Nghiên cứu phát triển phương pháp phổ alpha xác định hàm lượng ra và khảo sát sự phân bố, hành vi của nó trong môi trường biển

Luận văn

1 MÔÛ ÑAÀU Trong số nhiều mắt xích khác nhau của môi trường, diễn biến chất lượng của môi trường biển - môi trường có tính linh động cao và lan truyền không biên giới, được quan tâm nhiều và sâu sắc ở tầm mức quốc gia, khu vực và quốc tế. Việt Nam - đất nước có bờ biển dài khoảng 3260 km và vùng biển đặc quyền kinh tế rộng gấp nhiều lần diện tích đất liền, đang đứng trước một loạt vấn đề về môi trường và tài nguyên trong phạm vi biển và đới bờ của mình, trong đó có những nguyên nhân tại chỗ, khu vực và Quốc tế. Trong số nhiều yếu tố có khả năng gây ô nhiễm môi trường biển có yếu tố phóng xạ. Các yếu tố phóng xạ trong môi trường biển, bao gồm: - Các đồng vị phóng xạ nhân tạo (chủ yếu quan tâm đến các đồng vị sống dài 90 Sr, 137 Cs, 239,240 Pu, v.v…) xâm nhập vào môi trường biển bởi: (1) Thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển và trong nước; (2) Phóng thích thông lệ có kiểm soát thải phóng xạ mức thấp của các cơ sở hạt nhân (nhà máy điện hạt nhân, cơ sở xử lý lại nhiên liệu, cơ sở chế tạo vũ khí hạt nhân, v.v…); (3) Tàng trữ thải phóng xạ dưới đáy biển trong quá khứ; (4) Sự cố hạt nhân (như sự cố Chernobyl, sự cố Fukushima, sự cố tàu ngầm nguyên tử, vệ tinh và các sự cố xảy ra trong quá trình thu nhận, sử dụng, vận chuyển các chất phóng xạ trên đường biển) [2]. - Các đồng vị phóng xạ tự nhiên (chủ yếu quan tâm đến chuỗi U, Th và các sản phẩm phân rã của chúng, trong đó có 226 Ra). Trên thế giới, Hội nghị Quốc tế về ô nhiễm biển nhân năm Quốc tế về Đại dương 1998 được Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) phối hợp với ủy ban Đại dương liên chính phủ (IOC) của UNESCO, Chương trình môi trường Liên hợp quốc (UNEP), Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), Ủy ban Quốc tế về thám hiểm khoa học Địa Trung Hải (CIEMS) tổ chức tại Phòng thí nghiệm môi trường biển Quốc tế ở Monaco vào hạ tuần tháng 10/1998, Chương trình hợp tác vùng Châu Á - Thái Bình Dương về phóng xạ môi trường biển gồm 12 nước tham gia trong đó có Việt Nam,v.v… đã cung cấp một bức tranh khá toàn diện 2 về thực trạng của nghiên cứu, đánh giá ô nhiễm môi trường biển hiện nay với sự nhấn mạnh đến vai trò của các phương pháp hạt nhân và đồng vị trong lĩnh vực này. Ở Việt Nam, trong những năm qua, việc nghiên cứu đánh giá phóng xạ môi trường biển cũng đã được bước đầu chú ý đến thông qua việc thực hiện một số đề tài cấp Bộ KH&CN do Viện Nghiên cứu hạt nhân, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện Hải dương học Nha Trang, v,v . thực hiện. Từ các đề tài này đã tiến hành thu góp mẫu với số lượng hạn chế khoảng 200 mẫu tại các vị trí chọn lọc (Cát Bà, Cửa Lò, Vịnh Nha Trang, Ninh Thuận, Phan Thiết, Vũng Tàu và Cửa Đại Sông Tiền) và tiến hành phân tích hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu đã thu góp. Các kết quả tiêu biểu thu được của các đề tài này là đã xác lập được bộ quy trình thu góp, xử lý, bảo quản và phân tích các nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nhân tạo quan trọng ( 238 U, 232 Th, 210 Po, 90 Sr, 137 Cs, 239,240 Pu, v.v …) trong một số đối tượng môi trường biển và bước đầu cung cấp một số các thông tin về mức hiện hữu các nhân phóng xạ kể trên trong môi trường biển Việt Nam. Tính cách (đặc điểm, hành vi, trạng thái, sự chuyển hóa,…), hàm lượng, sự phân bố, sự dịch chuyển của các nguyên tố hóa học, các đồng vị phóng xạ (tự nhiên và nhân tạo) trong các đối tượng, hợp phần của môi trường biển luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu tìm hiểu, khảo sát và đánh giá của giới khoa học vì biển và đại dương là môi trường sống quan trọng của nhân loại. Nhiều vấn đề liên quan đến môi trường biển của Việt Nam nói chung và nói riêng là những vấn đề đối tượng nghiên cứu được liệt kê ở trên còn chưa được nghiên cứu, hiểu biết một cách thấu đáo, đầy đủ. Vấn đề nghiên cứu đặt ra cho luận án chính là nhằm mục đích góp phần bổ khuyết những thiếu hụt hiện nay về thông tin dữ liệu trong lĩnh vực được lựa chọn. Bản luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu phát triển phương pháp phổ alpha xác định hàm lượng 226 Ra và khảo sát sự phân bố, hành vi của nó trong môi trường biển” tập trung vào nghiên cứu đối với 226 Ra - là đồng vị phóng xạ tự 3 nhiên rất được quan tâm trong sinh thái và vệ sinh phóng xạ vì: chu kỳ bán rã dài (T 1/2 : 1600 năm), độc tính phóng xạ cao, phát alpha (4.59 và 4.78 MeV) và gamma (186 KeV), đồng thời liên tục phân rã ra 222 Rn và các con cháu khác – cũng là các nhân phát alpha và gamma đa năng lượng (E: 295, 352, 609, 1120 và 1764 KeV); vì thế, 226 Ra gây nguy hại do cả chiếu ngoài và chiếu trong. Mục tiêu của luận án: - Phát triển phương pháp phân tích định lượng 226 Ra trong các hợp phần của môi trường biển: nước, trầm tích và sinh vật bằng kỹ thuật phổ alpha nhằm cải thiện độ nhạy, độ chính xác so với các phương pháp khác. - Khảo sát sự phân bố hàm lượng của 226 Ra trong các hợp phần môi trường biển tiêu biểu tại vùng biển tỉnh Ninh Thuận và sự dịch chuyển trong điều kiện tự nhiên của 226 Ra theo chu trình: nước – trầm tích – sinh vật biển. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là các hợp phần môi trường biển: nước bề mặt, trầm tích bề mặt (có độ sâu từ 0-5 cm tính từ bề mặt lớp trầm tích), rong và hải sản (cá nục, cá bạc má, cá cơm, cá thu, cá mối, sò,…). Phương pháp nghiên cứu của luận án là sử dụng phương pháp phân tích phổ alpha kết hợp tách hóa phóng xạ và phương pháp phổ gamma để xác định hoạt độ 226 Ra trong các hợp phần môi trường biển. Phạm vi nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu được thực hiện ở vùng ven biển tỉnh Ninh Thuận có chiều dài khoảng 105 km; Các nghiên cứu chi tiết cho 2 vùng biển của xã Vĩnh Hải, huyện Ninh Hải và xã Phước Dinh, huyện Ninh Phước (nay là huyện Thuận Nam), tỉnh Ninh Thuận – nơi dự kiến sẽ xây dựng 02 nhà máy điện nguyên tử với công suất thiết kế tổng cộng khoảng 4000 – 8000 MW điện với vị trí ở gần biển và dùng nước biển để làm nguội. Tổng số mẫu thu góp và phân tích khoảng 200 mẫu. Thời gian khảo sát từ 2001 đến 2009. Tổng số các chỉ tiêu phân tích khoảng 1.000, trong đó 226 Ra khoảng 200. 4 Ý nghĩa khoa học của luận án: - Góp phần khẳng định tính ưu việt của phương pháp hóa phóng xạ kết hợp với kỹ thuật đo phổ alpha so với phương pháp phân tích phổ gamma khi phân tích các mẫu có thành phần phức tạp, đặc biệt trong đối tượng môi trường biển có hàm lượng muối cao. - Thiết lập quy trình tách và làm giàu để định lượng 226 Ra trong các đối tượng môi trường biển, tạo tiền đề phân tích nguyên tố này trong các đối tượng môi trường khác. - Cung cấp cơ sở dữ liệu về hàm lượng và sự phân bố 226 Ra trong các đối tượng môi trường biển vùng biển Ninh Thuận. Bộ số liệu thu nhận được giúp hiểu biết về hành vi, sự phân bố, dịch chuyển và tích lũy của 226 Ra trong các hợp phần của môi trường biển. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần đánh giá chất lượng môi trường biển Việt Nam về mặt phóng xạ. - Đóng góp một phần vào bộ số liệu nền phông phóng xạ môi trường biển Việt Nam làm cơ sở cho các cảnh báo và đánh giá tác động môi trường từ các khu công nghiệp, đặc biệt từ nhà máy điện hạt nhân sẽ được xây dựng và vận hành trong tương lai gần ở Việt Nam tại khu vực nghiên cứu. - Có thể sử dụng kết quả về hệ số tích lũy sinh học trong rong Câu kim (Vĩnh Hải), sò và rong Mơ làm chỉ thị sinh học cho ô nhiễm phóng xạ biển nhằm đơn giản hóa các thủ tục, chương trình cảnh báo. Những đóng góp mới của luận án: - Nghiên cứu phát triển phương pháp tách và làm giàu để định lượng 226 Ra trong các đối tượng môi trường biển (nước biển, trầm tích và sinh vật biển). Kiểm tra độ tin cậy của phương pháp được xác lập. Đây là các nghiên cứu đầu tiên và có hệ thống ở nước ta. - Khảo sát sự phân bố hàm lượng của 226 Ra trong các đối tượng môi trường biển tại vùng biển tỉnh Ninh Thuận - vùng được chọn xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Việt Nam và đánh giá sự dịch chuyển trong điều kiện tự 5 nhiên của 226 Ra theo chu trình: nước - trầm tích - sinh vật biển. Các số liệu này sẽ đóng góp vào bộ số liệu Quốc gia và Khu vực, không chỉ làm cơ sở cho các xâm nhập tiếp theo của 226 Ra, mà còn phục vụ đánh giá chất lượng môi trường biển Việt Nam cũng như đánh giá tác động môi trường biển về mặt phóng xạ. Bố cục của luận án: Luận án được trình bày theo 3 chương như sau: - Chương một là phần tổng quan, giới thiệu các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài của luận án. - Chương hai là đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương này tập trung mô tả phương pháp thu góp, xử lý, bảo quản và định lượng 226 Ra bằng phương pháp phổ alpha kết hợp với phổ gamma trong mẫu môi trường biển. - Chương ba là kết quả và thảo luận. Chương này tập trung xây dựng phát triển phương pháp tách và tạo mẫu đo phổ alpha xác định hoạt độ 226 Ra trong các đối tượng môi trường biển và đưa ra các số liệu về phân bố hàm lượng 226 Ra trong một số đối tượng môi trường biển, đánh giá sự dịch chuyển trong điều kiện tự nhiên của 226 Ra theo chu trình: nước – trầm tích – sinh vật biển. - Kết luận của luận án. Luận án khẳng định các điểm mới về mặt học thuật. 6 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về các đồng vị phóng xạ và rađi trong môi trường biển 1.1.1. Những đặc trưng chủ yếu của môi trường biển Trên thế giới, Đại dương chiếm khoảng 361,11×10 6 km 2 gần 70,8% tổng diện tích bề mặt của Trái đất, với thể tích khoảng 1,3×10 18 m 3 [14]. Biển Đông (Hình 1.1), thuật ngữ trong tiếng Anh là South China Sea (SCS) để chỉ một biển rìa rộng lớn, nửa kín ở khu vực Đông Nam Á, là một phần của Thái Bình Dương, diện tích khoảng 3.500.000 km 2 , kéo dài từ Singapore tới eo biển Đài Loan theo hướng Tây Nam - Đông Bắc. Biển Đông có thể tích khoảng 3.938.000 km 3 . Độ sâu trung bình 1140m, vực sâu nhất 5016m thuộc rìa lục địa Philippines. Vùng biển nông của Biển Đông được nối liền với Biển Đông Hải (Trung Quốc) qua eo Đài Loan và Biển Java qua eo Malacca. Khu vực nước sâu chiếm toàn bộ phần trung tâm và đông bắc Biển với hai eo biển sâu Luzon (trên 5000 m) và Midoro (trên 2000 m) nối liền với các vùng nước sâu của Thái Bình Dương và biển Sulu. Xung quanh Biển Đông có nhiều dãy núi bao bọc, nhiều dãy cao hơn 500 m, như những dãy núi ở phía tây Việt Nam hay các dãy núi trên quần đảo Philippines. Các dãy núi hẹp Châu Á giữ chặt các trung tâm đối lưu gió mùa. Xung quanh Biển Đông có khá nhiều sông đổ vào, trong đó, 3 sông lớn nhất là Sông Pearl (Quảng Châu, Trung Quốc), Sông Hồng và Sông Mê - Kông. Lưu lượng của các con sông ở đây biến đổi mạnh theo mùa. Ví dụ, sông Mê - Kông, lượng nước từ tháng 5 – tháng 10 chiếm 70% lượng nước trong năm (~5.2 N E Hình 1.1. Biển Đông (South China Sea) Ghi chú: 50 : đường đẳng sâu (m) 7 x 10 11 m 3 ) chiếm tới 16% lượng nước mưa trong lưu vực xung quanh Biển Đông trong cùng thời gian (~3.2 x 10 12 m 3 ). Nước mưa có thể gây ảnh hưởng tới dòng chảy biển ở dải ven bờ, đặc biệt là các khu vực có cửa sông lớn [12]. 1.1.1.1. Một số đặc điểm chính về hoàn lưu ở Biển Đông Trên cơ sở phân tích các điều kiện tự nhiên, các nhân tố ảnh hưởng chủ yếu và các kết quả nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp số liệu khảo sát có thể khẳng định rằng chế độ hoàn lưu Biển Đông mang tính chất hoàn lưu mùa và là kết quả của quá trình tương tác biển - khí quyển khu vực trong điều kiện hoạt động mạnh mẽ của gió mùa. Vào mùa đông (từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau), vùng biển Việt Nam chịu ảnh hưởng của dòng hải lưu Kuroshio từ Thái Bình Dương vào vùng biển Việt Nam theo hai nhánh: Nhánh thứ nhất vào qua eo Luzon, nhánh thứ hai vào Biển Hoa Đông, Trung Quốc chạy dọc ven bờ Quảng Đông vào vùng biển Việt Nam. Vào mùa hè (từ tháng 5 đến tháng 10), vùng biển Việt Nam ở phía bắc chịu ảnh hưởng một phần của dòng hải lưu Kuroshio, phía nam chịu ảnh hưởng của dòng nước từ Thái Bình Dương qua eo biển Kalimantan nằm giữa Singapore và bán đảo Kalimanta, Indonesia (Hình 1.2 và 1.3) [12], [14]. Hình 1.2. Lược đồ về dòng hải lưu ở Biển Đông (a) mùa đông và (b) mùa hè 8 Hình 1.3. Lược đồ tổng quát về dòng hải lưu lớp trên cùng ở Biển Đông. Các mũi tên đặc chỉ dòng chảy và mũi tên mở chỉ hướng gió, (a) mùa đông và (b) mùa hè. Chú giải: 1. dòng Kuroshio; 2. (Loop current) dòng Kuroshio xâm nhập trực tiếp; 3. (SCSBK) dòng uốn Kuroshio; 4. (NW Luzon Cyclonic Gyre) dòng xoáy tây bắc Luzon; 5. (NW Luzon Cyclonic Eddy) dòng xoáy tròn tây bắc Luzon; 6. (NW Luzon Coastal Current) dòng dòng bờ tây Luzon; 7. (SCSWC) dòng chảy ấm Biển Đông; 8. dòng ven bờ Quảng Đông; 9. (SCS Southern Cyclonic Gyre) dòng xoáy thuận nam Biển Đông; 10. Dòng ngoài khơi thềm lục địa Natuna; 11. (SCS Southern Anticyclonic Gyre) dòng xoáy nghịch nam Biển Đông; 12. Dòng ngoài khơi đông nam Việt Nam. 1.1.1.2. Độ mặn vùng khơi và ven bờ biển Việt Nam Khu vực Vịnh Bắc bộ, Vịnh Thái Lan và bờ biển đồng bằng Nam bộ là những nơi có dòng sông lớn đổ vào nên độ mặn thay đổi rất mạnh giữa mùa mưa và mùa khô. Phần lớn nước vùng ven bờ Vịnh Bắc bộ có độ mặn nhỏ hơn 34‰ và Vịnh Thái Lan nhỏ hơn 33,5‰. Càng vào gần bờ, độ mặn càng giảm đáng kể. Về mùa hè (mùa mưa) thường xuất hiện các tâm nước nhạt ở vùng cửa sông Hồng, cửa sông Cửu Long và ven Vịnh Thái Lan. Về mùa Đông, các tâm và dải nước lợ trong sông đổ ra bị ép sát vào bờ và có khả năng biến mất phụ thuộc vào lưu lượng nước trong sông đổ ra. Khu vực ven bờ miền Trung có độ mặn khá ổn định, thường đạt các giá trị cao vào thời gian từ các tháng 9 đến tháng 12 với giá trị khoảng 33,4 – 34,0‰. Tại các khu vực nước trồi có độ mặn khá cao do nước từ các tầng sâu tải lên [12], [14]. 9 1.1.2. Phóng xạ môi trường biển Các nhân phóng xạ trong khí quyển rơi lắng trực tiếp xuống đại dương và cũng có thể gián tiếp từ các con sông chảy vào. Tuy nhiên, các chất phóng xạ cũng được thải trực tiếp ra đại dương như các chất thải lỏng và các chất thải rắn của một số cơ sở hạt nhân và liên quan. Một số nhân phóng xạ tồn tại trong nước dưới dạng tan, một số khác không tan tồn tại dưới dạng các hạt chất rắn lơ lửng hoặc cộng kết thành các hạt chuyển xuống trầm tích [8], [13]. Một số nguyên nhân chính tác động đến môi trường biển là: Thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển và trong nước; Tàng trữ thải phóng xạ dưới đáy biển; Sự cố hạt nhân (như sự cố Chernobyl, sự cố Fukushima, sự cố tàu ngầm nguyên tử, vệ tinh và các sự cố xảy ra trong quá trình thu nhận, sử dụng, vận chuyển các chất phóng xạ trên đường biển); Phóng thích thông lệ có kiểm soát thải phóng xạ mức thấp của các cơ sở hạt nhân (nhà máy điện hạt nhân, cơ sở tái xử lý nhiên liệu, cơ sở chế tạo vũ khí hạt nhân, v.v…); và sự đóng góp của các đồng vị phóng xạ tự nhiên chuỗi U, Th và các sản phẩm phân rã của chúng, trong số đó nguy hại nhất phải tính đến 238 U, 232 Th, 226 Ra và 210 Po. Bên cạnh đó, các hoạt động Công nghiệp, như công nghiệp khai thác quặng phóng xạ, công nghiệp khai thác sa khoáng ven biển, công nghiệp thăm dò và khai thác dầu khí, v.v… ở các nước bao quanh Biển Đông cũng dẫn đến tăng mức phông phóng xạ trong môi trường biển [2], [3], [9], [44]. 1.1.2.1. Các nguồn chính của các đồng vị phóng xạ nhân tạo 1.1.2.1a. Thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển và trong nước: Thành phần các đồng vị phóng xạ nhân tạo xâm nhập vào đại dương, về cơ bản, được qui định bởi các sản phẩm phân chia của nhiên liệu hạt nhân. Bảng 1.1 đưa ra đặc trưng của các hạt nhân có thời gian sống dài và nguy hại nhất được tạo ra khi phân chia 235 U. Tương quan giữa chúng có thể thay đổi và phụ thuộc vào loại nhiên liệu, dạng và điều kiện diễn ra phản ứng [8], [60]. 10 Bảng 1.1. Các nhân phóng xạ chủ yếu hình thành trong quá trình phân chia 235 U [60]. Hạt nhân T 1/2 Hiệu suất khi phân chia, % 90 Sr 91 Y 95 Zr 95 Nb 99 Tc 106 Ru 131 I 137 Cs 140 Ba 144 Ce 147 Pm 28.82 năm 58.51 ngày 63.98 ngày 34.97 ngày 2.1410 5 năm 366.58 ngày 8.04 ngày 30.17 năm 12.79 ngày 284.5 ngày 2.62 năm 5.3 5.9 6.4 - 6.2 0.5 3.0 6.2 6.8 5.3 2.6 Trong số tất cả các loại thử hạt nhân thì loại thử trong không khí và dưới nước gây ô nhiễm môi trường mạnh hơn cả. Khi thử trong không khí làm xuất hiện các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc là: Các sản phẩm phân chia, một phần nhiên liệu hạt nhân không kịp cháy và các sản phẩm kích hoạt của nơtrôn với các thành phần của môi trường (không khí, nước, bùn - đất). Các sản phẩm này dần dần lắng đọng xuống mặt đất, mặt nước. Các kết quả quan trắc cho thấy mật độ rơi lắng phóng xạ ở Bắc bán cầu cao hơn đáng kể so với ở Nam bán cầu. Điều này được xác định bởi các nguyên nhân khí tượng, cũng như bởi phân bố vị trí của các vụ thử (Bảng 1.2). Lượng rơi lắng toàn cầu (xác định bằng thực nghiệm) của 90 Sr và 137 Cs được trình bày trong Bảng 1.3 [8], [60]. Bảng 1.2. Đặc trưng các vụ thử hạt nhân trên thế giới [60] Nước Số vụ thử Công suất (Mt) Khí quyển Dưới đất Tổng Khí quyển Dưới đất Tổng Trung Quốc 22 22 44 21 1 22 Pháp 50 160 210 10 3 13 . trong lĩnh vực được lựa chọn. Bản luận án với tiêu đề: Nghiên cứu phát triển phương pháp phổ alpha xác định hàm lượng 226 Ra và khảo sát sự phân bố, hành. dựng phát triển phương pháp tách và tạo mẫu đo phổ alpha xác định hoạt độ 226 Ra trong các đối tượng môi trường biển và đưa ra các số liệu về phân bố hàm lượng