Các Nhân Phóng Xạ Nguyên Thủy Không Thuộc Chuỗi Phóng Xạ

(a)

(b)

(c)

(d)

Các chuỗi phóng xạ tự nhiên: a) 232Th (4n); b) 237Np (4n+1); c) 238U (4n+2) và d) 235U (4n+3).

Vì số khối của các nhân trong chuỗi 232Th đều chia hết cho 4 nên chuỗi này được gọi tắt là chuỗi 4n. Tương tự, số khối của các nhân trong chuỗi 237Np có số dư là 1 khi chia cho 4 nên chuỗi này được gọi là chuỗi 4n+1, chuỗi 238U gọi tắt là 4n+2 và chuỗi 235U gọi là chuỗi 4n+3. Sau mỗi phân rã, nhân mẹ sẽ mất đi 4 đơn vị số khối nên số n là số lần phân rã  của mỗi nhân mẹ trong từng chuỗi. Trong số các nhân sinh ra từ ba chuỗi phân rã 4n, 4n+2 và 4n+3 đều có đồng vị radon; trong chuỗi 4n có 220Rn, còn có tên gọi riêng là thoron, trong chuỗi 4n+2 có 222Rn (radon) và trong chuỗi 4n+3 có 219Rn (actinon), đây là các khí trơ dễ hả khí từ vỏ Trái Đất và do vậy có khả năng lan truyền xa trong những điều kiện khí tượng thuận lợi, ví dụ không khí khô, gió mạnh. Khí radon trong không khí sẽ xâm nhập vào cơ thể sống qua đường hô hấp, gây ra liều chiếu trong. Tuy nhiên, trong ba đồng vị radon thì chỉ có 222Rn là được các nhà sinh thái phóng xạ quan tâm vì hai đồng vị thoron (220Rn) và actinon (219Rn) có chu kỳ bán rã rất ngắn, tương ứng là 54 giây và 4 giây (Hình 1.2 a, d) [9, 11, 76].

1.4.2. Các nhân phóng xạ nguyên thủy không thuộc chuỗi phóng xạ

Cùng với các nhân phóng xạ đầu họ của 3 chuỗi kể trên, trong vỏ Trái Đất còn có một số nhân phóng xạ khác có chu kỳ bán rã ngang bằng hoặc lớn hơn tuổi Trái Đất cũng thuộc nhóm các nhân phóng xạ nguyên thủy [52, 76]. Bảng 1.3 trình bày các nhân phóng xạ nguyên thủy không thuộc chuỗi và một số đặc tính phóng xạ của chúng.

Bảng 1.3. Các nhân phóng xạ tự nhiên nguyên thủy không thuộc chuỗi phóng xạ trong vỏ Trái Đất [52, 76].

Hạt nhân

Độ phổ biến đồng vị (%)	Chu kỳ bán rã (năm)	Nồng độ hoạt độ (Bq/kg)	Năng lượng bức xạ chính (MeV)
			alpha	beta	gamma
40K	0,0118	1,3.109	31.635		1,330	1,46
87Rb	27,9000	4,8.1010	8,88.105		0,280
187Re	62,9000	4,3.1010	8,88.10-3		0,003
115In	95,8000	6,0.1014	184,26		0,048
190Pt	0,0130	6,9.1011	13,32	3,180
138La	0,0890	1,12.1011	765,9		0,280	0,81
144Nd	23,9000	2,4.105	9,25	1,830
148Sm	11,2700	>1014	50,09
176Hf	2,6000	2,2.1010	8,88.10-2	0,043	0,043	0,31

Có thể bạn quan tâm!

• Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình đánh giá liều chiếu xạ tại một số khu vực mỏ đất hiếm và mỏ sa khoáng - 1
• Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình đánh giá liều chiếu xạ tại một số khu vực mỏ đất hiếm và mỏ sa khoáng - 2
• Tổng Quan Phóng Xạ Môi Trường Và Tình Hình Khai Thác, Chế Biến Khoáng Sản Tại Các Mỏ‌
• Nền Phông Phóng Xạ Môi Trường Tự Nhiên Ở Việt Nam
• Sơ Đồ Địa Chất Khu Vực Mỏ Đất Hiếm Mường Hum [30].
• Phân Bố Nồng Độ Rn Trên Các Thân Quặng Hình Dạng Khác Nhau (1: Lớp Quặng Vô Hạn; 2: Thân Quặng Có Dạng Trụ Nằm Ngang; 3: Thân Quặng

Xem toàn bộ 162 trang tài liệu này.

Các nhân phóng xạ nguyên thủy trong thành phần vỏ Trái Đất có nồng độ hoạt độ cao dị thường tại những tụ khoáng như đất hiếm hoặc sa khoáng tạo nên loại vật chất phóng xạ tự nhiên có mặt trong khoáng vật với tên gọi (tiếng Anh) là Naturally Occuring Radioactive Materilas, NORM. NORM gây ra nền phông phóng xạ chính quyết định mức liều bức xạ ion hóa đối với hệ sinh thái.

1.4.3. Các nhân phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ vũ trụ

Ngoài các nhân phóng xạ nguyên thủy, trong vỏ Trái Đất còn có các nhân được tạo ra do bức xạ vũ trụ tương tác với vật chất trong khí quyển. Các nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ chủ yếu là triti (3H) và cacbon-14 (14C). Triti và 14C được tạo ra trong khí quyển bằng các phản ứng hạt nhân:

14N + n → 12C + 3H (1.12)

14N + n → 14C + p (1.13)

Trong đó: 14N là đồng vị của nitơ có số khối là 14 đơn vị khối lượng, n là nơtron trong vũ trụ, 12C và 14C là hai đồng vị của cacbon có số khối tương ứng là 12 và 14 đơn vị khối lượng và p là proton (hạt nhân của proton 1H).

Các nhân 3H và 14C tạo ra từ phản ứng (1.12) và (1.13) nhanh chóng bị oxy hóa tạo ra 14CO2 và H3H1O và tan vào không khí ẩm, sau đó rơi lắng ướt xuống bề mặt Trái Đất. Trước giai đoạn công nghiệp phát triển (trước 1950), trong tự nhiên triti và 14C chỉ có nguồn gốc tự nhiên, tuy nhiên từ sau 1950 công nghiệp hạt nhân phát triển đi đôi với thử nghiệm các loại vũ khí hạt nhân, lượng

phóng xạ từ hai nhân triti và cacbon (14C) trong tự nhiên tăng lên đáng kể. Các nghiên cứu về phân bố 3H trong khí quyển giai đoạn trước khi có các vụ thử vũ khí nhiệt hạch cho thấy hàm lượng 3H tự nhiên trong nước mưa ở cả bắc và nam bán cầu thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 10 đơn vị tritium, TU [109]. Bảng 1.4 trình bày hàm lượng trung bình các nhân phóng xạ phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất; đây là những nhân phóng xạ tự nhiên có đóng góp phần lớn vào mức liều bức xạ ion hóa tự nhiên đối với hệ sinh thái.

Bảng 1.4. Các nhân phóng xạ tự nhiên phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất (www.physics.isu.edu/radinf/natural.htm) [131].

Nhân phóng xạ

Mức phổ biến/Nồng độ hoạt độ tự nhiên
235U	0,73% tổng số urani tự nhiên
238U	99,27% tổng số urani tự nhiên. Urani tự nhiên chiếm từ 0,5 đến 4,7 ppm* trong đất đá
232Th	1,6 đến 20 ppm trong tất cả các loại đá, trung bình 10,7 ppm
226Ra	16 Bq/kg trong các loại đá vôi và 48 Bq/kg trong đá nham thạch
222Rn	Dạng khí. Nồng độ trung bình hàng năm trong không khí ở Mỹ là từ 0,6 Bq/m3 đến 28 Bq/m3
40K	Có trong tất cả các loại đất, hàm lượng từ 37 đến 1.100 Bq/kg

ppm: part per million (10-6 g/g).

1.5. Phông phóng xạ tự nhiên

Liều bức xạ ion hóa mà con người nhận được có nguồn gốc từ các nhân phóng xạ có trong đất đá của vỏ Trái Đất, phóng xạ từ vũ trụ, từ các dịch vụ y tế, từ thực phẩm chứa phóng xạ cũng như các nhân phóng xạ có trong cơ thể được gọi chung là nền phông phóng xạ tự nhiên. Trong [115] đưa ra các nguồn bức xạ và đóng góp trung bình vào liều hiệu dụng hàng năm mà con người nhận được (Hình 1.3). Liều hiệu dụng hàng năm mà con người nhận được bao gồm 14% có nguồn gốc từ dịch vụ y tế và từ các hoạt động công nghiệp có sử dụng năng lượng bức xạ (còn được gọi là liều nghề nghiệp), còn lại hơn 85% có nguồn gốc từ các nguồn phóng xạ tự nhiên (Hình 1.3). Đóng góp của các thành phần phóng xạ vào liều bức xạ hàng năm đối với con người phụ thuộc vào vị

trí địa lý, phụ thuộc vào nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ có trong đất đá của vỏ Trái Đất.

Hình 1.3. Các nguồn và mức liều bức xạ trung bình hàng năm cho con người. Tổng mức liều là từ 2,4 đến 2,9 mSv/năm [115].

1.5.1. Hiện trạng phóng xạ môi trường trên thế giới

Song song với việc ứng dụng năng lượng nguyên tử vào đời sống kinh tế

- xã hội, trước những đòi hỏi về cải thiện môi trường, cải thiện điều kiện sống, từ những thập niên 80, 90 của thế kỷ XX, nhiều quốc gia trên thế giới đã thực hiện các chương trình nghiên cứu, đánh giá phóng xạ môi trường tự nhiên trên lãnh thổ của mình. Tùy theo khả năng kinh tế, mức độ dữ liệu mà mỗi quốc gia có các phương pháp xây dựng các bản đồ thành phần môi trường bức xạ khác nhau. Ví dụ: ở Mỹ các dữ liệu đo phổ bức xạ gamma hàng không (kỹ thuật quét phổ bức xạ từ trên không bằng thiết bị đặt trên máy bay) được xử lý, tổng hợp thành các bản đồ suất liều gamma môi trường ở độ cao 1m cách mặt đất, bản đồ hàm lượng urani, thori, kali với quy mô toàn Liên bang. Cục Địa chất Mỹ đã hoàn thành bản đồ phân bố nồng độ khí radon trên toàn Liên bang vào năm 1996 và công bố rộng rãi trên mạng internet. Ở Thụy Điển, trong năm 1980 đã lập được 300 mảnh bản đồ suất liều gamma trên cơ sở bản đồ tìm kiếm thăm dò khoáng sản ở những vùng-miền có suất liều cao hơn 30 µR/h [114, 115].

Bản đồ phóng xạ môi trường nền (phông) đã được các nước khác như Nga, Đức… thành lập đến tỷ lệ 1:50.000 trên quy mô toàn lãnh thổ. Một số khu vực

trọng điểm đã thành lập bản đồ đến tỷ lệ 1:25.000, thậm chí đến 1:2.000 cho các khu vực mỏ phóng xạ, đất hiếm, các khu vực có hàm lượng NORM cao...

Phóng xạ thường đi kèm với một số khoáng sản đất hiếm và sa khoáng (ilmenite, zircon, monazite, phốt phát…). Chính vì vậy, nhiều công trình khoa học đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của việc khai thác các kim loại quý đến phóng xạ môi trường. Đa số các công trình đều công bố tính phóng xạ của mẫu đất đá tại một khu vực, tại một tỉnh, hoặc tại một vùng địa chất nào đó [42, 43, 56, 57, 78, 119].

Ribeiro và các cộng sự [101] đã nghiên cứu đặc điểm phóng xạ và mối quan hệ với sự hình thành địa chất, loại đất và tính chất của đất ở tiểu bang Rio de Janeiro (Brazil). Tổng số 259 mẫu đất bề mặt đã được thu thập, bao gồm các loại đất có nguồn gốc địa chất khác nhau trong tiểu bang. Hoạt độ phóng xạ được đo bằng hệ phổ kế bán dẫn HPGe và phổ kế gamma nhấp nháy NaI(Tl). Kết quả chỉ ra rằng hoạt độ phóng xạ trong đất phụ thuộc vào thành phần địa chất của các mẫu đất. Nồng độ hoạt độ của 40K dao động trong khoảng từ 12÷1.042 Bq/kg, của 226Ra dao động từ 3÷100 Bq/kg và của 228Ra dao động từ 5÷511 Bq/kg. Giá trị nồng độ hoạt độ trung bình của 40K, 226Ra và 228Ra lần lượt là 114 Bq/kg, 32 Bq/kg và 74 Bq/kg.

Goddard [62] đã đánh giá mức độ phóng xạ của đất ở khu vực Sultanate (Oman). 112 mẫu đất được lấy từ các khu vực đông dân để kiểm tra nền phông phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma dùng đầu dò bán dẫn germani HPGe. Nồng độ hoạt độ trung bình của 40K, 226Ra và 232Th trong các mẫu nghiên cứu lần lượt bằng (225±89) Bq/kg, (15,9±7,6) Bq/kg và (29,7±8,9) Bq/kg và nồng độ hoạt độ trung bình của137Cs là (3,4±1,4) Bq/kg.

Mustapha và cộng sự [89] đã xác định hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong đất ở khu vực Mustapha (Kenya) và đánh giá mức bức xạ từ các nhân phóng xạ trong đất tới con người. Suất liều bức xạ và các hệ số nguy hiểm do bức xạ tự nhiên được đánh giá thông qua hoạt độ của các nhân phóng xạ trong đất. Tổng liều bức xạ từ mặt đất là 0,1÷0,2 mSv/năm, từ tia vũ trụ là 0,2÷0,7 mSv/năm và liều hiệu dụng chiếu ngoài trung bình cho mỗi người là khoảng 0,4 mSv/năm, và từ 0,4÷0,6 mSv/năm là liều hiệu dụng chiếu trong gây bởi radon qua đường hô hấp. Kết quả điều tra [89] cũng chỉ ra hoạt độ phóng xạ tự

nhiên ở Kenya cao hơn những nơi khác và cao hơn mức trung bình trên thế giới.

Reddy, KU., Sannappa, J và cộng sự [102] đã điều tra nồng độ hoạt độ của các nhân phóng xạ nguyên thủy trong khu vực mỏ vàng huyện Kolar, tỉnh Karnataka, Ấn Độ. Mẫu đất tại 30 điểm khác nhau trong khu vực đã được thu thập, xử lý và đo trên hệ phổ kế gamma với đầu dò HPGe. Kết quả thu được là nồng độ hoạt độ trung bình của 226Ra, 232Th và 40K trong đất của các mẫu nghiên cứu lần lượt là (27,3±1,8) Bq/kg, (63,1±2,5) Bq/kg và (818±6) Bq/kg.

Liu và Lin [85] đã tiến hành xác định nồng độ hoạt độ phóng xạ tự nhiên và hàm lượng các kim loại nặng trong đất xung quanh nhà máy nhiệt điện chạy than lớn ở Xian (Thiểm Tây), Trung Quốc bằng phương pháp đo phổ gamma và huỳnh quang tia X (XRF). Kết quả đo kim loại nặng cho thấy hàm lượng trung bình của Cu, Pb Zn, Co và Cr trong các mẫu đất nghiên cứu cao hơn giá trị nền tương ứng của chúng trong đất vùng Thiểm Tây, trong khi nồng độ trung bình của Mn, Ni và V gần bằng các giá trị nền tương ứng. Nồng độ hoạt độ của 40K nằm trong khoảng từ và 640,2÷992,2 Bq/kg, còn của 226Ra nằm trong khoảng từ 27,6÷48,8 Bq/kg và của 232Th nằm trong khoảng từ 44,4÷61,4 Bq/kg, giá trị trung bình lần lượt là 733,9 Bq/kg, 36,1 Bq/kg và 51,1 Bq/kg, cao hơn một chút so với mức trung bình của đất vùng Thiểm Tây. Suất liều hấp thụ trong không khí và liều hiệu dụng hàng năm mà cư dân địa phương nhận được do bức xạ tự nhiên trong đất cao hơn so với giá trị trung bình đối với công chúng vùng Thiểm Tây. Các tác giả của công trình nghiên cứu trên cho rằng đốt than để sản xuất năng lượng đã ảnh hưởng đến mức phóng xạ tự nhiên và hàm lượng kim loại nặng (Cu, Pb, Zn, Co và Cr) trong đất xung quanh nhà máy nhiệt điện chạy than.

Prasong và Susaira [99] đã tiến hành đánh giá tính phóng xạ trong đất của các tỉnh phía nam Thái Lan. Kết quả thu được nồng độ hoạt độ trung bình của 226Ra, 232Th và 40K lần lượt là 29 Bq/kg, 44 Bq/kg và 344 Bq/kg. Cũng theo thống kê của UNSCEAR 2000 [115], nồng độ hoạt độ phóng xạ trong đất trên toàn lãnh thổ Thái Lan của 40K là từ (7÷712) Bq/kg, trung bình 213 Bq/kg; của 226Ra là từ (11÷78) Bq/kg, trung bình 68 Bq/kg; của 232Th là từ (7÷120) Bq/kg, trung bình 51 Bq/kg. Nồng độ hoạt độ của 226Ra và 232Th có giá trị cao hơn giá trị trung bình trên thế giới [99, 115]. Nồng độ hoạt độ trung bình của 40K trong

đất Thái Land nhỏ hơn trung bình thế giới 400 Bq/kg [115]. Suất liều hấp thụ trên bề mặt đất ở độ cao 1m biến thiên từ (2÷100) nGy/h, trung bình là 77 nGy/h [116].

Ở Malaysia có nhiều công trình nghiên cứu về phóng xạ môi trường [86, 110]. Các nhà nghiên cứu [86] đã xác định nồng độ hoạt độ phóng xạ tự nhiên của mẫu đất huyện Kinta, tỉnh Perak. Kết quả thu được là nồng độ hoạt độ trung bình của 40K là 277 Bq/kg, 226Ra là 112 Bq/kg và 232Th là 246 Bq/kg. Trong [110], M.A. Saleh đã đánh giá nồng độ hoạt độ của 226Ra, 232Th và 40K trong đất của huyện Segamat, tỉnh Johor. Kết quả thu được là nồng độ hoạt độ trung bình của 226Ra là 162 Bq/kg, 232Th là 261 Bq/kg và 40K là 300 Bq/kg. Theo thống kê của UNSCEAR 2000 [115] thì nồng độ hoạt độ của 40K trong đất của Malaysia biến đổi từ (170÷310) Bq/kg, giá trị trung bình là 310 Bq/kg, thấp hơn giá trị trung bình trên thế giới 400 Bq/kg [113]. Nồng độ hoạt độ trung bình của 226Ra là 66 Bq/kg cao hơn giá trị trung bình trên thế giới 35 Bq/kg. Nồng độ hoạt độ trung bình của 232Th là 82 Bq/kg cao hơn giá trị trung bình trên thế giới 30 Bq/kg [113]. Suất liều hấp thụ trên bề mặt đất ở độ cao 1 m biến đổi từ (55÷130) nGy/h, trung bình là 92 nGy/h, cao hơn suất liều hấp thụ trên thế giới là 59 nGy/h [115]. Trong Bảng 1.5 đưa ra nồng độ hoạt độ 226Ra, 232Th và 40K trong đất của một số nước trên thế giới.

Nồng độ hoạt độ trung bình của 40K, 226Ra và 232Th trong đất tại một số nước trên thế giới.

Nước

Nồng độ hoạt độ (Bq/kg)			Tài liệu
40K	226Ra	232Th
Thái Lan	213	68	51	[115]
Malaysia	310	66	82	[115]
Nhật Bản	310	29	28	[114]
Trung Quốc	540	39	55	[116]
Philippin	212	14	14	[114]
Ấn Độ	400	29	64	[114]
Iran	640	28	22	[114]
Oman	225	29	16	[114]
Syria	270	23	20	[114]
Jordan	291	49	27	[114]

Nồng độ hoạt độ (Bq/kg)			Tài liệu
40K	226Ra	232Th
Ai Cập	320	17	18	[114]
Mỹ	370	40	35	[114]
Đan Mạch	460	17	19	[114]
Bỉ	380	26	27	[114]
Luxembourg	620	35	50	[114]
Thụy Sĩ	370	40	25	[114]
Ba Lan	410	26	21	[114]
Bồ Đào Nha	840	44	51	[114]
Tây Ban Nha	470	32	33	[114]