Luận án tiến sĩ vật lý phóng xạ tự nhiên trong một số vật liệu xây dựng phổ biến tại CHDCND Lào

1 MỞ ĐẦU 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 92 nguyên tố. Các nguyên tố từ 93 trở đi là nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ có trong trái đất 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. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phổ biến nhất trong vỏ trái đất bao gồm các đồng vị 238U, 235U, 232 Th và các sản phẩm trong các chuỗi phân rã của chúng.

Ngoài ra, đồng vị 40K cũng luôn tồn tại trong tự nhiên với hàm lượng khá cao. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo được hình thành bởi các hoạt động khác nhau của con người trong đời sống hàng ngày. Có thể kể ra một số hoạt động đặc biệt của con người sinh ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Đó là các vụ thử vũ khí hạt nhân, các quá trình xử lý nhiên liệu, hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân, các sự cố hạt nhân…Những hoạt động này có thể phát tán ra môi trường một lượng rất lớn các đồng vị phóng xạ.

Ngoài ra, còn có rất nhiều hoạt động thường ngày khác của đời sống xã hội cũng sinh ra các đồng vị phóng xạ. Có thể kể tên một số hoạt động này như: việc khai thác mỏ, các hoạt động công nghiệp, việc đốt cháy than trong các nhà máy nhiệt điện… Rất nhiều nghiên cứu đã khẳng định sự hiện diện của các đồng vị phóng xạ tự nhiên và cả nhân tạo ở khắp mọi nơi trên trái đất trong các môi trường khác nhau như đất, nước, không khí…Các đồng vị phóng xạ luôn phát ra các bức xạ khác nhau như alpha, beta và gamma. Các bức xạ này tạo thành một nền phóng xạ trong môi trường. Phụ thuộc vào nhiều yếu tố, độ lớn của nền phóng xạ môi trường này khác nhau ở từng khu vực khác nhau.

Các đồng vị phóng xạ có thể thâm nhập vào cơ thể con người thông qua nhiều con đường, phổ biến hơn cả là qua việc hít thở và ăn uống. Khi đó, các đồng vị này sẽ là nguồn chiếu trong gây nguy hiểm cho sức khỏe của con người. 2 Trong đời sống hàng ngày, nhu cầu về các công trình xây dựng của con người ngày càng tăng. Các công trình này vô cùng đa dạng cả về quy mô, kiến trúc lẫn công năng nhưng phổ biến hơn cả là các tòa nhà do Chính phủ hoặc các công ty lớn đầu tư xây dựng phục vụ cho sinh hoạt của một số lượng lớn cư dân.

Đối với người dân, ngôi nhà là nhu cầu bắt buộc cho sinh hoạt hàng ngày. Các công trình xây dựng đều được làm từ các VLXD thông thường. Những VLXD chính điển hình là: xi măng, cát, sỏi, gạch, đá…VLXD được chế tạo từ các vật liệu thô khai thác trong tự nhiên như đất, đá, cát…Như đã nói ở trên, luôn tồn tại các đồng vị phóng xạ, ít nhất là các đồng vị phóng xạ tự nhiên, trong các nguyên liệu thô dùng để sản xuất ra các VLXD. Do vậy, chắc chắn trong các loại VLXD được các công ty sản xuất VLXD cung cấp luôn luôn chứa một lượng nhất định các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo với hàm lượng ít hay nhiều.

Độ phóng xạ riêng trong các VLXD này phụ thuộc vào độ phóng xạ riêng của các vật liệu thô đã dùng để chế tạo. Hiển nhiên là độ phóng xạ riêng của các vật liệu thô sẽ khác nhau ở những khu vực địa lý khác nhau. Đối với người dân, đặc biệt là người dân của CHDCND Lào, ngôi nhà là nơi sinh hoạt chính của các thành viên gia đình. Lượng thời gian trung bình mỗi cư dân hiện diện trong ngôi nhà của mình, của người quen hoặc trong các tòa nhà công cộng chiếm đến 80% thời gian của một ngày đêm (24 giờ).

Ngoài các nguồn phóng xạ đến từ không gian, từ mặt đất, bên trong mỗi ngôi nhà, luôn tồn tại phóng xạ gây bởi các đồng vị phóng xạ có trong VLXD dùng để kết cấu lên ngôi nhà đó. Hơn nữa, bản thân mỗi bức tường trong ngôi nhà lại là những vật tán xạ làm cho các bức xạ (đặc biệt bức xạ gamma) bị tán xạ nhiều lần làm tăng khả năng giam giữ các tia bức xạ trong các căn phòng và do đó làm tăng mức độ nguy hiểm với các cư dân sinh hoạt trong các ngôi nhà. Nếu liều chiếu gây bởi các đồng vị phóng xạ vượt quá ngưỡng an toàn đối với sức khỏe của con người thì cần phải có những biện pháp khắc phục cần thiết. Việc khắc phục này không dễ nên phương án tối ưu nhất là không sử dụng ngôi nhà đó nữa.

Phương án này là lãng phí và rất khó khả thi đối với người dân lao động vì ngôi nhà là niềm mơ ước và là tài sản có giá trị của họ. Để tránh mắc phải sai lầm này, trước khi tiến hành xây dựng các công trình, cần phải đo để xác định được hoạt độ phóng xạ có trong các vật liệu sẽ sử dụng để xây dựng công trình. 3 Quy trình khảo sát phóng xạ tự nhiên trong vật chất nói chung được thực hiện thông qua việc đo phóng xạ gamma do các đồng vị có trong các mẫu cần khảo sát phát ra. Việc đo phóng xạ gamma của các đồng vị có trong VLXD ngay tại hiện trường xây dựng đối với người dân là không khả thi.

Đây là nhiệm vụ của những người làm chuyên môn. Sẽ có một số khó khăn khi đo phóng xạ trong các VLXD: Trước hết, bài toán đo hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị có trong VLXD là bài toán đo hoạt độ thấp. Để triển khai được bài toán này, cần phải có hệ phổ kế gamma đủ nhạy. Độ nhạy của phổ kế lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: hiệu suất ghi của detector, khả năng che chắn phông, độ ổn định của phổ kế theo thời gian…Đồng thời, độ chính xác của các kết quả đo phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp đo để xác định hoạt độ phóng xạ riêng.

Vấn đề cần đặt ra là phóng xạ trong các loại VLXD đang được dùng để xây dựng các công trình tại CHDCND Lào có thực sự nguy hiểm, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người hay không? Để trả lời được câu hỏi này, cần phải có những nghiên cứu định lượng về hoạt độ phóng xạ có trong VLXD của CHDCND Lào. Nếu hoạt độ phòng xạ nhỏ hơn một lượng nhất định thì có thể xem là chúng không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Vấn đề này đã nghiên cứu nhiều trên thể giới nhưng tại CHDCND Lào. Tuy nhiên tại CHDCND Lào thì vấn đề này chưa từng được giải quyết do nhiều lý do khác nhau.

Gần đây, CHDCND Lào đã chính thức tham gia và đã là thành viên của Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã khuyến cáo với chính phủ Lào cần có các nghiên cứu này. Khó khăn lớn nhất đối với CHDCND Lào hiện nay là chưa có nhân lực trong lĩnh vực này. Chính vì vậy, Chính phủ CHDCND Lào đã đặt vấn đề với Chính phủ Việt Nam giúp đỡ, trước mắt là đào tạo cho 01 nghiên cứu sinh có thể độc lập giải quyết bài toán này.

Đó là xuất phát điểm của việc Nghiên cứu sinh được Chính Phủ CHDCND Lào cử đến Viện vật lý, Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam làm nghiên cứu sinh. Xuất phát từ những lý do trên, Nghiên cứu sinh đã chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ của mình là “Phóng xạ tự nhiên trong một số VLXD phổ biến tại CHDCND Lào”. Ý nghĩa của việc chọn luận án này là: - Lần đầu tiên, khảo sát hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong VLXD phổ biến đang được sử dụng tại CHDCND Lào. 4 - Đào tạo cán bộ đầu tiên của CHDCND Lào nắm vững được phương pháp nghiên cứu để có thể triển khai bài toán này không chỉ đối với các VLXD mà còn cho cả các loại đối tượng khác.

Đề tài nghiên cứu này được xây dựng theo hướng nghiên cứu thực nghiệm và việc nghiên cứu được tiến hành trên các hệ phổ kế gamma hiện đại hiện đang có tại Trung tâm Vật lý hạt nhân của Viện vật lý thuộc Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam Các mục tiêu chính của luận án Các mục tiêu chính của luận án là: - Nghiên cứu phương pháp sử dụng hệ phổ kế gamma dùng các loại detector khác nhau bao gồm detector nhấp nháy NaI(Tl) và detector bán dẫn siêu tinh khiết loại HPGe để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong các VLXD. - Sử dụng các phương pháp đã nghiên cứu để xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong một số VLXD điển hình thường được sử dụng tại CHDCND Lào như: xi măng, đất, cát,… Các số liệu này cần cho việc đánh giá liều bức xạ đối với các cư dân, cảnh báo và đưa ra các kiến nghị cần thiết với các cơ sở sản xuất để họ có các điều chỉnh cần thiết nhằm đảm bảo tuyệt đối an toàn về phương diện phóng xạ cho các VLXD mà họ đưa ra thị trường. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu tài liệu về phân tích phóng xạ có trong các VLXD dùng phổ kế gamma trên thế giới và Việt Nam. - Tìm hiểu các kĩ thuật thực nghiệm dùng để phân tích phóng xạ trong các mẫu có thể tích lớn sử dụng phổ kế gamma dùng detector bán dẫn và nhấp nháy.

Đồng thời nghiên cứu các đặc trưng của phổ kế gamma phông thấp dùng detector bán dẫn và phổ kế gamma dùng detector nhấp nháy NaI(Tl). - Nghiên cứu xây dựng các phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm: phân tích phổ gamma, các phương pháp toán học dùng để tách đỉnh chập, làm tăng khả năng phân giải phổ và các phương pháp phân tích trên phổ kế gamma bán dẫn phông thấp nhằm nâng cao độ nhạy và tăng độ chính xác của phép phân tích.