HÓA HỌC PHÓNG XẠ TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÍ MÔI TRƯỜNG
************

Báo cáo bài tập lớn

Đề tài: HÓA PHÓNG XẠ

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Lê Anh Đức

Nhóm sinh viên thực hiện: Phan Hoàng Anh
Ngô Văn Dương
Nguyễn Văn Ngoan
Hoàng Hữu Thái

Hà nội, tháng 4/2018


BỐ CỤC BÀI BÁO CÁO

Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện

Phần II: Mô hình chuỗi các sản phẩm phân hạch.

Phần III: Các kĩ thuật hóa học phóng xạ

Phần IV: Thảo luận

1

Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
1. Các kĩ thuật phân tích hạt nhân
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

2


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
1. Các kĩ thuật phân tích hạt nhân

 Mục tiêu cuối cùng của hóa học phân tích: xác định, tách và định lượng các thành phần hoá học của vật liệu.
a. Phân tích định tính: xác định loại, các thành phần (các nguyên tố, các phần tử,...) trong các vật liệu đã nghiên cứu.
b.Tách các thành phần.
c. Phân tích định lượng :xác định tuyệt đối hoặc tương đối nồng độ thành phần trong vật liệu.
d. Phân tích hóa học vật liệu phóng xạ: các phương pháp đặc biệt.
e. Các điểu kiện vật lý hóa học khắc nghiệt trong các nhà máy điện hạt nhân :nhiệt độ, áp suất, bức xạ ion hóa.......

3


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Khối quang phổ (MS)
Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Phân tích kích hoạt notron (NAA)
Phân tích huỳnh quang tia X (XRS)
Chụp cắt lớp vi tính (CT)

Quang phổ Mössbauer (Mössbauer spectroscopy)
Phép sắc kí .

4


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Khối quang phổ (MS)

Khối quang phổ đầu tiên



Các tính chất chính của khối quang phổ.

Francis William Aston 1919

+ Phân tích định tính và định lượng.
+ Khối lượng tối thiểu của mấu phân tích < ng-mg.
+ Giới hạn phát hiện tối thiểu.
+ Độ nhạy.
+ Tính chọn lọc.

5


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Khối quang phổ (MS)
 Các thành phần chính của khối quang phổ:
 Nguồn ion.
 Nam châm ( magnet)
 Đầu dò.
 Hiệu suất hoạt động của khối quang phổ
 tạo ra ion dương ở dang khí
 chùm ion => q/m tỉ lệ điện tích trên khối lượng => sự tách
biệt trong điện tích và/hoặc từ trường



lựa chọn theo góc xung lượng năng lượng và vận tốc_thời

gian bay (TOF-MS)

6


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

Phun trong ICP( phổ plasma ghép đôi cảm ứng)

7

Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
 Nguồn Ion


cường độ điện trường : E= 10^7-10^8 v/cm => phát xạ

điện tử



nhiệt ion hóa : W_(bề mặt) => 2000^o C



sự ion hóa điện tử(e) gây ra bởi chùm điện tử (e)



plasma ghép đôi cảm ứng (Inductively coupled plasma)



phương trình ion hóa:



ion hóa điện tử : CH4 + e- → CH4+ + 2e-



sản suất plasma do va chạm

8


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
 Plasma ghép đôi cảm ứng:
 Các phân tử của mẫu va chạm với khí Ar và ion hóa chúng
 Ar plasma => Ar+ va chạm với mẫu nguyên tử
 Kích thích tần số cao: 27 MHz
 Nhiệt độ của plasma :T= 6-10.10^13 K
1.Ar+ +e-=Ar
2.M+ +e-=M
σ2≪σ1

 Bộ chọn tốc độ:
Máy phân tích khối lượng tứ cực (Quadrupole mass analyzer)





dòng điện 1 chiều trực tiếp được áp dụng vào 2 que
điện áp RF được áp dụng cho 2 que

điện trường RF=> chuyển động của ion

9


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích kích hoạt nowtron (NAA)

Phổ số đếm theo năng lượng

Thắc mắc hỏi thầy Khang

10


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích kích hoạt notron (NAA)
 Thuận lợi.


nhạy với các nguyên tố vi lượng



phương pháp đa nguyên tố



không có hiệu ứng ma trận (Matrix-effect is not available)



phương pháp không phá hủy

 Khó khăn.


nguồn notron thông lượng cao là cần thiết



cần có quang phổ gamma độ phân giải cao



đắt tiền và phương pháp hạt nhân
11


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích kích hoạt notron (NAA)

 : độ phổ cập của đồng vị
m : khối lượng mẫu

M:nguyên tử lượng đồng vị
: thời gian kích hoạt
:thời gian phân rã
Λ: hằng số phân rã
: thông lượng notron nhiệt
:tiết diện phản ứng
: thông lượng notron trên nhiệt
N : diện tích đỉnh phổ( số đếm)
: hệ số tự hấp thụ
: hiệu suất ghi của detector
: thời gian đo

12


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Xác định các thành phần cơ bản:


không làm hư hại mẫu

=> không chuyển hóa vật chất



Tức thời



Nhanh chóng






Kích thích bằng tia X:
ED-XRF: (energy dispersive- X-ray fluorescence analysis): phân tán năng lượng
WD-XRF(wavelength dispersive_........): độ dài sóng phân tán_......
µXRF : chùm nhỏ => synchrotron

13


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Kích thích bằng điện tử: EPMA(Electron Probe Micro Analysis): phân tích thăm
dò vi điện tử

 PIXE: phát xạ tia X gây ra bởi hạt (Thắc mắc liên hệ thầy Khang)

14


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.

2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Nguyên tắc phân tích tia X


Xác định thành phần



Tiêu chuẩn có thể bị bỏ qua ( standard can be neglected)



Phân tích tại chỗ và tại hiện trường

 Mẫu:


khoáng chất



hợp kim



mẫu sinh vật



Các hợp chất

15


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Phân tích huỳnh quang tia X bằng ống tia X


X-ray tube with air-cooling : Ống tia X với không khí làm mát



Side-window water cooled X-ray tube: nước lạnh lấy từ bên cửa sổ của ống tia X

16


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Phân tích tự động


Chùm tia X phân cực



E = 1keV - 100 keV



Đầu dò HPGe-Be, cửa sổ polymer



Phân tích các nguyên tố có nguyên tử khối lớn

17


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Phân tích huỳnh quang tia X với nguồn phóng xạ
o

Hiệu chuẩn:

1. Các phương pháp thực nghiệm

•

Hiệu ứng ma trận: Đường cong hiệu chuẩn bị ảnh hưởng bởi thành phần

của ma trận

•

Sử dụng tài liệu tham khảo chuẩn

•

Hiệu chuẩn bên trong

•

Phương pháp bổ sung

•

Mẫu mỏng

18


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Phân tích huỳnh quang tia X với nguồn phóng xạ
o

Hiệu chuẩn:

2. Các phương pháp toán học

•

Mô tả mối quan hệ toán học giữa nồng độ của các nguyên tố mẫu và cường độ tia X đặc trưng
của chúng

•

Hiệu ứng ma trận: hiệu chỉnh bằng lý thuyết

•

Hiệu quả nâng cao: kích thích bởi bức xạ X

của các nguyên tố mẫu

19


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)


Mô hình toán học của quá trình XRF:

•

Enhancement effect : Hiệu ứng nâng cao

20


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)


Phân tích vật liệu phóng xạ.

•

Rất nhiều thành phần mẫu

•

Hoạt động trung bình: 10 - 300 kBq

•

Quang phổ XRF + gamma

21


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 Nguyên lý hoạt động của tính năng quét kính hiển vi điện tử (Operation principle of scanning electron
microscope)

22


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phân tích huỳnh quang tia X(XRS)
 EPMA = Electron Probe Micro Analysis: thiết bị vi phân tích đầu dò điện tử.

23


Phần I: Các phương pháp phân tích hạt nhân trong nhà máy điện.
2. Phương pháp hạt nhân trong phân tích hóa học

Phép sắc kí ( Chromatography)




Tách các thành phần từ hỗn hợp
Hỗn hợp hòa tan trong chất lỏng => pha động
Giai đoạn di động di chuyển qua một giai đoạn cố định => ác thành phần trong giai đoạn di
chuyển di chuyển với tốc độ khác nhau





Sự phân ly.
Ống: các hạt rắn phủ lỏng pha tĩnh
Màng mỏng: cellulose, silica gel, ...

 





Khí Sắc ký: pha động là khí
HPLC = high performance liquid chromatography: sắc kí lỏng hiệu năng cao.
Sắc ký trao đổi ion: các đặc tính tích điện trên bề mặt của các hạt rắn: anion, cation => làm
sạch trong NPP

25