MỞ ĐẦU

Một trong những nhiệm vụ của khoa học pháp y hạt nhân là tìm ra nhiều thông tin và số liệu về vật liệu hạt nhân bị thu giữ để hỗ trợ cơ quan điều tra trong việc xác định nguồn gốc của vật liệu. Thông tin về ngày sản xuất của vật liệu là một trong những thông tin quan trọng. Bên cạnh đó còn có các thông tin quan trọng khác như thành phần đồng vị, cấu trúc vật lý, các tạp chất hóa học,…Đặc biệt, đối với trường hợp thanh nhiên liệu Uran đã được làm giàu nếu biết được ngày sản xuất có thể giúp các chuyên gia phán quyết nó có nguồn gốc từ các vũ khí dư thừa hay mới được sản xuất. Biết được tuổi của đồng vị Uranium được làm giàu là rất quan trọng cho việc xác định các vật liệu mới được tạo ra.

Để xác định tuổi của các thanh nhiên liệu có những phương pháp khác nhau như sử dụng khối phổ kế hoặc phổ kế anpha. Nhưng đây là những phương pháp phá hủy mẫu đã biết từ rất lâu trước đây. Dựa vào đặc điểm bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên lớn và dựa vào đặc điểm của dãy phóng xạ Uran, phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân của Viện Khoa học Đồng vị Phóng xạ Hungary đã phát triển một phương pháp mới xác định tuổi vật liệu bằng cách sử dụng phổ kế gamma.

Hiện nay các lò phản ứng hạt nhân đều sử dụng đồng vị phóng xạ 235U. Tuổi của thanh nhiên liệu được tính từ thời điểm kết thúc quá trình làm giàu 235U.

Năm 2001 nhóm công tác kỹ thuật quốc tế về chống buôn bán bất hợp pháp vật liệu hạt nhân (ITWG) đã tổ chức tiến hành thử nghiệm trên mẫu Round-Robin để đánh giá khả năng của một số phòng thí nghiệm pháp y hạt nhân, 2g mẫu ở dạng bột cùng được gửi đến các phòng thí nghiệm. Các phòng thí nghiệm đã báo cáo các thông tin thu được từ các mẫu nhận được sau thời gian một ngày, một tuần và hai tháng khi nhận được mẫu. Các thông tin yêu cầu bao gồm: thành phần đồng vị, nguyên tố, khối lượng vật liệu hạt nhân…và thông tin về tuổi của mẫu. Bốn trong số chín phòng thí nghiệm tham gia báo cáo tuổi của vật liệu. Ba phòng thí nghiệm đo tuổi bằng cách sử dụng khối phổ kế. Còn phòng thí nghiệm của Viện Khoa Học Đồng vị phóng xạ Hungary đã tiến hành xác định tuổi theo phương pháp phổ kế gamma. Trong quá trình làm giàu 235U các nguyên tố khác đều được tách khỏi hoàn toàn, chỉ còn các đồng vị của Uran. Như vậy thanh nhiên liệu Uran đã được làm giàu, chưa được sử dụng tại thời điểm ban đầu tuổi bằng không, chỉ có ba đồng vị Uran là 238U, 234U và 235U. Do chu kỳ bán rã của 238U là rất lớn (4,5.109 năm) vì vậy số hạt nhân 234U có trong thanh nhiên liệu do 238U phân rã thành có thể bỏ qua. Điều này có nghĩa trong thanh nhiên liệu có 3 đồng vị 238U, 234U và 235U. Các đồng vị trong dãy phân ra của 234U là kết quả phân ra của 234U sau khi được làm giàu phân rã về. Dựa vào mối liên quan giữa hoạt độ phóng xạ của 214Bi và hoạt độ phóng xạ của 234U thì có thể ước tính được tuổi của mẫu. Cụ thể 214Bi có trong thanh nhiên liệu là sản phẩm của 234U sau khi được làm giàu phân rã về. Trên cơ sở này, đã phát triển một phương pháp mới xác định tuổi cho thanh nhiên liệu Uran bằng cách sử dụng phổ kế gamma.

Tỷ số hoạt độ phóng xạ giữa đồng vị con cháu và mẹ là hàm của thời gian phân rã được sử dụng rộng rãi để xác định tuổi của mẫu phóng xạ. Đặc biệt, đo tỷ số hoạt độ 241Am/241Pu bằng phổ kế gamma là một phương pháp không phá hủy mẫu nổi tiếng để xác định tuổi Plutoni. Trong trường hợp của thanh nhiên liệu Uran, xác định tuổi là khó khăn hơn vì những đồng vị tự nhiên của Uranium có chu kỳ bán rã rất dài, vì vậy chỉ một lượng nhỏ các hạt nhân con cháu được sinh ra. Cụ thể, tuổi của vật liệu hạt nhân lâu nhất là một vài chục năm, chỉ rất ngắn so với chu kỳ bán rã của các đồng vị Uranium mẹ.

Phương pháp xác định tuổi thanh nhiên liệu bằng phương pháp chuẩn trong được TS. Nguyên Công Tâm Viện khoa học Đồng vị phóng xạ Hungari đề xuất [1,2] được Bộ môn Vật lý hạt nhân Trường Đại học khoa học Tự nhiên triển khai và phát triển từ năm 2009. Bản khóa luận của Bùi Minh Huệ đề cập đến phương pháp xác định tuổi thanh nhiên liệu được làm giàu với hàm lượng 235U cỡ 36%. Trong bản luận văn này, tập trung vào phương pháp xác định tuổi các thanh nhiên liệu được làm giàu cao, độ giàu của 235U lên tới 90%. Do chu kỳ bán rã của 235U nhỏ hơn chu kỳ bán rã của238U cỡ 6,5 lần, nhưng độ giàu của 235U cao hơn 9 lần so với 238U. Vì vậy độ phóng xạ của thanh nhiên liệu này lớn hơn nhiều so với thanh nhiên liệu được làm giàu thấp. Hơn nữa đỉnh phổ của 235U được xác định trên nền Compton của các bức xạ gamma do 235U phát ra. Phương pháp xác định tuổi sẽ có nhiều điểm khác với phương pháp xác định tuổi thanh nhiên liệu làm giàu với độ giàu 235U thấp.

Bản luận văn với đề tài: “Xác định tuổi của thanh nhiên liệu đã được làm giàu bằng phương pháp phổ gamma” tập trung nghiên cứu tổng quan lý thuyết về chuỗi phân rã phóng xạ Uran, tìm hiểu thí nghiệm và phương pháp thực nghiệm, phân tích và đánh giá số liệu xác định tuổi của thanh nhiên liệu Uran đã làm giàu cao, hàm lượng 235U lên tới 90%. Thí nghiệm đã sử dụng dụng hệ phổ kế gamma với detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe) model GLP-10180/07 với tinh thể có đường kính 10mm, chiều dài 7mm do hãng ORTEC sản xuất để đo bức xạ gamma có năng lượng thấp và sử dụng Detector Germanium đồng trục thể tích 150cm3 (Detector đồng trục trong “PIGC 3520” sản xuất bởi PGT) phân giải năng lượng 1,97keV tại đỉnh năng lượng 609,3 keV của 214Bi để đo các bức xạ gamma có năng lượng cao. Hai Detector này đặt tại Viện Khoa học Đồng vị phóng xạ Hungary.

Phần thực nghiệm đo phổ gamma của mẫu nhiên liệu hạt nhân được làm giàu thực hiện tại Viện Khoa học đồng vị phóng xạ Hungari. Phần xử lý số liệu được thực hiện tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, DDHQGHN. Ngoài Phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung bản luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: Chuỗi phân rã phóng xạ tự nhiên Uran và phổ gamma ghi nhận bởi Detector bán dẫn siêu tinh khiết Germanni

Chương 2: Phương pháp không phá hủy mẫu xác định tuổi của thanh nhiên liệu Uran bằng phổ kế gamma

Chương 3: Kết quả và thảo luận, trình bày các kết quả thực nghiệm thu được và các so sánh, đánh giá về tuổi của thanh nhiên liệu.

KẾT LUẬN

Bản luận văn trình bày phương pháp thực nghiệm XÁC ĐỊNH TUỔI CỦA THANH NHIÊN LIỆU ĐÃ ĐƯỢC LÀM GIÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA. Các kết quả đạt được bao gồm:

- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về các chuỗi phân rã phóng xạ của các đồng vị Uran trong tự nhiên và phương pháp phân tích phổ gamma ghi nhận bởi Detector bán dẫn siêu tinh khiết Germanni.

- Tìm hiểu các kỹ thuật đo đạc phổ gamma và tiến hành thực nghiệm xử lý phổ gamma, phân tích số liệu cũng như một số phép hiệu chỉnh sai số nâng cao kết quả thực nghiệm.

- Tìm hiểu phương pháp không phá hủy mẫu xác định tuổi của thanh nhiên liệu Uran bằng phổ kế gamma bằng phương pháp chuẩn trong.

- Tiến hành xác định tuổi của thanh nhiên liệu Uranium đã được làm giàu cao.

Kết quả luận văn chỉ ra rằng phương pháp phổ gamma và phương pháp chuẩn trong được trình bày trong luận văn cho phép xác định tuổi của thanh nhiên liệu với độ chính xác tương đương với các phương pháp khác. Ưu điểm của phương pháp phổ gamma xác định tuổi của thanh nhiên liệu được trình bày trong luận văn đó là phương pháy không phá hủy mẫu, không cần mẫu chuẩn và đặc biệt áp dụng cho mẫu có hình dạng bất kỳ.

Ngoài ra tuổi thanh nhiên liệu được xác định thông qua tỷ số hoạt độ của các đồng vị trong các dãy 232U, 234U, 235U, 238U. Kết quả tuổi của mẫu vật thu được cũng tương đương với kết quả về tuổi ở phòng thí nghiệm có uy tín. Điều này chứng tỏ các hiệu chỉnh để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ của 232U, 234U, 235U và 238U đạt được độ chính xác cao. Phương pháp chuẩn trong được trình bày trong luận văn có thể áp dụng đánh giá độ giàu của đồng vị thanh nhiên liệu. Đây cũng chính là công việc dự định tiếp tục triển khai sau này.

Bên cạnh đó, qua việc thực hiện bản luận văn , tác giả đã có được những kinh nghiệm đáng quý trong việc giải quyết một bài toán nghiên cứu thực nghiệm vật lý hạt nhân cũng như bổ sung thêm các kiến thức cơ bản và kỹ năng thực nghiệm cần thiết.