Array

GVHD: ThS.Lê Công Hảo
SVTH :Phan Hoàng Chinh
Nguyễn Công Điền
Phạm Văn Nhân
Nguyễn Văn Duẫn

S4
Ứng Dụng phương pháp
Đánh Dấu Đồng Vị Phóng Xạ Trong Công Nghiệp
NỘI DUNG
I.Phương pháp đánh dấu đồng vị
II.Ứng dụng phương pháp trong công nghiệp
Xác định độ hư mòn của động cơ.
Trong các phép đo,kiểm tra liên tục
Một số ứng dụng kỹ thuật trong đo lưu lượng
Trong thăm dò dầu khí
III.Lời kết


I.Phương pháp đánh dấu đồng vị phóng xạ .
A.Nguyên Tắc
Đồng vị phóng xạ của một nguyên tố có cùng tính chất hóa học giống đồng vị bền.Do đó nếu trộn một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ với đồng vị bền của một nguyên tố rồi theo dõi sự thay đổi hoạt độ của đồng vị phóng xạ trong quá trình vật lý,hóa học…mà nguyên tố đó tham gia,người ta có thể biết được một số tính chất của quá trình đó.
Kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ ngày càng được áp dụng rộng rãi vì người ta đã chế tạo được rất nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo của hầu hết các nguyên tố.
B.Một số chất đồng vị phóng xạ thường dùng trong công nghiệp
II.Ứng dụng phương pháp trong Công Nghiệp
1.Xác định độ hư mòn của động cơ .
a) Nguyên tắc của phương pháp
Trong phương pháp nghiên cứu sự ăn mòn,chẳng hạn các vòng bi của một động cơ,sắt của vòng bi được làm cho trở thành đồng vị phóng xạ bằng cách đưa vòng bi vào chiếu xạ neutron của lò phản ứng.
Do phản ứng 58Fe(n,γ) 59Fe mà đồng vị bền 58Fe trở thành phóng xạ.Vòng bi có tính phóng xạ này được đặt vào trong động cơ.Độ hư mòn của vòng bi xem như là một hàm của các thông số vận hành và các điều kiện kĩ thuật khác như loại dầu bôi trơn,nhiệt độ ,tốc độ…Đo hoạt độ phóng xạ của dầu bôi trơn ta sẽ biết được độ hư mòn của vòng bi.
b) Độ nhạy của phương pháp
Giả sử vòng bi được chiếu xạ neutron sao cho mỗi gam sắt của vòng bi có hoạt độ phóng xạ là 1mCi vào thời điểm bắt đầu thí nghiệm .giả sử vòng bi nặng 100g đặt trong xylanh của động cơ có 1 lít dầu bôi trơn.
Ta đặt câu hỏi :hoạt độ phóng xạ tối thiểu trong 1 lít dầu là bao nhiêu mà ta có thể đo được bằng các detector thông thường ?
Các lượng tử gamma phát ra từ dầu chứa một lượng nhỏ thép hư mòn của vòng bi có năng lượng tương đối lớn nên có thể ghi nhận bằng các detector thông thường chẳng hạn detector nhấp nháy NaI .
Giả sử các detector được che chắn giảm phông để còn vận tốc đếm phông là 25 xung/s.Nếu theo tiêu chuẩn thì ngưỡng ghi sẽ là 15 xung/s.Như vậy một hoạt độ chẳng hạn 30 xung/s có thể ghi được dễ dàng .Mẫu đo là 1 lít dầu bôi trơn.Nếu hiệu suất ghi của detector NaI là 20% hoạt độ phóng xạ tối thiểu của mẫu được tính là :

Tốc độ đếm/Hiệu suất ghi

Nếu tính ra mCi thì hoạt độ đó bằng 2.10-6 mCi
Hoạt độ phóng xạ này tương ứng với một lượng sắt hư mòn là bao nhiêu?
Như trên đã giả thiết hoạt độ phóng xạ ban đầu của vòng bi là 1mCi cho 1 gam sắt .Do đó lượng sắt hao mòn trong thí dụ này có giá trị là 2.10-6g.
Fe-59 β-
45% E(β- )=0,3-0,5 Mev
45 ngày 1,292 Mev
55% 1,095Mev



Co-60 bền
Hình 1: Sơ đồ phân rã Fe-59
2. Trong các phép đo,kiểm tra liên tục
A.Phép đo bề dày.
Hai kiểu bố trí hình học thường được áp dụng là :Đo truyền qua và đo tán xạ
a)Dùng các đồng vị phát β.
Đó là trường hợp đối với vật liệu nhẹ hoặc bề dày không lớn .Thí dụ ( 90Sr-90Y) bọc trong vỏ nhôm mỏng chỉ các β năng lượng 2,2 Mev đi qua .
Trong hình học đo truyền qua đại lượng chỉ thị bề dày x sẽ là :


Trong đó I0 là hoạt độ của nguồn phóng xạ đo được đối với bề dày x0 được chọn ứng với điểm 0 của thang đo






Hình 2: a) Hình học đo truyền qua ,b) hình học đo tán xạ , B là giá đỡ mẫu
Hệ số hấp thụ (hay suy giảm) μ có giá trị tùy thuộc vào bản chất của vật liệu cần đo bề dày .Nếu là phép đo tán xạ thì đại lượng chỉ thị bề dày x sẽ có dạng


Trong đó IA và IB chỉ cường độ chùm tia tán xạ trên bề mặt vật liệu A và giá đỡ B. Với bề dày đủ lớn của giá đỡ B ta có
Bề dày của giá đỡ B được coi là “đủ lớn” là bề dày được tính bằng 0,116 E0,67g/cm2 ,trong đó E tính bằng Mev là năng lượng lớn nhất của hạt β phát ra từ nguồn đồng vị .Đồng vị phát bức xạ β thường được dùng để đo các bề dày từ 1 đến 1200 mg/cm2 tùy theo khả năng đâm xuyên của các hạt β của nguồn đồng vị .
Đối với vật liệu chẳng hạn như plastic dầy 4mg/cm2 nếu dùng bức xạ β năng lượng 0,22 Mev của đồng vị 147Pm để xác định bề dầy thì có thể đạt độ chính xác tương đối Δx/x cỡ 1%
b)Nếu là các vật liệu nặng hoặc bề dày lớn .
Thí dụ các lớp thép dày hàng chục cm thì người ta dùng các đồng vị phát bức xạ gamma chẳng hạn 137Cs (Eγ=0,662 Mev )hoặc 60Co (Eγ=1,17 Mev và 1,33 Mev ).
Độ chính xác của phép đo có thể đạt Δx/x~3÷4% đối với các tấm thép dầy một vài cm .
c)Nếu là các vật liệu rất nhẹ hoặc bề dày nhỏ .
Cỡ 5mg/cm2 hoặc nhỏ hơn thì dùng các nguồn phát các hạt α hoặc các nguồn tia X tạo bởi bức xạ β hoặc γ hãm trên các vật liệu chọn lọc
B)Phép đo mức ,thể tích ,lưu lượng chất lỏng.
a)Đo mức chất lỏng .
Nếu dùng hình học hấp thụ thì nguồn phóng xạ gamma và detector được để ở hai phía đối diện qua bể chất lỏng .Sự hấp thụ của chất lỏng đối với bức xạ gamma sẽ làm cho số đếm trên detector giảm xuống từ đó xác định được vị trí mức chất lỏng trong bể .
Nếu dùng hình học đo tán xạ thì detector được để gần nguồn phóng xạ nhưng không ghi các bức xạ trực tiếp phát ra từ nguồn .Sự tăng của số đếm gamma khi xảy ra tán xạ từ bề mặt của chất lỏng cho ta biết thông tin về mức chất lỏng .
Nếu đo trực tiếp thì nguồn phóng xạ được để ở đỉnh của bể kín còn detector ghi bức xạ được đặt trên phao nổi trên mặt chất lỏng .Tùy theo vị trí của mức chất lỏng mà detector ghi được số đếm khác nhau (mức chất lỏng càng thấp số đếm càng giảm ).
b)Đo thể tích chất lỏng .
Trong một số trường hợp bình chứa có hình dạng không thể xác định được bằng tính toán .Thể tích của chất lỏng chứa trong bình đó có thể xác định bằng cách hòa trộn một lượng xác định đồng vị phóng xạ vào chất lỏng.Sau đó người ta đo hoạt độ phóng xạ của chất lỏng trong bình đã hòa tan chất phóng xạ .
c) Đo vận tốc, lưu lượng chất lỏng .
Có 2 kiểu đo :Dùng 1detector hoặc 2 detector
Phương pháp đo được minh họa trên hình 3









Trong phương pháp dùng 2 detector : vận tốc chất lỏng là D/τ còn lưu lượng được tính bằng cách nhân với tiết diện ngang S của đường ống
3)Một số ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ đo lưu lượng
a)Sự hư hỏng ống dẫn nước trong các nồi hơi :
Na-24 dưới dạng chất mang 24NaCO3 tim vào ống tại vị trí I .xung tương ứng được ghi nhận hai detector 1 và 2.lưu lượng dòng được xác định từ việc đo tốc độ xung cho thấy rằng nước cung cấp từ các nhánh là không đều.Các nhánh 5 và 6 được phát hiện là cung cấp lưu lượng lớn hơn các nhánh khác và kết quả của sự phân phối chênh lệch này là dẫn tới làm hỏng nồi hơi.bằng cách điều chỉnh sự phân phối giữa các nhánh đồng đều hơn sau khi đã phát hiện được các nhánh có lưu lượng bất thường sẽ làm tăng tuổi thọ của nồi hơi

Hình 4:Sự phân phối nước trong một nồi hơi
b)Xác định chỗ hư hỏng trong một chu trình lớn
Một ví dụ khác của việc đo tốc độ xung là xác lập bản chất của sự cố trong nhà máy sản xuất adipic-acid.Vấn đề ở đây là người ta quan sát thấy sự thoát ra với số lượng lớn của khí nitrogen oxides mặc dù nhánh rẽ tới phần hấp thụ được cách ly.
Dùng đồng vị Ar-41 tiêm vào vị trí I để cho lưu lượng tới phần hấp thụ được đo bởi các detector 1 và 2.Lưu lượng nhánh rẽ được xác định bởi detector 3 là không có xung tương ứng.Tuy nhiên việc kiểm tra đã cho thấy một lưu lượng đáng kể đã đi qua van nhánh rẽ.như vậy cần thay van mới để giảm thời gian dòng xuống

Hình 5: Đo lưu lượng nhánh rẽ trong nhà máy sản xuất adiipic-acid
c)Đo lưu lượng và kiểm tra tình trạng đường ống vận chuyển ở khoảng cách xa
Khí 41Ar cũng được dùng để đo lưu lượng khí tự nhiên để xác định tình trạng ống dẫn .Sự mài mòn quá trình tích tụ bụi và chất lỏng làm giảm đáng kể lưu lượng trong ống dẫn tới làm tăng chi phí vận chuyển .41Ar có thời gian sống đủ lâu cho việc thực nghiệm và cũng phân rã đủ nhanh để dư lượng chất phóng xạ còn lại ảnh hưởng tới nhân viên là có thể bỏ qua .41Ar phát gamma tương đối cứng (1294 Kev ) nên có thể đặt detector bên ngoài ống để ghi nhận .Với cường độ khoảng 2mCi được tim vào ống bởi một hệ khí nén Nitơ áp suất cao có thể đo trong khoảng cách 15 Km với áp suất trong ống là 40 atm.
d)Xác định lưu lượng bằng phượng pháp phun với tốc độ không đổi để kiểm tra lại cân trọng lượng trực tiếp.
Để thực hiện điều này ,người ta đo lưu lượng của chất lỏng từ bể dự trữ trong suốt thời gian chất lỏng được dẫn vào xe bồn .Xe bồn đậu tại vị trí kiểm tra của cân trọng lượng do đó trọng lượng của chất lỏng được vận chuyển có thể được kiểm tra trực tiếp .Chất lỏng được dẫn đến bởi cái bơm B từ bể dự trữ .Đường ống có đường kính khoảng 3inch ,dài xấp xỉ 120 feet do đó có thể tim chất đánh dấu tại vị trí I và lấy mẫu tại vị trí D.Cùng với một số nhánh khác (không được thể hiện trên hình )đồng vị đánh dấu 82Br dưới dạng chất mang para-dibrombenzence được pha trộn với chất lỏng trong bình dự trữ để đo lưu lượng.
Sau khi tiến hành lấy mẫu ta sẽ đo mẫu và đo hoạt độ chất mang ban đầu với cùng thể tích và nhiệt độ quy chiếu để xác định lưu lượng qua ống .Khối lượng của chất lỏng chuyển qua ống có thể tính được từ lưu lượng vừa xác định và đem so sánh chúng với khối lượng đo bằng cân trực tiếp .
Hình 6:So sánh giữa đo bằng phương pháp phun với tốc độ không đổi với đo bằng cân trực tiếp
e)Khảo sát dòng thải ở các nơi sản xuất hóa chất lớn .
Nhu cầu kiểm soát dòng thải vào môi trường trở nên quan trọng trong những thập kỉ vừa qua.Có hàng trăm nhà máy sản xuất hóa chất lớn có dòng thải đóng góp vào hệ thống chất thải .
Do đó cần phải có phương tiện chính ,nhanh chóng và tiện lợi để đo lưu lượng một số lượng lớn dòng thải trên một phạm vi rộng .
Phương pháp phun với tốc đọ không đổi thích hợp với những yêu cầu trên vì chúng không phụ thuộc vào dạng hình học của ống nơi mà chất thải không cần chứa đầy hoặc phải giữ lại . Với phần lớn nhánh thải ,tại áp suất môi trường ,không có sự trở ngại nào cho việc tim chất mang đồng vị đánh dấu ,việc lấy mẫu cũng rất đơn giản có thể thực hiện liên tục và có thể đo tại nơi sản xuất mà không cần mang về phòng thí nghiệm để phân tích .
4)Trong thăm dò dầu khí .
Qui trình kỹ thuật của nó được các chuyên gia hạt nhân mô tả sơ lược: chất đánh dấu đồng vị phóng xạ được bơm vào mỏ qua các giếng bơm ép để theo dõi sự di chuyển của nước bơm ép, theo đó giúp kiểm soát và điều chỉnh quá trình khai thác dầu, nâng cao hiệu suất thu hồi... Kỹ thuật này có tính khả thi rất cao, nhất là khi xử lý đối với các mỏ có đá móng nứt nẻ, nhiệt độ cao...  
Nguyên lý của nó là dùng các hạt nhuộm phóng xạ - gọi là hạt đánh dấu - hòa với nước bơm vào để chúng bám vào thành đá vỉa trong giếng khoan. Sau đó dùng thiết bị đo trong lỗ khoan dò phóng xạ do các hạt đánh dấu phát ra để xác định lượng nước đi vào địa tầng.
Lời Kết
Kỹ thuật hạt nhân ngày càng được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp mà còn ở nhiều lĩnh vực quan trọng khác như y tế, địa chất, thủy văn, nông nghiệp, sinh học, ...
Tuy nhiên ở nước ta hiện nay, số công trình nghiên cứu, mức độ ứng dụng cũng như hiệu quả đóng góp kinh tế của ngành hạt nhân còn chưa tương xứng với tiềm năng
Nguyên nhân quan trọng là cơ sở vật chất còn yếu và sự đầu tư còn ở mức thấp.
Hy vọng rằng trong tương lai với sự quan tâm đúng mức, ngành hạt nhân nước ta có thể đóng góp ngày càng hữu hiệu hơn vào việc đáp ứng các nhu cầu ứng dụng kỹ thuật hạt nhân của xã hội, đóng góp thiết thực vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
thank you!