2.1.2.1. Cỏc nguyờn tố phúng xạ trong tự nhiờn và đồng vị phúng xạ
a. Khỏi nhiệm về phúng xạ và cỏc nguyờn tố phúng xạ
Phúng xạ là hiện tượng một số hạt nhõn nguyờn tử khụng bền vững bị biến đổi và phỏt ra cỏc tia bức xạ hạt nhõn (thường được gọi là tia phúng xạ). Cỏc nguyờn tử cú tớnh phúng xạ được gọi là cỏc đồng vị phúng xạ, cũn cỏc nguyờn tử khụng phúng xạ được gọi là đồng vị bền. Cỏc nguyờn tố phúng xạ chỉ gồm cỏc đồng vị phúng xạ (khụng cú đồng vị bền) gọi là nguyờn tố phúng xạ.
Tuy nhiờn cú cỏc nguyờn tố bao gồm cỏc hỗn hợp cỏc đồng vị và cú tớnh phúng xạ bền vững như Kali, Rubi, Samari và Luteti mà cú cỏc đồng vị này cú mức độ thấp về tớnh phúng xạ và thành phần (phần trăm) của chỳng trong hợp chất ớt thỡ cú thể xem như thực sự ổn định và như vậy khụng xếp vào nhúm phúng xạ. Nhưng cũng cỏc nguyờn tố đú nhưng được làm giàu đồng vị phúng xạ của chỳng (K40, Rb87, Srn147, Lu176) tương ứng sẽ được coi là đồng vị phúng xạ của nhúm phúng xạ.
b. Đồng vị phúng xạ
Ngoài cỏc đồng vị phúng xạ tự nhiờn như K40, Rb87, Srn147, Lu176 đó được nờu, cũn cú urani 235 và urani 238, thali, chỡ, bismuth, poloni, radi, actini hoặc thori. Cỏc đồng vị phúng xạ này cú tờn gọi khỏc với tờn của nguyờn tố tương ứng, tờn gọi này thiờn về nguyờn tố mà chỳng được tạo ra qua chuyển húa phúng xạ như bismuth 210 được gọi là Radi E, Poloni 212 được gọi là Thori C và Actini 288 được gọi là đồng phõn Thori II.
Cỏc nguyờn tố húa học mà thụng thường là ổn định cú thể, trở thành chất phúng xạ hoặc sau khi bị bắn phỏ với cỏc hạt cú động năng rất lớn (proton,
deutoron) phỏt sinh từ mỏy gia tốc hạt (cyclotron, Synchroton) hoặc sau khi hấp thụ Nơtron trong một lũ phản ứng hạt nhõn.
Những nguyờn tố chuyển húa như vậy được gọi là đồng vị phúng xạ nhõn tạo. Thuộc về loại này hiện cú khoảng 500 loại, trong đú cú gần 200 đang được ứng dụng thực tế. Ngoài urani 233 và đồng vị plutoni, hydrogen 3 (Tritium), cacbon 14, natri 24, phospho 32, lưu huỳnh 35, kali 35, kali 42, canxi 45, chrom 51, sắt 59, coban 60, kryton 85, stronti 90, uttri 90, paladi 109, iod 131, iod 132, xenon 133, caesi 137, thuli 170, iridi 192, vàng 198 và polino 210. Cỏc nguyờn tố phúng xạ, đồng vị phúng xạ tự chuyển húa thành dạng nguyờn tố hoặc đồng vị bền hơn. Thời gian cần cho một lượng của đồng vị phúng xạ nhất định giảm đi một nửa từ khi xuất hiện được gọi là chu kỳ bỏn phõn ró hoặc gọi là tốc độ biến đổi của đồng vị đú.
Cỏc nguyờn tố húa phúng xạ và đồng vị được xếp vào nhúm phúng xạ, hay cả khi ở dạng hỗn hợp hoặc với hợp chất phúng xạ hoặc cỏc nguyờn liệu khụng mang tớnh phúng xạ nếu cú hoạt độ phúng xạ lớn hơn 74Bq/g (0,002UCi/g) thỡ được xếp vào nhúm phúng xạ.
2.1.2.2. Nguyờn tố phúng xạ
a. Địa hoỏ vụ cơ: urani trong tự nhiờn gồm 3 đồng vị là U238 chiếm 99,274%; U235 chiếm 0,7205%; U234 chiếm 0,0055%. Cỏc nguyờn tử urani cú hạt nhõn nặng và bỏn kớnh ion lớn. Trong tự nhiờn urani khụng bao giờ tồn tại ở dạng nguyờn tố độc lập mà ở dạng hoỏ trị III, IV, V, VI. Tuy nhiờn trong thực tế chỉ urani hoỏ trị IV (U4+) và urani hoỏ trị VI (U6+) mới cú ý nghĩa địa hoỏ và khoỏng vật học, cũn urani hoỏ trị III (U3+) và urani hoỏ trị V (U5+) chỉ bền vững trong điều kiện phũng thớ nghiệm. Tất cả cỏc khoỏng vật urani đều chứa ụxy vỡ rằng ion urani cú ỏi lực mạnh mẽ với ụxy, ở điều kiện acid mạnh, ion U4+ cú thể tồn tại đọc lập trong dung dịch hoặc tạo thành hợp chất, ion U6+ luụn tồn tại trong tự nhiờn ở dạng UO22+, ỏi lực hấp dẫn đối với ụxy này cú vai trũ quan trọng trong việc xỏc định đặc điểm địa hoỏ của urani. Ngoài ra, phúng xạ trong tự nhiờn cũn cú quỏ trỡnh phõn ró tạo nờn cỏc sản phẩm con chỏu chủ yếu là trạng thỏi rắn: radi….cuối cựng là nguyờn tố Pb. Trong đú cú hai đồng vị dạng khớ là radon cú chu kỳ bỏn phõn ró là 3,82 ngày và thoron cú chu kỳ bỏn phõn ró là 52 giõy. Đỏng chỳ ý nhất là khớ radon cú chu kỳ bỏn phõn ró lõu, di chuyển rất xa trong khụng khớ.
+ Urani hoỏ trị IV: urani hoỏ trị IV là dạng tồn tại trong rất ớt khoỏng vật như uraninit (UO2+x)2 và coffnit (U(SiO4)1-x(OH)4x) hoặc titanat urani, brannerit là khoỏng vật quan trọng, trừ vài mỏ cú phosphat urani. Do đặc điểm về kớch thước và cấu trỳc, ion U+4 cú thể thay thế cho cỏc ion khỏc (Th4+, Zn4+, Ca4+) trong một số khoỏng vật; trong đú cú khoỏng vật oxyt và silic chứa Th+4 và Zr+4 hoặc nhúm nguyờn tố hiếm như Ce+4, U+4cũn cú thể thay thế một mức độ nào đú cho Ca trong khoỏng vật như apatit, sfen.
Urani hoỏ trị IV ớt tan trong dung dịch nhiệt độ thấp, nú chỉ bền vững ở điều kiện Eh thấp và pH tương đối thấp (axớt yếu). Do đú, ở điều kiện pH > 3,5 thỡ phức hydroxyt urani chiếm ưu thế. Tớnh tan và bền vững của U+4 trong silicat núng chảy cú thành phần khỏc nhau bị khống chế bởi tớnh linh động của oxy. Tỏc giả Calas đó chứng minh là U+4 cú tớnh tan cao trong dung dịch silicat cú oxy kộm linh động. Điều này phự hợp với mối quan hệ giữa urani và thori trong đỏ magma: urani tồn tại ở hoỏ trị IV rất lõu và cú đặc điểm húa học như là thori và cả hai đều cú xu hướng tập trung cỏc khoỏng vật thuộc giai đoạn magma muộn. Khi tớnh năng động của oxy tăng lờn thỡ urani hoỏ trị VI đi vào dung dịch magma silicat nhiều hơn. Vỡ tớnh linh động của ụxy tăng lờn, nờn urani và thori khụng đi cựng nhau trong quỏ trỡnh địa hoỏ, mà chỳng được vận chuyển và tập trung theo phương thức khỏc nhau.
Cỏc khoỏng vật urani sau khi được hỡnh thành do tỏc động kiến tạo và địa chất làm cho cỏc tập đỏ chứa quặng urani lộ ra trờn bề mặt của trỏi đất. Dưới sự tỏc động của quỏ trỡnh phong hoỏ, búc mũn, đặc biệt là vai trũ của nước và khụng khớ [2] đó xảy ra phản ứng hydrat hoỏ, ion U hoỏ trị IV tiếp tục oxy hoỏ theo phản ứng:
UO2+X (nasturan)+ 2H2O + O2 = UO2(OH)2H2O (scupit)
Scupit kộm bền vững ở mụi trường ngoại sinh giàu nguyờn tố vi lượng trong dung dịch phong hoỏ nờn xảy ra phản ứng để tạo thành cỏc khoỏng vật bền vững hơn trong mụi trường mới:
UO2(OH)2H2O + Ca2+, (SiO3)2- → Ca(UO2)(SiO3)(OH)2.H2O (Uranofan) Ca2+, (PO4)3- → Ca(UO2)5(PO4)(OH)4.10H2O (Fotfuranilit) Ba2+, (VO4)3- → Ca(UO2)2(PO4)2.nH2O (Autunit)
Mg2+ → Ba(UO2)2(PO4)2.12H2O (Tobecnit) Fe2+ → Mg(UO2)2(PO4)2.8H2O (Saleit)
→ UO2CO3 (Rutherfordin)
→ (Ba, Pb)(UO2)2(UO4)2.5H2O (Fransetvilit) → Ca(UO2)(VO4)2(5-8)H2O (Tuyamunit) + Urani hoỏ trị VI: trong nước tự nhiờn khi ỏp xuất khớ CO2 là 10-2 atm và ở điều kiện oxy hoỏ thỡ ion uranyl là dạng phổ biến nhất trong dung dịch axit cú pH ≤ 5,0 thỡ uranyl tạo thành 3 phức hoà tan khỏc nhau UO2CO3 khụng bị ion hoỏ và hai phức carbonat mang điện õm là UO2(CO3)22-, UO2(CO3)34-.
Cỏc khoỏng vật asenat urani và silicat urani khỏ phổ biến ở hàm lwongj thớch hợp HA3O42- và SiO32+ cú thể kết hợp với ion urani trong mụi trường để hỡnh thành phức photphat urani và carbonat urani.
Sự cú mặt của cỏc ion kim loại như Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+... làm cho khả nang hoà tan của hợp chất urani giảm đi, do đú cỏc khoỏng vật urani được thành tạo. Một số khoỏng vật rất bền vững, tuy nhiờn cũng cú một số khoỏng vật rất dễ bị hoà tan, tớnh tan của cỏc khoỏng vật này được theo thứ tự tăng dần: carbonat → sulphat → photphat → asenat → silicat → vanadat.
b. Địa hoỏ hữu cơ: mối liờn hệ chặt chẽ giữa urani và một số vật chất hữu cơ đó được chứng minh trong nhiều cụng trỡnh trong và ngoài nước. Cỏc vật chất hữu cơ tự nhiờn hấp thụ được urani đều chứa nhúm mang ụxy. Cỏc hợp chất urani hữu cơ và vụ cơ đều cú điểm tương đồng là urani hoặc ion uranyl liờn kết với nguyờn tử oxy trong cỏc hợp chất cơ chế để urani thành tạo cỏc phức chất hữu cơ hoà tan là trao đổi ion, hấp thụ hoỏ học...
Cỏc chất hữu cơ urani cú quan hệ nhiều là humit, chỳng cú nguồn gốc từ chất mựn hoặc vật chất hữu cơ do sự phõn huỷ khụng hoàn toàn sinh vật (than bựn, linhit, than đỏ, bựn trong đầm hồ, đầm lầy...).
Nhiều nhà nghiờn cứu trờn thế giới như Walker, Leven Thal Moore, Pommer... đó nhận định “nếu mụi trường địa hoỏ giàu vật chất hữu cơ và H2S thỡ đầu tiờn vật chất hữu cơ sẽ hấp thụ urani, sau đú urani bị khử bởi vật chất hữu cơ và H2S”.
2.1.2.3. Nguồn phúng xạ tự nhiờn
Nguồn phúng xạ được chia làm 2 loại gồm: nguồn phúng xạ tự nhiờn (natural radioactive source) và nguồn phúng xạ nhõn tạo (artificial radioactive source). Nguồn phúng xạ tự nhiờn là cỏc chất đồng vị phúng xạ cú mặt trờn trỏi đất, trong nước và trong bầu khớ quyển. Cũn nguồn phúng xạ nhõn tạo do người chế tạo ra bằng cỏch chiếu cỏc chất trong lũ phản ứng hạt nhõn hay mỏy gia tốc.
Nguồn phúng xạ tự nhiờn gồm cỏc nhõn phúng xạ trong vỏ trỏi đất tồn tại từ khi trỏi đất được hỡnh thành. Nguồn phúng xạ tự nhiờn cú khoảng 20 nguồn gồm U235, U238, U244, Th232, Ra226, K40, Rb87, La138, Sm147, Lu176, Re137,… Tuy nhiờn cú 6 nguồn cơ bản cú nhõn là U235, U238, U244, Th232, Ra226, K40, trong sỏu nguồn cơ bản này cú 3 nguồn chủ đạo gồm U235, U238, Th232.
Năm 1896, nhà bỏc học người Phỏp Becquerel phỏt hiện ra chất phúng xạ tự nhiờn, đú là urani và con chỏu của nú. Đến nay người ta biết cỏc chất phúng xạ trờn trỏi đất gồm cỏc nguyờn tố urani, thori và con chỏu của chỳng, cựng một số nguyờn tố phúng xạ khỏc. Urani, thori và con chỏu của chỳng tạo nờn 3 họ phúng xạ cơ bản là họ thori (Th232), urani (U238) và actini (U235). Tất cả đều là đồng vị phúng xạ trừ Pb206 của dóy phúng xạ U238; Pb207 của dóy phúng xạ U235; Pb208 của dóy phúng xạ Th232.
Urani gồm 3 đồng vị khỏc nhau, đồng vị phúng xạ U238 và U234 thuộc cựng một họ, gọi là họ urani, cũn U235 là thành viờn đầu tiờn của một họ khỏc, gọi là actini. Th232 là thành viờn đầu tiờn của họ thori. Họ phúng xạ thứ tư là họ phúng xạ nhõn tạo, được gọi là họ neptuni (Th228). Ba họ phúng xạ tự nhiờn cú đặc điểm chung là thành viờn thứ nhất, là đồng vị phúng xạ sống lõu với thời gian bỏn ró được đo theo cỏc đơn vị địa chất. Điều này được minh họa bằng họ phúng xạ nhõn tạo Neptunium, trong đú thành viờn thứ nhất là nguyờn tố siờu urani Pu241, được sinh ra khi chiếu Pu239 trong trường neutron. Thời gian bỏn ró của Pu341 là 13 năm.
Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phúng xạ tự nhiờn là mỗi họ đều cú một đồng vị phúng xạ dưới dạng khớ phúng xạ, chỳng là đồng vị khỏc nhau của nguyờn tố radon. Nếu là họ urani là khớ Rn222 được gọi là radon, trong họ thori là khớ Rn220 được gọi là thoron, trong họ actini là khớ Rn219 gọi là cactinon. Trong khi dóy đồng vị phúng xạ neptuni khụng đồng vị phúng xạ dưới dạng khớ phúng xạ.
Trong ba loại khớ phúng xạ thỡ radon đúng vai trũ quan trọng nhất vỡ nú cú thời gian bỏn phõn ró là 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với phõn ró của thoron (52 giõy) và actinon (3,92 giõy). Trờn quan điểm về an toàn bức xạ, sự chiếu ngoài của radon và con chỏu của chỳng lờn con người khụng tỏc hại bằng sự chiếu trong của chỳng khi con người hớt thở bụi cú nhõn phúng xạ bỏm vào, vỡ chỳng là cỏc nhõn phỏt ra cỏc tia alpha. Hàm lượng radon trong khụng khớ phụ thuộc vào hàm lượng urani trong đất, đỏ; cỏc mỏ, điểm mỏ urani hoặc cỏc mỏ sản cú chứa nguyờn tố urani.
2.1.2.4. Cỏc bức xạ của nguyờn tố phúng xạ
Bức xạ (ion hoỏ) tỏc dụng sinh học của bức xạ ion hoỏ tương tỏc với vật chất gõy ra ion hoỏ, kớch thớch hoặc phỏ huỷ nguyờn tử và phõn tử của vật chất, đối với sức khỏe con người, quan trọng nhất là cỏc dạng cú thể xuyờn qua vật chất và làm cho nú bị điện tớch hoỏ hay ion hoỏ. Nếu bức xạ ion hoỏ thấm vào cỏc mụ sống, cỏc ion được tạo ra đụi khi ảnh hưởng đến quỏ trỡnh sinh học bỡnh thường. Tiếp xỳc với bất kỳ loại nào trong số cỏc loại bức xạ ion hoỏ (bức xạ alpha, beta, cỏc tia gamma, tia X và nơtron) đều cú thể ảnh hưởng tới sức khoẻ.
+ Bức xạ alpha: bao gồm cỏc phần tử nặng mang điện tớch dương hoặc cỏc tập hợp gồm hai proton và hai notron được phỏt ra bởi cỏc nguyờn tử của cỏc nguyờn tố nặng như urani, radi, radon và plutoni. Trong khụng gian, bức xạ alpha khụng truyền xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da con người. Song, nếu hấp thụ vào cơ thể qua đường hụ hấp hoặc tiờu hoỏ cỏc chất phỏt ra tia alpha (cỏc đồng vị phúng xạ của urani, thori) sẽ gõy tỏc hại cho con người.
Hỡnh 2.1. Bức xạ ion hoỏ và tấm che chắn
+ Bức xạ beta: bao gồm cỏc điện tớch nhỏ và cú khả năng xuyờn thấu mạnh hơn tia alpha. Tuy nhiờn, tia beta cú thể bị cản lại bởi tấm nhựa hoặc kim loại mỏng, tia này cú thể làm tổn thương lớp da bảo vệ, rất nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ thể những đồng vị phúng xạ của urani, thori phỏt ra tia beta.
+ Bức xạ gamma là năng lượng súng điện từ cú bước súng ngắn và cú độ xuyờn thấu mạnh hơn, khi tia gamma đi vào vật chất, cường độ của nú cũng bắt đầu giảm. Tia gamma cú thể bị cản bởi tấm chỡ hoặc bờ tụng, tia này khi tiếp xỳc với da sẽ làm tổn hại da và cỏc mụ ở bờn trong.
+ Bức xạ tia X: giống như bức xạ gamma, nhưng bức xạ gamma được phỏt ra bởi hạt nhõn nguyờn tử, cũn tia X do con người tạo ra trong một ống tia X mà bản thõn nú khụng cú tớnh phúng xạ.
+ Bức xạ Nơtron được tạo ra trong quỏ trỡnh phỏt điện hạt nhõn, nú khụng mang điện tớch nờn cú sức xuyờn phỏ lớn. Khi tiếp xỳc với cỏc hạt nhõn cú thể tạo ra cỏc tia gamma, alpha, beta…
2.1.2.5. Tớnh cú lợi, cú hại của nguyờn tố phúng xạ
a. Đặc tớnh cú lợi của phúng xạ: chất phúng xạ núi chung và urani, thori núi riờng được sử dụng rộng rói trong cuộc sống:
+ Trong sản xuất cỏc sản phẩm tiờu dựng như đồng hồ phỏt quang, thiết bị phỏt hiện hoả hoạn…
+ Trong cụng nghiệp: sử dụng cỏc nguồn phúng xạ và cỏc thiết bị hạt nhõn để xõy dựng cỏc hệ đo và tự động húa trong cỏc dõy chuyền sản xuất của cỏc nhà mỏy như: đo mức của cỏc bể đựng phối liệu của cỏc nhà mỏy xi măng và nhà mỏy giấy; xỏc định mức trong cỏc hộp bia và nước giải khỏt; xỏc định độ ẩm và mật độ giấy trong cỏc nhà mỏy giấy; cỏc hệ đo phúng xạ trong cỏc giếng khoan của cụng nghiệp dầu khớ... Trong lĩnh vực khai thỏc dầu khớ, kỹ thuật đỏnh dấu phúng xạ được sử dụng để xỏc định mặt cắt nước bơm ộp trong cỏc giếng bơm ộp, hiện tượng ngập lụt trong cỏc giếng khai thỏc của mỏ dầu Bạch Hổ.
+ Điện hạnh nhõn: được sử dụng rộng rói ở cỏc nước trờn thế giới cung cấp một lượng lớn năng lượng điện phục vụ cho cỏc ngành cụng nghiệp, nụng nghiệp... + Trong nụng nghiệp: bức xạ mạnh đó được sử dụng thành cụng trong việc phỏt triển cỏc giống cõy lương thực và cõy trồng khỏc cho sản lượng cao hơn, chống chịu tốt hơn với điều kiện thiờn nhiờn và sõu bệnh…
+ Trong lĩnh vực y tế cỏc ứng bức xạ dựa vào khả năng của chất bức xạ cho phộp nhỡn xuyờn qua và khả năng diệt cỏc tế bào của cỏc bức xạ mạnh như chụp X