Luận văn thạc sĩ tìm hiểu về mô hình và phần mềm đánh giá tác động của các nhân phóng xạ tới môi trường

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 E

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

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

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

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

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!

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

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

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

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

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

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

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

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

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:

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

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

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

phát, hướng di chuyển của nhân phóng xạ và sinh vật tham chiếu Hình 1.2 là ví dụ

mô hình đối với hệ sinh thái dưới biển

7

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

Chú thích:

Là tương tác chắc chắn xảy ra

Là tương tác có thể xảy ra;

Nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong sinh vật được ước tính từ nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong môi trường sử dụng các tỷ số nồng độ hoạt độ (CR) cho hệ sinh thái trên cạn, hệ số phân bố (Kd) cho hệ sinh thái dưới nước, CR

và Kd được định nghĩa theo công thức (1.1), (1.2) và (1.3):

Đối với sinh vật tham chiếu trên cạn:

Trong đó:

- ACbio là nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong sinh vật (Bq/ kg fw);

8

- ACsoil là nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong đất (Bq /kg dw);

Trường hợp ngoại lệ cho các nguyên tố H-3, C-14, P-32 và S-35:

Trong đó:

- ACair là nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong không khí (Bq/ m3);

Đối với hệ sinh thái dưới nước (Kd là hệ số phân bố được sử dụng để mô tả tỉ

số nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong trầm tích và trong nước):

Trong đó:

- ACsed là nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong trầm tích (Bq /kg dw)

- ACwater là nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong nước (Bq/ l)

Tuy nhiên, người dùng nên ưu tiên các giá trị CR có được từ thực nghiệm Cơ sở

dữ liệu mặc định chứa các giá trị về trung bình toán học cùng với độ lệch chuẩn, các giá trị lớn nhất, nhỏ nhất, hàm phân bố xác suất (pdf), số lượng dữ liệu đầu vào Trong trường hợp, nồng độ hoạt độ phóng xạ đang giảm (do ngừng các nồng độ hoạt độ hạt nhân hoặc khắc phục hậu quả tai nạn phóng xạ), giả định về trạng thái cân bằng giữa nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong môi trường và trong các sinh vật (tỉ lệ nồng độ hoạt độ) có thể dẫn đến việc đánh giá thấp liều lượng trong sinh vật

9

1.2.2 Phép đo liều

Chiếu xạ được ước tính bằng suất liều hấp thụ (năng lượng được truyền bởi bức xạ ion hóa qua một đơn vị khối lượng của một sinh vật trong một đơn vị thời gian, đơn vị là μGy/ h, được sử dụng trong phần mềm ERICA) Giá trị suất liều hấp thụ được xác định dựa trên nồng độ hoạt độ trong các hệ sinh thái và sinh vật tham chiếu và hệ số chuyển đổi liều

Ước tính suất liều hấp thụ (μGy /h) trong phần mềm ERICA, cho phép giải thích ảnh hưởng của nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong môi trường và sinh vật Các nhân phóng xạ có trong môi trường gây ra cả chiếu xạ ngoài và chiếu

xạ trong đối với sinh vật Chiếu xạ trong tăng do sự hấp thụ các nhân phóng xạ vào

cơ thể nhờ con đường tiêu hóa hoặc hô hấp và được xác định bởi nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ trong sinh vật, kích thước của sinh vật, loại và năng lượng của các bức xạ phát ra Chiếu xạ ngoài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mức độ ô nhiễm trong môi trường, mối quan hệ hình học giữa nguồn bức xạ và sinh vật tham chiếu, môi trường sống, kích thước cá thể, tính chất của vật liệu che chắn và các tính chất vật lý của nhân phóng xạ

1.2.2.1 Hệ số chuyển đổi liều

Mối quan hệ giữa nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong mỗi sinh vật và suất liều hấp thụ được mô tả bởi hệ số chuyển đổi liều (DCC, đơn vị là (µGy /h)/ (Bq/ kg) fw) Trong trường hợp đơn giản nhất, giả sử sinh vật tồn tại trong môi trường đồng nhất, vô hạn và có phân bố phóng xạ đồng nhất, dưới điều kiện trên,

hệ số chuyển đổi liều hấp thụ chiếu trong- DCCint và chiếu ngoài - DCCext cho bức

xạ đơn lẻ được định nghĩa như hàm của năng lượng hấp thụ với công thức (1.4) và (1.5):

(1.4) (1.5)

10

Trong đó:

- E (MeV) là năng lượng của nguồn đơn năng;

- Φ(E) là phần hấp thụ của năng lượng đã cho;

- wf là hệ số trọng số của các loại bức xạ (β năng lượng thấp, β+ γ và α);

1.2.2.2 Tính toán suất liều

Hệ số chuyển đổi liều có thể được sử dụng để ước tính suất liều hấp thụ từ nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ trong môi trường và trong sinh vật Tuy nhiên, hiệu ứng bức xạ không chỉ phụ thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ Trong ERICA, hệ số trọng số bức xạ đối với các loại bức xạ như sau: 10 đối với bức xạ alpha và 3 đối với bức xạ beta có năng lượng <10 keV và đối với beta năng lượng >10 keV và gamma là 1 [4]

11

Công thức (1.9) tính toán suất liều chiếu trong:

Trong đó:

- là suất liều chiếu trong cho sinh vật tham chiếu b;

- là nồng độ hoạt độ của hạt nhân phóng xạ i (Bq/ kg);

- là hệ số chuyển đổi liều của nhân phóng xạ thứ i cho chiếu xạ trong;

Công thức (1.10) tính toán suất liều chiếu ngoài:

- là hệ số chuyển đổi liều cho chiếu xạ ngoài, được định nghĩa là tỉ

số giữa nồng độ hoạt độ của nhân phóng xạ thứ i trong hệ sinh thái tại vị trí z

và suất liều chiếu của sinh vật b đơn vị:(µGy/ h)/ (Bq/ kg (/l));

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

Mục đích sàng lọc là xem xét có cần thiết để tiến hành các phân tích sâu hơn

ở các mức tiếp theo hay không Một số tiêu chí dùng để sàng lọc các nhân phóng xạ

12

như chiếu xạ (nguồn phóng xạ, phông phóng xạ, tích luỹ sinh học,…) và các hiệu ứng (tiêu chuẩn độc hại sinh thái, tiêu chuẩn phân vùng cân bằng) [5]

1.2.3.1 Các tiêu chuẩn dựa trên phân bố độ nhạy cảm của các loài (SSD)

Các tiêu chuẩn này có nguồn gốc từ việc khớp thông tin về độ nhạy cảm của các loài khác nhau để có phân bố toán học Sự phân bố độ nhạy cảm của các loài được sử dụng để tính toán các giá trị suất liều không gây ra hiệu ứng hoặc có ảnh hưởng đến mức chấp nhận được của các loài (PNED(R)) Giá trị PNED(R) được tính theo công thức (1.11):

Trong đó:

- PNED(R) là giá trị suất liều không gây ra hiệu ứng (µGy/h);

- SF là hệ số an toàn, có giá trị thay đổi từ 1 tới 5;

- HD(R)5 là suất liều độc hại gây ảnh hưởng tới 5% loài (µGy/h);

Giá trị HD(R)5 được tính dựa vào phân bố độ nhạy loài như hình 1.3:

1.2.3.2 Các tiêu chuẩn dựa trên phương pháp hệ số an toàn (SF)

Thông thường, mức độ ảnh hưởng sinh học thấp nhất sẽ được sử dụng Các giá trị này được chia cho hệ số an toàn (tức là 10, 100 hoặc 1000) để lấy chuẩn Giá trị của các hệ số an toàn được lựa chọn tùy thuộc vào loại, số lượng và chất lượng của nhân phóng xạ có sẵn và tùy thuộc vào các mối nguy hiểm của các chất gây ô nhiễm Phương pháp hệ số an toàn sử dụng để xác định giá trị giá trị suất liều hoặc liều chiếu không gây ra hiệu ứng (µGy/h) theo công thức (1.12) và (1.13);

(1.12)

14

Trong đó:

- PNED là liều chiếu không gây hiệu ứng;

- lowest ED50 là liều độc hại thấp nhất gây ra 50% hiệu ứng;

- lowest EDR10 là suất liều độc hại thấp nhất gây ra 10% hiệu ứng;

Các tiêu chuẩn được lựa chọn sử dụng cho đánh giá trong nhiều nghiên cứu được trích dẫn từ báo cáo của IAEA [1992] và UNSCEAR [1996] Việc xác định các ảnh hưởng và tác dụng sinh học của nhân phóng xạ tới sinh vật bắt đầu vào giữa những năm 1970 và các đánh giá được tiến hành trên các tài liệu sẵn có về các hiệu ứng do chiếu xạ trường diễn Các giá trị suất liều được đề xuất dưới đây không

có tác dụng sinh học đáng kể và được dự kiến ở mức độ quần thể trong báo cáo của IAEA [1992] và nhắc lại trong UNSCEAR [1996] được tóm tắt như sau [5]

Suất liều hấp thụ cho các loài động vật dưới nước không vượt quá 10 mGy/ d (4 Gy/y) do chiếu xạ hay nhận được từ chất phóng xạ được thải vào môi trường nước ORNL [1998] đã tính toán tiêu chuẩn sàng lọc cho nước và trầm tích dựa trên kích thước cá và sử dụng giá trị suất liều chấp nhận là 0.4 mGy/ h

Suất liều dùng tối đa mà sinh vật trên cạn có thể nhận được là nhỏ hơn 10

mGy/d

- Thực vật trên cạn: Suất liều hấp thụ cho cây trồng trên cạn không nên vượt quá

10 mGy/ d (4 Gy / y) do chiếu xạ hay nhận được từ chất phóng xạ được thải vào môi trường trên cạn

- Động vật trên cạn: Suất liều hấp thụ của các loài động vật trên cạn không được vượt quá 1 mGy / d (0.4 Gy / y) do chiếu xạ hay nhận được từ chất phóng xạ được thải vào môi trường đất

Việc sử dụng nhiều loại tiêu chuẩn độc hại sinh thái khác nhau (giả định là

an toàn) dựa trên thông tin chiếu xạ và phản ứng đơn giản, khả dĩ, tích hợp các thông tin về chiếu xạ và các hiệu ứng tương ứng Các tiêu chuẩn này cho phép sàng

15

lọc kết quả trong đánh giá môi trường, dùng để hỗ trợ việc ra các quyết định cần thiết cho các đánh giá tiếp theo hoặc các hành động khắc phục hậu quả Để bảo vệ môi trường khỏi các tác động của phóng xạ, các tiêu chuẩn thường được đề cập là

là các giá trị suất liều dự đoán không có ảnh hưởng (PNEDR)

Hai phương pháp chính được sử dụng trong phần mềm ERICA là SSD (phân

bố độ nhạy cảm của các loài) và SF (hệ số an toàn), chúng được hỗ trợ và tăng cường bằng việc so sánh với giá trị sàng lọc thu được ở mức 1 và 2 và áp dụng cùng các phương pháp khác Hai bảng 1.1 và bảng 1.2 tạo thành một danh sách đầy đủ các giá trị có thể được lựa chọn cho mục đích sàng lọc

16

Bảng 1.1: Giá trị sàng lọc đối với hệ sinh thái trên cạn [7]

Suất liều (µGy/h)

Hệ sinh thái tổng quát SSD-95% loài được bảo vệ và SF =5 10

17

Bảng 1.2: Giá trị sàng lọc đối với hệ sinh thái dưới nước [7]

Đối tượng bảo vệ Phương pháp

Suất liều (µGy/h)

Hệ sinh thái nước ngọt SSD-95 % loài được bảo vệ và SF =5 10

Hệ sinh thái biển SSD-95 % loài được bảo vệ và SF =5 10

Tảo+thực vật phù du Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp nhất 110

Động vật dưới nước Dựa trên NCRP [1991]; IAEA [1992]; 400

Sinh vật dưới nước Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 400

Động vật biển Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 40

Động vật dưới đáy biển Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 1000 Sinh vật Dựa vào các hiệu ứng quan sát được <100

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

Các nhân phóng xạ lan truyền cùng với chuỗi thức ăn (từ thực vật tới động vật), các chất phóng xạ cùng với các sản phẩm thức ăn nhập vào cơ thể người và có thể tích lũy tới một lượng có khả năng gây hại sức khỏe con người

Với cùng một mức ô nhiễm môi trường như nhau, các đồng vị C-14,

P-32, Ca-45, S-35, H-3 là những hợp phần chính của chất sống (của thực vật và động

Sự phát xạ của các chất phóng xạ có tác động như sau tới các cơ thể [3]:

－ Làm suy yếu cơ thể bị chiếu xạ, giảm tốc độ tăng trưởng, giảm sức chống bệnh dịch và sức đề kháng của cơ thể;

－ Rút ngắn thời gian sống, cắt giảm những chỉ số tăng trưởng tự nhiên do sự thanh trùng tạm thời hay hoàn toàn;

－ Bằng các cách khác nhau làm tổn thương gien và những hậu quả này sẽ biểu lộ ở các thế hệ thứ hai hay thứ ba;

－ Có tác động tích lũy, gây nên những hiệu ứng không đảo ngược được

Xét về tác dụng sinh học, phần lớn dữ liệu có được từ quan sát ảnh hưởng ở mức độ cá thể, tiếp theo là mức độ phân tử (chẳng hạn như gien và phân tử) Ảnh hưởng sinh học được chia thành bốn nhóm hiệu ứng chính và được sử dụng cho mức độ quần thể [6]:

- Mắc bệnh bao gồm: tốc độ tăng trưởng, ảnh hưởng đến hệ thống miễn dịch, ảnh hưởng đến các hành vi gây hại tới hệ thống thần kinh trung ương;

- Tử vong bao gồm: các hiệu ứng ngẫu nhiên của đột biến và sự hình thành ung thư và các hiệu ứng tất nhiên làm thay đổi tỷ lệ tử vong và tuổi thọ;

- Sinh sản bao gồm: khả năng sinh sản, phát triển của phôi;

- Đột biến trong tế bào soma và tế bào sinh sản;

19

1.2.4 Mô hình SRS-19

Trong mô hình SRS-19 có một số mô hình phát tán nhằm xác định nồng độ hoạt độ trong môi trường Mô hình phát tán là mô hình mô phỏng toán học, thực hiện giải các phương trình tính toán nồng độ hoạt độ môi trường bằng phương pháp

mô phỏng sự phát tán của chất ô nhiễm tới môi trường (các phương trình sử dụng để ước tính/ dự đoán nồng độ hoạt độ ô nhiễm phát ra từ các nguồn ô nhiễm tới các khu vực ô nhiễm) Trong đánh giá liều bức xạ tới sinh vật, thì nguồn phát không phải là nguồn điểm mà tới môi trường thông qua nhiều con đường khác nhau khi trường hợp pha loãng xảy ra

Phần mềm ERICA cung cấp một số mô hình phát tán, chúng được mã hóa trong mô hình SRS-19 Các mô hình phát tán (mô hình dịch chuyển ) trong SRS-19

là hồ nhỏ (<400km2), hồ lớn (≥ 400km2), cửa sông, sông, cửa biển và không khí

Ví dụ về mô hình phát tán trong không khí Sử dụng phân bố Gauss để đánh giá sự phát tán của chất ô nhiễm trong không khí Mô hình này phù hợp để sử dụng đánh giá ảnh hưởng của các chất phóng xạ Phương trình tình toán trong mô hình Gauss đối với các nguồn xả trên cao:

(1.14) Trong đó:

- C là nồng độ không khí (Bq/m3);

- Q là tốc độ xả thải (Bq/s);

- U10 là tốc độ gió ở độ cao 10 m trên mặt đất (m/s);

- σz là độ lệch chuẩn theo chiều dọc trong phân bố Gauss (m);

- σy là độ lệch chuẩn theo chiều ngang trong phân bố Gauss (m);

20

- Hs là chiều cao của nguồn xả thải (m);

- x, y,z là vị trí của nguồn xả thải (m);

Mô hình này phù hợp với các nguồn xả thải đang tiếp diễn hoặc gián đoạn trong thời gian dài, trong khoảng cách vài kilomet tới nơi tiếp nhận chất thải

21

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

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các nhân phóng xạ (đặc biệt là các nhân phóng xạ nhân tạo, chúng được tạo ra do các thảm họa của các nhà máy điện hạt nhân, từ các chất thải nhà máy điện hạt nhân hay do các hoạt động chiếu xạ của con người) và các sinh vật tham chiếu trong hệ sinh thái tương ứng

2.1.1 Các nhân phóng xạ

Trong phần mềm ERICA, có 63 nhân phóng xạ mặc định bao gồm cả chuỗi phóng xạ tự nhiên

I 125, 129, 131,

23

Các đồng vị phóng xạ con cháu có cùng hệ số chuyển đổi liều với nguyên tố phóng xạ trong cùng một chuỗi (giả sử cân bằng phóng xạ xảy ra) Các đồng vị con

cháu được tóm tắt lại ở bảng 2.2:

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

2.1.2 Các sinh vật tham chiếu

Phần mềm ERICA quan tâm tới đánh giá ảnh hưởng phóng xạ trong sinh vật

và cung cấp cơ sở cho việc đưa ra các quyết định quản lý và bảo vệ môi trường Với sự thay đổi giữa các loài, ERICA dùng để phát triển hệ thống đánh giá các nhóm sinh vật Phần mềm ERICA dựa trên các sinh vật đại diện cho nhóm các sinh vật được quan tâm, được gọi là sinh vật tham chiếu Các sinh vật tham chiếu

sẽ tạo thành cơ sở cho việc ước lượng suất liều bức xạ cho một loạt các sinh vật điển hình, hoặc đại diện trong một môi trường nghiên cứu Mỗi loài sinh vật có kích thước hình học đặc trưng (dữ liệu mặc định) và là đại diện cho các nhóm sinh vật trong hệ sinh thái trên cạn, hệ sinh thái nước ngọt và hệ sinh thái biển

24

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

tương ứng của phần mềm ERICA [4]

Hệ sinh thái nước

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

Phần mềm ERICA có cấu trúc dựa trên phương pháp tích hợp, hướng dẫn người dùng trong:

- Việc xây dựng vấn đề;

- Thực hiện việc đánh giá tác động;

- Đánh giá mức độ không chắc chắn (hoặc độ tin cậy) trong quá trình và kết quả;

- Đưa ra quyết định, tham khảo ý kiến với các bên tham gia nếu cần thiết;

Phương pháp này khá linh hoạt và dễ sử dụng, cho phép người dùng có thể giải quyết các vấn đề theo yêu cầu cụ thể Tuy nhiên, cấu trúc và chức năng của hệ sinh học là đa dạng và phức tạp, do đó một cách tiếp cận quá đơn giản sẽ tạo ra đánh giá

25

không có ý nghĩa khoa học thực sự và ít giá trị cho việc đưa ra các quyết định quan trọng Phần mềm ERICA đã được các chuyên gia cố gắng cân bằng giữa việc đơn giản tối đa để cho phương pháp có thể khả thi và sự phức tạp cần thiết để tạo ra các thông tin hữu ích Điều này được thực hiện thông qua phương pháp tiếp cận nhiều mức, tạo điều kiện cho việc kiểm tra kết quả của trường hợp ô nhiễm phóng xạ thấp

có thể bỏ qua, chỉ để lại những trường hợp ô nhiễm hoặc có tiềm năng ảnh hưởng tới hệ sinh thái Trong đó, mức cao nhất là mức 3 có thể yêu cầu người đánh giá phải có kinh nghiệm, kiến thức hoặc tham khảo ý kiến chuyên gia [3]

Đánh giá rủi ro sinh thái (ERA) được thực hiện với mục đích cung cấp thông tin

có liên quan để xác định rủi ro do chất phóng xạ phát ra tại một khu vực nào đó Đặc tính rủi ro được tổng hợp dựa trên các thông tin có sẵn để hướng dẫn, sắp xếp mức độ rủi ro và sau cùng là so sánh với các tiêu chuẩn, tiêu chí cho trước Để hỗ trợ việc ra quyết định liên quan đến các tác động môi trường của bức xạ ion hóa, ba yếu tố chính đã được kết hợp thành phương pháp tiếp cận tích hợp ERICA, đó là đánh giá liều chiếu xạ môi trường, đặc tính rủi ro và quản lý rủi ro của môi trường [3]

- Đánh giá: đề cập đến quá trình ước lượng liều chiếu xạ cho sinh vật, liên quan đến nồng độ hoạt độ trong môi trường, trong các sinh vật tham chiếu, xác định điều kiện chiếu xạ, và ước tính suất liều chiếu xạ cho các sinh vật đó

- Đặc tính rủi ro: là tổng hợp các thông tin thu được trong quá trình đánh giá rủi

ro, bao gồm việc dự đoán xác suất (tỉ lệ) và cường độ (hoặc mức độ nghiêm trọng) của các hiệu ứng bất lợi xảy ra trong một quần thể sinh vật trong một khu vực nào đó

- Quản lý: được dùng ở đây là quá trình đưa ra quyết định trước, sau và trong quá

trình đánh giá

Phần mềm sử dụng số liệu nồng độ hoạt độ phóng xạ đo đạc được hoặc dự đoán trong môi trường và trong các sinh vật tham chiếu là giá trị đầu vào của phần