1 SỬ DỤNG CHỈ THỊ PHÓNG XẠ RADI TỰ NHIÊN ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN VÀ THỜI GIAN LƯU CỦA NƯỚC BIỂN VEN BỜ TẠI VỊ TRÍ DỰ KIẾN XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN I NGUYỄN VĂN PHÚC*, PHAN SƠN HẢ[.]
SỬ DỤNG CHỈ THỊ PHÓNG XẠ RADI TỰ NHIÊN ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN VÀ THỜI GIAN LƯU CỦA NƯỚC BIỂN VEN BỜ TẠI VỊ TRÍ DỰ KIẾN XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN I NGUYỄN VĂN PHÚC*, PHAN SƠN HẢI, NGUYỄN THỊ HƢƠNG LAN, VÕ THỊ MỘNG THẮM, PHAN QUANG TRUNG, NGUYỄN MINH ĐẠO, LÊ XUÂN THẮNG Viện Nghiên cứu hạt nhân 01 Nguyên Tử Lực, Đà Lạt, Lâm Đồng *plnn08@yahoo.com Tóm tắt Nguyên tố radium (Ra) có tính tan tốt nƣớc biển vận chuyển pha nƣớc Các đồng vị sống ngắn Ra ( 223Ra 224Ra có chu kỳ bán rã là11,4 ngày 3.66 ngày, tƣơng ứng) thƣờng có hàm lƣợng lớn vùng ven bờ Theo hƣớng khơi, hàm lƣợng đồng vị Ra giảm dần chất trình khuếch tán phân rã phóng xạ Khi xác định đƣợc phân bố hàm lƣợng chúng theo khoảng cách từ bờ, đánh giá đƣợc hệ số khuếch tán, thời gian lƣu nƣớc biển ven bờ vùng khảo sát Sử dụng kết nghiên cứu phân bố đồng vị Ra nƣớc biển mơ hình đánh giá hệ số khuếch tán thời gian lƣu nƣớc biển ven bờ, nhóm nghiên cứu xác định đƣợc hệ số khuếch tán thời gian lƣu nƣớc biển vùng biển dự kiến xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I Vào mùa khô, hệ số khuếch tán 222 – 287 (m2/s) thời gian lƣu nƣớc biển vùng 30 km từ bờ 19 – 23 ngày; Vào mùa mƣa, hệ số khuếch tán 233 – 361 (m2/s) thời gian lƣu nƣớc vùng 14 - 22 ngày Kết nghiên cứu mở khả ứng dụng phƣơng pháp đồng vị Ra để đánh giá hệ số khuếch tán thời gian lƣu chất thải xâm nhập vào môi trƣờng biển vùng nghiên cứu Điều có ý nghĩa thực tiễn cho việc đánh giá tác động môi trƣờng cho sở công nghiệp dọc theo bờ biển nƣớc ta Từ khóa: Hệ số khuếch tán, thời gian lƣu, nƣớc biển ven bờ I MỞ ĐẦU Vùng biển ven bờ thƣờng xuyên tiếp nhận nhiều dạng vật chất khác từ đất liền đƣa theo dịng sơng, dịng nƣớc ngầm từ nhà máy cơng nghiệp nằm dải đất liền ven biển Sau xâm nhập vào vùng nƣớc biển ven bờ, vật chất khuếch tán pha loãng dần với nƣớc đại dƣơng Sự trao đổi vật chất lục địa đại dƣơng đóng vai trị chu trình sinh hóa tồn cầu Định lƣợng dịng vật chất vận chuyển vào đại dƣơng khó khăn q trình trao đổi diễn vùng phức tạp Các chất thị hoá học đƣợc cho có triển vọng áp dụng nhƣng có q kỹ thuật đƣợc phát triển để nghiên cứu cho vùng phức tạp Để định lƣợng dòng thành phần hòa tan thềm lục địa, phƣơng pháp dựa vào bốn đồng vị Ra đƣợc sử dụng (Moore, 2000a) Các đồng vị Ra đƣợc áp dụng để nghiên cứu thời gian lƣu nƣớc ven biển, yếu tố pha trộn nƣớc ven biển với đại dƣơng (Bourquin et al., 2008; Beek et al., 2008; Moore et al., 2008; Rapaglia et al., 2010; Souza et al., 2010; Hequan Gu et al., 2012) Hiểu biết tốc độ trao đổi nƣớc biển ven bờ nƣớc đại dƣơng, thời gian lƣu nƣớc biển ven bờ thực có ý nghĩa nhiều lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến môi trƣờng biển Đối với sở cơng nghiệp có nguồn thải lỏng trực tiếp vào mơi trƣờng biển, thơng tin thời gian lƣu, hệ số khuếch tán nƣớc biển ven bờ nơi tiếp nhận nguồn thải cần phải đƣợc biết để tính tốn lƣu lƣợng thải tối đa cho phép Hiện nay, ven biển nƣớc ta có nhiều khu cơng nghiệp đƣợc xây dựng Việc đánh giá hệ số khuếch tán thời gian lƣu nƣớc biển ven bờ cần thiết làm sở để đánh giá tác động môi trƣờng sở công nghiệp đến môi trƣờng biển Mục tiêu nghiên cứu xác định hệ số khuếch tán thời gian lƣu nƣớc biển ven bờ vị trí dự kiến xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I phƣơng pháp đo phân bố hoạt độ đồng vị Ra theo khoảng cách từ bờ II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thu góp mẫu để đánh giá hệ số khuếch tán thời gian lưu nước biển ven bờ Vùng biển đƣợc lựa chọn để nghiên cứu vùng biển thuộc xã phƣớc Dinh, tỉnh Ninh Thuận (Ninh Thuận I), nơi tiếp nhận dạng thải khác từ nhà máy theo thiết kế dự kiến xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I, vào hoạt động Vùng biển đƣợc lựa chọn nghiên cứu có diện tích khoảng 750 km2 Các mẫu nƣớc biển đƣợc thu góp năm đƣờng ngang vng góc với đƣờng bờ hƣớng ngồi khơi Mỗi đƣờng ngang dài khoảng 30 km Các đƣờng ngang cách khoảng km mẫu cách khoảng 1,5 km ÷ 6,0 km đƣờng ngang (Hình 2.1) Độ sâu đáy biển theo đƣờng ngang hƣớng từ bờ khơi đƣợc đo kỹ thuật phản xạ sóng siêu âm 105 mẫu nƣớc biển đƣợc thu góp vào tháng 5/2017, tháng 9/2017 tháng 5/2018 Các mẫu đƣợc bơm từ 2-3 m dƣới bề mặt Nhiệt độ, pH độ mặn nƣớc biển đƣợc đo Bơm 300 L nƣớc biển qua ống (cartridge) chứa 35 g sợi mangan với lƣu lƣợng khoảng ÷ L/phút để thu Ra nƣớc Sau dội 10 L nƣớc cất với lƣu lƣợng ÷ L/phút qua cartridge để rửa muối bám bề mặt sợi Sau rửa muối, cartridge đƣợc thổi khô đến hàm lƣợng ẩm nằm khoảng 50 ÷ 80% khối lƣợng khơ sợi mangan; khóa kín van đầu cartridge để nhốt Rn 223Ra 224Ra đƣợc đo RaDeCC 226Ra 228Ra đƣợc phân tích hệ phổ kế gamma Hình 2.1 Các vị trí thu góp mẫu năm đƣờng ngang 2.2 Xác định đồng vị Ra tự nhiên (223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra) mẫu nước biển Các đồng vị 223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra nƣớc biển đƣợc hấp phụ sợi mangan Ra, Ra đƣợc đo hệ đo anpha trùng phùng trễ Phƣơng pháp phân tích đồng vị 223Ra 224Ra hấp phụ sợi mangan hệ đo anpha trùng phùng trễ có giới hạn đo đƣợc xác định, tƣơng ứng, 0,002 Bq 0,01 Bq độ không đảm bảo đo < 10% mức tin cậy 95% 223 224 226 Ra, 228Ra đƣợc đo hệ phổ kế gamma phông thấp Phƣơng pháp phân tích đồng vị Ra 228Ra hấp phụ sợi mangan hệ phổ kế gamma phơng thấp có giới hạn đo, tƣơng ứng, 0,05 Bq 0,1 Bq độ không đảm bảo đo < 15% mức tin cậy 95% 226 2.3 Xác định hệ số khuếch tán thời gian lưu nước biển ven bờ sử dụng đồng vị Ra tự nhiên 2.3.1 Xác định hệ số khuếch tán Moore (2000 a) sử dụng phân bố đồng vị Ra sống ngắn để đánh giá tốc độ trao đổi nƣớc vùng biển ven bờ Sự thay đổi nồng độ hoạt độ (A) với thời gian (t) theo hàm khoảng cách từ bờ (x) thị phóng xạ với số phân rã (λ) đƣợc biểu diễn cân với khuếch tán, với vận chuyển ngang khối chất lỏng phân rã phóng xạ: (1) Trong đó: A hoạt độ phóng xạ đồng vị Ra (dpm/L); x khoảng cách từ bờ (m); số phân rã phóng xạ đồng vị Ra (1/s); Kh hệ số khuếch tán (m2/s); vận tốc lan truyền theo phƣơng ngang (m/s); Nếu bỏ qua trình lan truyền theo phƣơng ngang (tức ω = 0) Khi đó, phƣơng trình (1) đƣợc giản lƣợc nhƣ sau: (2) Tiêu chí để thiết lập ω = dựa vào phân bố xa bờ đồng vị nhƣ 226Ra (T1/2 = 1.600 năm) 228Ra (T1/2 = 5,7 năm) Những đồng vị sống dài phân rã khoảng thời gian lƣu nƣớc biển ven bờ Độ ổn định hoạt độ xa bờ đồng vị cung cấp chứng cho thấy trình khuếch tán xa bờ chiếm ƣu hay trình lan truyền theo phƣơng ngang gần bờ chiếm ƣu (Moore, 2000 a,b) Trong trƣờng hợp ω = 0, điều kiện biên phƣơng trình (2) nhƣ sau: A = A0 x = 0; A x ; Nếu Kh số hệ thống đạt trạng thái ổn định nghiệm phƣơng trình (2) là: [ √ ] (3) Trong đó: hoạt độ khoảng cách x từ bờ, hoạt độ vị trí x = 0, λ số phân rã Biểu thức (3) sở để xác định hệ số khuếch tán Kh trình khuếch tán chiếm ƣu hệ thống đạt trạng thái ổn định Từ (3) ta có mối tƣơng quan lnAx khoảng cách từ bờ (x) nhƣ sau: √ (4) Trong trƣờng hợp này, hệ số góc mối tƣơng quan lnAx x √ Mơ hình u cầu: (i) hệ trạng thái tĩnh khoảng thời gian tồn đồng vị sống ngắn, (ii) khơng có nguồn bổ cấp khác nguồn đồng vị từ khu vực gần bờ 2.3.2 Xác định thời gian lưu Phƣơng trình đánh giá khuếch tán nƣớc biển từ bờ đại dƣơng qua thị 223Ra 224Ra đƣợc Philip J W Roberts Donald R Webster (2001); Chris Garrett (2006) mô tả nhƣ sau: (5) √ Trong đó: x khoảng cách từ bờ (m); Kh hệ số khuếch tán (m2/s); t thời gian lƣu nƣớc biển (ngày) Một cách khác để xác định thời gian lƣu pha trộn nƣớc ven bờ sử dụng tỉ số hoạt độ 224Ra/223Ra (Moore, 2000 b) Phƣơng pháp dựa giả thiết tỉ số hoạt độ 224 Ra/223Ra ban đầu có giá trị không đổi gần bờ thay đổi phân rã nƣớc ven bờ cách ly khỏi nguồn cấp Ra Tỷ số hoạt độ (224Ra/223Ra) suy giảm với chu kỳ bán rã biểu kiến 5,4 ngày, đƣợc biểu diễn mơ hình nhƣ sau: 224Ra 224Ra e 2 4t (6) 223Ra 223Ra e 2 3t obs i Trong đó: (224Ra/223Ra)i tỷ số đồng vị gần bờ; (224Ra/223Ra)obs tỷ số đồng vị vị trí khảo sát (khoảng cách x từ bờ); λ223 λ224, tƣơng ứng, số phân rã phóng xạ 223 Ra 224Ra III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân bố khơng gian hoạt độ phóng xạ đồng vị Ra vùng biển nghiên cứu Phân bố đồng vị Ra theo khoảng cách từ bờ nƣớc biển vùng vịnh Phƣớc Dinh đƣợc đƣa hình từ 3.1 đến 3.5 a b Hình 3.1 Hoạt độ phóng xạ trung bình 226Ra (a) (5/2017) 228 Ra (b) theo khoảng cách từ bờ a b Hình 3.2 Hoạt độ phóng xạ trung bình 226Ra (a) (9/2017) 228 a Ra (b) theo khoảng cách từ bờ b 223 Hình 3.3 Hoạt độ phóng xạ trung bình Ra (a) (5/2017) 224 a Ra (b) theo khoảng cách từ bờ b 223 Hình 3.4 Hoạt độ phóng xạ trung bình Ra (a) (9/2017) 224 Ra (b) theo khoảng cách từ bờ a b Hình 3.5 Hoạt độ phóng xạ trung bình 223Ra (a) (5/2018) 224 Ra (b) theo khoảng cách từ bờ Hoạt độ trung bình 226Ra, 228Ra thay đổi dọc theo đƣờng khảo sát vào mùa Hoạt độ trung bình 224Ra giảm dần từ bờ hƣớng biển Hoạt độ trung bình 223Ra vào tháng năm 2017 giảm dần từ bờ hƣớng biển vùng từ bờ đến 15 km Hoạt độ trung bình 223Ra vào tháng 9/2017 5/2018 thay đổi dọc theo đƣờng khảo sát 226 Ra 228Ra đƣợc sử dụng để đánh giá vai trò tƣơng đối vận chuyển ngang khuếch tán xoáy Hoạt độ 226Ra phạm vi 30 km từ bờ phù hợp với đƣờng thẳng có hệ số tƣơng quan R2 = 0,590 (tháng 5/2017- Hình 3.1a) R2 = 0, 573 (tháng 9/2017- Hình 3.2a); Hoạt độ 228Ra phạm vi 30 km từ bờ biển phù hợp với đƣờng thẳng có hệ số tƣơng quan R2 = 0,676 (tháng 5/2017- Hình 3.1b) R2 = 0,563 (tháng 9/2017- Hình 3.2b) Các tƣơng quan tuyến tính chứng cho thấy phân bố phạm vi 30 km từ bờ đƣợc kiểm soát khuếch tán xốy, chịu ảnh hƣởng vận chuyển ngang đáp ứng tiêu chí ω = 3.2 Xác định hệ số khuếch tán Từ kết thực nghiệm, hệ số khuếch tán Kh đƣợc xác định theo hoạt độ phóng xạ đồng vị Ra công thức (4) Công thức (4) cho thấy lnAx hàm tuyến tính với khoảng cách (x) có hệ số góc √ Quan hệ lnAx khoảng cách x 224Ra 223 Ra vùng khảo sát đƣợc biểu diễn đƣờng bậc với hệ số tƣơng quan R đƣợc trình bày hình 3.6 đến 3.8 (a) (b) 223 224 Hình 3.6 Quan hệ lnAx khoảng cách x Ra (a) Ra (b) đƣờng khảo sát vào tháng 5/2017 223 224 Cả ln Ra ln Ra có mối tƣơng quan mạnh với khoảng cách từ bờ đến 20 km (R2 đối 223 với Ra từ 0,712 đến 0,996 - Hình 3.6a R2 224Ra từ 0,813 đến 0,975- Hình 3.6b) Hệ số góc ln223Ra hệ số khuếch tán trung bình 244 (m2/s) hệ số góc ln224Ra hệ số khuếch tán trung bình 287 (m2/s) ... cartridge đƣợc thổi khô đến hàm lƣợng ẩm nằm khoảng 50 ÷ 80% khối lƣợng khơ sợi mangan; khóa kín van đầu cartridge để nhốt Rn 223Ra 224Ra đƣợc đo RaDeCC 226Ra 228Ra đƣợc phân tích hệ phổ kế gamma