Nghiên Cứu Khoa Học Xác Định Mức Độ Ô Nhiễm Phóng Xạ Tự Nhiên Và Quy Trình Đánh Giá Chi Tiết

Luận văn nghiên cứu cơ sở khoa học xác định mức độ ô nhiễm phóng xạ tự nhiên, xây dựng quy trình đánh giá chi tiết các vùng ô nhiễm.

• Tác giả: Ths. Nguyễn Văn Nam
• Trường học: Liên Đoàn Địa Chất Xạ Hiếm
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định mức độ ô nhiễm môi trường của các nguồn phóng xạ tự nhiên để xây dựng quy trình công nghệ đánh giá chi tiết các vùng ô nhiễm phóng xạ tự nhiên
• Loại tài liệu: Báo cáo đề tài KHCN cấp bộ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Ô nhiễm phóng xạ và mức độ ô nhiễm

Ô nhiễm phóng xạ là một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường tự nhiên, đặc biệt là từ các nguồn phóng xạ tự nhiên như uranium, thorium và các đồng vị phóng xạ khác. Mức độ ô nhiễm được xác định thông qua các phương pháp đo lường bức xạ, bao gồm hoạt độ phóng xạ, liều hấp thụ, và liều tương đương. Các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng sự phân bố của các nguyên tố phóng xạ trong môi trường tự nhiên không đồng đều, phụ thuộc vào đặc điểm địa chất và thành phần khoáng vật. Việc đánh giá chi tiết mức độ ô nhiễm phóng xạ là cần thiết để xác định các khu vực có nguy cơ cao và đề xuất các biện pháp bảo vệ môi trường.

1.1. Khái niệm và đặc điểm của ô nhiễm phóng xạ

Ô nhiễm phóng xạ được định nghĩa là sự hiện diện của các chất phóng xạ trong môi trường vượt quá mức tự nhiên, gây ra các tác động phóng xạ có hại đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các nguồn phóng xạ tự nhiên bao gồm uranium, thorium, và các đồng vị phóng xạ khác như radon. Các chất này phân bố trong đất, nước, và không khí, tạo thành phông phóng xạ tự nhiên. Việc đo lường và đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ đòi hỏi sử dụng các đơn vị đo lường như Becquerel (Bq) cho hoạt độ phóng xạ và Sievert (Sv) cho liều tương đương.

1.2. Phân bố các nguyên tố phóng xạ trong môi trường

Các nguyên tố phóng xạ như uranium, thorium, và radon phân bố không đồng đều trong môi trường tự nhiên. Chúng tập trung nhiều trong các loại đá magma và đá biến chất, với hàm lượng cao hơn so với đá trầm tích. Nghiên cứu môi trường đã chỉ ra rằng nồng độ radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng uranium và thorium trong đất đá. Các khu vực có hàm lượng phóng xạ cao thường là các mỏ khoáng sản hoặc khu vực có hoạt động địa chất mạnh. Việc phân tích và đánh giá chi tiết sự phân bố này giúp xác định các vùng có nguy cơ ô nhiễm phóng xạ cao.

II. Quy trình đánh giá chi tiết ô nhiễm phóng xạ

Quy trình đánh giá chi tiết ô nhiễm phóng xạ bao gồm các bước từ thu thập dữ liệu, đo lường bức xạ, đến phân tích và đánh giá mức độ ô nhiễm. Các nghiên cứu khoa học đã phát triển các phương pháp đo lường bức xạ ngoài thực địa và trong phòng thí nghiệm để xác định chính xác mức độ ô nhiễm. Việc đánh giá chi tiết không chỉ giúp xác định các khu vực ô nhiễm mà còn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

2.1. Phương pháp đo lường bức xạ

Các phương pháp đo lường bức xạ bao gồm đo hoạt độ phóng xạ, liều hấp thụ, và liều tương đương. Các thiết bị đo lường như máy đo liều bức xạ và máy đo radon được sử dụng để thu thập dữ liệu ngoài thực địa. Trong phòng thí nghiệm, các phương pháp phân tích như quang phổ gamma và đo lường hoạt độ riêng được áp dụng để xác định chính xác mức độ ô nhiễm. Các kết quả đo lường được sử dụng để tính toán và đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ trong các khu vực nghiên cứu.

2.2. Đánh giá chi tiết các vùng ô nhiễm

Đánh giá chi tiết các vùng ô nhiễm phóng xạ bao gồm việc xác định quy mô, mức độ, và phạm vi ô nhiễm. Các khu vực có nguy cơ cao được khoanh vùng và đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn an toàn bức xạ. Các nghiên cứu môi trường đã chỉ ra rằng việc đánh giá chi tiết giúp xác định các biện pháp can thiệp hiệu quả, như cải tạo đất, giảm thiểu phơi nhiễm phóng xạ, và quy hoạch sử dụng đất an toàn. Kết quả đánh giá cũng là cơ sở để đề xuất các chính sách bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

III. Tác động của ô nhiễm phóng xạ đến môi trường và sức khỏe

Tác động phóng xạ của ô nhiễm phóng xạ đến môi trường tự nhiên và sức khỏe con người là một vấn đề nghiêm trọng. Các chất phóng xạ như radon và các đồng vị phóng xạ khác có thể gây ra các bệnh lý nguy hiểm như ung thư phổi và các bệnh về máu. Nghiên cứu môi trường đã chỉ ra rằng việc phơi nhiễm phóng xạ lâu dài có thể dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng. Việc đánh giá và quản lý các khu vực ô nhiễm phóng xạ là cần thiết để giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

3.1. Tác động đến môi trường tự nhiên

Ô nhiễm phóng xạ có thể gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên, bao gồm sự suy thoái đất, ô nhiễm nguồn nước, và ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Các chất phóng xạ như uranium và thorium có thể tích tụ trong đất và nước, gây ra sự ô nhiễm lâu dài. Nghiên cứu môi trường đã chỉ ra rằng việc quản lý và xử lý các khu vực ô nhiễm phóng xạ là cần thiết để bảo vệ môi trường và duy trì sự cân bằng sinh thái.

3.2. Tác động đến sức khỏe con người

Tác động phóng xạ đến sức khỏe con người bao gồm các bệnh lý nguy hiểm như ung thư phổi, bệnh về máu, và các vấn đề sức khỏe khác. Việc phơi nhiễm phóng xạ lâu dài, đặc biệt là từ khí radon, có thể dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng. Nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng việc đánh giá và quản lý các khu vực ô nhiễm phóng xạ là cần thiết để giảm thiểu các tác động tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 1. Một số khái niệm, định nghĩa và mối liên hệ giữa các đại lượng đo lường bức xạ tự nhiên 1. Khái niệm về nguồn phóng xạ tự nhiên Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại, gồm: nguồn phóng xạ tự nhiên (Natural radioactive source) và nguồn phóng xạ nhân tạo (Artificial radioactive source). Nguồn phóng xạ tự nhiên, mà người ta thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên bao gồm các đồng vị phóng xạ có mặt trong trái đất, trong nước và trong bầu khí quyển.

Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc. Khái niệm phông bức xạ tự nhiên Nghị định số 50/1998/NĐ-CP Chính phủ nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam đã quy định: “Phông bức xạ tự nhiên là những bức xạ có nguồn gốc tự nhiên (như bức xạ từ vũ trụ, từ các hạt nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất đá, không khí, nước, cơ thể con người và sinh vật, vật liệu …)”. Hiện nay, các đơn vị chính được sử dụng trong đo lường bức xạ là hoạt độ, liều hấp thụ, liều tương đương, liều hiệu dụng và liều chiếu. Sau đây là định nghĩa và mối liên hệ giữa các đại lượng này.

Một số đơn vị sử dụng trong đo lường bức xạ tự nhiên và mối liên hệ giữa chúng 1. Một số đơn vị sử dụng trong đo lường bức xạ tự nhiên 1. Hoạt độ phóng xạ (radioactivity) Hoạt độ phóng xạ là số phân rã của nguồn phóng xạ trong một đơn vị thời gian.1) dt 5 Trong đó: N là số hạt nhân chưa bị phân rã tính theo công thức: N= N0e-λt Như vậy: a = λN = λN0e-λt (1.2) 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.

Hoạt độ riêng (specific activity) là hoạt độ phóng xạ của một đơn vị nguồn phóng xạ. Đơn vị thường dùng là Bq/kg (thường dùng đối với nguồn dạng rắn), Bq/m3 (thường dùng với nguồn dạng lỏng hay khí). Liều hấp thụ (Absorbed dose) Tác hại của bức xạ lên cơ thể phụ thuộc vào sự hấp thụ năng lượng của bức xạ và gần đúng tỷ lệ với nồng độ năng lượng hấp thụ trong mô sinh học. Do đó đơn vị cơ bản của liều bức xạ được biểu diễn qua năng lượng hấp thụ trên một đơn vị khối lượng của mô.

Khái niệm liều hấp thụ không chỉ dùng cho đối tượng sinh học mà dùng cho một môi trường vật chất bất kỳ. Do vậy, nó được định nghĩa như sau: Liều hấp thụ D là tỷ số giữa năng lượng trung bình d ε mà bức xạ truyền cho vật chất trong yếu tố thể tích và khối lượng vật chất dm của thể tích đó.3) dm Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (ký hiệu là Gy). Đơn vị ngoài hệ SI là rad (radiation absorbed dose). Suất liều hấp thụ D* là liều hấp thụ tính cho một đơn vị thời gian.

Đơn vị suất liều hấp thụ trong hệ SI là Gy/s, ngoài ra còn dùng rad/s hay rad/h. Liều tương đương Tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau là khác nhau. Đó là do sự khác nhau về độ mất mát năng lượng trên 1 đơn vị đường đi của các loại bức xạ khác nhau và 1Gy của hạt alpha cho hiệu ứng sinh học lớn hơn 20 lần so với 1Gy của bức xạ gamma. 6 Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng để đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với hệ số chất lượng (Quality Factor) đối với các loại bức xạ, được ký hiệu là QF.

Ủy ban Quốc tế về bảo vệ bức xạ ICRP (International Commission on Radiation Protection) đặt lại tên hệ số chất lượng là trọng số bức xạ (Radiation Weighting Factor) và ký hiệu là WR.4) Đơn vị dùng trong hệ SI là Sievert (ký hiệu là Sv). 1Sv = 1Gy x WR.5) Đơn vị ngoài hệ SI là rem: 1rem = 1rad x WR (1.6) 1Sv= 100 rem hay 1 rem = 0,01 Sv Bảng 1. Hệ số chất lượng QF và trọng số bức xạ WR với một số loại bức xạ Loại bức xạ Năng lượng bức xạ Giá trị Giá trị QF WR Tia X, gamma, beta Bất kỳ 1 1 Hạt neutron Neutron nhiệt 0,025 eV 2 5 0,01 MeV 2,5 10 0,1 MeV 7,5 10 0,5 MeV 11 20 > 0,1 MeV - 2 MeV 20 > 2 MeV - 20 MeV 5 Proton Năng lượng cao 10 5 Hạt alpha, mảnh vỡ phân hạch, hạt Không rõ 20 20 nhân nặng 4. Liều chiếu (Exposure dose) Liều chiếu cho biết khả năng ion hóa không khí của bức xạ tại một vị trí nào đó.

Liều chiếu X là tỷ số giữa giá trị tuyệt đối tổng điện tích dQ của tất cả các ion cùng dấu được tạo ra trong một thể tích nguyên tố của không khí, khi tất cả các 7 electron và positron thứ cấp do các gamma tạo ra bị hãm hoàn toàn trong thể tích không khí đó và khối lượng dm của thể tích nguyên tố không khí đó.7) dm Đơn vị liều chiếu trong hệ SI là C/kg. Đơn vị ngoài hệ SI là Roentgen (ký hiệu là R).8) Suất liều chiếu X* là liều chiếu trong một đơn vị thời gian. Đơn vị suất liều chiếu trong hệ SI là C/kg/s. Đơn vị ngoài hệ SI thường dùng là R/h hay mR/h.

Mối liên hệ giữa các đại lượng đo lường bức xạ tự nhiên 1. Liên hệ giữa hoạt độ phóng xạ với khối lượng vật chất phóng xạ Hoạt độ phóng xạ a ở công thức (1.1) được tính theo số hạt nhân phóng xạ N. Số hạt nhân lại được xác định qua khối lượng m chất phóng xạ theo công thức dưới đây: NA N= m (1.9) A Trong đó: NA là số Avogadro = 6,02.1023; A là phân tử gamma, tính theo đơn vị g/mole; m là khối lượng tính theo gam. Thay N vào công thức trên ta có ta được công thức tính hoạt độ phóng xạ theo khối lượng của nó như sau: 0,693 0,693 × 6,02.12) AT1 / 2 Từ các công thức nêu trên, công thức dưới đây thường sử dụng để tính khối lượng chất phóng xạ khi biết hoạt độ của chúng: m = 8,85.

Liên hệ giữa liều chiếu và liều tương đương Như đã trình bày ở trên, liều chiếu X cho biết khả năng ion hóa không khí của bức xạ, tức là mức độ năng lượng mà không khí hấp thụ để tạo ra số cặp ion nào đó. Mặt khác, liều hấp thụ D là năng lượng mà bức xạ truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất, hay liều tương đương H là năng lượng mà bức xạ truyền cho một đơn vị khối lượng mô sinh học. Do tương tác của bức xạ với vật chất chủ yếu gây ra hiệu ứng ion hóa nên độ mất mát năng lượng của bức xạ gần đúng tỷ lệ với nồng độ electron trong vật chất. Với lý do đó mà: Liều chiếu 1R thường được coi tương đương với liều hấp thụ 1 rad và đơn vị 1R được sử dụng với ý nghĩa 1 rad.

Như vậy có thể viết một cách gần đúng mối quan hệ giữa liều chiếu và liều hấp thụ: 1R = 1 rad = 0,01 Gy và mối liên hệ giữa liều chiếu và liều tương đương như sau: 1Sv = 100 rem = 100 x 1rad x WR = 100 x 1R x WR (1.15a) Suất liều tương đương liên hệ với suất liều chiếu như sau: 1Sv/s=100 x WR x R/s (1.15b) Đối với tia X, tia gamma và tia beta có trọng số WR = 1 thì 1Sv = 1Gy = 100 rem = 100 rad = 100R hay 1R=1 rad = 1rem = 0,01 Gy = 0,01 Sv Và 1Sv/s = 1Gy/s = 100 rem/s = 100 rad/s = 100R/s hay (1.16) 1R/s = 1 rad/s = 1rem/s = 0,01 Gy/s = 0,01 Sv/s. Trong thực tế, các máy đo liều bức xạ thường sử dụng các thang đo là mR/h và µR/h. Ta có thể suy ra từ công thức (1.16) sự tương đương từ 2 đơn vị này như sau: 1µSv/h = 0,1 mR/h hay 1mR/h = 10 µSv/h (1. Liên hệ giữa suất liều chiếu và hoạt độ phóng xạ của nguồn 9 Nguồn phóng xạ có hoạt độ a (đơn vị Ci) thì suất liều chiếu X* (đơn vị R/h) tại một vị trí cách nguồn phóng xạ một khoảng r (đơn vị là mét) tuân theo công thức: aK γ X* = (1.18) r2 Trong đó Kγ là hệ số có thứ nguyên R x m2/(h x Ci) được xác định đối với từng đồng vị phóng xạ.2 dưới đây nêu hệ số Kγ của một số đồng vị phóng xạ phát gamma.

Suất liều tương đương được xác định qua suất liều chiếu theo công thức (1.16) nên ta có: aK γ H * = 0,01X * × WR = 0,01 WR r2 Bảng 1.2: Hệ số Kγ đối với một số đồng vị phóng xạ phát gamma Đồng vị Thời gian bán rã Năng lượng tia gamma Kγ phóng xạ (MeV) (R x m2/(h x Ci) 60 Co 5,27 năm 1,174; 1,332 1,32 137 Cs 30 năm 0,661 0,33 131 I 8,08 ngày 0,08; 0,284; 0,364; 0,722 0,22 22 Na 2,58 năm 0,511; 1,275 1,20 51 Cr 27,8 ngày 0,325; 0,65 0,016 65 Zn 245 ngày 0,511; 1,12 0,27 75 Se 127 ngày 0,066-0,572 0,19 82 Br 1,5 ngày 0,554-1,91 1,45 124 Sb 60,9 ngày 0,609-2,088 0,97 226 Ra 1620 năm 0,825 1. Đặc điểm phân bố các nguyên tố phóng xạ trong môi trường tự nhiên 1. Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất Nguồn phóng xạ tự nhiên trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và trong khi trái đất được hình thành. Năm 1896 nhà bác học người Pháp Becqueral phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium.

Đến nay người ta đã 10 biết các chất phóng xạ trên trái đất gồm các nguyên tố uranium, thorium và các con cháu của chúng tạo nên ba họ phóng xạ cơ bản là họ thorium (Th232), uranium (U238) và actinium (U235). Tất cả các thành viên của các họ này đều là các đồng vị phóng xạ, trừ thành viên cuối cùng ở mỗi họ. Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon.

Trong họ uranium, khí 86Rn222 được gọi là radon; trong họ thorium, khí 86 Rn220 được gọi là thoron; trong họ actinium, khí 86Rn219 được gọi là actinon. Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ.