HÓA HỌC PHÓNG XẠ TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÍ MƠI TRƯỜNG ************ Báo cáo tập lớn Đề tài: HÓA PHÓNG XẠ Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Anh Đức Nhóm sinh viên thực hiện: Phan Hồng Anh Ngơ Văn Dương Nguyễn Văn Ngoan Hoàng Hữu Thái Hà nội, tháng 4/2018 BỐ CỤC BÀI BÁO CÁO Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phần II: Mơ hình chuỗi sản phẩm phân hạch Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Phần IV: Thảo luận Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Các kĩ thuật phân tích hạt nhân Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Các kĩ thuật phân tích hạt nhân  Mục tiêu cuối hóa học phân tích: xác định, tách định lượng thành phần hố học vật liệu a Phân tích định tính: xác định loại, thành phần (các nguyên tố, phần tử, ) vật liệu nghiên cứu b.Tách thành phần c Phân tích định lượng :xác định tuyệt đối tương đối nồng độ thành phần vật liệu d Phân tích hóa học vật liệu phóng xạ: phương pháp đặc biệt e Các điểu kiện vật lý hóa học khắc nghiệt nhà máy điện hạt nhân :nhiệt độ, áp suất, xạ ion hóa Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Khối quang phổ (MS) Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Phân tích kích hoạt notron (NAA) Phân tích huỳnh quang tia X (XRS) Chụp cắt lớp vi tính (CT) Quang phổ Mưssbauer (Mưssbauer spectroscopy) Phép sắc kí Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Khối quang phổ (MS) Khối quang phổ  Các tính chất khối quang phổ Francis William Aston 1919 + Phân tích định tính định lượng + Khối lượng tối thiểu mấu phân tích < ng-mg + Giới hạn phát tối thiểu + Độ nhạy + Tính chọn lọc Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Khối quang phổ (MS)  Các thành phần khối quang phổ:  Nguồn ion  Nam châm ( magnet)  Đầu dò  Hiệu suất hoạt động khối quang phổ  tạo ion dương dang khí  chùm ion => q/m tỉ lệ điện tích khối lượng => tách biệt điện tích và/hoặc từ trường  lựa chọn theo góc xung lượng lượng vận tốc_thời gian bay (TOF-MS) Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Phun ICP( phổ plasma ghép đôi cảm ứng) Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)  Nguồn Ion  cường độ điện trường : E= 10^7-10^8 v/cm => phát xạ điện tử  nhiệt ion hóa : W_(bề mặt) => 2000^o C  ion hóa điện tử(e) gây chùm điện tử (e)  plasma ghép đôi cảm ứng (Inductively coupled plasma)  phương trình ion hóa:  ion hóa điện tử : CH4 + e- → CH4+ + 2e-  sản suất plasma va chạm Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân nhà máy điện Phương pháp hạt nhân phân tích hóa học Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)  Plasma ghép đôi cảm ứng:  Các phân tử mẫu va chạm với khí Ar ion hóa chúng  Ar plasma => Ar+ va chạm với mẫu nguyên tử  Kích thích tần số cao: 27 MHz  Nhiệt độ plasma :T= 6-10.10^13 K 1.Ar+ +e-=Ar 2.M+ +e-=M σ2≪σ1  Bộ chọn tốc độ: Máy phân tích khối lượng tứ cực (Quadrupole mass analyzer)    dòng điện chiều trực tiếp áp dụng vào que điện áp RF áp dụng cho que điện trường RF=> chuyển động ion Phần II: Mơ hình chuỗi sản phẩm phân hạch 10 Mơ hình rò rỉ nhiên liệu   Phương trình mơ hình stationer Chuyển động phân tử sản phẩm viên nhiên liệu:  Phương trình đồng vị phân hạch chất làm Nguội: • Sản xuất đồng vị: B, phân rã nó: λN, mơ tả chuyển động khối lượng divJ, hệ số khuếch tán D  • • Rò rỉ đồng vị từ khoảng cách: Rr, hiệu lọc nước: β,ô nhiễm bề mặt: RS Phương trình lượng đồng vị khoảng cách vỏ : Rò rỉ từ viên (R), phân rã (λ), rò rỉ đến chất làm mát (ε) 44 Phần II: Mơ hình chuỗi sản phẩm phân hạch 11 Xác định số lượng nhiên liệu bị hư hại  Tổng phương pháp hoạt động: từ giá trị chuẩn tỷ lệ tổng số hoạt độ khu vực sơ cấp nhiên liệu rò rỉ  Phương pháp hồi quy: xác định liệu xác định thơng số phương trình mơ hình 12.Tính toán tỷ suất phát thải  Xác định thực nghiệm R / B Trong đó:          R Phát xạ (nguyên tử / s) B = FY Thế hệ (nguyên tử / s) F phân suất (phân hạch / s) Y Năng suất hình thành đồng vị (nguyên tử / phân hạch) λ phân rã liên tục (1 / s) β Hằng số lọc (1 / s) V thể tích lò phản ứng (dm3) T thời gian di chuyển từ nhiên liệu đến vị trí lấy mẫu C Hoạt độ riêng đồng vị (Bq / dm3) 45 Phần II: Mô hình chuỗi sản phẩm phân hạch 11 Xác định số lượng nhiên liệu bị hư hại  Tổng phương pháp hoạt động: từ giá trị chuẩn tỷ lệ tổng số hoạt độ khu vực sơ cấp nhiên liệu rò rỉ  Phương pháp hồi quy: xác định liệu xác định thông số phương trình mơ hình 12.Tính tốn tỷ suất phát thải  Xác định thực nghiệm R / B Trong đó:          R Phát xạ (nguyên tử / s) B = FY Thế hệ (nguyên tử / s) F phân suất (phân hạch / s) Y Năng suất hình thành đồng vị (nguyên tử / phân hạch) λ phân rã liên tục (1 / s) β Hằng số lọc (1 / s) V thể tích lò phản ứng (dm3) T thời gian di chuyển từ nhiên liệu đến vị trí lấy mẫu C Hoạt độ riêng đồng vị (Bq / dm3) 46 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ 1.Các kỹ thuật phóng xạ so với kỹ thuật hóa học thơng thường Các hiệu ứng đặc biệt kỹ thuật phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.1 Kết tủa 3.2 Chiết xuất dung môi 3.3 Trao đổi ion 3.4 Sắc kí (Chromatography) 47 Phần III: Các kỹ thuật hóa học phóng xạ Các kỹ thuật phóng xạ so với kỹ thuật hóa học thơng thường  Sự có mặt phóng xạ dẫn đến cần quan tâm đến quy định an tồn phóng xạ  Thường xuyên cần phải xử lý hạt nhân có chu kì bán rã ngắn  Số nguyên tử liên quan nồng độ dung dịch nhỏ  Các hiệu ứng đặc biệt: phân rã phóng xạ (radiolysis: phân rã chiếu xạ), hạt nhân không bền (hot atom chemistry)  Các trang thiết bị ( ví dụ chắn xạ) đội ngũ nhân viên huấn luyện đặc biệt  Chất thải phóng xạ  Cần mẫu đặc biệt đếm α,β γ 48 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các kỹ thuật phóng xạ so với kỹ thuật hóa học thơng thường  Mối quan hệ số nguyên tử nồng độ dung dịch  o Khối lượng vật liệu phóng xạ nhỏ Ví dụ: 1mCi �^11 [�_(1/2)= 20 phút] → A = 37 MBq Với công thức A=�=.� = [��2/�_(1/2)] x N → N = 6.4 x 10^10 (nguyên tử) → m = 1.17 x 10^(−12) (g)  Vì lượng vật liệu phóng xạ nhỏ,cần thêm lượng đáng kể (cỡ mg) vật liệu khơng phóng xạ,chất mang (the carrier) thêm vào giai đoạn đầu  Điều thiết yếu chất vận chuyển chất phóng xạ (tracer Labeled member of a population used to measure certain properties of that population:chất đại diện cho tập hợp sử dụng để đo tính chất tập hợp đó) có dạng hóa học  Carrier-free (mẫu đồng vị phóng xạ có hoạt tính riêng cao mà khơng có chất mang (Carrier) thêm vào Khơng tạo cách chiếu xạ đồng vị bền nguyên tố) mẫu đồng vị phóng xạ, sử dụng diện chất mang (carrier) vấn đề độ dày mẫu 49 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các hiệu ứng đặc biệt kỹ thuật phóng xạ            Một số chất mang (tracer) (thường cation) dung dịch chất keo dung dịch Những loại gọi chất phóng xạ dạng keo (radiocolloids) Radiocolloids tập hợp 103-107 nguyên tử,với kích thước tập hợp khoảng 0,1 đến 500 nm Sự hình thành chất keo ngăn chặn cách sử dụng dung dịch có độ pH thấp cách thêm chất phức tạp Sự tương tác xạ ion hố với khơng khí dẫn đến tạo ozon oxit nitơ gây ăn mòn Trong dung dịch nước có hoạt độ phóng xạ cao có tồn điện tử hòa tan (có thời gian sống ngắn,khó quan sát), gốc hydroxyl () proton hòa tan, H Gốc hydroxyl OH-, chất oxy hóa mạnh, electron hòa tan chất khử mạnh Các dung dịch có hoạt độ cao thay đổi tính chất oxi hóa khử chúng theo thời gian Trong nghiên cứu chất đánh dấu phóng xạ (radioactive tracer),sự tự phân rã dẫn đến biến đổi nồng độ số lượng sản phẩm 50 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các hiệu ứng đặc biệt kỹ thuật phóng xạ  Sự phân rã phóng xạ gây trao đổi hóa học: Hạt nhân phân rã α β nguyên tố hóa học khác với hạt nhân mẹ, mơi trường hóa học hạt nhân mẹ Có thể thay đổi trạng thái oxi hóa trạng thái liên kết hóa học  Sự phá vỡ liên kết hóa học nguyên tử phóng xạ hình thành phản ứng hạt nhân Qua gây phá vỡ liên kết hóa học phân tử chứa nguyên tử ( hiệu ứng Szilard-Chalmers)  Hiệu ứng sử dụng việc tách đồng vị phương pháp hố học 51 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.1 Kết tủa (Precipitation)   Đây phương pháp tách hóa chất đời sớm mang lại kết tốt sử dụng Bởi lượng đồng vị phóng xạ nhỏ, chất mang(carriers) thường sử dụng Chất vật chuyển thêm vào với số lượng lớn đảm bảo chất phóng xạ phần dung dịch cân nhiệt động lực học 3.2 Chiết xuất dung môi (Solvent extraction)  Là phương pháp tách hợp chất phức kim loại, dựa khả hòa tan của chúng hai chất lỏng khác nhau, thường nước (dung môi cực) dung môi hữu (không phân cực) 52 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.2 Chiết xuất dung môi (Solvent extraction)  Các loại tách chuyển giao hai lớp khơng thể trộn lẫn trộn lẫn phần,ví dụ nước dung dịch hữu không phân cực • • Hệ số phân phối (D): D=[M]org/[M]aq (M conc.) Phần trăm chiết xuất: Trong đó:-aq aqueous aqueos liquid dung môi phân cực nước -org organic liquid dung môi hữu ( dung môi không phân cực) Thiết bị trộn liên tục 53 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.3 Trao đổi ion ( Ion exchange)     Một dung dịch có chứa ion khác tương tác với nhựa trao đổi ion (resin :loại nhựa có khả hấp thụ ion cách chọn lọc) Trong bước tiếp theo, ion lấy khỏi nhựa trao đổi ion (resin) cách rửa chúng với dung dịch thích hợp Nhựa trao đổi ion thường cross-linked polystyren với nhóm chức kèm theo Hầu hết chất trao đổi cation chứa nhóm axit sulfonic tự R-SO3- H + 54 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.4 Sắc kí (Chomotograhy)  Sắc ký ( chromatography), dùng để tách chất hỗn hợp Nó bao gồm việc cho mẫu chứa chất cần phân tích "pha động", thường dòng chảy dung mơi, di chuyển qua "pha tĩnh." Pha tĩnh trì hỗn di chuyển thành phần mẫu Khi thành phần di chuyển qua hệ thống với tốc độ khác nhau, chúng tách khỏi theo thời gian, giống vận động viên chạy maraton Một cách lý tưởng, thành phần qua hệ thống khoảng thời gian riêng biệt, gọi “thời gian lưu.”  Trong kĩ thuật sắc ký, hỗn hợp vận chuyển trong chất lỏng khí và thành phần tách phân bố khác chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh rắn hay lỏng Nhiều kĩ thuật khác dùng để phân tích hợp chất phức tạp dựa lực ( lực hút) khác chất mơi trường động khí lỏng môi trường hấp thụ tĩnh 55 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.4 Sắc kí (Chomotograhy)  Phân loại sắc ký theo pha động:  Sắc ký lỏng: pha di động chất lỏng (LLC,LSC) ( LLC liquid-liquid chromatography: sắc ký lỏng-lỏng, LSC: sắc ký lỏng-rắn )  Sắc ký khí: pha di động khí (GSC, GLC) (GSC gas-solid chromatography)  Phân loại theo cách chứa pha tĩnh:  Sắc ký lớp mỏng( TLC: thin-layer chromatography ) : kỹ thuật sắc ký sử dụng để tách hỗn hợp không bay hơi. Sắc ký lớp mỏng thực thủy tinh, nhựa giấy nhôm, phủ lớp vật liệu hấp phụ mỏng, thường là silica gel , nhôm ôxit cellulose . Lớp chất hấp phụ gọi là pha tĩnh  Lớp hấp phụ mỏng phủ thủy tinh,giấy nhôm       Sắc ký giấy (PC): Pha tĩnh màng mỏng chất lỏng hỗ trợ lớp hỗ trợ trơ Phép sắc ký cột (CC): pha tĩnh chứa cột thủy tinh Phân loại lực tách: Sắc ký hấp phụ Sắc ký phân vùng Sắc ký trao đổi ion   Sắc ký lọc gel Sắc ký lực 56 57 Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ Các phương pháp tách hóa học phóng xạ 3.4 Sắc kí (Chomotograhy) Loại Pha cố định Pha di động Cơ chế Sắc kí hấp thụ Chất rắn (hấp dẫn chất tan) Lỏng hay khí Chất tan di chuyển theo tốc độ khác tùy thuộc vào lực hấp dẫn pha tĩnh Sắc kí phân vùng Màng mỏng chất lỏng hình thành bề mặt Lỏng hay khí chất trơ rắn phụ trợ Sắc kí trao đổi ion Nhựa rắn mang cắc ion cố định counterion (ion đi kèm với Chất hòa tan đạt trạng thái cân hai giai đoạn theo hệ số phân chia chúng Chất lỏng chứa chất điện giải loại ion để trì tính trung lập điện) di động liên kết Các ion mang giá trị trái ngược với ion cố định nhựa trao đổi ion lực hút tĩnh điện dẫn đến thay đổi counterion liên kết cộng hóa trị Sắc kí loại trừ phân tử Gel xốp khơng có tác dụng hấp dẫn phân tử hòa tan Lỏng Các phân tử phân chia kích thước chúng: Các phân tử nhỏ vào lỗ gel, cần lượng lớn chất rửa giải Các phân tử lớn qua cột với tốc độ nhanh Sắc kí lực Chất rắn mà phân tử cụ thể bất động Lỏng khí Các loại phân tử hòa tan đặc biệt tương tác với phân tử bất động pha cố định Cảm ơn thầy bạn ý lắng nghe