PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT TÁCH HÓA URANIUM VÀ PLUTONIUM

SỬ DỤNG CỘT TÁCH SẮC KÝ TOPO

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những thập kỷ vừa qua, việc xác định hoạt độ thấp các đồng vị phóng xạ tự nhiên như

Uranium, thorium, radium và polonium đã và đang là một trong những chủ đề thu hút sự quan

tâm của nhiều nhà phân tích vật lý hạt nhân. Có thể nói cho đến nay, hệ phổ kế alpha được biết

đến như là một công cụ đắc lực phục vụ cho rất nhiều phép phân tích cũng như nghiên cứu trong

lĩnh vực khoa học kỹ thuật hạt nhân. Tuy nhiên, khi phân tích các đồng vị phóng xạ bằng hệ phổ

kế alpha thì việc chuẩn bị hay tạo ra mẫu đo cần phải thỏa mãn được các yêu cầu của phép phân

tích như mẫu mỏng, độ phân giải phổ alpha tốt, sự mất năng lượng là tối thiểu…

Về cơ bản, việc xác định các đồng vị phóng xạ phát alpha bằng hệ phổ kế bao gồm 3 bước chính:

(1) Mẫu được xử lý hóa học

(2) Tách hóa các đồng vị quan tâm

(3) Tạo nguồn alpha phù hợp với hệ đo

Trong đó, quá trình tách hóa các đồng vị quan tâm tốn nhiều thời gian và công sức hơn cả vì nó

ảnh hưởng đến việc tạo mẫu đo thỏa mãn được các yêu cầu của phép phân tích. Cụ thể, thực hiện

tách hóa các đồng vị phóng xạ sẽ tránh được tình trạng chồng chập đỉnh phổ của các đồng vị

phát cùng năng lượng. Nhờ đó, ta biết chính xác trong mẫu phân tích bao gồm những đồng vị

nào với hoạt độ bao nhiêu.

Thông thường, các kỹ thuật tách hóa các đồng vị quan tâm bao gồm các phương pháp như : đồng

kết tủa, trao đổi ion, chiết lỏng – lỏng.

Trong bài viết, tác giả sử dụng phương pháp trao đổi ion với chất trao đổi là tri – octyl –

phosphine oxide (TOPO) được sản xuất bởi hãng MERCK để thực hiện tách hóa Uranium và

Plutonium.

Hình 1 -

Hình 1 cho ta thông tin phổ Uranium trong trường hợp không tách hóa các nguyên tố nhiễu gây

sai lệch ra khỏi mẫu phân tích. Việc phân tích hoạt độ phóng xạ của 234U bị sai lệch do có sự

đóng góp của 2 nguyên tố nhiễu khác đó là 226Ra và 230Th. Điều này có nghĩa rằng, để thu được

kết quả phân tích chính xác thì việc tách các nguyên tố nhiễu ra khỏi mẫu phân tích phải được

thực hiện một cách cẩn thận với hiệu suất tách hóa cao.

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Đặc điểm hạt alpha

Hiện tượng một hạt nhân nặng có khối số A, nguyên tử số Z tự động phát ra hạt alpha He24 để trở

thành một hạt nhân khác có số khối giảm 4 đơn vị (A-4) và nguyên tử số giảm 2 đơn vị (Z – 2) là

phân rã alpha. Phân rã alpha được miêu tả như sau :

XZA → α + YZ−2

A−4

Hạt alpha bị hấp thụ mạnh bởi môi trường, nên quãng chạy của nó trong môi trường rất bé nên

dễ bị vật liệu hấp thụ. Do vậy bức xạ alpha từ nguồn ngoài chiếu vào cơ thể ít bị nguy hiểm,

người ta tính được quãng chạy của hạt alpha năng lượng cao khi đi trong không khí cũng chỉ

khoảng 9cm. Điều này nói lên rằng hạt alpha rất dễ bị mất năng lượng khi tương tác với môi

trường vật chất. Đây cũng chính là khó khăn chung trong việc chuẩn bị mẫu đo và ghi nhận hạt

alpha bằng hệ phổ kế alpha.

2. Tương tác của hạt alpha với vật chất

Khi đi qua môi trường vật chất, hạt alpha tương tác với các electron môi trường bằng trường điện

từ của mình và đưa các electron này đến các mức năng lượng cao hơn ( kích thích nguyên tử )

hay bứt các electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử ( ion hóa ). Trong mỗi lần tương tác không đàn hồi

như vậy hạt sẽ mất một phần nhỏ năng lượng của mình và tạo ra một cặp ion dương – electron.

Số lượng cặp ion do hạt alpha tạo ra xác định mật độ ion hóa ban đầu.

Năng lượng trung bình mà hạt mất đi để ion hóa và kích thích nguyên tử trên 1cm đường đi của

môi trường cho trước được gọi là độ mất năng lượng ion hóa riêng (dE/dx) cho bởi công thức

Bethe

−dEdx

=4 π z2 e4 ne

m0 v2 {ln2 m0 v2

I− ln ( 1−β2 )−β2}

Trong đó :

z : điện tích của hạt

ne : số electron trên một đơn vị thể tích của môi trường ne = ZNa/A

Na : số Avogadro

: mật độ của môi trường vật chất

A, Z : lần lượt là số khối và bậc số nguyên tử của môi trường

m0 : khối lượng electron

v : vận tốc của hạt

I : năng lượng ion hóa trung bình

= v/c

3. Quãng chạy của hạt alpha

Các hạt tích điện khi đi qua môi trường vật chất thì bị mất dần năng lượng do sự va chạm không

đàn hồi và đến một lúc nào đó nó phải dừng lại, nghĩa là nó có quãng chạy hữu hạn trong môi

trường. Sự mất mát năng lượng mang tính chất thống kê nên ta chỉ xét khái niệm quãng chạy

trung bình R của hạt. Về mặt lý thuyết, sự phụ thuộc quãng chạy R vào năng lượng E có thể xác

định theo biểu thức

R = ∫E 0

0dE

dE /dx

Các hạt tích điện khi va chạm với các electron của nguyên tử môi trường có thể bị lệch hướng.

Sự lệch hướng do tán xạ Coulomb đàn hồi của hạt với các hạt nhân đóng vai trò đáng kể và có

khi lệch trên 90o (tán xạ ngược). Vì vậy khái niệm “ quãng chạy thực” của hạt và bề dày hấp thụ

hoàn toàn không đồng nhất với nhau. Nhưng trong thực nghiệm chỉ xác định được bề dày hấp

thụ và đại lượng này được gọi là quãng chạy.

4. Đặc điểm đồng vị Uranium và Plutonium

- Đồng vị 238U phát alpha năng lượng 4,198 MeV (77,5%) và 4,151 MeV (22,3%). Chu kỳ bán

rã 4,5.109 năm

- Đồng vị 240Pu phát alpha năng lượng 5,168 MeV (72,74%) và 5,123 MeV (27,16%). Chu kỳ

bán rã 6,56.103 năm

II. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT TÁCH HÓA URANIUM VÀ PLUTONIUM

SỬ DỤNG CỘT TÁCH SẮC KÝ TOPO

Qúa trình tách hóa tiến hành bởi cột tách sắc ký sử dụng tri – n – octylphosphine – oxide

(TOPO) làm chất tách. Qúa trình tách được thực hiện trong cột tách chứa bột silicagel được phủ

lớp TOPO. Plutonium và Uranium được giữ lại ở lớp silicagel phủ TOPO, trong khi Americium,

các sản phẩm phân rã và các thành phần khác thì không được giữ lại. Plutonium được thu lại bởi

axit ascorbic, uranium được thu lại bởi ammonium carbamate.

Các loại thuốc thử được sử dụng trong thí nghiệm

(1) Dung dịch Axit nitric HNO3 6M và 3M

(2) Dung dịch Axit formic HCOOH 1M

(3) Dung dịch Ammonium carbamate NH4CO2NH2 0,7M

(4) Bột silicagel

(5) Dung dịch Axit ascorbic C6H8O6 10-5M

(6) Dung dịch Tri – n – octylphosphine – oxide (TOPO) 0,2M

(7) Dung dịch sắt (II) sulphate FeSO4 0,1M

(8) Dung dịch natri nitric NaNO2 1M

Bọc TOPO vào bột silicagel

1. Rửa bột silicagel

- Cân 40g bột silicagel vào cốc rồi rửa với 100mL dung dịch HNO3 3M. Trộn đều mỗi 10 phút

trong vòng nửa tiếng.

- Khi huyền phù hình thành thì đổ qua giấy lọc, loại bỏ phần axit dư

- Rửa bột silicagel với nước cất rồi đổ qua giấy lọc, loại bỏ phần nước dư. Tiến hành khoảng 10

lần để đảm bảo không còn axit dư.

- Để bột khô tự nhiên trong một cốc lớn khoảng 48 giờ.

2. Cân 30g bột silicagel đã được rửa và để khô vào cốc

3. Đặt cốc ở nơi thoáng khí và thêm vào 45g dung dịch TOPO 0,2M

4. Khuấy mạnh và nhanh bằng muỗng nhựa để bột silicagel ướt và được phủ đều dung dịch

TOPO

5. Đổ hỗn hợp ra cốc lớn, rải đều và để khô. Để trong phòng thoáng khí và không đậy nắp trong

ít nhất 48 giờ.

6. Cất trữ bột vào chai nhựa và sử dụng bất cứ khi nào cần.

Chuẩn bị cột tách sắc ký

- Sàng bột silicagel đã bọc TOPO qua một cái sàng 0,25mm để đảm bảo không có tảng lớn vật

liệu cho vào cột

- Sử dụng phễu đổ bột silicagel đã bọc TOPO vào cột, sau đó lấy phễu ra.

- Thêm 2x1mL dung dịch HNO3 3M vào cột và để cho dung dịch chảy hết qua lớp TOPO.

- Khi axit chảy qua hết, cột tách đã sẵn sàng cho quá trình tách.

Qúa trình tách hóa Uranium và Plutonium

1. Mẫu chứa Plutonium và Uranium trong 0,5mL dung dịch HNO3 3M.

2. Thực hiện quá trình oxi hóa khử để đảm bảo tất cả đồng vị của Pu ở hóa trị (V) trước khi bắt

đầu tách

(a) Thêm 50L dung dịch FeSO4 vào mẫu

(b) Trộn và chờ khoảng 5 phút để Pu (VI) hay Pu (IV) chuyển về hóa trị (III)

(c) Thêm 50L dung dịch NaNO2 để ...

3. Đổ một nửa mẫu đã được xử lý vào cột, đợi khoảng 1 phút, cho phần còn lại của mẫu vào và

để nó chảy xuống. Cách làm này giúp giữ lại Pu và U ở lớp trên của cột.

4. Rửa lọ chứa mẫu với 0,5mL HNO3 3M và đổ vào cột

5. Loại bỏ các sản phẩm phân rã bao gồm Americium bằng cách cho vào cột 4x1mL dung dịch

HNO3 3M

6. Để chuẩn bị cho việc tách Pu, cho vào cột 2x0,5mL dung dịch HCOOH 1M. Bỏ dung dịch thu

được

7. Tách Pu bằng cách cho vào cột 5x1mL dung dịch axit ascorbic Dung dịch thu được dùng để

chuẩn bị cho quá trình mạ điện phân

8. Rửa trôi “đuôi” của Pu bằng 2x1mL dung dịch axit ascorbic và loại bỏ dung dịch thu được

9. Để chuẩn bị cho việc tách U, cho vào cột 2x1mL nước cất. Bỏ dung dịch thu được

10. Tách U bằng 4mL dung dịch ammonium carbamate Dung dịch thu được dùng để chuẩn bị

cho quá trình mạ điện phân

Dung dịch mẫu

Qúa trình oxi hóa khử :Toàn bộ Pu chuyển về hóa trị V

Đổ dung dịch mẫu vào cột tách sắc ký

Rửa trôi Americium và các sản phẩm phân rã

Chuẩn bị cho việc tách Pu

Tách Pu

Rửa trôi “đuôi” của Pu

Chuẩn bị cho việc tách U

Tách U

4 x 1mL HNO3 3M

2 x 0,5mL FA 1M

5 x 1mL AA/FA

2 x 1mL AA/FA

2 x 1mL nước cất

4 x 1mL NH4CO2NH2

Loại bỏ

Loại bỏ

Pu

Loại bỏ

Loại bỏ

U

AA : Axit ascorbic

FA : Axit formic

Hình : Qúa trình tách hóa Uranium và Plutoniumsử dụng cột tách sắc ký TOPO

Qúa trình mạ điện phân

Sau khi kết thúc quá trình tách chiết, dung dịch Uranium có nồng độ 1mg/mL được tạo thành

bằng cách pha XXX mg uranyl acetate vào 100mL dung dịch HNO3 nồng độ 0,1M.

Trước khi bắt đầu quá trình mạ điện phân tạo nguồn alpha, các đĩa thép không gỉ cần được làm

sạch bề mặt với axit loãng hoặc dung dịch acetone để xóa hết những vết hữu cơ còn tồn đọng.

Bước chuẩn bị đĩa thép không gỉ cho việc này rất quan trọng vì nó quyết định đến chất lượng

nguồn alpha được tạo ra tốt hoặc xấu thông qua khả năng bám dính tốt, không bị bong ra hay bề

mặt không có dạng cát… Như vậy, mẫu sau khi điện phân được xem là đạt yêu cầu khi nó có bề

mặt mạ bóng, mịn, không bị bong, chịu sự va chạm cơ học (ma sát nhẹ) và có độ bám chắc cao.

Ngoài ra, dung dịch đệm cũng đóng vai trò khá quan trọng trong việc làm tăng khả năng dẫn điện

và phân cực tốt giữa anot và catot để quá trình điện phân diễn ra thuận lợi, kết quả đạt yêu cầu.

Dung dịch đệm được sử dụng trong thí nghiệm này là iso propyl alcohol.

Đo và xử lý phổ alpha

Sau khi kết thúc quá trình mạ điện phân Uranium và Plutonium lên đĩa thép không gỉ, ta sử dụng

phần mềm Gennie 2K kết nối với hệ đo alpha tiến hành đo lần lượt phổ của Uranium và

Plutonium.

- Chuẩn năng lượng

- Chuẩn hiệu suất

- Lấy diện tích đỉnh

Tính hoạt độ từ công thức

Ađo = St∗ε DET∗V

Trong đó :

A là hoạt độ riêng ( Bq/L)

S là diện tích đỉnh phổ

t là thời gian đo (s)

DET là hiệu suất DET

V là thể tích (L)

Hiệu suất tách hóa được tính từ công thức

tách = Ađo

A tt

NHẬN XÉT VÀ KIẾN NGHỊ

Việc phân tích các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường thường được thực hiện thông qua các

kỹ thuật cũng như các hệ đo như sau :

- Hệ đo tổng alpha, beta

- Hệ đo nhấp nháy lỏng

- Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy

- Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

- Kỹ thuật đo khí radon

- Hệ phổ kế alpha độ phân giải cao sử dụng đầu dò bán dẫn đo trực tiếp mẫu

- Hệ phổ kế alpha độ phân giải cao sử dụng đầu dò bán dẫn sử dụng chất đánh dấu và kỹ thuật

hóa phóng xạ

Trong đó, phương pháp hệ phổ kế alpha có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp còn lại trong

việc xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường ở mức thấp như :

- Xác định được hầu hết các đồng vị phát alpha trong khả năng cho phép với độ nhạy cao, phông

phóng xạ thấp.

- Việc sử dụng các đồng vị phóng xạ đánh dấu ( tracer ) phát alpha cùng các mẫu chuẩn đối

chiếu, cung cấp nhiều thuận lợi trong việc thực hiện cũng như phát triển các quy trình tách hóa.

Khi đó nếu quy trình tách hóa và tạo mẫu ổn định thì sai số trong phép phân tích giảm một cách

đáng kể và hầu như chỉ phụ thuộc vào thống kê số đếm, độ chính xác của việc chuẩn và khối

lượng mẫu phân tích

- Xác định được hầu hết các đồng vị phát alpha trong các chuỗi phân rã phóng xạ như : 238U, 235U, 234U, 232Th, 230Th, 228Th, 226Ra, 224Ra, 210Pb, 210Po, 239Pu, 240Pu, 241Am…

Cũng như các phương pháp khác, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định :

- Đòi hỏi phải sử dụng những dung dịch chuẩn hay những dung dịch có chứa đồng vị đánh dấu

khi thực hiện phép phân tích

- Tốn nhiều thời gian cho việc thực hiện các quy trình tách hóa