Vì sao cần phải quan trắc Xenon phóng xạ trong không khí?

Thursday, 16/06/2016, 00:00

 Để biết được vì sao cần phải quan trắc Xenon phóng xạ trong không khí, trước hết chúng ta cần phải biết Xenon (Xe) là gì?

        Xenon là một nguyên tố hóa học - một loại khí hiếm (trơ) không màu, không mùi nhưng rất nặng, vừa có nguồn gốc tự nhiên lại vừa có nguồn gốc nhân tạo. Hàm lượng Xe bền là không đổi trong khí quyển và bằng 0.087ppm. Thực tế có đến 41 đồng vị khác nhau của Xe với số khối lượng từ 108 đến 148, trong đó:

- Chỉ có 7 đồng vị bền và 2 đồng vị gần như bền (do chúng có chu kỳ bán hủy rất dài) đó là: 124Xe, 126Xe, 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe, 132Xe, 134Xe và 136Xe.

- Có trên 30 đồng vị không bền và đồng phân đã được các nhà khoa học nghiên cứu khá kỹ lưỡng, trong đó 136Xe là đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán hủy dài nhất đến 2.165x1021 năm, 148Xe là đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán hủy ngắn nhất chỉ có 408 nano giây.

- 2 đồng vị 127Xe và 133Xe được sử dụng nhiều trong y học để nghiên cứu sự lưu thông của máu trong não và trong phổi người.

- Đồng vị phóng xạ nhân tạo 135Xe có ý nghĩa đáng kể trong hoạt động của các lò phản ứng phân hạch hạt nhân do tiết diện bắt neutron nhiệt của nó rất lớn (2.65x106 barn) nên nó hoạt động như một chất hấp thụ neutron mạnh hoặc như một “chất độc” có thể làm chậm hoặc ngăn chặn các phản ứng dây chuyền sau một thời gian hoạt động.

- Và trong số 18 đồng vị phóng xạ của Xe thì 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe là các đồng vị phóng xạ được quan tâm nhiều nhất và cần phải được quan trắc thường xuyên, liên tục.

 Vậy thì vì sao cần phải quan trắc các đồng vị Xe phóng xạ này một cách thường xuyên, liên tục?

Các đồng vị phóng xạ 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe cần phải được quan trắc một cách thường xuyên, liên tục bởi vì:

- Chúng là một số trong số các sản phẩm phân hạch hạt nhân 235U và 239Pu. Cụ thể hơn là khi bị bắn phá bởi chùm neutron nhiệt, 235U và 239Pu sẽ bị phân chia thành nhiều mảnh phân hạch khác nhau, trong đó các mảnh phân hạch có số khối lượng là 131, 133 và 135 sẽ phân rã thành 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe (xem hình 1).

- Các đồng vị phóng xạ này phát ra các bức xạ gamma, tia X, tia beta và cả electron biến hoán. Các đặc trưng vật lý của chúng như chu kỳ bán hủy, năng lượng bức xạ và hiệu suất phát tương ứng được trình bày trong bảng 1.

131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe là các khí hiếm có tính phóng xạ. Do đó chúng dễ dàng phát tán từ các vụ nổ hạt nhân cho dù nó xảy ra ở bất kỳ đâu trong không gian, trong lòng đất hay trong hệ thống nước ngầm. Sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ này được thể hiện trên hình 2.

Hình 1. Sơ đồ phân rã các mảnh phân hạch có số khối lượng 131, 133 và 135 để tạo thành các đồng vị Xe phóng xạ.

Bảng 1. Đặc trưng vật lý của các đồng vị phóng xạ 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe.

Đặc trưng/các đồng vị PX
131mXe
133Xe
133mXe
135Xe
Chu kỳ bán hủy
11.9 d
5.24 d
2.19 d
9.1 h
Năng lượng (keV) và hiệu suất phát bức xạ g (%)
163.9
1.96
81
37
233.2
10.3
249.8
90
Năng lượng (keV) và hiệu suất phát tia X (%)
30
54
31
48.9
30
56.3
31
5.2
Năng lượng beta max (keV) và hiệu suất phát (%)
 
346
99
 
905
96
Năng lượng electron biến hoán (keV) và hiệu suất phát (%)
129
60.7
45
54
199
63.1
214
5.7

 

Hình 2. Sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe.

 - Sản lượng phân hạch lớn và dường như không bị rửa trôi do mưa và có thể phát tán đi rất xa, rất nhanh. Hình 3 thể hiện các đồng vị phóng xạ phổ biến nhất sau vụ nổ hạt nhân 1kt. Hình 4 là sự thay đổi hoạt độ phóng xạ của các đồng vị Xe phóng xạ sau vụ nổ.

-  Điều đặc biệt là tỷ số hoạt độ của các đồng vị Xe phóng xạ có thể được sử dụng để xác định nguồn gốc của các vụ nổ hạt nhân liên quan (hoặc là từ các vụ nổ hạt nhân nói chung, từ các lò phản ứng hạt nhân hay từ việc sử dụng các đồng vị Xe phóng xạ trong y tế (xem hình 5).

        Mặc dù có rất nhiều đồng vị phóng xạ sinh ra từ các vụ nổ hạt nhân, nhưng nhờ có những điểm đặc thù trên đây nên các đồng vị phóng xạ 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe được xem là các chỉ thị phóng xạ nhanh nhất, sớm nhất về các vụ nổ hạt nhân. Chính vì vậy, việc quan trắc các đồng vị phóng xạ này là rất thiết thực trong bối cảnh thế giới hiện nay.

 

Hình 3. Các đồng vị phóng xạ phổ biến nhất sau vụ nổ hạt nhân 1kt  (1kt bằng 1000 tấn thuốc nổ TNT).

Hình 4. Sự thay đổi hoạt độ của các đồng vị Xe phóng xạ sau vụ nổ.

Hình 5. Sự phụ thuộc tỷ số hoạt độ của các đồng vị Xe phóng xạ.

 Vậy quan trắc các đồng vị phóng xạ 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe như thế nào?

       Như đã phân tích trên đây, 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe phát ra các bức xạ gamma, tia X, beta và electron biến hoán. Quan trắc các đồng vị phóng xạ này tức là phải làm thế nào để ghi được các bức xạ do các đồng vị phóng xạ này phát ra và tính toán được hoạt độ phóng xạ của chúng. Sơ đồ nguyên tắc của quá trình thu góp mẫu và phân tích Xe phóng xạ tự động được trình bày trên hình 6. Quá trình tự động này gồm 4 giai đoạn chính sau đây:

Giai đoạn 1: Hút mẫu khí. Thường người ta sử dụng bơm hút khí để dẫn không khí đi đến bộ lọc bằng than hoạt tính (ở giai đoạn 2).

Giai đoạn 2: Xử lý mẫu khí và chuẩn bị mẫu đo. Trước khi không khí được dẫn đến bộ lọc bằng than hoạt tính, người ta sử dụng các cột lưới phân tử để loại bỏ hơi nước, O2 và CO2 trong không khí. Sau đó tách cả khí Rn ra khỏi mẫu đo. Cuối cùng mẫu được nung nóng kèm các khí mang như He và N2 để thu hồi mẫu đo Xe.

Giai đoạn 3: Xác định lượng mẫu đo Xe. Lượng mẫu đo Xe được xác định trên GC (sắc ký khí) dùng detector dẫn nhiệt (TCD).

Giai đoạn 4: Đo mẫu và xác định hoạt độ phóng xạ. Mẫu được chuyển sang hệ phổ kế bán dẫn siêu tinh khiết GeHp hoặc hệ phổ kế trùng phùng beta-gamma dùng detector nhấp nháy NaI(Tl). Đo phổ và tính toán hoạt độ của các đồng vị phóng xạ.

        Hiện nay có 3 loại thiết bị tự động phổ biến nhất được sử dụng trong quan trắc Xe phóng xạ có tên gọi là hệ SAUNA (của Thụy Điển), hệ SPALAX (của Pháp) và hệ ARIX (của Nga) được thiết kế dựa trên nguyên tắc này.

       Các hệ thiết bị tự động này đáp ứng tốt các yêu cầu tối thiểu sau đây:

- Lưu lượng dòng khí qua bộ lọc tối thiểu là 0.4 m3/giờ,

- Thể tích tổng cộng của mẫu khí là 10m3,

- Thời gian thu góp một mẫu nhỏ hơn hoặc bằng 24 giờ,

- Thời gian đo và phân tích một mẫu nhỏ hơn hoặc bằng 24 giờ,

- Thời gian xử lý phổ và báo cáo kết quả trong vòng 48 giờ,

- Các đồng vị Xe phóng xạ có thể phân tích được là 131mXe, 133Xe, 133mXe và 135Xe,

- Giới hạn thấp nhất có thể phát hiện được 133Xe là nhỏ hơn 1mBq/m3.

Hình 6. Sơ đồ nguyên tắc của việc thu góp mẫu và phân tích Xe phóng xạ tự động.

Hình 7. Hệ thiết bị thu góp mẫu và phân tích tự động Xe phóng xạ SPALAX

       Nhận thức được sự cần thiết phải quan trắc Xe phóng xạ nên một số quốc gia và các tổ chức quốc tế trên thế giới đã và đang quan tâm đến việc quan trắc Xe phóng xạ. Trong đó, CTBTO (Tổ chức hiệp ước cấm thử vũ khí hạt nhân toàn diện) là một tổ chức đã xây dựng được mạng lưới quan trắc Xe phóng xạ hiện đại nhất và gần như phủ khắp các khu vực trên thế giới (hình 8). Mạng lưới quan trắc Xe phóng xạ hiện nay của CTBTO có khả năng phát hiện đến 90% vụ nổ hạt nhân tương đương 1kt trong vòng 14 ngày kể từ khi xảy ra vụ nổ. Độ nhạy phát hiện 133Xe vào khoảng 1mBq/m3.

Hình 8. Mạng lưới quan trắc Xe phóng xạ hiện nay của CTBTO.

        Trong bối cảnh khu vực và thế giới hiện nay về sử dụng năng lượng hạt nhân cũng như nguy cơ khủng bố sử dụng vũ khí hạt nhân, việc trang bị hệ thiết bị thu góp mẫu và phân tích tự động các đồng vị phóng xạ của Xe là vô cùng cần thiết.

- Trước hết nó giúp cho cán bộ khoa học của chúng ta có cơ hội được tiếp cận với các trang thiết bị và kỹ thuật hiện đại, nâng cao trình độ năng lực quan trắc và hỗ trợ ứng phó sự cố phóng xạ và hạt nhân;

- Giúp cho chúng ta nhanh chóng và kịp thời phát hiện được bất kỳ vụ nổ hạt nhân nào trong khu vực và biết được nguồn gốc của vụ nổ ấy. Quan trọng nhất là kết quả quan trắc sẽ giúp chúng ta đưa ra được các biện pháp và hành động ứng phó kịp thời, giảm thiểu được thiệt hại cho công chúng và xã hội khi có sự cố xảy ra;

- Góp phần nâng tầm vị thế khoa học của Việt Nam trên chính trường quốc tế trong lĩnh vực quan trắc phóng xạ phục vụ chương trình phát triển điện hạt nhân quốc gia vì mục đích hòa bình.

 TS. Vương Thu Bắc

Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân

Lượt xem: 943

Các tin khác