Tài liệu 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

CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHẤT XẠ HIÊM ----------[—]-------- BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHCN CẤP BỘ 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 7650 02/02/2010 HÀ NỘI – 2009 CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHẤT XẠ HIÊM ----------[—]-------- Tác giả: ThS. Nguyễn Văn Nam ThS. Bùi Tất Hợp KS. Nguyễn Quang Vinh KS. Nguyễn Thái Sơn BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHCN CẤP BỘ 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 LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHẤT XẠ HIẾM CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ThS. Nguyễn Văn Nam HÀ NỘI - 2009 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................3 PHẦN I: CƠ SỞ KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ MÔI TRƯỜNG CỦA CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ..........................................................5 CHƯƠNG 1: NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG.................. PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ..................................................................5 1.1. Một số khái niệm, định nghĩa và mối liên hệ giữa các đại lượng đo lường bức xạ tự nhiên.............................................................5 1.2. Đặc điểm phân bố các nguyên tố phóng xạ trong môi trường tự nhiên ......................................................................................................10 1.3. Khái quát về môi trường phóng xạ tự nhiên ..............................................15 1.4. Các thành phần, đối tượng nghiên cứu trong đánh giá chi tiết môi trường phóng xạ tự nhiên ...................................................................18 1.5. Tình hình nghiên cứu môi trường phóng xạ trên thế giới và trong nước .............................................................................................20 CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ MÔ HÌNH ĐẶC TRƯNG CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VIỆT NAM ..27 2.1. Các đối tượng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường phóng xạ tự nhiên .....................................................................................................28 2.2. Đặc điểm phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên trên lãnh thổ Việt Nam....................................................................................................36 2.3. Mô hình đặc trưng các nguồn phóng xạ tự nhiên ở Việt Nam………… 41 CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG PHÓNG XẠ TRÊN MỘT SỐ NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ĐIỂN HÌNH VIỆT NAM.....56 3.1. Đặc điểm suất liều gamma và liều chiếu ngoài trên một số nguồn phóng xạ tự nhiên ......................................................................................56 3.2. Đặc điểm phân bố nồng độ khí phóng xạ ..................................................61 3.3. Đặc điểm các nhân phóng xạ trong môi trường sống ................................64 3.4. Sự thay đổi các thành phần môi trường phóng xạ theo không gian ..........72 3.5.Sự thay đổi các thành phần môi trường theo thời gian 3.6. Đặc điểm liều tương đương bức xạ trên một số nguồn phóng xạ tự nhiên78 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT ......... MÔI TRƯỜNG CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ..................................84 4.1. Đối tượng, tỷ lệ, mạng lưới trong đánh giá chi tiết môi trường các nguồn phóng xạ tự nhiên .....................................................................84 4.2. Hệ phương pháp đánh giá chi tiết môi trường phóng xạ tự nhiên ngoài thực địa.............................................................................................87 4.3. Phương pháp tính toán, xử lý tài liệu trong phòng ....................................90 PHẦN II: ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT VÙNG Ô NHIỄM CỦA MỘT SỐ NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ...................................95 CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT MÔI TRƯỜNG PHÓNG XẠ TRÊN MỘT SỐ NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ĐIỂN HÌNH Ở VIỆT NAM.............................................................95 5.1. Đánh giá chi tiết môi trường phóng xạ tự nhiên ở Đông Cửu - Thanh Sơn - Phú Thọ.........................................................95 5.2. Đánh giá chi tiết môi trường phóng xạ tự nhiên ở Đông Pao - Lai Châu. ...........................................................................104 5.3. Đánh giá môi trường phóng xạ tự nhiên ở Bình Đường - Cao Bằng. ......................................................................104 CHƯƠNG 6: TỔ CHỨC THỰC HIỆN VÀ CHI PHÍ ĐỀ TÀI........................115 6.1. Khối lượng và kinh phí thực hiện ............................................................115 6.2. Tổ chức thực hiện ....................................................................................117 6.3. Sản phẩm của đề tài .................................................................................118 KẾT LUẬN ............................................................................................................119 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................121 2 MỞ ĐẦU Ngày nay, công tác bảo vệ môi trường đã trở thành một nhiệm vụ chiến lược có tầm quan trọng đặc biệt, là mối quan tâm hàng đầu không chỉ một địa phương, một quốc gia hay một khu vực mà của cả cộng đồng thế giới. Bảo vệ môi trường đã trở thành một vấn đề cấp thiết mang tính toàn cầu. Ở Việt Nam, công tác điều tra, đánh giá các mỏ quặng phóng xạ đã được tiến ngay khi ngành địa chất ra đời. Đến nay, nhiều mỏ phóng xạ, mỏ có chứa phóng xạ, các phân vị địa chất chứa phóng xạ… đã được phát hiện, chúng phân bố ở nhiều nơi trên phạm vi cả nước. Chính các đối tượng này tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường phóng xạ tự nhiên. Cùng với công tác tìm kiếm, đánh giá, thăm dò các nguồn tài nguyên-khoáng sản, công tác nghiên cứu môi trường phóng xạ thời gian qua cũng được triển khai ở một số mỏ có nguy cơ ô nhiễm môi trường phóng xạ, phục vụ quy hoạch và phát triển bền vững nền kinh tế, bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Công tác đánh giá môi trường phóng xạ bước đầu đã phát hiện nhiều khu vực, nhiều diện tích trên phạm vi cả nước có nguy cơ ô nhiễm môi trường phóng xạ. Các khu vực này cần được đánh giá chi tiết, làm rõ quy mô, mức độ và khoanh vùng ô nhiễm một cách cụ thể, để các cấp chính quyền địa phương có cơ sở quy hoạch và phát triển kinh tế, các cấp quản lý đề xuất cách chính sách xã hội hợp lý, nâng cao chất lượng sống và phát triển bền vững đất nước. Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, các hoạt động xây dựng, san lấp, giải phóng mặt bằng, khai thác khoáng sản đang diễn ra ở nhiều nơi; đòi hỏi các cấp chính quyền địa phương phải nắm bắt được những khu vực, những vùng có nguy cơ ô nhiễm phóng xạ cũng như mức độ và khả năng ảnh hưởng của chúng ở địa phương mình để quy hoạch phát triển nền kinh tế. Mặt khác, công tác nghiên cứu môi trường phóng xạ tự nhiên đến nay chưa có quy trình đo vẽ chi tiết. Nhiều đơn vị tham gia nghiên cứu môi trường đều dựa trên các kinh nghiệm, khả năng và trang thiết bị hiện có để đánh giá, xem xét dẫn đến các kết quả nghiên cứu không đồng bộ, thiếu tính thống nhất, hiệu quả nghiên cứu chưa cao. 3 Chính vì vậy, ngày 10 tháng 4 năm 2008, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã cho phép Liên đoàn Địa chất xạ hiếm thực hiện đề tài KHCN cấp Bộ “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”. Nhằm xác lập các luận cứ khoa học và thực tiễn xác định mức độ ô nhiễm phóng xạ tự nhiên để xây dựng quy trình đánh giá chi tiết các vùng ô nhiễm phóng xạ. Cấu trúc báo cáo, ngoài phần mở đầu, kết luận gồm 6 chương chia làm 2 phần: Phần I: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG CỦA CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN Chương 1: Nguồn phóng xạ tự nhiên và môi trường phóng xạ tự nhiên. Chương 2: Khái quát đặc điểm địa chất các nguồn phóng xạ tự nhiên Việt Nam. Chương 3: Đặc điểm môi trường phóng xạ trên các nguồn phóng xạ tự nhiên Việt Nam. Chương 4: Hệ phương pháp đánh giá chi tiết môi trường các nguồn phóng xạ tự nhiên Việt Nam. Phần II: ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT VÙNG Ô NHIỄM CỦA MỘT SỐ NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN Chương 5: Đánh giá chi tiết môi trường phóng xạ trên một số nguồn phóng xạ tự nhiên điển hình ở Việt Nam. Chương 6: Tổ chức thi công và chi phí. Trong quá trình thực hiện đề tài, tập thể tác giả đã nhận được sự chỉ đạo trực tiếp của Ban lãnh đạo Liên đoàn, sự đóng góp ý kiến quý báu của các nhà khoa học trong và ngoài Liên đoàn. Để hoàn thành báo cáo, ngoài việc thu thập, kiểm chứng đối sánh thực tế với các kiểu nguồn phóng xạ tự nhiên ở thực địa, tập thể tác giả đã thu thập, xử lý, tổng hợp một khối lượng đáng kể các tài liệu địa chất, môi trường đã được lưu trữ nhiều năm qua trong Liên đoàn. Nhân dịp này, tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn tới các nhà địa chất đi trước đã cho phép tập thể tác giả kế thừa các tài liệu quý để xây dựng và hoàn thiện báo cáo này. 4 Phần I: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG CỦA CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN Chương 1 NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 1.1. Một số khái niệm, định nghĩa và mối liên hệ giữa các đại lượng đo lường bức xạ tự nhiên 1.1.1. 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. 1.1.2. 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. 1.1.3. Một số đơn vị sử dụng trong đo lường bức xạ tự nhiên và mối liên hệ giữa chúng 1.1.3.1. 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. a= − dN dt (1.1) 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). 2. 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. D= dε dm ( 1.3) Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (ký hiệu là Gy). 1Gy =1J/kg. Đơn vị ngoài hệ SI là rad (radiation absorbed dose). 1rad = 0,01Gy. 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. 3. 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. Tức là: H = D. WR (1.4) Đơn vị dùng trong hệ SI là Sievert (ký hiệu là Sv). 1Sv = 1Gy x WR. (1.5) Đơn vị ngoài hệ SI là rem: 1rem = 1rad x WR (1.6) 1Sv= 100 rem hay 1 rem = 0,01 Sv Bảng 1.1. 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 Hạt neutron Neutron nhiệt Bất kỳ 0,025 eV 0,01 MeV 0,1 MeV 0,5 MeV > 0,1 MeV - 2 MeV > 2 MeV - 20 MeV Proton Năng lượng cao Hạt alpha, mảnh vỡ phân hạch, hạt Không rõ nhân nặng 1 1 2 2,5 7,5 11 5 10 10 20 20 5 5 20 10 20 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. X = dQ dm (1.7) Đơn vị liều chiếu trong hệ SI là C/kg. Đơn vị ngoài hệ SI là Roentgen (ký hiệu là R). 1R = 2,58.10-4 C/kg. (1.8) 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. 1.1.3.2. 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: N= NA m A (1.9) 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: a = λN = 0,693 0,693 × 6,02.10 23 N= m Bq hay T1 / 2 AT1 / 2 (1.10) a= 4,17.10 23 m Bq (m tính theo đơn vị là gam) hay AT1 / 2 (1.11) a= 1,13.1013 m Ci (m tính theo g và T1/2 tính theo giây) AT1 / 2 (1.12) 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 = 8,85.10-14 aAT1/2 (T1/2 tính bằng giây và a tính bằng Ci). 8 (1.13) m = 2,4. 10-24 aAT1/2 (T1/2 tính theo giây và a tính theo Bq). (1.14) 2. 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 3. Liên hệ giữa suất liều chiếu và hoạt độ phóng xạ của nguồn 9 (1.17) 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: X* = aK γ (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. Bảng 1.2 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: H * = 0,01X * × WR = 0,01 aK γ r2 WR Bảng 1.2: Hệ số Kγ đối với một số đồng vị phóng xạ phát gamma Đồng vị phóng xạ 60 Co 137 Cs 131 I 22 Na 51 Cr 65 Zn 75 Se 82 Br 124 Sb 226 Ra Thời gian bán rã 5,27 năm 30 năm 8,08 ngày 2,58 năm 27,8 ngày 245 ngày 127 ngày 1,5 ngày 60,9 ngày 1620 năm Năng lượng tia gamma (MeV) 1,174; 1,332 0,661 0,08; 0,284; 0,364; 0,722 0,511; 1,275 0,325; 0,65 0,511; 1,12 0,066-0,572 0,554-1,91 0,609-2,088 Kγ (R x m2/(h x Ci) 1,32 0,33 0,22 1,20 0,016 0,27 0,19 1,45 0,97 0,825 1.2. Đặc điểm phân bố các nguyên tố phóng xạ trong môi trường tự nhiên 1.2.1. 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 86 86 Rn222 được gọi là radon; trong họ thorium, khí 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. Trong 3 loại khí phóng xạ nêu trên thì radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã là 3,825 ngày, lớn hơn nhiều so với chu kỳ bán rã của thoron (52 giây) và actinon (3,92 giây). Khí radon từ trong trái đất khuếch tán vào không khí và các con cháu radon phóng xạ thường ở dạng rắn trong các điều kiện thông thường, bám vào các hạt bụi khí quyển. Về phương diện an toàn bức xạ, sự chiếu ngoài của radon và con cháu của nó không tác hại bằng sự chiếu trong cơ thể khi con người hít thở bụi có các nhân phóng xạ bám vào vì chúng là các nhân phát xạ alpha. Nồng độ radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng các chất phóng xạ có trong đất đá. Hình 1.1 dưới đây nêu các đồng vị phóng xạ và chu kỳ bán rã của mỗi họ phóng xạ trong tự nhiên. Đặc điểm thứ 3 của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì: Pb206 trong họ uranium, Pb207 trong họ actinium và Pb208 trong họ thorium, trong khi thành viên cuối cùng trong họ neptunium là Bi209. 11 Sơ đồ dãy phân rã phóng xạ tự nhiên Urani Protacti Thori Actini Ra Franxi Radon Axtati Poloni Bismut Chì 92U 91Pa 90Th 89Ac 88Ra 87Fr 86Rn 85At 84Po 83Bi 82Pb U 238 Tali 81Tl Th234 24,1 ngày 4,5 tỷ năm Pa234 6,7 giờ 1,14 phút U234 25.104 năm Th230 75.103 năm Ra226 1602 năm Rn222 3,8 ngày Po218 3,05 phút Bi214 19,7 phút Dãy phân rã phóng xạ U238 Ghi chú: Phân rã alpha Bên cạnh nguyên tố Bi214 và Tl208 là năng lượng của tia gamma Phân rã bêta Pb214 26,8 phút Po214 1,6.10 - 4s Pb210 22,3 năm Bi210 5 ngày Th232 Ra228 6,7 năm 14 tỷ năm Ac228 6,13 giờ Th228 1,9 năm Ra224 3,64 ngày Rn220 54,5 giây 210 138,4 ngày Pb 206 Bền vững Po216 0,15 giây Pb212 10,6 phút Bi212 60,6 phút Dãy phân rã phóng xạ Th232 Po212 3.10 - 7s U235 Gamma 1,76 MeV Tl 208 Gamma 3,1 phút 2,6 MeV Pb 208 Bền vững Th231 25,5 giờ 0,71tỷ năm Ac 227 2,18 năm Pa 231 32500 năm Th227 18,2 năm Rn219 3,96 giây Ra223 11,4 ngày Po215 Pb211 36,1 phút 1,8.10 - 7s Bi211 2,14 phút Dãy phân rã phóng xạ U235 Po211 0,52 giây 12 Tl 207 4,74 phút Pb 207 Bền vững Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ phóng xạ uranium, thorium, actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được nêu ra trong bảng 1.3 dưới đây: Bảng 1.3. Các đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Hạt nhân K40 Rb87 La138 Sm147 Lu176 Re187 Độ giàu đồng vị (%) Thời gian bán rã (năm) 0,0119 27,85 0,089 15,07 2,6 62,93 1,3.109 5,0.1010 1,1.1011 1,3.1011 3,0.1010 5,01010 Các bức xạ chính Các hạt Gamma (MeV) 1,35 1,46 MeV 0,275 Không có 1,0 0,80; 1,43 MeV 2,18 Không có 0,43 0,20;0,31MeV 0,043 Không có Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K40, rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng kali trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại đương khoảng 380 mg/lit), trong động vật, thực vật và trong cơ thể con người (hàm lượng kali trong cơ thể con người trung bình vào khoảng 1,7g/kg). 1.2.2. Các nhân phóng xạ phổ biến trong tự nhiên Trong tự nhiên có nhiều đồng vị phóng xạ (chẳng hạn một loạt đồng vị phóng xạ xuất hiện trong 3 họ phóng xạ tự nhiên), tuy nhiên các nhân phóng xạ phổ biến nhất trong vỏ trái đất thường là các đồng vị có thời gian sống dài. Bảng 1.4 dưới đây nêu một số nhân phóng xạ tự nhiên phổ biến nhất trong vỏ trái đất. Bảng 1.4. Các nhân phóng xạ tự nhiên phổ biến nhất trong vỏ trái đất Nhân phóng xạ U235 U238 Hoạt độ tự nhiên Chiếm khoảng 0,72% tổng số khối lượng uran tự nhiên Chiếm 99,2745% tổng số uran tự nhiên. Uranium tự nhiên có từ 0,5 đến 4,7 ppm trong đất đá (ppm=g/kg) 232 Có 1,6 đến 20 ppm trong các loại đá. 226 16 Bq/kg trong các loại đá vôi và 48 Bq/kg trong các đá magma. Th Ra Rn222 K40 Nồng độ trung bình hàng năm ở Mỹ từ 0,6 Bq/m3 đến 28 Bq/m3 Có 37 đến 1100 Bq/kg trong đất. 13 1.2.3. Các nhân phóng xạ có trong bề mặt đất Thường người ta xác định hoạt độ các nhân phóng xạ có trong lớp đất bề mặt dày 30 cm và diện tích 1 hải lý vuông (2,5 km2). Hoạt độ các nhân phóng xạ phụ thuộc rất mạnh vào loại đất đá, các thành phần khoáng vật có trong đất đá cũng như mật độ của đất đá. Bảng dưới đây trình bày hoạt độ tiêu biểu của một số nhân phóng xạ phổ biến. Bảng 1.5. Hoạt độ các nhân phóng xạ tiêu biểu có trong lớp đất đá dày 30 cm với diện tích 2,5km2 và diện tích 1m2 . Hoạt độ lớp đất 30cm x 2,5 Hoạt độ lớp đất 30 cm x 1 m2 km2 (GBq) (Bq/m2) U238 31 12 400 Th232 52 20 800 Ra226 500 200 000 Rn222 63 25 200 K40 7,4 2 960 Tổng cộng 653 261 200 Nhân phóng xạ 1.2.4. Các nhân phóng xạ trong vật liệu xây dựng Bảng dưới đây trình bày số liệu ước tính về hoạt độ của các nhân phóng xạ uranium, thorium, K40 có trong một số loại vật liệu xây dựng. Bảng 1.6: hoạt độ phóng xạ trong một số vật liêu xây dựng Vật liệu Uranium (Bq/kg) Thorium (Bq/kg) K40 (Bq/kg) Granite 63 8 1184 Cát sỏi 6 7 414 Xi măng 46 21 237 Bê tông cát sỏi 11 8,5 385 Tường khô 14 12 89 Phụ gia thạch cao 186 666 5,9 14 Thạch cao thiên nhiên Gỗ Gạch đất nung 15 7,4 148 - - 3330 111 44 666 Từ việc khái quát hóa về sự phân bố của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong vỏ trái đất, trong lớp đất đá bề mặt, trong vật liệu xây dựng dễ dàng nhận thấy: các nguyên tố phóng xạ có trong các lớp đất đá bề mặt, các nguyên tố phóng xạ trong nước, không khí, vũ trụ và cả trong cơ thể con người là những yếu tố tạo nên môi trường phóng xạ tự nhiên. Môi trường phóng xạ tự nhiên có sự thay đổi tùy theo từng khu vực, từng vùng miền. Sự thay đổi này phụ thuộc chính ở vào mức độ chứa các nguyên phóng xạ trong các môi trường sống. 1.3. Khái quát về môi trường phóng xạ tự nhiên Ngay từ những ngày đầu tiên nghiên cứu về tia X và các chất phóng xạ, người ta đã ghi nhận được rằng chiếu xạ liều cao có thể gây tổn thương mang tính bệnh lý đối với các tế bào cơ thể người. Thêm vào đó, các nghiên cứu dài hạn về bệnh lý đối với cư dân bị chiếu xạ, đặc biệt là những người còn sống sót sau hai vụ ném bom nguyên tử tại Hirsoshima và Nagasaki ở Nhật Bản năm 1945 đã cho thấy: chiếu xạ còn có khả năng tiềm tàng gây ra các triệu chứng ác tính về sau. Chính vì vậy, các hoạt động liên quan đến bức xạ như sản xuất và sử dụng các nguồn bức xạ phải tuân theo các tiêu chuẩn nhất định về an toàn để bảo vệ con người khỏi bị chiếu xạ. Bức xạ và các chất phóng xạ là đặc tính vốn có và vĩnh cửu của môi trường, vì vậy những rủi ro liên quan đến chúng chỉ có thể được hạn chế chứ không thể loại bỏ hoàn toàn. Thêm vào đó, việc sử dụng các chất phóng xạ nhân tạo đang được phát triển rộng rãi. Các nguồn phóng xạ cũng rất quan trọng đối với nhiều ngành kinh tế. Việc sử dụng năng lượng hạt nhân và ứng dụng sản phẩm phụ của bức xạ và các chất phóng xạ đang tiếp tục tăng nhanh trên phạm vi toàn cầu. Sự chấp nhận của cộng đồng đối với những rủi ro liên quan đến bức xạ cần phải được cân bằng với các nguồn lợi thu được từ việc sử dụng bức xạ. Bởi vậy, các 15 rủi ro cần phải được hạn chế và bảo vệ bằng việc áp dụng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ. Các nhân phóng xạ có mặt ở mọi nơi (trong đất, nước, không khí, thức ăn, nước uống, vật liệu xây dựng, cơ thể con người…) trong môi trường sống của con người. Ở mọi lúc, mọi nơi trong cuộc sống, con người đều nhận được một liều chiếu từ các tia bức xạ, mức liều phụ thuộc vào nơi chúng ta đang sống, vị trí chúng ta đang đứng. Ở những vị trí, những vùng miền khác nhau, liều tương đương bức xạ là rất khác nhau. Cơ thể người là đối tượng quan trọng nhất khi nghiên cứu các hiệu ứng sinh học của bức xạ. Có 2 cách chiếu xạ lên cơ thể người, đó là chiếu xạ ngoài (external exposure) và chiếu xạ trong (internal exposure). + Chiếu xạ ngoài là sự chiếu xạ do nguồn bức xạ bên ngoài lên cơ thể. + Chiếu xạ trong là sự chiếu xạ do nguồn phóng xạ hở xâm nhập vào trong cơ thể. Trong cơ thể con người gồm nhiều cơ quan khác nhau. Các tế bào tạo nên các mô và các cơ quan hoạt động một cách có hệ thống. Nếu tế bào mất khả năng nhân đôi hoặc các chức năng của tế bào bị hạn chế thì các mô và các cơ quan cũng bị thay đổi, gây lên các bệnh như đục thủy tinh thể, giảm số lượng bạch cầu, ban sốt đỏ…. Khi đó chức năng chung của cơ thể cũng bị thay đổi, xuất hiện các triệu chứng như nôn mửa, chảy máu hay co giật, nhiều năm sau đó có thể xuất hiện bệnh ung thư... Liều tương đương bức xạ (H) là đại lượng để đánh giá mức độ nguy hiểm của bất kỳ loại bức xạ nào. Liều tương đương bức xạ H là tổng của liều chiếu ngoài Hn và liều chiếu trong Ht: H = Hn + Ht Trong đó: Hn là liều chiếu ngoài do các bức xạ xâm nhập từ bên ngoài vào cơ thể trong năm. Ht là liều chiếu trong xâm nhập vào cơ thể qua con đường ăn uống và hô hấp trong năm. 16 Để làm căn cứ đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ, người ta đưa ra các tiêu chuẩn về liều giới hạn và nồng độ giới hạn. Liều giới hạn: là giá trị lớn nhất của liều tương đương cá nhân trong một năm mà nhân viên bức xạ (nhân viên làm việc với chất phóng xạ) có thể bị chiếu. Nếu bị chiếu đều đặn bởi liều này trong suốt 50 năm làm việc liên tục thì vẫn không có biến động gì về sức khoẻ của bản thân họ và con cháu họ. Nồng độ giới hạn: là nồng độ cao nhất của chất phóng xạ trong một đơn vị thể tích nước ăn hoặc khí thở đối với các đối tượng để cho mức xâm nhập hàng năm của chất phóng xạ vào cơ thể không vượt quá giới hạn quy định. Đối tượng những người bị chiếu xạ được phân ra 3 loại như sau: - Đối tượng A: gồm nhân viên bức xạ làm việc trực tiếp với các chất phóng xạ. - Đối tượng B: những người lân cận. - Đối tượng C: dân chúng. Bảng 1.7 và bảng 1.8 dưới đây quy định liều giới hạn hàng năm và định mức nồng độ giới hạn hàng năm đối với các đối tượng tiếp xúc bức xạ. Bảng 1.7. Định mức liều giới hạn hàng năm Đối tượng người bị chiếu xạ A Liều bức xạ giới hạn (mSv/năm) Theo Liên Xô Theo Nga Theo cơ quan năng (1987) (1996) lượng nguyên tử (IAEA) - 1996 50 20 20 B 5 C 1 Việt Nam (1996) 20 5 1 1 Bảng 1.8. Định mức nồng độ giới hạn hàng năm Đối tượng gây bức xạ 238 U 232 Th Nồng độ (hàm lượng) giới hạn Trong không khí Trong nước Trong vật liệu (Bq/l) (Bq/l) xây dựng ≤ 21,8 ≤ 30ppm ≤7 17 ≤ 60ppm 226 Ra 222 Rn ≤ 4,5 ≤ 0,15 Tổng hoạt độ α < 0,1 Tổng hoạt độ β < 1,0 Như vậy, để đánh giá khả năng và mức độ ô nhiễm môi trường phóng xạ tự nhiên ở một khu vực, một đối tượng nào đó, công việc đầu tiên là xác định từng thành phần liều chiếu vào cơ thể do các tia bức xạ alpha, beta, gamma phát ra từ các nhân phóng xạ ở khu vực đó, tức là phải đi xác định được liều chiếu trong, liều chiếu ngoài gây nên bởi các nhân phóng xạ trong tự nhiên. Mặt khác, phải sử dụng các biện pháp thu thập, lấy mẫu, phân tích để xác định được hàm lượng (nồng độ) các nhân phóng xạ trong các môi trường sống của con người. 1.4. Các thành phần, đối tượng nghiên cứu trong đánh giá chi tiết môi trường phóng xạ tự nhiên - Các thành phần của môi trường phóng xạ tự nhiên Môi trường phóng xạ được hình thành từ các nguồn bức xạ khác nhau và tồn tại trong điều kiện tự nhiên luôn biến đổi. Sự biến đổi của môi trường phóng xạ tự nhiên hoặc làm tăng nguy cơ gây ô nhiễm môi trường hoặc có thể giảm thiểu tác động của nó. Môi trường phóng xạ tự nhiên là tập hợp môi trường sống của con người mà ở đó các nhân phóng xạ phát ra các bức xạ ion hóa, tùy theo mức độ có thể ảnh hưởng bất lợi đến sức khỏe con người sống trong môi trường đó. Các thành phần chính tạo nên môi trường phóng xạ tự nhiên được thể hiện ở hình 1.2 dưới đây. 18