Quan trắc hạt nhân phóng xạ của tổ chức CTBTO

Monday, 18/03/2013, 11:09

     Hệ thống quan trắc quốc tế (IMS) của Tổ chức Cấm thử hạt nhân toàn diện (CTBTO) là mạng lưới các thiết bị quan trắc để tìm kiếm, phát hiện và cung cấp bằng chứng về vụ nổ hạt nhân có thể xẩy ra nhằm khẳng định sự tuân thủ Hiêp ước Cấm thử hạt nhân toàn diện (CTBT). Hệ thống này gồm 321 trạm quan trắc được phân bố khắp các nơi trên trái đất, cả ở các vùng xa xôi hẻo lánh. Vụ nổ hạt nhân sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, và tùy vào môi trường thử nghiệm, năng lượng này sẽ truyền đi như là sóng địa chấn trong lòng đất, hay sóng thủy âm trong lòng đại dương hay sóng hạ âm trong khí quyển. Hạt nhân phóng xạ được tạo ra trong vụ nổ hạt nhân sẽ vào khí quyển. Nhiệm vụ của các trạm quan trắc là xác định các hiệu ứng này. Tổ chức CTBTO đã sử dụng các kỹ thuật: Địa chấn để xác định địa điểm nổ dưới lòng đất; Thủy âm để xác định vụ nổ trong lòng đại dương; Hạ âm để các định vụ nổ trong khí quyển; Kỹ thuật hạt nhân để phát hiện hạt nhân phóng xạ, khẳng định bản chất sự kiện có phải là vụ nổ hạt nhân hay không.

Hạt nhân phóng xạ từ vụ nổ hạt nhân

     Có thể nói rằng vụ nổ hạt nhân sinh ra rất nhiều hạt nhân phóng xạ. Ngoài các hạt nhân phóng xạ do phản ứng phân hạch sinh ra, còn nhiều hạt nhân phóng xạ sinh ra do quá trình kích hoạt neutron các thành phần của thiết bị nổ (vỏ thiết bị, các máy đo đặt trong thiết bị nổ,các vật liệu thí nghiệm…), môi trường xung quanh vụ nổ như đất, đá, nước.

     Về nguyên lý, đo đạc các hạt nhân phóng xạ thoát ra từ vụ nổ hạt nhân người ta có thể biết đó là loại thiết bị hạt nhân nào và nó được thử nổ trong lòng đất hay không. Tổ chức CTBTO đưa ra danh sách 47 hạt nhân phóng xạ phân hạch “ thích hợp” cho mục đích của Hiêp ước, trong đó 28 hạt nhân đã được xác định trong các đợt diễn tập quan trắc trước đây và danh sách 45 hạt nhân phóng xạ “thích hợp”do qúa trình kích hoạt neutron, trong đó 17 hạt nhân đã được xác định trước đây. Từ “thích hợp” ở đây nghĩa là hạt nhân phóng xạ được sinh ra với một lượng đủ lớn và thời gian phân rã của nó đủ dài để có thể có cơ hội xác định được trong một vài ngày sau khi vụ nổ được tiến hành.

     Người ta có thể phân biệt được phóng xạ từ vụ nổ thử hạt nhân và từ tai nạn lò phản ứng hạt nhân thông qua việc so sánh tỉ số của 2 hạt nhân phóng xạ Cs-134 và Cs-137. Hơn  nữa thời gian vụ nổ cũng có thể được xác định thông qua đo phổ gamma của một số hạt nhân phóng xạ sinh ra từ vụ nổ.

     Ngày nay, với sự phát triển công nghệ, các vụ nổ thử hạt nhân hầu hết được thực hiện trong lòng đất nên hầu như các hạt nhân phóng xạ của vụ nổ bị giữ lại trong lòng đất và rất khó phát hiện thấy chúng trong khí quyển. Riêng chỉ có khí Xenon sinh ra từ vụ nổ có thể thoát lên mặt đất thông qua các khe nứt trong lòng đất, vì là khí trơ nên Xe không bị mất đi trên đường đi của nó. Vì thế, gần đây kỹ thuật đo hạt nhân phóng xạ Xe đã được quan tâm  phát triển, tổ chức CTBTO đang tìm hiểu để đầu tư trang bị cho các trạm quan trắc phóng xạ. Khi hoàn thiện, mạng quan trắc phóng xạ của CTBTO sẽ có 40 trạm được trang bị hệ thống đo Xe phóng xạ.

Quan trắc hạt nhân phóng xạ

     Trên cơ sở tính toán khoa học tổ chức CTBTO đã thiết kế mạng quan trắc hạt nhân phóng xạ để có thể phát hiện được bất kỳ vụ nổ hạt nhân nào, với công suất tương đương 1 kilô tấn thuốc nổ TNT trở lên, tại bất cứ thời điểm nào, bất cứ nơi đâu trên hành tinh này, trong mọi môi trường như trong lòng đất, trong bầu khí quyển, trên không gian và trong đại dương.   Mạng này gồm 80 trạm đo hạt nhân phóng xạ dạng hạt. Mỗi trạm được trang bị máy lấy mẫu khí và phổ kế gamma, có thể tự động hoàn toàn hoặc bán tự động. Ngoài ra, trong 80 trạm này thì có 40 trạm được trang bị hệ thống phân tích khí Xe.

     Về kỹ thuật, các trạm quan trắc này đòi hỏi độ tin cậy rất cao. Tốt nhất chúng nên là hệ thống tự động. Chúng phải hoạt động liên tục, trong mọi trường hợp không được dừng hoạt động quá 7 ngày và trong một năm không dừng quá 15 ngày và phải đảm bảo cung cấp số liệu ít nhất 95% thời gian hoạt động.

 

Đo đạc hạt nhân phóng xạ hạt

Hình 1: Lắp đặt hệ quan trắc hạt nhân phóng xạ hạt  tại Nhật Bản: bao gồm cả máy lấy mẫu khí và hệ thống đo phổ gamma hoàn toàn tự động.

     Đối với tổ chức CTBTO, hệ thống đo hạt nhân phóng xạ hạt viết tắt theo tiếng anh là RASR (các từ đầu của Radionulide Aerosol Sampler/Analyser) . Đầu dò bán dẫn phải có hiệu suất tương đối ít nhất là 40% để cho phép đạt được độ nhạy yêu cầu trong thời gian hợp lý. Hệ thống phải được kiểm chuẩn theo các yêu cầu nghiêm ngặt đảm bảo độ chính xác. Một số yêu cầu quan trắc như sau:

- Thu gom mẫu khí với phin lọc, hiệu suất thu gom 80% với cỡ hạt 0,2µm, trong 24 giờ, lưu lượng khí ít nhất 500m3/h

- Để mẫu rã không quá 24 giờ nhằm cho các hạt nhân phóng xạ tự nhiên sống ngắn (con cháu của Radon) phân rã bớt.

- Đo phổ gamma 24 giờ

- Phân tích phổ và báo cáo kết quả trong vòng 72 giờ từ thời điểm bắt đầu lấy mẫu.

     Hầu hết phổ gamma của các mẫu khí đã thu gom chỉ xuất hiện Pb-212 (con cháu rãy phóng xạ tự nhiên Th-232) và Be-7, hạt nhân phóng xạ sinh ra trong tự nhiên. Trường hợp phát hiện ra bất cứ hạt nhân phóng xạ nhân tạo nào nằm trong danh sách các hạt nhân phóng xạ “thích hợp” với Hiệp ước CTBT , mẫu khí đó sẽ được gửi đến một trong 16 phòng thí nghiệm tiêu chuẩn trong mạng lưới kiểm chứng của CTBTO để khẳng định  kết quả và đưa vào danh sách các mẫu khí cần quan tâm đặc biệt.

Đo đạc khí Xenon phóng  xạ

     Đối với tổ chức CTBTO, hệ thống phân tích khí Xenon được gọi tắt là ARSA (viết tắt của Automated Radioxenon Sampler/Analyser). Nó sử dụng hai kỹ thuật phát hiện khác nhau, phổ kế trùng phùng β-gamma hay phổ kế gamma phân giải cao. Các hạt nhân được xác định là Xe-131m, Xe-133, Xe-133m, Xe-135, trong đó giới hạn xác định cho Xe-133 là 1mBq/m3.

Yêu cầu quan trắc như sau:

- Thu gom mẫu với 10 m3 không khí. Lưu lượng 0.4m3/h trong thời gian 24

- Sau khi tách nước và CO2, Xenon hấp thụ trên than hoạt tính, làm tinh khiết và cô đặc

- Tách Radon bằng máy sắc khí

- Đo phổ gamma hay trùng phùng β-gamma trong 24 giờ

- Báo cáo kết quả trong 48 giờ từ thời điểm bắt đầu lấy mẫu.

Hình 2: Hệ SAUNA đo khí Xe trong không khí: Hoạt động tự động.

     Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện nay, yêu cầu quan trắc như trên cũng có thể được thay đổi vì rằng một số hệ thống phân tích khí Xenon tiên tiến đã được sản xuất và thương mại hóa.  Hiện tại CTBTO đang sử dụng 3 hệ đo Xenon: - Hệ SAUNA do Thụy Điển chế tạo; - Hệ SPALAX của Pháp và; Hệ ARIX của Nga. Với các hệ này thời gian thu gom mẫu ngắn hơn nhiều. Chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết hơn các hệ thống phân tích Xe trong các bài khác.

     Hiện nay các phòng thí nghiệm đo đạc phóng xạ tại Việt Nam đã có các hệ thống đo phổ gamma từ thập kỷ 70 và 80 của thế kỷ trước và cũng có rất nhiều kinh nghiệm trong đo đạc hạt nhân phóng xạ ứng dụng cho mục dân sự và nghiên cứu khoa học cũng như quan trắc môi trường phóng xạ. Về nguyên tắc quan trắc phóng xạ môi trường không khí đang thực hiện tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân và Viện Nghiên cứu hạt nhân tương tự như việc quan trắc hạt nhân phóng xạ mà tổ chức CTBTO đang thực hiện. Tuy nhiên, thiết bị máy móc của hệ thống đo đạc của CTBTO hoàn toàn được chuẩn hóa, đồng bộ và đầu tư rất cao; tần xuất quan trắc của CTBTO cũng cao hơn nhiều, đòi hỏi chi phí lớn vì mỗi mẫu được lấy trong 24 giờ và liên tục 1 ngày 1 mẫu. Đối với Việt Nam công việc này quả là qúa xa xỉ và cũng không cần thiết tại thời điểm này.

     Chúng tôi hy vọng đến thời điểm nào đó, chúng ta cũng có điều kiện (cả về kinh tế và kỹ thuật…) đầu tư (mua sắm) một trạm quan trắc hạt nhân phóng xạ chuẩn hóa, gồm cả hạt nhân phóng xạ hạt và khí Xe, chúng ta sẽ tham gia quan trắc hạt nhân phóng xạ từ các vụ nổ hạt nhân, nâng cao năng lực kỹ thuật quốc gia thông qua vận hành, phân tích số liệu của trạm quan trắc này, và có thể đóng góp số liệu của chúng ta cho tổ chức quốc tế khi có nhu cầu thực sự. Những số liệu này cũng chính là số liệu môi trường phóng xạ mà các quốc gia tiên tiến đã thực hiện đo đạc và lưu giữ mấy thập kỷ nay từ khi có các vụ thử nổ hạt nhân trên thế giới.

Nguồn: trang web của CTBTO (www.ctbto.org)

Trung tâm Dữ liệu quốc gia cho Hiệp ước Cấm thử hat nhân toàn diện

Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân

Lượt xem: 2597