọa độ: 71

2.1.2 Ghi số đo suất liều phóng xạbằng máy Inspector: 72

2.1.3 Số liệu xạ trình: 73

2.2 Phần mềm sử dụng GvSIG 73

2.3 Phần thông tin địa lý của bản đồ Quận 3 74

2.4 Nhập số liệu suất liều phóng xạ 75

2.4 Nội suy và vẽ bản đồ suất liều 76

3.Xác định hoạt độ phóng xạ: 79

3.1.Các bước thực hiện lấy mẫu hiện trường: 79

3.2.Gia công mẫu: 80

CHƯƠNG VIII: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 89

1 Kết quả xạ trình suất liều bức xạ gamma đo được tại Quận 3 89

2 Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong các mẫu đất 91

2.1 Chuẩn phóng xạ 91

2.2.Kết quả hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong các mẫu đất 92

3 Kết quả tính toán về suất liều hấp thụ, liều hiệu dụng hàng năm và chỉ số nguy hiểm bức xạ chiếu ngoài và hoạt độ phóng xạ của nguyên tố phóng xạ nhân tạo 137 Cs 98

CHƯƠNG IX KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

1 Nội dung đã thực hiện 108

2 Kết luận 108

5

3 Kiến nghị 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC 111

6

TỔNG QUAN

Cuộc sống của con người hiện nay đang chịu ảnh hưởng rất nhiều từ các yếu tố môi trường và sự tồn tại các nhân phóng xạ tự nhiên và nhân tạo là một trong những yếu tố đó Các đồng vị phóng xạ tự nhiên đến từ vũ trụ hay có trong vỏ trái đất hoặc các đồng vị phóng xạ nhân tạo sinh ra do các hoạt động hạt nhân của con người từng phút, từng giờ đang ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của cộng đồng

Tại các thành phố lớn, ngoài các nhân tố ô nhiễm môi trường, sự hiện diện của các nhân phóng xạ cũng có tác động trực tiếp đến cuộc sống của mỗi người dân nơi đây Bức xạ ion hoá nói chung cũng như các chất phóng xạ có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và nền kinh tế Tuy nhiên chúng lại có ảnh hưởng không tốt đến sức khoẻ con người, vì vậy để phát huy những mặt có lợi, hạn chế những tác động có hại tới con người và môi trường sống cần có những nghiên cứu đánh giá nghiêm túc về mức phông phóng xạ trên từng địa bàn cụ thể, lập ra bản đồ mức phông phóng xạ trên địa bàn, theo dõi những khuynh hướng thay đổi nếu có theo thời gian do tác động của

tự nhiên và xã hội trong quá trình vận động phát triển Phân tích phóng xạ môi trường

là một khâu quan trọng để đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các bức xạ tồn tại trong tự nhiên đối với môi trường sống và con người

Có rất nhiều phương pháp phân tích phóng xạ như: hoá phóng xạ, đo phổ anpha, phương pháp kích hoạt neutron, đo phổ gamma phông thấp, phương pháp xạ hình đường bộ…Bức xạ gamma có trong hầu hết các nguồn phóng xạ tự nhiên và nhân tạo Phổ bức xạ gamma là công cụ mạnh mẽ trong việc theo dõi và đánh giá các bức xạ môi trường Phương pháp đo phổ gamma có khả năng đo trực tiếp các tia

Hình 1: Ảnh hưởng của bức xạ đến con người ( Bức xạ tự nhiên 82 %, bức xạ nhân

tạo 18%

7

gamma do các nhân phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách các nhân phóng

xạ ra khỏi chất nền của mẫu , giúp ta xác định một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu Đề tài này xin đóng góp một phần trong việc đánh giá sự hiện diện các đồng vị phóng xạ tự nhiên tiêu biểu (U-238, Th-232 và K-40 ) và nguyên tố phóng xạ nhân tạo tiêu biểu Cs-137 tại địa bàn Quận 3 từ đó đóng góp vào việc hình thành sơ bộ một phần nền phông phóng xạ môi trường tại TPHCM Ngoài

ra đề tài cũng ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS), một trong những hệ thống có khả năng quản lý và phân tích dữ liệu một cách hữu hiệu phục vụ đắc lực cho công tác quản lý hiện nay, kết hợp với một số phần mềm vẽ bản đồ để thể hiện bản đồ phân

bố hoạt độ phóng xạ tự nhiên của môi trường và bản đồ phân bố suất liều gamma tại các vị trí lấy mẫu đất phân tích hoạt độ và theo suất liều đo được bằng thiết bị đo hiện trường ( máy đo suất liều )

Tại Thành phố Hồ Chí Minh những nghiên cứu đánh giá về lĩnh vực này trong những năm qua đã bắt đầu thực hiện như ở quy mô còn hạn chế, chưa xây dựng được bản đồ tổng thể vể phông phóng xạ môi trường Để làm được điều này cần có các nghiên cứu đánh giá ở từng địa bàn cụ thể, từ đó xây dựng bản đồ phông phóng xạ môi

trường tại đó Vì vậy chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Xây dựng bản đồ phóng

xạ môi trường tại Quận 3 – TPHCM ứng dụng phương pháp phân tích phổ gamma phông thấp và hệ thống thông tin địa lý (GIS)” nhằm thử nghiệm nắm bắt

các công cụ và phương tiện hiện đại xây dựng bản đồ phông phóng xạ; đồng thời bước đầu cung cấp các dữ liệu về phóng xạ môi trường tại một địa bàn cụ thể cũng là nội dung thí điểm đầu tiên cho cơ quan hữu quan để xem xét việc áp dụng cho các địa bàn khác ở thành phố Hồ Chí Minh, góp phần hình thành sơ bộ bản đồ tổng thể phông xạ môi trường tại đây để các nhà quản lý nắm được hiện trạng phóng xạ ở Thành phố Hồ Chí Minh từ đó đưa ra các chính sách quy hoạch, quản lý phù hợp

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đây là đề tài cả lý thuyết và thực nghiệm : Trên cơ sở thực nghiệm bằng hệ phổ kế gamma phông thấp có độ phân giải cao được sử dụng để xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ tư nhiên và nhân tạo trong mẫu đất ; đồng thời kết hợp phương pháp tính suất liều chiếu chủ yếu do bức xạ gamma từ đất bề mặt bằng cách sử dụng hệ số chuyển đổi lý thuyết do các phòng thí nghiệm trên thế giới thực hiện Ngoài ra trong đề tài còn sử dụng thiết bị đo suất liều chiếu cách mặt đất 1 m để xác định định tính giá trị suất liếu chiếu bằng phương pháp xạ trình đường bộ theo vị trí lấy mẫu đất và số điểm xạ hình tùy thuộc vào mật độ dân cư trong vùng cần nghiên cứu ; sau đó kết hợp với công nghệ GIS, bằng cách tích hợp các dữ liệu vào bản đồ GIS, sử dụng phầm mềm Mapinfo và suffer để vẽ bản đồ, nội suy và xây dựng bản đồ phân bố hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ môi trường ( U-238, Th-232, K-

40, Cs-137) và suất liều chiếu do bức xạ gamma tại Quận 3 Đánh giá kết quả nghiên cứu, so sánh kết quả giữa 2 phương pháp xạ hình và đo họat độ phóng xạ nhằm mục đích góp phần vào việc xây dựng bản đồ phông phóng xạ môi trường tại Thành phố

Hồ Chí Minh

Ý NGHĨA CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Thành phố Hồ Chí Minh đang tiến hành song song hai việc: xây dựng kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ và xây dựng trạm quan trắc phóng xạ địa phương theo đề nghị của Bộ Khoa học và Công nghệ, nếu đề tài thực hiện được sẽ là cơ sở dữ liệu quan

8

trọng có ý nghĩa trong công tác quản lý hiện nay, vừa đánh giá được tác động của phông phóng xạ môi trường ảnh hưởng đến người dân, vừa làm cơ sở dữ liệu cho hoạt động xây dựng trạm quan trắc vùng và địa phương trong thời gian tới

Trong khu vực Đông Nam Á nhiều nước đã tiến hành xây dựng bản đồ phông phóng xạ môi trường trên cả nước, thậm chí cả những nước chưa có nhu cầu xây dựng nhà máy điện hạt nhân như Philipines Điều đáng nói là họ đã làm việc này từ những thập kỷ trước Tại các nước phát triển họ đã có bản đồ phông phóng xạ tự nhiên và nhân tạo, bộ số liệu hàm lượng các hạt nhân phóng xạ tại nhiều địa phương và còn cả những trạm quan sát, theo dõi phóng xạ tự động

Ngành kỹ thuật hạt nhân tại nước ta đang phát triển nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực: y học, công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoc, nghiên cứu Bên cạnh đó, nước

ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân, điều này càng đòi hỏi các yêu cầu gắt gao về vấn đề an toàn bức xạ Tuy nhiên hiện nay Thành phố Hồ Chí Minh vẫn chưa có bản đồ phông phóng xạ tự nhiên Một số tỉnh đã tiến hành xây dựng bản đồ phông phóng xạ ví dụ Hải Dương, Quảng Trị, Bà Rịa- Vũng Tàu, Quảng Ninh, Bình Dương, Đồng Nai…

• Quyết định số 01/2006/QD-TTg, ngày 03/01/2006 về Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020;

• Quyết định 1636/QĐ-TTg, ngày 31/08/2010 Phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường quốc gia đến năm 2020”, trong đó TPHCM được chỉ định xây dựng trạm quan trắc phóng xạ địa phương và trạm vùng

• Thông tư 27/2010/TT-BKHCN, ngày 30/12/ 2010 của Bộ KH&CN Hướng dẫn

về đo lường bức xạ, hạt nhân và xây dựng, quản lý mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

• Năm 2011 Bộ KH&CN đã có công văn số 2479/BKHCN-VNLNT, ngày 03/10/2011 yêu cầu các Sở KH&CN địa phương xây dựng và trình dự án xây dựng trạm quan trắc phóng xạ địa phương Việc xây dựng bản đồ PXMT là việc đầu tiên phải thực hiện

9

CHƯƠNG I: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1 Nguyên tử, hạt nhân và các tia bức xạ

Tất cả các vật chất đều cấu tạo từ các nguyên tố Trong tự nhiên đã tìm thấy hơn 90 nguyên tố, từ hydrogen đến uranium Các nguyên tố bao gồm các nguyên tử, là phần tử nhỏ nhất mà một nguyên tố hóa học có thể phân chia ra được mà không mất đi tính chất hóa học của nó

Các nguyên tử có cấu trúc riêng của mình phụ thuộc vào loại nguyên tố Nhưng đặc điểm chung của chúng là cấu tạo từ hạt nhân nguyên tử có điện tích dương nằm ở giữa và các êlectrôn điện tích âm chuyền động trên các qũy đạo xung quanh hạt nhân

Số điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số các điện tích âm của các êlectrôn chuyển động quanh nó Nguyên tử trung hòa về điện tích Số êlectrôn qũy đạo tăng dần khi nguyên tử càng nặng Ví dụ nguyên tử hydrogen có 1 êlectrôn quỹ đạo còn uranium có

92 êlectrôn qũy đạo

Nguyên tử có đường kính khoảng 10-10 m còn hạt nhân có kích thước khoảng

10-15 m Khối lượng hạt nhân chiếm phần lớn khối lượng nguyên tử còn khối lượng các êlectrôn không đáng kể Ví dụ khối lượng nguyên tử hydrogen bằng 1,67343.10-27

kg còn khối lượng êlectrôn bằng 9,1091.10-31 kg

Các êlectrôn chuyển động trên các qũy đạo hay các lớp vỏ, mà tại đó êlectrôn tồn tại một cách độc lập và có năng lượng xác định Ở qũy đạo càng thấp, năng lượng liên kết của êlectrôn càng lớn Theo thứ tự từ tâm ra, các qũy đạo, hay các lớp, được

ký hiệu là K, L, M, N

Các êlectrôn của nguyên tử chiếm đầy các trạng thái thấp nhất ở các qũy đạo thấp nhất Ví dụ nguyên tử natrium có 11 êlectrôn, trong đó 2 êlectrôn chiếm nằm ở lớp K, 8 êlectrôn nằm ở lớp L và 1 êlectrôn còn lại nằm ở lớp M (Hình 1.1) Đó là trạng thái cơ bản của nguyên tử Các êlectrôn nằm ở lớp càng thấp thì càng bị lực tác dụng hút mạnh vào hạt nhân Để chuyển nó lên lớp cao hơn phải có năng lượng cung cấp từ bên ngoài Khi một êlectrôn nào đó được cung cấp năng lượng chuyển từ lớp dưới lên lớp trên thì để lại một lỗ trống ở lớp mà nó vừa bỏ đi Khi đó nguyên tử ở trạng thái kích thích Nếu được cung cấp một năng lượng rất lớn, êlectrôn có thể thoát

10

ra ngoài nguyên tử, nghĩa là không bị lực hút của nguyên tử, và để lại một lỗ trống tại lớp nó vừa bỏ đi Khi đó ta nói nguyên tử bị ion hóa, tức là nguyên tử có điện tích dương bằng điện tích các êlectrôn bay ra ngoài

Khi nguyên tử bị kích thích hay bị ion hóa, vị trí cũ của êlectrôn trở thành lỗ trống Nếu một êlectrôn nào đó ở lớp cao hơn rơi vào lỗ trống ở lớp thấp hơn thì nó giải phóng một năng lượng bằng hiệu số giữa hai mức năng lượng tương ứng với hai lớp này Năng lượng E được giải phóng ra khỏi nguyên tử dưới dạng một bức xạ Năng lượng này có giá trị lớn đối với các lớp thấp và bức xạ phát ra được gọi là tia gamma, còn đối với các lớp cao hơn, năng lượng bức xạ bé, khi đó nguyên tử phát ra các tia ánh sáng tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng hồng ngoại Tia gamma và các bức xạ ánh sáng đều là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau về tần số sóng Chúng

có tính chất hạt nên còn gọi là photon hay lượng tử ánh sáng

Hình 1.2 Nguyên tử bức xạ tia gamma Năng lượng tia bức xạ thường đo bằng đơn vị êlectrôn-volt, viết tắt là eV Đó là năng lượng của êlectrôn, có điện tích bằng e = 1,6.10-19 C, được gia tốc trong hiệu điện thế 1 volt Liên hệ giữa eV và các đơn vị năng lượng thường dùng J và erg như sau :

11

2.1 Hạt  :

Hạt  là hạt nhân nguyên tử helium, có 2 prôtôn và 2 nơtrôn Phân rã  xuất hiện đối với các nguyên tố có số khối lượng lớn và là các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Một

số đồng vị phóng xạ nhân tạo có số khối lượng trong khoảng 60-85 cũng phát xạ 

Ký hiệu quá trình phân hủy  như sau:

ZXA   + Z-2YA-4 (1.2)

Một số tính chất của hạt :

- Có khối lượng bằng khoảng 4 lần khối lượng hạt nhân hydrogen và có điện tích bằng +2

- Gây ion hóa khi đi ngang qua môi trường

- Quảng đường chạy rất ngắn khi đi qua môi trường, chẳng hạn có thể bị dừng lại bằng một tờ giấy mỏng

- Ion hóa vật chất như hạt  nhưng cường độ bé hơn hạt 

- Quảng đường hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng, quảng đường trong không khí khoảng vài mét Có thể chắn lại bằng một lá nhôm dày cỡ 1 mm

2.3 Tia gamma (  )

Quá trình phân rã  thường xảy ra sau quá trình phóng các hạt  hoặc , khi hạt nhân cuối ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản

Một số tính chất của tía  :

- Đó là bức xạ điện từ, không có điện tích

- Ion hóa vật chất không trực tiếp

- Có khả năng đâm xuyên sâu: năng lượng càng cao, khả năng đâm xuyên càng lớn Tia  có thể dễ dàng đâm xuyên qua cơ thể người

12

2.4 Tia X:

Tia X được sinh ra khi vật chất hấp thụ chùm êlectrôn năng lượng cao Trong ống phát tia X, chùm êlectrôn được gia tốc đến vận tốc cao rồi va chạm với bia để sinh ra tia X Có hai cơ chế sinh tia X:

- Khi êlectrôn bay đến gần hạt nhân của bia thì lực hút giữa êlectrôn mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương làm êlectrôn thay đổi quỹ đạo và mất một phần năng lượng Động năng mất này được phát sinh ra dưới dạng tia X, gọi là bremstrahlung

- Khi êlectrôn va chạm và đánh bật một êlectrôn liên kết mạnh trong nguyên tử, chẳng hạn một êlectrôn ở vỏ K thì nguyên tử ở trạng thái không bền Nguyên tử trở về trạng thái bền bằng cách chuyển một êlectrôn ở vỏ cao hơn, chẳng hạn vỏ L, về chổ trống và năng lượng thừa được giải phóng bằng cách phát ra tia X

Tia X cũng có tính chất như tia gamma nhưng do năng lượng thấp hơn nên khả năng đâm xuyên thấp hơn Năng lượng tia X thường từ vài keV đến vài trăm keV

2.5 Hạt nơtrôn:

Nơtrôn là hạt có khối lượng gần bằng khối lượng hạt nhân hydrogen song không có điện tích Nơtrôn tương tác với vật chất theo nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào năng lượng nơtrôn , chẳng hạn tán xạ đàn hồi , không đàn hồi và chiếm nơtrôn để phát

ra các hạt , p, d,  Nguồn đồng vị phát nơtrôn thường gồm 2 thành phần: Đồng vị phóng xạ phát hạt anpha (Ra, Po, Rn) hay phát tia gamma (Al28, In116, Sb124, Na24, v.v.) và vật liệu (Li7, Be9, B11 ) mà các hạt anpha hay tia gamma tương tác với nó sinh ra nơtrôn

3 Quy luật phân rã phóng xạ

Do các hạt nhân phóng xạ luôn luôn phát ra các tia bức xạ nên số lượng của chúng giảm theo thời gian Số các hạt nhân phóng xạ N(t) của một đồng vị phóng xạ giảm theo thời gian theo dạng hàm số mũ

Trong đó N0 là số hạt nhân ban đầu tại t = 0, N(t) là số hạt nhân tại thời điểm t còn 

là tốc độ phân rã Đây là quy luật phân rã phóng xạ

Thời gian bán rã T1/2 là thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi 2 lần Từ công thức (1.5) ta có:

nNn là số hạt nhân phóng xạ phân rã từ nguyên tố Rn

Nếu đạt tới sự cân bằng phóng xạ thì:

n-1Nn-1 = nNn (1.8) Khi đó số hạt nhân phóng xạ tạo thành trong một thời gian đúng bằng số hạt nhân phân rã

Nếu có sự cân bằng trong toàn chuỗi thì:

dt t N t

N  =



1

3.2.1.Hoạt độ phóng xạ

Hoạt độ là số phân rã trên đơn vị thời gian ( đơn vị làBq hoặc Ci )

A(t)  n(t) = n(0)e-t

Bq được xác định là sự biến đổi trên giây và 1Ci = 3.71010 Bq

Sự biểu diễn hoạt độ của hạt nhân phóng xạ (mẹ), mà hoành độ là thời gian tượng trưng cho chu kì bán hủy của hạt nhân phóng xạ và tung độ đo hoạt độ ban đầu (A0) Trục tung được xem như tương đương với số hạng của N(t) hoặc n(t) cũng như liên quan đến N0 và n0 tương ứng Xem hình ( 1.4 )

Thời gian, t Hình 1.4: Hoạt độ của phân rã hạt nhân Hoạt độ hạt nhân phóng xạ được chuẩn hóa

hoạt độ ban đầu, A(0), và chu kì bán hủy

mN m m

n m

15

Với M là khối lượng nguyên tử

Hoạt độ phóng xạ riêng không phụ thuộc vào khối lượng thực và thời gian của

hạt nhân phóng xạ riêng

3.2.3 Thời gian sống hiệu dụng

Thời gian sống hiệu dụng tính cho cả hai phân rã phóng xạ và phân rã sinh học của

đồng vị phóng xạ Nó là sự kết hợp của chu kì bán hủy phóng xạ và chu kì bán hủy

=

bio rad

bio rad

t t

t t

, 2 / 1 , 2 / 1

, 2 / 1 , 2 / 1

n e

n t

1 2

1 1 2

2

)0()

0()

2 2 3

t n dt

t

n

0 2 2 3

2 1

2 1

Khi 1 > 2, vì n2(0) = 0, nên công thức (1.15) bị giảm bớt:

e e

n t

1 2

1 1 2

)0()

Hoạt độ của nhân mẹ và nhân con được biểu diễn bằng đồ thị ở hình (1.5) ở đó

có thể thấy hoạt độ tổng cộng bị chi phối bởi hoạt độ của hạt nhân con:

A1 + A2  A2 t  7 t1/2,1 (1.19)

16

Thời gian Hình 1.5: Biểu diễn sự không cân bằng phóng xạ 3.3.2 Cân bằng hóng xạ thế kỷ

Cân bằng phóng xạ thế kỷ xảy ra khi hạt nhân mẹ có thời gian sống rất dài so với hạt nhân con (1 < < 2) Sau 7 chu kì bán hủy của hạt nhân con, hoạt độ của hạt nhân con và nhân mẹ là bằng nhau và được biểu diễn ở hình (1.6) đối với n2(0)

()

A    với t  7 t1/2,1 (1.20)

Thời gian Hình 1.6: Biểu diễn cân bằng phóng xạ thế kỷ 3.3.3 Cân bằng phóng xạ chuyển tiếp

Cân bằng phóng xạ chuyển tiếp xảy ra khi hạt nhân mẹ có thời gian sống dài (1

< 2) Cuối cùng tất cả hoạt độ phân rã ứng với chu kì bán hủy của hạt nhân mẹ được minh họa trong phép cân bằng ở hình (1.7), với n2(0) = 0:

)()

0()

1 2 1

1 2

1 1 2

17

1 2

2 1

2 2

k

j k

t i

i

j

e n

)(

)0(

từ A đến B là 1 = B A, tương tự với C là2 = C A Tất cả xác suất phân rã A là tổng của xác suất riêng phần, đó là, A = 1 + 2 (xác suất chung từ sự kết hợp của 2 đường phân rã) Do đó sự cân bằng cho hạt nhân phóng xạ A là:

) ( ) 2 1 ( )

n dt

dn

A A

A A

18

Hoạt độ của A là:

)()()()(

)()

A A  A A    A  

Và

t A

A t A

t A

A A ( 1 2) ( 1 2)

)0()

0()

0()

B

A

e n

f n

t

n ( ) (0) (0)1 

 t

A C C

C

A

e n

f n

t

n ( )  ( 0 )  ( 0 ) 1   (1.25)

4 Các đơn vị đo lường bức xạ [12]

Các đơn vị chính được sử dụng để đo lường bức xạ là hoạt độ, liều hấp thụ, liều tương đương, liều chiếu Sau đây trình bày các đơn vị đo lường này

Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ trong hệ SI là Becquerel (ký hiệu là Bq) 1 Bq là 1 phân

rã trong 1 giây Đơn vị thường dùng khác là Curie (ký hiệu là Ci), liên hệ với đơn vị

Bq như sau:

1 Ci = 3,7.1010 Bq (1.28) Liên hệ giữa các bội số của Bq với Ci và các ước số của Ci như sau:

1 GBq = 109 Bq 1 Ci = 37 GBq

1 MBq = 106 Bq 1 mCi = 37 MBq

1 KBq = 103 Bq 1 Ci = 37 KBq Hoạt độ phóng xạ riêng là hoạt độ phóng xạ của một đơn vị nguồn phóng xạ, đơn

vị thường dùng là Bq/kg (thường dùng cho nguồn dạng rắn) , Bq/m3 (thường dùng cho nguồn dạng lỏng hay khí)

4.2 Liều chiếu

Để định lượng một loại bức xạ nào đó là nhiều hay ít, ban đầu người ta dùng khái niệm liều và dựa vào tác dụng ion hoá của bức xạ đó gây ra trong không khí Đơn vị đầu tiên được dùng là Roentgen (ký hiệu là R)

Roentgen là lượng bức xạ gamma (tia X hoặc tia γ) khi đi qua 1cm3 không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 760 mmHg) thì tạo thành một đơn vị diện tích của mỗi loại ion

Trong không khí liều hấp thụ 1R=0,86 Rad, trong tế bào sống thì 1R = 0,93 Rad

Suất liều hấp thụ: D

Suất liều hấp thụ là tỷ số dD trên dt, trong đó:

dD là sự tăng của liều hấp thụ trong khoảng thời gian dt

D =

dt

dD

(1.30)

D có thứ nguyên là J.Kg-1.s-1 hay Gray/giây

4.4 Liều tương đương

Liều tương đương H tại một điểm trong mô tả là tích của hai đại lượng Q và D Trong đó: D là liều hấp thô

Q hệ số phẩm chất tại điểm đo

Đơn vị đo liều tương đương có tên là rem:

1 rem =1 Rad x Q Một đơn vị đo liều tương đương là J.Kg-1 Tên riêng của liều tương đương là Sievert (Sv)

1 Sv = 1 Gy x Q Vậy: 1 Sv = 100 rem

Suất liều tương đương H:

Suất liều tương đương H là tỷ số của dH trên dt:

H=

dt

dH

(1.32) Thứ nguyên của suất liều tương đương là J.Kg-1.giây-1 Tên riêng của Hlà Sv/s

20

4.5 Liều hiệu dụng tương đương

Trong địa vật lý hạt nhân nghiên cứu môi trường thường xác định liều hiệu dụng tương đương, nó tỷ lệ với suất liều chiếu và được xác định bằng công thức sau:

H = K.I.Q.N.t (1.33)

Trong đó:

K là hệ số phụ thuộc vào môi trường, trong không khí K = 0,869

I là suất liều chiếu bức xạ gamma được xác định bằng thực nghiệm

Q là hệ số phẩm chất của bức xạ, với bức xạ gamma Q = 1

N là hệ số tính cho các yếu tố môi trường, với không khí N = 1

t là thời gian chiếu

Nếu I đo bằng R/h thì H được tính ra mrem

Suất liều chiếu tương đương theo số liệu của cơ quan Quốc tế về An toàn phóng

xạ Thế giới là 50mSv hay 5 rem

5 Thiết bị ghi đo bức xạ

Các máy đo liều bức xạ rất đa dạng song chủ yếu gồm các loại sau đây:

 Máy đo liều chiếu, suất liều chiếu, liều hấp thụ tương đương, suất liều hấp thụ tương đương của các bức xạ , , , tia X và neutron do các nguồn bức xạ phát ra trong khu vực làm việc hoặc môi trường Các máy này thường là máy di động có thể cầm tay được

 Máy đo độ nhiễm bẩn tay chân của các bức xạ , khi làm việc tiếp xúc với các nguồn phóng xạ hở Các máy này thường đặt cố định tại các lối vào và ra khu vực làm việc với chất phóng xạ

 Máy đo độ nhiễm bẩn toàn thân của các bức xạ và khi làm việc tiếp xúc với các nguồn phóng xạ hở Các máy này thường đặt cố định tại các lối vào và ra khu vực làm việc với chất phóng xạ

 Máy đo độ nhiễm bẩn sàn nhà của các bức xạ, do dây bẩn khi làm việc với các nguồn phóng xạ hở Các máy này có thể làm nhỏ gọn để cầm tay hoặc dưới dạng

xe đẩy

21

CHƯƠNG II: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO

1 Lịch sử về phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo

Phóng xạ là một trong những hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ rất lâu đời Vào năm 1895, nhà vật lí người Đức W.Roentgen đã khám phá ra tia X Năm 1896, nhà vật lí người Pháp Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên khi

mà ông nghiên cứu về đặc tính lân quang của các muối Uranium Ông đã phát hiện các tinh thể muối Uranium liên tục phóng ra một loại bức xạ có khả năng xuyên qua màn chắn ánh sáng và làm đen kính ảnh Từ đó, hiện tượng phóng xạ được khám phá và các tính chất của tia phóng xạ dần được phát hiện

Năm 1898, vợ chồng nhà bác học Pierre và Marie Curie đã phát hiện ra những nguyên tố nặng như Thorium cũng phát ra bức xạ, khoáng chất Uranit và khoáng chất Chancoxit phát ra bức xạ nhiều hơn khi chiếm một lượng Uranium Đồng thời, hai nhà khoa học cũng tìm ra hai chất phóng xạ mới là Polonium và Radium Radium có tính phóng xạ cao hơn nhiều so với Uranium và Polonium

Năm 1899, Rutherford đã chỉ ra có hai loại phóng xạ là alpha và beta

Năm 1900, Villard đã nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không những phát ra các tia alpha và beta mà còn phát ra một loại bức xạ có khả năng đâm xuyên rất mạnh gọi là tia gamma

Năm 1902, vợ chồng Pierre và Marie Curie đã xác nhận chùm phóng xạ beta thực chất là chùm electron, liên tiếp bản chất các chùm phóng xạ alpha cũng được xác nhận là dòng các hạt nhân của nguyên tử Heli và phóng xạ gamma là những photon năng lượng cao

Theo định nghĩa phóng xạ là sự biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử, đưa đến sự thay đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân Khi chỉ có

sự thay đổi trạng thái xảy ra, hạt nhân sẽ phát tia gamma mà không biến thành hạt nhân khác; khi bậc số nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác; khi chỉ có số khối thay đổi hạt nhân sẽ biến thành đồng vị khác của

Năm 1903, Rutherfor và Soddy đã thực hiện kết hợp sự phóng thích giữa alpha

và beta thông qua sự thay đổi bậc số nguyên tử của nguyên tố phóng xạ Cũng trong năm này hai nhà khoa học đã thiết lập được định luật phân rã phóng xạ

Năm 1912, khái niệm về đồng vị được phát triển từ đó đã giải thích được sự tồn tại của phóng xạ

22

Năm 1934, Irene và Frederic Curie đã tạo ra và cô lập nguyên tố phóng xạ nhân tạo đầu tiên, đó là 210Po Phát minh này đã mở ra một kỷ nguyên mới về phóng xạ nhân tạo

Từ đây, số lượng các nguyên tố phóng xạ nhân tạo không ngừng tăng lên Người ta nhận thấy rằng không có sự khác biệt về tính phóng xạ giữa nguyên tố phóng

xạ tự nhiên và nguyên tố phóng xạ nhân tạo

1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường

Nguồn gốc phóng xạ môi trường có thể chia thành hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo Nguồn phóng xạ tự nhiên hay còn gọi là phông phóng xạ tự nhiên gồm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ và các đồng vị phóng xạ nguyên thủy Còn nguồn phóng xạ nhân tạo do con người tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc trong các máy gia tốc

Theo thống kê của UNSCEAR (2008), mỗi người dân trên toàn thế giới nhận liều hiệu dụng trung bình khoảng 3 mSv/năm Trong đó, 79,80% tổng liều hiệu dụng trung bình hàng năm có nguồn gốc từ phóng xạ tự nhiên (tương đương 2,42 mSv/năm)

và 20,20% còn lại có nguồn gốc từ phóng xạ nhân tạo (tương đương 0,612 mSv/năm),

mà chủ yếu từ chuẩn đoán và điều trị y học Như vậy phóng xạ môi trường trên thế giới chủ yếu có nguồn gốc từ phóng xạ tự nhiên Bảng 2.1 trình bày liều hiệu dụng trung bình được đóng góp từ nhiều nguồn khác nhau

Bảng 2.1 Liều hiệu dụng trung bình hàng năm trên toàn thế giới [15]

trung bình (mSv)

Tỉ lệ (%) Hít thở (radon và các sản

xạ vũ trụ như sau: 0,04 µGy/h trên bề mặt trái đất; 0,2 µGy/h ở độ cao 5000 m và 3 µGy/h ở độ cao 20000 m

Trong số các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ tạo ra, ba hạt nhân 3H, 14C và

7

Be là phổ biến nhất do có thời gian sống tương đối dài, có hoạt độ đáng kể nên có ý nghĩa về mặt nghiên cứu môi trường Trong số ba hạt nhân này thì 14C có đóng góp lớn hơn cả Hoạt độ phóng xạ gây bởi 14C trong cơ thể người được đánh giá vào khoảng 50 Bq/g, tương ứng với liều hiệu dụng là 12 μSv/năm.Trung bình toàn cầu trong một năm thì liều bức xạ gây ra bởi bức xạ vũ trụ vào khoảng 0,39 mSv Bảng 2.2 liệt kê một số đồng vị phóng xạ phổ biến được tạo ra do các bức xạ vũ trụ

Bảng 2.2 Một số đồng vị phóng xạ phổ biến được tạo ra do các bức xạ vũ trụ [5]

Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy có từ lúc trái đất hình thành Hầu hết chúng

có chu kì bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm Cho đến nay, những hạt nhân nào đã trải qua khoảng vài chục chu kỳ bán rã thì hầu như không còn tồn tại nữa Chỉ những hạt nhân có chu kì bán rã lớn, so sánh được với tuổi của trái đất thì vẫn tồn tại như 238U,

235

U, 232Th và 40K Ngoại trừ 40K thì các sản phẩm của các hạt nhân này không bền nên chúng tiếp tục phân rã tạo thành ba chuỗi phóng xạ tự nhiên: Thorium 232Th (4n), Uranium 238U (4n+2), Actinium 235U (4n+3) Bên cạnh đó còn có chuỗi phóng xạ nhân tạo Neptunium 237Np (4n+1)

24

Hình 2.1 Sơ đồ phân rã của chuỗi Uranium

Hình 2.2 Sơ đồ phân rã của chuỗi Thorium

25

Hình 2.3 Sơ đồ phân rã của chuỗi Actinium

Các đặc điểm của ba chuỗi phóng xạ tự nhiên

Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với chu kỳ bán rã được đo theo các đơn vị địa chất Nếu xét thời gian từ khi vũ trụ được hình thành thì các đồng

vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của trái đất

Mỗi chuỗi đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon Trong chuỗi Uranium khí 222Rn được gọi là radon, trong chuỗi Thorium khí 220Rn được gọi là thoron, trong chuỗi Actinium khí 219Rn được gọi là action Còn trong chuỗi phóng xạ nhân tạo Neptunium không có thành viên nào dưới dạng khí phóng xạ Sự có mặt của các khí phóng xạ trong ba chuỗi phóng xạ tự nhiên góp phần tạo nên phông phóng xạ tự nhiên của môi trường Trong

ba loại khí phóng xạ thì radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có chu kỳ bán rã lớn nhất

Sản phẩm cuối cùng trong mỗi chuỗi phóng xạ tự nhiên đều là chì Trong chuỗi Uranium là 206Pb có độ phổ cập là 24,1%; trong chuỗi Actinium là 207Pb có độ phổ cập

là 22,1% và trong chuỗi Thorium là 208Pb có độ phổ cập là 52,4%

Bảng 2.3 Hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ nguyên thủy [5]

 Uranium

Uranium là một trong những nguyên tố khá phổ biến trong tự nhiên, nó đứng thứ 38 về độ giàu trong các nguyên tố có mặt trên trái đất và chủ yếu có mặt trong đá gốc hay đá mẹ Theo UNSCEAR (2008) đánh giá hoạt độ riêng của 238Utrong đất từ 2 đến 300 Bq/kg và có giá trị trung bình trên toàn thế giới là 33 Bq/kg Trong tự nhiên Uranium tồn tại ba đồng vị là 238U, 235U và 234U với độ phổ cập tương ứng là 99,2743%; 0,7200% và 0,0057% Theo tính toán lý thuyết, hàm lượng 235U nhỏ hơn hàm lượng 238U khoảng 140 lần Đồng vị 238U và 234U thuộc cùng chuỗi Uranium, còn

232

Th được phân tán rộng rãi hơn cả, 232Th xuất hiện nhiều ở những quặng cát, đặc biệt

là quặng monazit Theo UNSCEAR (2008) đánh giá hoạt độ riêng của 232Th trong đất

có giá trị trung bình vào khoảng 45 Bq/kg

 Kali

Kali là kim loại kiềm có 3 đồng vị là 39K (93,26%), 40K (0,0117%) và

41

K (6,73%) nhưng chỉ có 40K với chu kỳ bán rã là 1,28.109 năm có tính phóng xạ, phát

ra tia gamma có năng lượng 1,46 MeV 40K và con cháu của nó 40Ar có mối liên hệ chặt chẽ với nhau khi chúng cùng tồn tại trong khoáng vật, người ta sử dụng tỷ số

40

Ar/40K không đổi để xác định niên đại địa chất của đá 40K là đồng vị phóng xạ tự nhiên rất phổ biến trong các môi trường, trong thực vật, động vật và cả trong cơ thể người Trên bề mặt của vỏ trái đất, Kali thường có hàm lượng cao trong đá magma, đất sét và đá phiến Theo UNSCEAR (2008) đánh giá hoạt độ riêng của 40K trong đất có giá trị trung bình là 412 Bq/kg

Hình 2.4 Các đồng vị của Kali trong môi trường tự nhiên

27

1.2.3 Các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong các môi trường

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được tìm thấy trong tất cả các môi trường, chúng tồn tại trong đất đá, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng và cả trong

cơ thể con người

 Phóng xạ tự nhiên trong đất

Nguồn gốc tạo nên các nguyên tố phóng xạ trong đất là từ các loại đá tạo thành đất (đá gốc, đá mẹ) Do đó, hoạt độ và đặc tính phóng xạ trong đất có quan hệ chặt chẽ với hàm lượng các nguyên tố phóng xạ có mặt trong đá gốc Trong đất bao gồm 40K và các đồng vị phóng xạ của chuỗi phóng xạ Uranium, Thorium [11] Hoạt độ của các đồng vị này trong đất đá có thể thay đổi khác nhau, phụ thuộc nhiều vào loại đất, thành phần khoáng vật có trong đất và mật độ của đất Đất được hình thành từ các sản phẩm phân hủy của đá magma có tính axit thường chứa một lượng lớn các đồng vị phóng xạ như Uranium, Thorium và Kali Ngược lại, đất được hình thành từ các đá bazơ và đá siêu bazơ thường chứa một lượng ít các đồng vị phóng xạ hơn Phần lớn các nguyên tố phóng xạ trong đất phát sinh từ sự phân hủy hữu cơ

Ngoài ra, đất được hình thành gần những nơi có các mỏ quặng phóng xạ trồi lên thì tập trung rất nhiều các nguyên tố phóng xạ Ở Việt Nam có một số vùng được ước tính có lượng quặng khá lớn như ở Quảng Nam, Cao Bằng, Lai Châu v.v Hoạt độ phóng xạ trung bình tại những nơi này thường cao hơn hoạt độ trung bình của môi trường Trong điều kiện thuận lợi thì nước có chứa các chất khoáng hòa tan bao gồm các đồng vị phóng xạ cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc lắng tụ các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất Người ta thường xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ

có trong khối lượng lớp đất dày 30 cm và diện tích 1 hải lý vuông, tức là 2,5 km2

Bảng 2.4 Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong lớp đất dày 30 cm với diện tích

 Phóng xạ tự nhiên trong không khí

Phóng xạ trong không khí do tro bụi phóng xạ tạo nên bao gồm nguồn của tia

vũ trụ, nguồn của phóng xạ trong không khí thoát ra từ đất đá, nước, trong tự nhiên Chu kỳ bán rã của radon là 3,82 ngày lớn hơn rất nhiều so với chu kỳ bán rã của thoron (55,60 s) và action (3,96 s) Do đó, radon là nguyên nhân chính gây nên phông

và các con cháu của nó Các hạt alpha này sẽ phá hủy các tế bào của cơ thể con người khi nó được phát ra từ bên trong cơ thể 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 tham gia vào quá trình vận chuyển các sản phẩm của đất đá sau khi chúng phong hóa Toàn bộ nước trên trái đất này, kể cả trong nước biển, đều chứa các đồng

vị phóng xạ Hàm lượng các đồng vị phóng xạ trong nước ít hơn trong đất khoảng 10 đến 100 lần vì khi chảy một phần bức xạ đã hòa tan vào trong đất [10] Hoạt độ phóng

xạ trong nước chủ yếu do 40K quyết định vì nồng độ của nó cao hơn nhiều so với các

nguyên tố khác Hoạt độ các đồng vị phóng xạ có trong nước biển của các đại dương được trình bày trong bảng 2.5

Bảng 2.5 Hoạt độ phóng xạ có trong nước biển của các đại dương

Nhân Hoạt độ Thái Bình

Dương

Đại Tây Dương

Tất cả các đại dương

Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã thiết lập mức cao nhất đối với nhân phóng xạ trong thức ăn là 1000 Bq/kg đối với nhân phát gamma, 100 Bq/kg đối với nhân phát beta và 10 Bq/kg đối với nhân phát alpha Hoạt độ phóng xạ của 40K

và 226Ra trong một số thức ăn được trình bày trong bảng 2.6

 Phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng [2]

Do có nguồn gốc từ vỏ địa cầu nên đá hoa cương, đá cẩm thạch, granite, ngói, bê tông, gạch, xi măng v.v… đều chứa một lượng phóng xạ nhất định đóng góp vào phông phóng xạ tự nhiên Radon thoát ra từ đất và các vật liệu xây dựng, do đó lượng radon trong các phòng kín lớn hơn rất nhiều so với ngoài trời Người ta đã nghiên cứu xác định lượng radon trong các nhà ở tại châu Âu trung bình từ 20 đến 50 Bq/m3; tại

Mỹ trung bình là 55 Bq/m3; tại Việt Nam chưa có đầy đủ số liệu thống kê, tuy nhiên theo kết quả của một số nghiên cứu cho thấy lượng radon trong nhà ở khu vực Hà Nội vào khoảng 30 Bq/m3

Mức khí radon trong nhà bị ảnh hưởng mạnh bởi tốc độ nhã khí của các vật liệu xây dựng, cấu trúc nền móng và chất đất dưới đó Trong một nhà thì tầng thấp có lượng radon nhiều hơn tầng cao, trong phòng thoáng lượng radon ít hơn so với trong phòng kín Bảng 2.7 trình bày hoạt độ các đồng vị phóng xạ có trong một số vật liệu xây dựng cơ bản

Bảng 2.7 Hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong một số vật liệu xây dựng

30

 Phóng xạ tự nhiên trong cơ thể người

Cơ thể người được cấu tạo từ những nguyên tố hóa học, vì vậy trong cơ thể người cũng có một số đồng vị phóng xạ Các đồng vị này xâm nhập vào cơ thể thông qua thức ăn, nước uống cũng như do hít thở hằng ngày Bảng 2.8 trình bày một số đồng vị phóng xạ chính trong cơ thể người lớn nặng khoảng 70 kg

Bảng 2.8 Một số đồng vị phóng xạ trong cơ thể người

Nhân Tổng lượng chất phóng

xạ tìm thấy trong cơ thể

Tổng hoạt độ (Bq)

Lượng hấp thụ hàng ngày

1.3 Nguồn phóng xạ nhân tạo

Ngày nay, con người có thể tạo ra rất nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo Các đồng vị này có chu kỳ bán rã khác nhau trong một dãy rộng, cho phép lựa chọn các đồng vị thích hợp để đáp ứng những yêu cầu rất đa dạng trong thực tế Điều này làm gia tăng nhanh chóng các ứng dụng công nghệ hạt nhân và các vụ thử vũ khí hạt nhân Một số đồng vị phóng xạ nhân tạo chính được nêu ra trong bảng 2.9

Các cuộc thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã đưa vào khí quyển một lượng lớn chất phóng xạ Các chất phóng xạ này phát tán vào khí quyển và sau đó sẽ được các loại đất

đá hấp thụ ở những mức độ khác nhau Như vậy, các quá trình phát tán chính là tác nhân chính gây nhiễm xạ toàn cầu Các hạt nhân phóng xạ này có thời gian sống khoảng vài giây đến vài tháng, nó thường tập trung ở tâm vụ nổ với thông lượng nơtron rất lớn Chúng tác động trực tiếp lên cơ thể người với một liều chiếu rất lớn gây

ra các triệu chứng từ bỏng nặng đến tử vong Tổng lượng phóng xạ đã được đưa vào khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3.107 Sv với 70% là 14C, còn lại là sự đóng góp của các đồng vị khác 137Cs, 90Sr, 95Zr và 106Ru [10]

lý chất thải một cách triệt để, mức độ an toàn v.v…

Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú, đa dạng và có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển Cho đến nay, thực chất mới có ba loại lò được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và phát triển nhiều nhất, đó

là PWR (Pressurized Water Reactors), BWR (Boiling Water Reactor) và PHWR (Pressurised Heavy Water Reactor)

1.3.3 Tai nạn hạt nhân

Khi nhu cầu sử dụng nhiên liệu của các nước ngày càng tăng và nguồn năng lượng dự trữ dần cạn kiệt, điều này làm tăng áp lực phải xem xét lại các khả năng khác của năng lượng hạt nhân Do đó, năng lượng hạt nhân sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề năng lượng trên toàn thế giới Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải cacbon và gia tăng an ninh năng lượng

do giảm sự phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ nước ngoài

Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng chứa đựng nhiều tiềm năng nguy hiểm và phải giảm tỷ lệ sản xuất năng lượng hạt nhân Thảm họa hạt nhân

32

tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (26/4/1986) ở Ukraine cùng với một số các tai nạn nghiêm trọng do rò rỉ phóng xạ khác như vụ TMI (28/3/1979) tại Mỹ, Tokaimura (30/9/1999) tại Nhật v.v… và mới đây nhất là sự cố Fukushima xảy ra vào tháng 3/2011 tại Nhật đã khiến dư luận thế giới hoài nghi về tính an toàn của nhà máy điện hạt nhân Do đó, nếu năng lượng hạt nhân được tăng trưởng trong tương lai thì đòi hỏi phải duy trì các chuẩn an toàn cao và nghiêm ngặt trong tất cả các quốc gia sử dụng năng lượng hạt nhân

Bảng 2.10 Liều lượng do chiếu xạ y học [11]

X-quang và chuẩn đoán X-quang và phóng xạ điều trị Chuẩn đoán y học hạt nhân Điều trị y học hạt nhân

0,600 0,030 0,002

<1

2 Phông phóng xạ môi trường

Theo IAEA, suất liều tương đương trung bình của dân chúng toàn cầu là 2,426 mSv/năm Trong đó nguồn phóng xạ tự nhiên đóng góp 2,00 mSv/năm, gồm các thành phần (đơn vị mSv/ năm):

Tia vũ trụ : 0,30 Radon : 1,37 K- 40 : 0.30 Các nguyên tố khác : 0.03 Nguồn phóng xạ nhân tạo đóng góp 0,426 mSv/năm, gồm các thành phần (đơn vị mSv/năm):

Chiếu xạ y tế : 0,400 Các vụ thử hạt nhân : 0,020 Điện nguyên tử : 0,001 Các sử dụng khác : 0,005

33

Hình 2.3: Các thành phần của phông phóng xạ môi trường Mức phông thiên nhiên thường gần như không đổi trên phạm vi toàn thế giới và nằm trong khoảng 0.08 đến 0.15 µSv/h Tuy nhiên có một số khu vực trên thế giới mức phông này rất cao Đặc biệt là một số bờ biển tại Brazil, Ấn Độ, Trung Quốc, có nơi cao hơn mức phông bình thường hàng chục lần

Như đã trình bày, mỗi người sống trên Trái đất phải chịu liều bức xạ tự nhiên trung bình khoảng 2 mSv/năm Phông này không tính vào giới hạn liều cho dân chúng Theo khuyến cáo của Ủy ban Quốc tế về An toàn Bức xạ ICRP (International Commission on Radiological Protection), giới hạn liều đối với dân chúng là 1 mSv/năm Như vậy ta thấy mức giới hạn liều đối với dân chúng do ảnh hưởng của các nguồn bức xạ chỉ bằng một nửa mức phông thiên nhiên

Nghiên cứu phóng xạ môi trường nhằm mục đích thông qua việc sử dụng các thiết bị đo trực tiếp hoặc lấy mẫu để định lượng ảnh hưởng của các chất phóng xạ, các bức xạ từ hoạt động của con người và các nguồn phóng xạ tự nhiên trong các môi trường khác nhau

Ngày 11/3/2011 Nhật Bản khi động đất kèm theo sóng thần đã phá hủy một loạt các lò phản ứng ở nhà máy hạt nhân Fukushima, hạt nhân phóng xạ rò rỉ ảnh hưởng đến môi trường, cuộc sống của cộng đồng thế giới Ủy ban năng lượng nguyên tử Quốc tế IAEA và rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt quan tâm, lo ngại về sức khỏe con người trong khu vực sẽ bị ảnh hưởng sau này

Bảng 2.11 Một số khu vực có nền phông phóng xạ cao trên thế giới [15]

Vùng

Hoạt độ phóng xạ trong đất (Bq/kg) Suất liều

hấp thụ (nGy/h)

40

(80÷140)