Nghiên cứu phóng xạ tự nhiên trong các vật liệu xây dựng phổ biến tại Lào

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Luận án phóng xạ tư nhiên trong một số vật liệu xây dựng phổ biến tại cộng hòa dân chủ nhân dân lào, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất

• Trường học: Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Phóng Xạ Tự Nhiên Trong Vật Liệu Xây Dựng Tại Lào
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ CÓ TRONG VẬT LIỆU XÂY DỰNG
• 1.1. Nguồn gốc của các đồng vị phóng xạ có trong VLXD
• 1.2. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên
• 1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U
• 1.2.2. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị 235U
• 1.2.3. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị 232Th
• 1.3. Hiện tượng thất thoát radon

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng tại Lào

Phóng xạ tự nhiên là một hiện tượng phổ biến trong môi trường sống của con người. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên như 238U, 235U, 232Th và 40K có mặt trong nhiều loại vật liệu xây dựng (VLXD) được sử dụng tại Lào. Việc khảo sát phóng xạ trong VLXD là cần thiết để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người. Các đồng vị này phát ra bức xạ alpha, beta và gamma, có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp và tiêu hóa. Do đó, việc đánh giá mức độ phóng xạ trong VLXD là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.1. Nguồn gốc và sự phân bố của các đồng vị phóng xạ

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được hình thành từ khi Trái đất mới hình thành và tồn tại trong các nguyên liệu thô như đất, đá, cát. Sự phân bố của các đồng vị này không đồng đều, phụ thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện địa chất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong các VLXD, hàm lượng phóng xạ có thể khác nhau, ảnh hưởng đến an toàn xây dựng. Việc khảo sát phóng xạ trong VLXD là cần thiết để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người.

1.2. Tác động của phóng xạ đến sức khỏe con người

Phóng xạ từ các đồng vị tự nhiên có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Khi nồng độ phóng xạ vượt quá ngưỡng an toàn, có thể dẫn đến các bệnh lý nghiêm trọng như ung thư. Do đó, việc kiểm soát phóng xạ trong VLXD là rất quan trọng. Các biện pháp cần thiết phải được thực hiện để giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm cho cư dân sống trong các công trình xây dựng.

II. Quy trình khảo sát phóng xạ trong VLXD

Quy trình khảo sát phóng xạ tự nhiên trong VLXD bao gồm việc đo phóng xạ gamma phát ra từ các đồng vị có trong mẫu. Việc đo này thường được thực hiện bởi các chuyên gia với thiết bị chuyên dụng. Độ nhạy của thiết bị đo ảnh hưởng lớn đến kết quả khảo sát. Các yếu tố như hiệu suất ghi của detector và khả năng che chắn phông cần được xem xét kỹ lưỡng. Kết quả đo sẽ giúp xác định hoạt độ phóng xạ trong VLXD và đánh giá mức độ an toàn cho sức khỏe con người.

2.1. Phương pháp đo phóng xạ gamma

Phương pháp đo phóng xạ gamma sử dụng các detector nhấp nháy NaI(Tl) và detector bán dẫn HPGe. Mỗi loại detector có ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo. Việc lựa chọn phương pháp đo phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu thập được.

2.2. Khó khăn trong việc đo phóng xạ

Việc đo phóng xạ trong VLXD gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong việc xác định hoạt độ phóng xạ thấp. Cần có thiết bị đo nhạy và phương pháp đo chính xác để đảm bảo kết quả đáng tin cậy. Ngoài ra, việc kiểm soát các yếu tố gây sai số trong quá trình đo cũng là một thách thức lớn.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng phóng xạ trong các VLXD phổ biến tại Lào có sự khác biệt rõ rệt. Một số loại vật liệu có hàm lượng phóng xạ cao hơn mức cho phép, điều này có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe người sử dụng. Các số liệu thu thập được sẽ là cơ sở để đưa ra các khuyến cáo về an toàn phóng xạ trong xây dựng. Việc công bố kết quả nghiên cứu sẽ giúp nâng cao nhận thức của cộng đồng về nguy cơ phóng xạ từ VLXD.

3.1. Đánh giá mức độ phóng xạ trong VLXD

Đánh giá mức độ phóng xạ trong VLXD là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các số liệu cho thấy một số loại VLXD có hàm lượng phóng xạ vượt quá ngưỡng an toàn. Điều này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn cho sức khỏe cộng đồng. Các biện pháp cần thiết phải được thực hiện để giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm.

3.2. Khuyến cáo và biện pháp an toàn

Dựa trên kết quả nghiên cứu, cần đưa ra các khuyến cáo cụ thể về việc sử dụng VLXD có hàm lượng phóng xạ cao. Các cơ sở sản xuất cần được thông báo để có các điều chỉnh cần thiết nhằm đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Việc nâng cao nhận thức về phóng xạ trong cộng đồng cũng là một yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe.

IV. Kết luận

Nghiên cứu về phóng xạ tự nhiên trong VLXD tại Lào đã chỉ ra sự cần thiết phải khảo sát và đánh giá mức độ phóng xạ trong các vật liệu xây dựng. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Việc thực hiện các biện pháp an toàn và khuyến cáo sử dụng VLXD an toàn là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho cư dân.

4.1. Ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao nhận thức về phóng xạ trong VLXD tại Lào. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để xây dựng các tiêu chuẩn an toàn phóng xạ trong xây dựng, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về phóng xạ trong các loại VLXD khác và mở rộng khảo sát ra các khu vực khác nhau tại Lào. Việc đào tạo nhân lực trong lĩnh vực này cũng cần được chú trọng để đảm bảo có đủ chuyên gia thực hiện các nghiên cứu và khảo sát phóng xạ trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ CÓ TRONG VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1. Nguồn gốc của các đồng vị phóng xạ có trong VLXD Trái đất của chúng ta chứa nhiều loại đồng vị phóng xạ, đa số chúng được tạo ra ngay từ khi Trái đất mới được hình thành. Người ta thấy rằng trong tự nhiên có thể có tới hơn 92 loại đồng vị phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ có trong trái đất được bao gồm: các đồng vị phóng xạ nguyên thủy được tạo ra cùng với sự hình thành của trái đất và một số đồng vị phóng xạ khác được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất.

Ngoài ra còn có các đồng vị phóng xạ nhân tạo do chính con người tạo ra. Các đồng vị phóng xạ được hình thành do hai nguồn gốc đầu được gọi là các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ do con người tạo ra được gọi là các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Người ta đã phát hiện được các đồng vị phóng xạ tự nhiên và cả nhân tạo có mặt ở khắp mọi nơi trong các môi trường khác nhau như đất, nước, không khí, … Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy phổ biến nhất là 238U, 232Th, 235U và các sản phẩm phân rã của chúng, 40K và 87 Rb.

Trong môi trường đất đá thường có mặt các đồng vị phóng xạ của ba chuỗi phóng xạ bắt đầu từ các đồng vị 238U, 232Th và 235U [1]. Các đồng vị phóng xạ có trong tự nhiên sẽ ảnh hưởng lớn đến các sinh vật sống trên trái đất, đặc biệt sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Đặc biệt các VLXD chủ yếu được chế tạo từ đất đá lấy trong tự nhiên. Do vậy, khả năng có phóng xạ trong các VLXD là không thể loại trừ.

Trong trường hợp VLXD có lượng phóng xạ lớn hơn ngưỡng cho phép sẽ là vấn đề rất nguy hiểm đối với con người. Vì vậy, việc khảo sát phóng xạ tự nhiên có trong các VLXD là công việc cần thiết trước khi sử dụng các vật liệu này cho các công trình xây dựng kiên cố [2]. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên Cả uranium lẫn thorium đều là các đồng vị phóng xạ. Chúng chủ yếu phân rã alpha thành các đồng vị phóng xạ con cháu.

Uranium tự nhiên gồm ba đồng vị sống dài là 238U, 235U và 234U, trong đó đồng vị 238U chiếm nhiều hơn cả. Lượng 235U và 234 U chiếm rất ít trong tự nhiên. Thorium tự nhiên chỉ có duy nhất một đồng vị 232 Th. Các đồng vị phóng xạ này rã thành các đồng vị con và bản thân các đồng vị con cũng là phóng xạ lại phân rã thành các đồng vị con cháu và cứ như vậy quá 7 trình phân rã tạo thành chuỗi cho đến đồng vị cuối cùng là đồng vị bền.

Trong điều kiện chuẩn, tỉ số 235U/238U là không đổi và tất cả các đồng vị trong chuỗi phân rã đạt trạng thái cân bằng. Để hiểu được phổ gamma của các đồng vị này, cần phải biết rõ sơ đồ rã của chúng theo chuỗi cũng như tính chất của các đồng vị con cháu có mặt trong chuỗi.3 đưa ra sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ mẹ 238U, 235 U và 232Th. Các sơ đồ này không phải là hoàn toàn đầy đủ vì vẫn còn thiếu một số nhánh phân rã khác. Tuy nhiên, do xác suất rã theo các nhánh này không đáng kể (theo quan điểm của người dùng phổ kế gamma) nên chúng được bỏ qua [3].

a) Chuỗi phân rã của đồng vị 238U Chuỗi phân rã của đồng vị 238U được đưa ra trong hình vẽ 1. Trong tự nhiên 238U chiếm 99,25% của lượng uran tự nhiên. Đồng vị 238U là đồng vị phóng xạ phân rã alpha thành đồng vị 234Th. Đồng vị này cũng là đồng vị phóng xạ và phân rã thành 234mPa.

Chuỗi phân rã này tiếp diễn cho đến đồng vị cuối cùng của chuỗi là đồng vị bền 206Pb. Nếu nhìn vào chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ trong chuỗi, ta thấy chu kỳ bán rã của tất cả các đồng vị này đều ngắn hơn nhiều so với chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ 238U. Điều này có nghĩa rằng hoạt độ của các đồng vị con cháu của 238U trong khối uran tự nhiên nếu không bị xáo trộn sẽ cân bằng vĩnh viễn với 238U. Khi đó hoạt độ của tất cả các đồng vị con cháu sẽ chính bằng hoạt độ của 238U.

Tổng số trong chuỗi phân rã có 14 đồng vị phóng xạ nên hoạt độ tổng của mẫu sẽ lớn hơn hoạt độ của đồng vị 238U hoặc của bất kỳ đồng vị phóng xạ nào trong chuỗi 14 lần [4],[5], [6].17 phút ↓β (4) 234 U 2,455×105 năm ↓α (5) 230 Th 7,538 ×104 năm ↓α 8 (6) 226 Ra 1600 năm ↓α 222 (7) Rn 3,8232 ngày ↓α 218 (8) Po 3,094 phút ↓α 214 (9) Pb 26,8 phút ↓β 2214 (10) Bi 19,9 phút ↓β 214 (11) Po 162,3×10-6 giây ↓α (12) 210 Pb 22,3 năm ↓β 210 (13) Bi 5,013 ngày ↓β 210 (14) Po 138,4 ngày ↓α 206 Pb Hình 1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U. Những đồng vị được gạch dưới là các đồng vị có thể đo được bằng phổ kế gamma. Cũng có trường hợp đồng vị con có chu kỳ bán rã dài hơn so với đồng vị mẹ.

Chẳng hạn như trường hợp 234mPa/234U. Nếu chỉ quan tâm đến 234mPa thì hiện tượng cân bằng phóng xạ sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đối với những nguồn có thời gian kể từ khi nó được chế tạo lớn hơn 10 lần chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ trước đó có thời gian sống dài nhất, trong ví dụ này là của 234mPa, thực chất cũng gần như của đồng vị 238U. Trong thực tế, điều này có nghĩa rằng hoạt độ đo được trong mẫu của bất kỳ đồng vị con cháu nào cũng xấp xỉ với hoạt độ của đồng vị mẹ 238 U và của tất cả các đồng vị phóng xạ khác có trong chuỗi phân rã.

Có thể đo hoạt độ của vài đồng vị trong chuỗi để có đoán nhận chính xác hơn. Trong số các đồng vị con trong chuỗi phân rã của 238U, không phải đồng vị nào cũng có thể đo gamma một cách dễ dàng. Thực tế chỉ có 6 đồng vị trong hình 9 vẽ 1.1 đã được gạch chân là có thể đo được một cách tương đối thuận tiện. Do vậy, có thể đo hoạt độ của các đồng vị này và từ đó suy ra hoạt độ của các đồng vị trước đó trong chuỗi phân rã.

Chú ý cần phải kiểm tra về điều kiện cân bằng vì phương pháp này chỉ đúng cho mẫu cân bằng. Điều kiện cân bằng có thể kiểm tra được bằng cách đo hoạt độ của một số đồng vị trong chuỗi, chẳng hạn như 234Th, 234mPa, 226 Ra và 214Pb, 214Bi và 210Pb. Cần nhấn mạnh điều kiện để đạt được cân bằng là mẫu phải không bị xáo trộn. Trong trường hợp ngược lại, có thể các đồng vị con sẽ bị thất thoát và do đó sẽ phá vỡ cân bằng.

b) Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị 235U Trong tự nhiên, đồng vị phóng xạ 235U chỉ chiếm 0,72% trong tổng số uran. Tuy tỉ lệ của đồng vị này có trong tự nhiên không nhiều, nhưng do nó có chu kỳ bán rã ngắn nên nếu xét về phương diện bức xạ gamma, nó cũng đóng vai trò quan trọng không kém so với tầm đồng vị 238U. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị 235U được trình bày trong hình vẽ 1. Chuỗi phân rã này có 12 đồng vị bao gồm 11 tầng phân rã và có 7 loại hạt alpha có năng lượng khác nhau được phát ra (nếu bỏ qua một vài nhánh phân rã có xác suất rất nhỏ) [6].

(1) 235 U 1,7×108 năm ↓α 231 (2) Th 25,52 giờ ↓β (3) 231 Pa 3,276 ×104 năm ↓α (4) 227 Ac 21,772 năm ↓β 227 (5) Th 18,718 ngày + α (1,38 %) 223Fr 22 phút ↓α ↓β 223 (6) Ra 11,43 ngày ↓α 219 (7) Rn 3,96 giây ↓α 10 215 (8) Po 1,781×10-3 giây ↓α 211 (9) Pb 36,1 phút ↓β 211 (10) Bi 2,14 phút ↓α 207 (11) Tl 4,77 phút + β (0,273%) 211Po 516 ×10-3 giây ↓β ↓α 207 Pb Hình 1.2: Chuỗi phân rã của 235U. Chỉ có gamma do đồng vị 235U phát ra là có thể đo được bằng phổ kế gamma. Trong số các đồng vị này, chỉ có đỉnh gamma của đồng vị 235U là có thể dễ dàng đo được. Việc đo gamma của một số đồng vị khác như 227Th, 223Ra và 219 Rn khó khăn hơn nhiều.

Mặc dầu sai số khi đo gamma của các đồng vị con có thể tương đối cao nhưng việc đo hoạt độ của chúng cũng vẫn cho phép có những đoán nhận về hoạt độ của 235U hoặc kiểm tra về cân bằng phóng xạ của mẫu. Đáng tiếc đỉnh gamma của đồng vị 235U với năng lượng 185,72 keV lại gần trùng với đỉnh gamma của đồng vị 226Ra với năng lượng 186,2 keV. Hoạt độ tổng cộng của mẫu ở trạng thái cân bằng sẽ lớn hơn 11 lần hoạt độ của 235U [3, 4]. c) Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị 232Th Đồng vị 232Th chiếm 100% trong tự nhiên.

Chuỗi phân rã của đồng vị phóng xạ này được trình bày trong hình vẽ 1. Chuỗi phân rã này bao gồm 10 tầng và phát ra 6 loại hạt alpha. Có thể dùng phổ kế gamma để đo các đỉnh của 228Ac, 212Pb, 212 Bi và 208Tl một cách dễ dàng. Phân rã của đồng vị 212Bi bị phân nhánh.

Nó chỉ rã alpha về đồng vị 208Tl với xác suất 35,94%. Nhánh phân rã beta tạo ra đồng vị 212Po và không thể đo được bằng phổ kế gamma. Nếu đo 208Tl để tính hoạt độ của thori thì cần lấy hoạt độ của 208Tl chia cho giá trị của tỉ số rẽ nhánh là 0,3594 [4, 7]. 11 (1) 232 Th 1,405 ×109 năm ↓α 228 (2) Ra 5,75 giờ ↓β 228 (3) Ac 6,15 giờ ↓β (4) 228 Th 1,9127 năm ↓α 224 (5) Ra 3,627 ngày ↓α 220 (6) Rn 55,8 giây ↓α 216 (7) Po 150 ×10-3 giây ↓α 212 (8) Pb 10,64 giờ ↓β 212 (9) Bi 60,54 phút ↓ β (64,06%) ↓ α (35,94%) 212 (10) Po 0,3 ×10-6 giây 208 Tl 3,06 phút ↓α ↓β 206 Pb Hình 1.3: Chuỗi phân rã của 232Th.

Các đồng vị có gạch dưới có thể đo bằng phổ kế gamma 1. Hiện tượng thất thoát radon Nếu không có các quá trình làm xáo trộn môi trường thì các chuỗi phóng xạ này trong môi trường đất thường ở trạng thái cân bằng về mặt phóng xạ. Điều này có nghĩa hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ có trong mỗi chuỗi là bằng nhau và bằng với hoạt độ của đồng vị bắt đầu mỗi chuỗi.