Tìm hiểu về mô hình và phần mềm đánh giá tác động của các nhân phóng xạ tới môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Xuân Đến TÌM HIỂU VỀ MƠ HÌNH VÀ PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NHÂN PHĨNG XẠ TỚI MƠI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Xuân Đến TÌM HIỂU VỀ MƠ HÌNH VÀ PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NHÂN PHĨNG XẠ TỚI CÁC MƠI TRƢỜNG Chun ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Hào Quang Hà Nội – Năm 2016 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN iv DANH MỤC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN v CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mục đích .5 1.2 Cơ sở phƣơng pháp ERICA 1.2.1 Mơ hình dịch chuyển 1.2.2 Phép đo liều 1.2.2.1 Hệ số chuyển đổi liều .9 1.2.2.2 Tính tốn suất liều .10 1.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá tác động xạ tới môi trƣờng 11 1.2.3.1 Các tiêu chuẩn dựa phân bố độ nhạy cảm loài ( SSD) 12 1.2.3.2 Các tiêu chuẩn dựa phƣơng pháp hệ số an toàn (SF) 13 1.2.3.3 Tác động phóng xạ tới hệ sinh thái: động vật, thực vật 17 1.2.4 Mơ hình SRS-19 .18 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU-PHẦN MỀM ERICA 21 2.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 21 2.1.1 Các nhân phóng xạ 21 i 2.1.2 Các sinh vật tham chiếu 23 2.2 Chi tiết phƣơng pháp đánh giá theo mức phần mềm ERICA .24 2.2.1 Mức .27 2.2.2 Mức .29 2.1.3 Mức .32 2.3 Hƣớng dẫn sử dụng phần mềm ERICA 35 2.3.1 Thêm đồng vị phóng xạ 36 2.3.2 Mô tả tên, chi tiết sinh vật 36 CHƢƠNG 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ERICA ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHÂN PHĨNG XẠ TỚI MƠI TRƢỜNG .38 3.1 Khu vực Drigg Coast, vƣơng quốc Anh 38 3.1.1 Tình trạng 39 3.1.2 Bài toán 41 3.2 Khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ 53 3.2.1 Tình trạng 53 3.2.2 Bài toán .53 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 ii LỜI CẢM ƠN Để có luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến T.S Nguyễn Hào Quang -Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam trực tiếp tận tình hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành Luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy cô giáo – Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành bổ ích cho thân em năm tháng qua Em xin ghi nhận công sức đóng góp q báu nhiệt tình bạn lớp cao học Vật lý khóa 2014-2016 đóng góp ý kiến giúp đỡ em q trình làm luận văn Để hồn thành luận văn này, em xin cám ơn nhà trường tạo điều kiện hướng dẫn giúp đỡ em, đặc biệt quan tâm động viên khuyến khích cảm thơng sâu sắc gia đình Cuối cùng, em mong nhận đóng góp, nhận xét phê bình q Thầy tất bạn đọc Em xin chân thành cảm ơn! iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Cơ sở đánh giá ERICA Hình 1.2: Mơ hình hệ sinh thái dƣới biển [4] Hình 1.3: Hàm phân bố độ nhạy lồi [7] Hình 2.1: Cấu trúc phƣơng pháp tích hợp ERICA [5] Hình 3.1: Vị trị lấy mẫu Khu vực Drigg Coast, vƣơng quốc Anh [7] Hình 3.2: Kết hiệu ứng mức khu vực Drigg Coast Hình 3.3: Đồ thị so sánh suất liều sinh vật mức mức Hình 3.4: Kết hiệu ứng mức khu vực Drigg Coast Hình 3.5: Kết rủi ro mức Khu vực xóm Dấu, xã Đơng Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ Hình 3.6: Kết hiệu ứng mức Khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đơng Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ Hình 3.7: Kết mức Khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đông Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ iv DANH MỤC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1: Phƣơng pháp sàng lọc hệ sinh thái cạn [7] Bảng 1.2: Phƣơng pháp sàng lọc hệ sinh thái dƣới nƣớc [7] Bảng 2.1 Các nhân phóng xạ mặc định ERICA [4] Bảng 2.2: Các hạt nhân cháu đƣợc sử dụng hệ số chuyển đổi liều [4] Bảng 2.3: Danh sách sinh vật tham chiếu mặc định hệ sinh thái tƣơng ứng phần mềm ERICA [4] Bảng 2.4: Đánh giá rủi ro mức Bảng 3.1: Số liệu phơng phóng xạ - nồng độ hoạt độ đất nhân phóng xạ [7] Bảng 3.2: Nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ đất khu vực Drigg Coast [7] Bảng 3.3: Số liệu hệ số chiếm cứ, kính thƣớc, khối lƣợng sinh vật đại diện cho khu vực Drigg Coast [7] Bảng 3.4: Kết rủi ro cho mức khu vực Drigg Coast Bảng 3.5: Số liệu đầu vào mức – Nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ sinh vật khu vực Drigg Coast [7] Bảng 3.6: Kết thu đƣợc mức khu vực Drigg Coast Bảng 3.7: Kết suất liều sinh vật mức khu vực Drigg Coast Bảng 3.8: Kết mức với phơng phóng xạ tự nhiên khu vƣc Drigg Coast v Bảng 3.9: Nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ đất sắn (cây lƣơng thực) khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đơng Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ [1] Bảng 3.10: Kết thu đƣợc mức khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đơng Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ Bảng 3.11: Kết suất liều cho sinh vật mức khu vực xóm Dấu Cỏ, xã Đơng Cửu, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ vi CÁC CHỮ VIẾT TẮT AW Ash weight - Khối lƣợng tro CR Concentration Ratio - Tỉ lệ nồng độ DCC Dose Conversion Coefficient - Hệ số chuyển đổi liều DW Dry weight -Khối lƣợng khô EC European Commission - Ủy châu Âu EIA Environmental Impact Assessment - Đánh giá tác động môi trƣờng EMCL Environmental Media Concentration Limits - Giới hạn nồng độ hoạt độ môi trƣờng ERA Ecological Risk Assessment -Đánh giá rủi ro sinh thái ERICA Environmental Risk from Ionising Contaminants: Assessment and Management -Quản lý đánh giá tác động nhân phóng xạ tới mơi trƣờng EAEC European Atomic Energy Community - Cộng đồng Năng lƣợng nguyên tử châu Âu EU European Union- Liên minh châu Âu FASSET Framework for Assessment of Environmental Impact - Quy trình đánh giá tác động môi trƣờng FW Fresh weight –Khối lƣợng tƣơi HDR Hazardous Dose Rate -Suất liều ảnh hƣởng độc hại HNED(R) The highest no effect dose or dose rate- Suất liều cao mà khơng có ảnh hƣởng sinh học vii IAEA International Atomic Energy Agency - Cơ quan lƣợng nguyên tử quốc tế ICRP International Commission on Radiological Protection - Ủy ban quốc tế bảo vệ phóng xạ MB Morbidity - Mắc bệnh MT Mortality - Tử vong MUT Mutation - Đột biến PCC Pearson Correlation Coefficient - Hệ số tƣơng quan Pearson pdf Probability distribution function - Hàm phân bố xác suất PNEC Predicted No-Effect Concentration – Giá trị nồng độ hoạt độ dự đốn khơng ảnh hƣởng PNED(R) Predicted No-Effect Dose (Rate) – giá trị suất liều dự đốn khơng ảnh hƣởng RC Reproductive Capacity - Sinh sản RQ Risk Quotient - Mức rủi ro SCC Spearman Rank Correlation Coefficient - Hệ số tƣơng quan Spearman SF Safety factor - Hệ sốan toàn SRS-19 Safety Report Series no 19 – Mơ hình SRS-19 SSD Species Sensitivity Distribution - Phân bố độ nhạy cảm loài UF Uncertainty factor - Hệ số sai số viii - ACsoil nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ đất (Bq /kg dw); Trường hợp ngoại lệ cho nguyên tố H-3, C-14, P-32 S-35: (1.2) Trong đó: - ACair nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ khơng khí (Bq/ m3); Đối với hệ sinh thái nước (Kd hệ số phân bố sử dụng để mô tả tỉ số nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ trầm tích nước): (1.3) Trong đó: - ACsed nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ trầm tích (Bq /kg dw) - ACwater nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ nước (Bq/ l) Tuy nhiên, người dùng nên ưu tiên giá trị CR có từ thực nghiệm Cơ sở liệu mặc định chứa giá trị trung bình tốn học với độ lệch chuẩn, giá trị lớn nhất, nhỏ nhất, hàm phân bố xác suất (pdf), số lượng liệu đầu vào Trong trường hợp, nồng độ hoạt độ phóng xạ giảm (do ngừng nồng độ hoạt độ hạt nhân khắc phục hậu tai nạn phóng xạ), giả định trạng thái cân nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ mơi trường sinh vật (tỉ lệ nồng độ hoạt độ) dẫn đến việc đánh giá thấp liều lượng sinh vật 1.2.2 Phép đo liều Chiếu xạ ước tính suất liều hấp thụ (năng lượng truyền xạ ion hóa qua đơn vị khối lượng sinh vật đơn vị thời gian, đơn vị μGy/ h, sử dụng phần mềm ERICA) Giá trị suất liều hấp thụ xác định dựa nồng độ hoạt độ hệ sinh thái sinh vật tham chiếu hệ số chuyển đổi liều Ước tính suất liều hấp thụ (μGy /h) phần mềm ERICA, cho phép giải thích ảnh hưởng nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ mơi trường sinh vật Các nhân phóng xạ có mơi trường gây chiếu xạ chiếu xạ sinh vật Chiếu xạ tăng hấp thụ nhân phóng xạ vào thể nhờ đường tiêu hóa hơ hấp xác định nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ sinh vật, kích thước sinh vật, loại lượng xạ phát Chiếu xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mức độ ô nhiễm mơi trường, mối quan hệ hình học nguồn xạ sinh vật tham chiếu, môi trường sống, kích thước cá thể, tính chất vật liệu che chắn tính chất vật lý nhân phóng xạ 1.2.2.1 Hệ số chuyển đổi liều Mối quan hệ nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ sinh vật suất liều hấp thụ mô tả hệ số chuyển đổi liều (DCC, đơn vị (µGy /h)/ (Bq/ kg) fw) Trong trường hợp đơn giản nhất, giả sử sinh vật tồn mơi trường đồng nhất, vơ hạn có phân bố phóng xạ đồng nhất, điều kiện trên, hệ số chuyển đổi liều hấp thụ chiếu trong- DCCint chiếu - DCCext cho xạ đơn lẻ định nghĩa hàm lượng hấp thụ với công thức (1.4) (1.5): (1.4) (1.5) Trong đó: - E (MeV) lượng nguồn đơn năng; - Φ(E) phần hấp thụ lượng cho; - hệ số chuyển đổi; Từ tính tốn nguồn xạ đơn lẻ, hệ số chuyển đổi liều (DCC) có nguồn gốc từ chiếu xạ chiếu xạ ngồi, có tính đến loại xạ lượng cường độ nhân phóng xạ phát Hạt nhân phóng xạ cháu bao gồm tính tốn DCC nhân phóng xạ mẹ Suất liều tổng cộng tính tốn cơng thức (1.6), (1.7) (1.8): (1.6) (1.7) (1.8) Trong đó: - wf hệ số trọng số loại xạ (β lượng thấp, β+ γ α); 1.2.2.2 Tính tốn suất liều Hệ số chuyển đổi liều sử dụng để ước tính suất liều hấp thụ từ nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ mơi trường sinh vật Tuy nhiên, hiệu ứng xạ không phụ thuộc vào liều hấp thụ mà phụ thuộc vào loại xạ Trong ERICA, hệ số trọng số xạ loại xạ sau: 10 xạ alpha xạ beta có lượng 10 keV gamma [4] 10 Cơng thức (1.9) tính tốn suất liều chiếu trong: (1.9) Trong đó: - suất liều chiếu cho sinh vật tham chiếu b; - nồng độ hoạt độ hạt nhân phóng xạ i (Bq/ kg); - hệ số chuyển đổi liều nhân phóng xạ thứ i cho chiếu xạ trong; Cơng thức (1.10) tính tốn suất liều chiếu ngồi: (1.10) Trong đó: - vz hệ số chiếm cứ, phần thời gian sinh vật b dành thời gian vị trí z môi trường sống; - nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ thứ i hệ sinh thái tham chiếu, vị trí z (Bq /kgfw dw) (đất trầm tích) Bq/l (nước)); - hệ số chuyển đổi liều cho chiếu xạ ngoài, định nghĩa tỉ số nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ thứ i hệ sinh thái vị trí z suất liều chiếu sinh vật b đơn vị:(µGy/ h)/ (Bq/ kg (/l)); 1.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá tác động xạ tới môi trƣờng Mục đích sàng lọc xem xét có cần thiết để tiến hành phân tích sâu mức hay khơng Một số tiêu chí dùng để sàng lọc nhân phóng xạ 11 chiếu xạ (nguồn phóng xạ, phơng phóng xạ, tích luỹ sinh học,…) hiệu ứng (tiêu chuẩn độc hại sinh thái, tiêu chuẩn phân vùng cân bằng) [5] 1.2.3.1 Các tiêu chuẩn dựa phân bố độ nhạy cảm lồi (SSD) Các tiêu chuẩn có nguồn gốc từ việc khớp thông tin độ nhạy cảm lồi khác để có phân bố tốn học Sự phân bố độ nhạy cảm loài sử dụng để tính tốn giá trị suất liều khơng gây hiệu ứng có ảnh hưởng đến mức chấp nhận loài (PNED(R)) Giá trị PNED(R) tính theo cơng thức (1.11): (1.11) Trong đó: - PNED(R) giá trị suất liều khơng gây hiệu ứng (µGy/h); - SF hệ số an tồn, có giá trị thay đổi từ tới 5; - HD(R)5 suất liều độc hại gây ảnh hưởng tới 5% lồi (µGy/h); Giá trị HD(R)5 tính dựa vào phân bố độ nhạy lồi hình 1.3: 12 Hình 1.3: Hàm phân bố độ nhạy lồi [7] Trong đó: Là khoảng tin cậy 95% Là mơ hình phân bố; 1.2.3.2 Các tiêu chuẩn dựa phƣơng pháp hệ số an tồn (SF) Thơng thường, mức độ ảnh hưởng sinh học thấp sử dụng Các giá trị chia cho hệ số an toàn (tức 10, 100 1000) để lấy chuẩn Giá trị hệ số an toàn lựa chọn tùy thuộc vào loại, số lượng chất lượng nhân phóng xạ có sẵn tùy thuộc vào mối nguy hiểm chất gây ô nhiễm Phương pháp hệ số an toàn sử dụng để xác định giá trị giá trị suất liều liều chiếu không gây hiệu ứng (µGy/h) theo cơng thức (1.12) (1.13); (1.12) (1.13) 13 Trong đó: - PNED liều chiếu không gây hiệu ứng; - lowest ED50 liều độc hại thấp gây 50% hiệu ứng; - lowest EDR10 suất liều độc hại thấp gây 10% hiệu ứng; Các tiêu chuẩn lựa chọn sử dụng cho đánh giá nhiều nghiên cứu trích dẫn từ báo cáo IAEA [1992] UNSCEAR [1996] Việc xác định ảnh hưởng tác dụng sinh học nhân phóng xạ tới sinh vật bắt đầu vào năm 1970 đánh giá tiến hành tài liệu sẵn có hiệu ứng chiếu xạ trường diễn Các giá trị suất liều đề xuất khơng có tác dụng sinh học đáng kể dự kiến mức độ quần thể báo cáo IAEA [1992] nhắc lại UNSCEAR [1996] tóm tắt sau [5] Suất liều hấp thụ cho loài động vật nước không vượt 10 mGy/ d (4 Gy/y) chiếu xạ hay nhận từ chất phóng xạ thải vào môi trường nước ORNL [1998] tính tốn tiêu chuẩn sàng lọc cho nước trầm tích dựa kích thước cá sử dụng giá trị suất liều chấp nhận 0.4 mGy/ h Suất liều dùng tối đa mà sinh vật cạn nhận nhỏ 10 mGy/d - Thực vật cạn: Suất liều hấp thụ cho trồng cạn không nên vượt 10 mGy/ d (4 Gy / y) chiếu xạ hay nhận từ chất phóng xạ thải vào mơi trường cạn - Động vật cạn: Suất liều hấp thụ lồi động vật cạn khơng vượt q mGy / d (0.4 Gy / y) chiếu xạ hay nhận từ chất phóng xạ thải vào môi trường đất Việc sử dụng nhiều loại tiêu chuẩn độc hại sinh thái khác (giả định an tồn) dựa thơng tin chiếu xạ phản ứng đơn giản, khả dĩ, tích hợp thơng tin chiếu xạ hiệu ứng tương ứng Các tiêu chuẩn cho phép sàng 14 lọc kết đánh giá môi trường, dùng để hỗ trợ việc định cần thiết cho đánh giá hành động khắc phục hậu Để bảo vệ môi trường khỏi tác động phóng xạ, tiêu chuẩn thường đề cập là giá trị suất liều dự đốn khơng có ảnh hưởng (PNEDR) Hai phương pháp sử dụng phần mềm ERICA SSD (phân bố độ nhạy cảm loài) SF (hệ số an toàn), chúng hỗ trợ tăng cường việc so sánh với giá trị sàng lọc thu mức và áp dụng phương pháp khác Hai bảng 1.1 bảng 1.2 tạo thành danh sách đầy đủ giá trị lựa chọn cho mục đích sàng lọc 15 Bảng 1.1: Giá trị sàng lọc hệ sinh thái cạn [7] Suất liều Đối tƣợng bảo vệ Phƣơng pháp (µGy/h) Hệ sinh thái tổng qt SSD-95% lồi bảo vệ SF =5 10 Hệ sinh thái Phương pháp SF 0.6 Thực vật Phơng phóng xạ 0.02-0.7 Hệ sinh thái Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp - SF 110 Dựa NCRP [1991]; IAEA [1992]; Thực vật UNSCEAR [1996] 400 Thực vật Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 400 Sinh vật Phơng phóng xạ 0.01-0.1 Động vật Phơng phóng xạ 0.01-0.44 Dựa NCRP [1991]; IAEA [1992]; Động vật UNSCEAR [1996] 40 Động vật Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 40 Động vật nhỏ Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp 110 Tiêu chuẩn sàng lọc 220 Động vật không xương sống Động vật có xương sống hiệu ứng di truyền tế bào Báo cáo ô nhiễm môi trường – 20 Báo cáo ô nhiễm môi trường 20 – 80 Báo cáo ô nhiễm môi trường 80 – 200 Động vật có xương sống hiệu ứng mắc bệnh Động vật có xương sống hiệu ứng sinh sản 16 Bảng 1.2: Giá trị sàng lọc hệ sinh thái dƣới nƣớc [7] Suất liều Đối tƣợng bảo vệ Phƣơng pháp (µGy/h) Hệ sinh thái nước SSD-95 % loài bảo vệ SF =5 10 Hệ sinh thái nước Phương pháp SF 10 Hệ sinh thái biển SSD-95 % loài bảo vệ SF =5 10 Hệ sinh thái biển Phương pháp SF 3.7 Sinh vật nước Phơng phóng xạ 0.022-0.18 Sinh vật nước Phơng phóng xạ 0.02-6 Tảo+thực vật phù du Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp 110 Động vật nước Dựa NCRP [1991]; IAEA [1992]; 400 Sinh vật nước Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 400 Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp 110 sống đáy Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp 220 Cá Giá trị ảnh hưởng phóng xạ thấp 20 Sinh vật biển Phơng phóng xạ Động vật biển Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 40 Động vật đáy biển Tiêu chuẩn sàng lọc từ IAEA [1992] 1000 Sinh vật Dựa vào hiệu ứng quan sát