Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đã xác định năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình là một trong những chiến lược phát triển quan trọng, với mục tiêu đến năm 2010 tự sản xuất 50% nhu cầu đồng vị và chất phóng xạ phục vụ y học và công nghiệp. Tính đến năm 2019, cả nước có 35 cơ sở y học hạt nhân với hơn 45 thiết bị xạ hình, đồng thời sở hữu lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và 6 máy gia tốc Cyclotron phục vụ sản xuất đồng vị phóng xạ. Đồng vị Iodine-125, có thời gian bán rã 59,4 ngày và phát tia gamma năng lượng thấp, được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị ung thư, đặc biệt là ung thư tuyến tiền liệt bằng kỹ thuật cấy hạt phóng xạ. Tuy nhiên, tại Việt Nam, Iodine-125 chưa được sản xuất trong nước.

Luận văn tập trung tính toán quá trình sản xuất Iodine-125 từ khí Xenon-124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng Đà Lạt, nhằm dự báo ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến khối lượng và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu sử dụng phương pháp lập trình hướng đối tượng và giải hệ phương trình vi phân bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4, với dữ liệu thực nghiệm và số liệu hạt nhân được công bố. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các phương pháp sản xuất theo mẻ gián đoạn và chu trình lặp tuần hoàn, với khối lượng bia Xenon từ 0,4 đến 50 gram, thông lượng nơtron từ 5.10^12 đến 10^14 n/cm^2/s, thời gian chiếu xạ từ 10 đến 300 giờ, và thời gian phân rã từ 30 đến 90 ngày.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển năng lực sản xuất đồng vị phóng xạ trong nước, giảm chi phí nhập khẩu, nâng cao chất lượng sản phẩm phục vụ y học hạt nhân, đồng thời góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phản ứng hạt nhân (n,γ): Quá trình bắt nơtron nhiệt của đồng vị Xenon-124 tạo thành Xenon-125, sau đó phân rã beta thành Iodine-125. Tiết diện phản ứng với nơtron nhiệt là khoảng 165 ± 20 barn, phản ứng chủ yếu xảy ra với nơtron nhiệt có năng lượng ~0,025 eV.

  • Phân rã phóng xạ: Iodine-125 có chu kỳ bán rã 59,4 ngày, phát tia gamma năng lượng 35 keV, thích hợp cho ứng dụng y học hạt nhân. Xenon-125 có chu kỳ bán rã 18 giờ, phân rã thành Iodine-125.

  • Mô hình toán học tích lũy ròng: Hệ phương trình vi phân mô tả sự tạo thành và phân rã của các đồng vị phóng xạ trong quá trình chiếu xạ và phân rã, bao gồm các đồng vị 124Xe, 125Xe, 126Xe, 127Xe, 125I, 126I, 127I, v.v. Hệ phương trình được giải bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4.

  • Tiết diện phản ứng và thông lượng nơtron: Tiết diện phản ứng tỷ lệ nghịch với năng lượng nơtron, nơtron nhiệt có tiết diện phản ứng lớn nhất. Thông lượng nơtron trong lò phản ứng Đà Lạt đạt khoảng 2.10^13 n/cm^2/s tại bẫy và 9.10^12 n/cm^2/s tại kênh chiếu ướt.

  • Kỹ thuật chiếu xạ: Lựa chọn vật liệu bia (Xenon tự nhiên hoặc giàu 124Xe), đóng gói trong viên nang nhôm để giảm hấp thụ nơtron và dễ xử lý sau chiếu xạ. Phương pháp chiếu xạ theo mẻ gián đoạn hoặc chu trình lặp tuần hoàn nhằm tối ưu hóa hoạt độ và độ sạch sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu hạt nhân từ IAEA, dữ liệu thực nghiệm tại lò phản ứng Đà Lạt, thông số kỹ thuật của máy gia tốc Cyclotron và lò phản ứng.

  • Phương pháp phân tích: Lập trình mô phỏng quá trình sản xuất Iodine-125 bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 trên nền Windows 7, giải hệ phương trình vi phân bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4. Chương trình cho phép nhập các thông số đầu vào như khối lượng bia, độ giàu đồng vị, thông lượng nơtron, thời gian chiếu xạ, thời gian phân rã và số vòng lặp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng với khối lượng bia từ 0,4 gram (Xenon giàu 124Xe) đến 50 gram (Xenon tự nhiên), thông lượng nơtron từ 5.10^12 đến 10^14 n/cm^2/s, thời gian chiếu xạ từ 10 đến 300 giờ, phù hợp với điều kiện thực tế tại lò phản ứng Đà Lạt.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2017-2019, bao gồm thu thập số liệu, lập trình mô phỏng, kiểm chứng kết quả với số liệu IAEA và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kiểm chứng mô hình: Kết quả tính toán hoạt độ Iodine-125 và hàm lượng tạp chất Iodine-126 với 15 gram Xenon tự nhiên và 0,4 gram Xenon giàu 124Xe chiếu xạ ở thông lượng 5.10^13 n/cm^2/s tương đồng với số liệu IAEA, sai số dưới 5%, chứng tỏ phương pháp Runge-Kutta bậc 4 chính xác và đáng tin cậy.

  2. Ảnh hưởng thông lượng nơtron: Với 50 gram Xenon tự nhiên chiếu xạ 20 ngày, hoạt độ Iodine-125 tăng từ khoảng 1 Ci (5.10^12 n/cm^2/s) lên trên 14 Ci (10^14 n/cm^2/s). Tuy nhiên, hàm lượng tạp chất Iodine-126 cũng tăng từ 1% lên 20%, làm giảm hoạt độ riêng sản phẩm.

  3. Ảnh hưởng độ giàu Xenon-124: Hoạt độ Iodine-125 tăng tuyến tính với độ giàu Xenon-124, từ 261 mCi (1%) lên 25.8 Ci (99%). Tỷ lệ tạp chất Iodine-126 giữ dưới 0,9% khi thời gian chiếu xạ được tối ưu, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

  4. Phương pháp sản xuất: Chu trình lặp tuần hoàn với 15 gram Xenon tự nhiên chiếu xạ 17 giờ, phân rã 113 giờ, sau 10 vòng lặp đạt tổng hoạt độ Iodine-125 trên 5,8 Ci, hàm lượng tạp chất Iodine-126 dưới 0,5%, hoạt độ riêng đạt 16.786 Ci/g, đáp ứng yêu cầu y học hạt nhân.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng bia Xenon giàu 124Xe và chiếu xạ ở thông lượng nơtron cao giúp tăng sản lượng Iodine-125 và giảm tạp chất Iodine-126, nâng cao chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, chi phí bia giàu cao đòi hỏi thu hồi và tái sử dụng hiệu quả. Phương pháp chu trình lặp tuần hoàn ưu việt hơn so với mẻ gián đoạn về mặt sản lượng và độ sạch, nhưng yêu cầu đầu tư thiết bị phức tạp hơn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với số liệu IAEA và các báo cáo từ các nước có nền y học hạt nhân phát triển. Việc mô phỏng chi tiết giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí thực nghiệm, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để triển khai sản xuất Iodine-125 tại lò phản ứng Đà Lạt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hoạt độ Iodine-125 và hàm lượng Iodine-126 theo thời gian phân rã, biểu đồ so sánh hoạt độ riêng với độ giàu Xenon-124, giúp trực quan hóa ảnh hưởng các thông số đầu vào.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thời gian chiếu xạ và phân rã: Áp dụng mô hình tính toán để xác định thời gian chiếu xạ tối ưu nhằm đạt hoạt độ cao và tỷ lệ tạp chất dưới 1%, đặc biệt với bia Xenon giàu 124Xe. Thời gian chiếu xạ nên không vượt quá 90% chu kỳ bán rã Xenon-125, thời gian phân rã khoảng 113 giờ.

  2. Phát triển hệ thống chiếu xạ chu trình lặp tuần hoàn: Đầu tư xây dựng hệ thống chiếu xạ tuần hoàn tại lò phản ứng Đà Lạt để tăng sản lượng và chất lượng Iodine-125, giảm tạp chất và tiết kiệm nguyên liệu. Chủ thể thực hiện là Trung tâm nghiên cứu hạt nhân và các đơn vị liên quan, trong vòng 2-3 năm.

  3. Thu hồi và tái sử dụng bia Xenon giàu 124Xe: Xây dựng quy trình thu hồi khí Xenon sau chiếu xạ để giảm chi phí nguyên liệu, đảm bảo hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Thời gian triển khai 1-2 năm, do các phòng thí nghiệm hóa phóng xạ và kỹ thuật lò phản ứng thực hiện.

  4. Đào tạo chuyên gia và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vật lý hạt nhân, hóa phóng xạ, an toàn bức xạ và vận hành thiết bị chiếu xạ cho cán bộ kỹ thuật. Mục tiêu nâng cao chất lượng sản xuất và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

  5. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Áp dụng phương pháp tính toán và mô hình lập trình cho sản xuất các đồng vị phóng xạ khác như Strontium-89, Samarium-153, Rhenium-186, Rhenium-188 nhằm đa dạng hóa sản phẩm phục vụ y học và công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật lý hạt nhân: Luận văn cung cấp mô hình toán học và phương pháp tính toán chi tiết, giúp nghiên cứu và phát triển sản xuất đồng vị phóng xạ trong lò phản ứng.

  2. Cán bộ kỹ thuật vận hành lò phản ứng và phòng thí nghiệm hóa phóng xạ: Tham khảo quy trình chiếu xạ, xử lý mẫu và kiểm soát chất lượng sản phẩm Iodine-125, nâng cao hiệu quả sản xuất và an toàn bức xạ.

  3. Chuyên gia y học hạt nhân và điều trị ung thư: Hiểu rõ đặc tính đồng vị Iodine-125, ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị, từ đó phối hợp với đơn vị sản xuất để đảm bảo nguồn cung ứng đồng vị chất lượng.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng nguyên tử: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn để xây dựng chiến lược phát triển năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình, thúc đẩy sản xuất đồng vị phóng xạ trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Iodine-125 được sản xuất như thế nào trong lò phản ứng?
    Iodine-125 được sản xuất bằng cách chiếu xạ khí Xenon-124 bằng dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng, tạo thành Xenon-125, sau đó phân rã beta thành Iodine-125. Quá trình này được mô phỏng bằng hệ phương trình vi phân và tối ưu hóa về thời gian chiếu xạ và phân rã.

  2. Tại sao cần sử dụng khí Xenon giàu 124Xe?
    Khí Xenon giàu 124Xe giúp tăng hoạt độ Iodine-125 và giảm tạp chất Iodine-126, nâng cao chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, chi phí cao nên cần thu hồi và tái sử dụng hiệu quả.

  3. Phương pháp chiếu xạ nào hiệu quả hơn?
    Phương pháp chu trình lặp tuần hoàn cho phép sản xuất lượng lớn Iodine-125 với độ sạch cao và hoạt độ riêng lớn hơn so với mẻ gián đoạn, nhưng đòi hỏi đầu tư thiết bị phức tạp hơn.

  4. Hoạt độ riêng của Iodine-125 là gì và tại sao quan trọng?
    Hoạt độ riêng là hoạt độ trên đơn vị khối lượng sản phẩm, thể hiện độ tinh khiết và hiệu quả sử dụng trong y học hạt nhân. Hoạt độ riêng cao giúp giảm liều lượng cần thiết và tăng hiệu quả điều trị.

  5. Làm thế nào để giảm tạp chất Iodine-126 trong sản phẩm?
    Giảm tạp chất Iodine-126 bằng cách tối ưu thời gian chiếu xạ, sử dụng khí Xenon giàu 124Xe, áp dụng chu trình lặp tuần hoàn để loại bỏ Iodine-126 kịp thời qua phân rã và xử lý hóa học.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình toán học và chương trình tính toán chính xác, kiểm chứng với số liệu IAEA, phù hợp với điều kiện lò phản ứng Đà Lạt.
  • Phương pháp chiếu xạ chu trình lặp tuần hoàn với khí Xenon giàu 124Xe cho sản lượng Iodine-125 cao, độ sạch và hoạt độ riêng đáp ứng yêu cầu y học hạt nhân.
  • Tối ưu hóa thời gian chiếu xạ và phân rã là yếu tố then chốt để cân bằng giữa sản lượng và chất lượng sản phẩm.
  • Nghiên cứu góp phần thúc đẩy sản xuất đồng vị phóng xạ trong nước, giảm phụ thuộc nhập khẩu và nâng cao năng lực ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình.
  • Đề xuất triển khai hệ thống chiếu xạ tuần hoàn, thu hồi khí Xenon và đào tạo chuyên gia nhằm phát triển bền vững ngành y học hạt nhân tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai thử nghiệm sản xuất Iodine-125 theo mô hình đề xuất tại lò phản ứng Đà Lạt trong vòng 1-2 năm, đồng thời phát triển hệ thống thu hồi khí Xenon và đào tạo nhân lực kỹ thuật.

Call to action: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất đồng vị phóng xạ cần phối hợp triển khai ứng dụng mô hình tính toán này để nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các đồng vị phóng xạ khác phục vụ y học và công nghiệp.