Các hạt nano mới mang lại hứa hẹn về hiệu quả của thuốc phóng xạ

Nội dung text: Các hạt nano mới mang lại hứa hẹn về hiệu quả của thuốc phóng xạ

1. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN CÁC HẠT NANO MỚI MANG LẠI HỨA HẸN VỀ HIỆU QUẢ CỦA THUỐC PHÓNG XẠ (RADIOPHARMACEUTICALS) Nguyễn Thị Thanh Thủy Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Các nghiên cứu đánh giá tác động của các sản phẩm phân hạch phát ra từ nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) khi xảy ra sự cố trở nên rất được quan tâm sau vụ tai nạn TMI (Three Mile Island). Các chất phóng xạ có thể được phát tán ra môi trường thông qua sự rò rỉ của nhà lò phản ứng do có sự hỏng hóc hoặc bỏ qua sự ngăn chặn trong nhà lò phản ứng. Trong môi trường nhà lò phản ứng, chúng trải qua các quá trình vật lý và hóa hóa chi phối hành vi và nồng độ của chúng, điều này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ phóng xạ phát thải ra ngoài môi trường. Chính vì vậy, chương trình IRIS (Iodine Retention In Solution) đã được chúng tôi xây dựng và phát triển dựa trên chương trình tính toán SPARC và BUSCA hiện có, nhằm cải thiện và giảm thiểu sự bất định về các hiện tượng cụ thể liên quan đến hóa lý của iốt phóng xạ đối với một tai nạn nghiêm trọng trong NMĐHN. Ảnh hưởng của độ pH trong dung dịch đối với các quá trình biến đổi của iốt dễ bay hơi được đánh giá trong phạm vi bài báo. Kết quả tính toán cho thấy, với dung dịch có tính kiềm cao thì khả năng bắt giữ iốt trong dung dịch tăng từ 10 đến 100 lần trong môi trường không chiếu xạ và khả năng bắt giữ giảm khoảng từ 10 lần trước và sau khi bị tác động của bức xạ gamma. Để đạt được hiệu quả tốt nhất cho việc bắt giữ nguồn phóng xạ iốt trong dung dịch, thì việc duy trì dung dịch có độ kiền cao trong điều kiện tai nạn nghiêm trọng là yếu tố quyết định kiên quyết. Tuy nhiên, độ pH lại phụ thuộc rất nhiều vào sự hình thành các chất axit trong dung dịch bởi sự tương tác giữa các cấu trúc vật liệu được giải phóng từ nhiên liệu cũng như trên bề mặt của thành lò phản ứng. 1. MỞ ĐẦU ra ngoài hệ thống làm mát và tồn tại trong nhà lò Các nghiên cứu đánh giá tác động của các sản phản ứng (Hình 1) [1]. Hơn nữa, chúng trải qua phẩm phân hạch phát ra từ nhà máy điện hạt nhân các quá trình lý hóa nhằm chi phối hành vi và (NMĐHN) khi xảy ra sự cố trở nên rất được quan nồng độ của chúng trong không gian nhà lò, điều tâm sau vụ tai nạn TMI (Three Mile Island). Các này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sản phẩm phân hạch có thể được phát ra môi nồng độ phát tán của chúng ra ngoài môi trường trường thông qua sự rò rỉ của nhà lò phản ứng do [2]. có sự hỏng hóc hoặc vượt qua sự ngăn chặn trong Hình 2 cho thấy hành vi chung của các sản nhà lò phản ứng, thông qua ba giai đoạn: quá trình phẩm phân hạch trong nhà lò phản ứng do tai giải phóng sản phẩm phân hạch ra khỏi nhiên liệu nạn nghiêm trọng trong nhà máy điện hạt nhân. bị đứt gãy, quá trình vận chuyển ở hệ thống làm Một lượng lớn các sản phẩm phân hạch được giải mát lò phản ứng (RCS) và hành vi của chúng khi phóng từ RCS ở dạng hạt sol khí (aerosol) được Số 68 - Tháng 9/2021 29
2. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN giải phóng vào nhà lò, ngoại trừ khí hiếm, iốt và phận lọc nước của hệ thống thông hơi cho nhà lò ruthenium có thể một phần vẫn ở dạng khí trong phản ứng (CFVS), dưới dạng Cs+ và I-. Tuy nhiên, một số trường hợp nhất định. các hợp chất iốt không bay hơi có thể phản ứng + Các sản phẩm phân hạch có thể được thu giữ đáng với các sản phẩn của nước phóng xạ như OH, H , kể trong nhà lò phản ứng theo nhiều cơ chế khác H2O2, HO2 để hình thành nên các iốt dễ bay hơi I2 nhau, bao gồm các quá trình loại bỏ tự nhiên hoặc trong nhà lò phản ứng. các đặc tính thiết kế an toàn của nhà máy. Cơ chế loại bỏ tự nhiên chính là sự lắng đọng, hấp thụ hơi trên bề mặt cấu trúc và sự lọc rửa bằng nước (scrubbing). Các tính năng an toàn chính được thiết kế để loại bỏ sản phẩm phân hạch bao gồm hệ thống phun nước trong nhà lò phản ứng hay các hệ thống lọc khí được lắp đặt bên trong và bên ngoài nhà lò phản ứng. Hình 2. Hành vi chung của sản phẩm phân hạch do tai nạn nghiêm trọng trong nhà lò phản ứng Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ giải phóng của iốt trong pha khí, một trong những yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến trạng thái tồn tại của iốt ở pha khí hay pha nước, điều này được thể hiện qua độ lớn của hệ số phân tách IPC hay hệ số khử nhiễm DF, đó chính là nồng độ pH trong dung dịch. Do vậy mà trong bài báo này, chúng tôi Hình 1. Quá trình từ số hạng nguồn phóng xạ đến sẽ tập trung khảo sát ảnh hưởng của nồng độ pH môi trường bên ngoài trong dung dịch iốt thông qua sử dụng chương trình IRIS đã được xây dựng cho mục đích này. Iốt phóng xạ là một trong những sản phẩm phân Cấu trúc của chương trình gồm ba phần chính: hạch nguy hiểm nhất được thải ra từ nhiên liệu các mô hình cho thủy động lực học trong bể lọc, của lò phản ứng hạt nhân trong một vụ tai nạn mô hình trạng thái cân bằng của iốt và phân bố nghiêm trọng. Iốt giải phóng từ nhiên liệu tồn tại của iốt trong môi trường chiếu xạ. dưới nhiều dạng hóa học khác nhau như: phân tử I2 (Iodine) ở dạng dễ bay hơi, CsI (Cesium Io- dide) ở trạng thái hạt sol khí hay iốt hữu cơ (CH3I) 2. LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH v.v Nhưng theo tính toán động học trong các thí Một luồng khí bao gồm cả các chất phóng xạ thoát nghiệm ở điều kiện tai nạn nghiệm trọng, phần ra từ hệ thống RCS do sự chênh lệch áp suất đến lớn chúng tồn tại dưới dạng các hạt sol khí, ổn nhà lò hay qua đường dẫn thông hơi đến hệ thống định trong môi trường nhà lò phản ứng. FCVS, một số hạt trong số chúng sẽ được giữ lại Các hạt sol khí CsI có thể hòa tan, trong bể chứa trong bể nước bởi quá trình lọc rửa. Quá trình nước của nhà lò phản ứng, buồng ngăn hoặc bộ này được xác định bởi hệ số khử nhiễm DF, là tỷ 30 Số 68 - Tháng 9/2021
3. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN số giữa khối lượng ban đầu của chất phóng xạ với Phản ứng iốt trong môi trường nước có phóng khối lượng cuối cùng sau khi nó đi qua bể nước là xạ bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng, bể chứa trong Trong môi trường chiếu xạ, phản ứng oxy hóa các hệ thống lọc rửa nhà lò phản ứng (FCVS), hay nguyên tố iốt với các sản phẩm của nước phóng hệ thống sparging. Các trường hợp sau cần phải xạ trở nên quan trọng, chính các phản ứng đó lại được xem xét trong hệ số IPC. dẫn đến sự tái hình thành của các phân tử I2 dễ Phản ứng iốt trong môi trường nước không bay hơi trong dung dịch. Một số các phản ứng chứa phóng xạ trên có thể kể ra là: Trường hợp iodine trong dung dịch ban đầu tồn tại dưới dạng iốt không bay hơi, I-, được chuyển thành I2 dưới điều kiện oxy hóa bởi sự có mặt của phần tử oxy trong không khí, (1) Các phần tử I2 tồn tại ở dạng không bền vững trong môi trường nước. Do vậy, chúng có xu hướng chuyển thành các dạng iốt khác ở trạng thái bền vững hơn trong dung dịch nước pha loãng thông qua các phản ứng sau: Tuy nhiên, việc xác định tốc độ của tất cả các phản ứng hóa học là khá phức tạp vì iốt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau từ -1 - - - đến +7 như I , I2, HIO, IO2 , IO3 , v.v và chúng lại là hàm của thời gian được xem xét. Nồng độ cân bằng của các thành phần iốt khác nhau trong dung dịch được xác định thông qua Tốc độ bay hơi của I2 trong dung dịch được xác các hằng số cân bằng Keq tương ứng với các phản định bởi các hệ số k1 và k2 và các điều kiện ban ứng (2 – 5), cùng với việc giả định rằng, tổng đầu khác như liều chiết xạ, độ pH, thời gian chiếu nồng độ của iốt trong nước là không đổi và sự xạ v.v cân bằng điện tích được thiết lập giữa các chất Một chương trình iốt với tên gọi là IRIS phản ứng và sản phẩm trong dung dịch. Khi đó, (Iodine Retention In Solution) được xây dựng sự phân bố này sẽ được xác định theo hàm của nhằm đánh giá độ bất định về khả năng bắt giữ nồng độ I và I-. 2 iốt dưới điều kiện khác nhau như nhiệt độ, vận Ngoài các thành phần nói trên, người ta cũng tốc dịch chuyển của các bong bóng trong môi - thấy rằng sự chuyển đổi của HOI sang dạng IO3 trường nước, pH, nồng độ iốt khác nhau trong thông qua phản ứng (6) trở nên quan trọng khi dung dịch, đồng thời với nó thì mô hình đánh nồng độ pH trong dung dịch tăng, giá mối tương quan mới để ước tính nồng độ iốt (6) trong dung dịch axit dưới điều kiện chiếu xạ cũng được thực hiện. Sơ đồ tính toán của chương trình Số 68 - Tháng 9/2021 31
4. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN IRIS được thể hiện tóm tắt như trong Hình 3 [3]. Nồng độ I2 trong dung dịch giảm, tương ứng với hệ số phân tách giữa pha khí và lỏng (IPC) trong dung dịch pH tăng và IPC ở trạng thái cân bằng tăng nhanh khi giá trị pH trong dung dịch lớn hơn 6 (Hình 5). Hình 3. Sơ đồ tính hệ số khử nhiễm DF của iốt trong dung dịch (chương trình IRIS) Hình 5. Hệ số phân tách giữa pha khí và pha lỏng 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÌNH LUẬN của iốt ở nhiệt độ phòng ở pH khác nhau Chương trình IRIS được sử dụng để xem xét sự Sự phân bố của hỗn hợp iốt hoàn tan trong dung phụ thuộc của nồng độ iốt dễ bay hơi I2 theo độ dịch trải qua nhiều phản ứng hóa học khác nhau pH trong dung dịch. Hình 4 cho thấy nồng độ I2 và trạng thái bền của nó phụ thuộc vào độ pH của giảm đáng kể khi độ pH trong dung dịch lớn hơn dung dịch. Điển hình như nguyên tố HOI tăng -5 6. Với nồng độ ban đầu I2 nhỏ (≤ 10 M) thì gần nhanh ở dung dịch có pH ≥8 (Hình 6). như toàn bộ I2 được bắt giữ trong dung dung ở pH = 10. Còn đối với trường hợp ban đầu, nồng -4 độ I2 ≥ 10 M, thì khả năng bắt giữ của dung dịch có tính kiềm (pH = 10) vào khoảng 10 đến 100 lần. Hình 6. Sự phân bố của các nguyên tố iốt bởi quá trình hydo hóa ([I]o = 2.0 x 10-3M) Sự tái bay hơi của iốt được bắt giữ trong dung dịch cũng được đánh giá theo thời gian chiếu xạ và độ pH. Các giá trị DF và nồng độ I được được Hình 4. Sự thay đổi của nồng độ I dễ bay hơi 2 2 so sánh trước và sau chiếu xạ tương ứng với độ tương ứng với độ pH trong dung dịch 32 Số 68 - Tháng 9/2021
5. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN pH khác nhau trong dung dịch (Hình 7). Kết quả xây dựng để đánh giá lượng iốt dễ bay hơi trong cho thấy, giá trị DF giảm đi khoảng 10 lần so với môi trường nước dưới điều kiện tai nạn nghiêm trước chiếu xạ dưới suất liều tương ứng 1.25Gy/ trọng. IRIS được xây dựng dựa trên việc lựa chọn hr trong 3.0 giờ với dung dịch có nồng độ iốt là các mô hình có sẵn trong SPARC và chương 10-4 M. trình tính toán BUSA, đồng thời bổ sung thêm mối tương quan động học cho quá trình tái bay hơi của nguyên tử iốt. Cấu trúc của chương trình gồm ba phần: các mô hình thủy động lực học trong bể, mô hình cân bằng của iốt và phân bố của iốt trong môi trường chiếu xạ. Ảnh hưởng độ pH đối với các quá trình bay hơi của iốt trong dung dịch được đánh giá ở đây. Kết quả tính toán cho thấy, độ pH càng cao thì lượng iốt được bắt giữ trong dung dịch càng cao, với hiệu suất từ 10 đến 100 lần trong môi trường không chiếu xạ. Tuy nhiên, khả năng bắt giữ của Hình 7. Giá trị DF trước và sau chiếu xạ với suất bể lọc giảm khoảng 10 lần dưới tác động của bức -4 liều 1.25Gy/hr trong 3.0 giờ ở nồng độ iốt (10 M) xạ gamma. Để đạt được hiệu quả tốt nhất cho Tương ứng với nó thì nồng độ bay hơi của iốt việc bắt giữ iốt trong dung dịch, thì việc duy trì cũng tăng lên khoảng 10 sau chiếu xạ. Tuy nhiên, điều kiện kiềm trong dung dịch (pH > 8) là trở sự chênh lệch này là không đáng kể đối với dung nên quan trọng. sự hình thành các chất axit trong dịch có độ pH cao (Hình 8). dung dịch bởi sự tương tác giữa các cấu trúc vật liệu được giải phóng từ nhiên liệu cũng như trên bề mặt của thành lò phản ứng. Ngoài ra, hệ thống màng lọc cũng cần phải được lắp đặt phù hợp đối với từng kích thước hay nồng độ của chúng, đó có thể là công việc tiếp theo của nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B.R. Sehgal, et. al. “Sarnet lecture notes in nuclear reactor severe accidentphenomenology”, Sep. 2008. Hình 8. Sảm phẩm I2 dưới ảnh hưởng của suất liều [2] L. Soffer, et. al., “Accident Source Teens for Light 1.25 Gy/s trong vòng 3.0 giời với các trường hợp: Water Nuclear Power Plans”, USNRC, NUREG-1465, 1.E-3 và 1.0E-4 M CsI 1995. [3] Thi Thanh Thuy Nguyen, Kwang Soon Ha, Jin Ho Song & Sung Il Kim, “An Estimation of Volatile Iodine 4. KẾT LUẬN in a Pool at Low pH and High Iodide Concentrations Under Irradiation”, Nuclear Science and Engineering, Trong bài báo này, chương trình IRIS đã được Feb 2019 Số 68 - Tháng 9/2021 33