Công nghệ bức xạ hiện là công nghệ bổ sung cho các loại công nghệ sử dụng dạng sóng điện từ trong việc theo dõi, giám sát và xác nhận liệu một vụ nổ xảy ra ở bất kỳ vị trí nào trên trái đất có phải là một vụ thử hạt nhân hay không. Các trạm giám sát hạt nhân phóng xạ đo các hạt phóng xạ và khí hiếm trong không khí. Hạt nhân phóng xạ là đồng vị có hạt nhân không ổn định, mất năng lượng dư thông qua việc phát ra bức xạ dưới dạng hạt hoặc sóng điện từ, quá trình này gọi là phân rã phóng xạ.
Các hạt nhân phóng xạ – thường được gọi là đồng vị phóng xạ – có thể xuất hiện trong tự nhiên nhưng cũng có thể được sản xuất nhân tạo. Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy có nguồn gốc chủ yếu từ bên trong các ngôi sao. Một trong số chúng, như uranium và thorium, phân rã rất chậm và do đó vẫn còn tồn tại trong vũ trụ của chúng ta ngày nay. Các hạt nhân phóng xạ được sản xuất nhân tạo có thể được tạo ra bởi các lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hạt, máy tạo hạt nhân phóng xạ hoặc các vụ nổ hạt nhân.
Khí hiếm là các nguyên tố hóa học thường xuất hiện ở trạng thái khí. Cái tên ‘khí hiếm’ nhấn mạnh thực tế là các nguyên tố này trơ và hiếm khi phản ứng với các hóa chất khác. So với các hạt nhân phóng xạ, các nguyên tử khí hiếm rất nhỏ. Nhưng giống như các nguyên tố khác, khí hiếm cũng xuất hiện trong tự nhiên ở một số đồng vị, một số trong đó không ổn định và phát ra bức xạ. Có một số đồng vị khí hiếm phóng xạ, là các hạt nhân phóng xạ, không xuất hiện trong tự nhiên mà chỉ có thể được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân. Do đặc tính hạt nhân của chúng, 04 đồng vị của khí hiếm xenon đặc biệt có liên quan đến việc phát hiện các vụ nổ hạt nhân.
Hầu hết năng lượng của vụ nổ hạt nhân được chuyển hóa thành nhiệt ngay lập tức, sóng xung kích và năng lượng giải phóng trong vòng chưa đầy một phút. Bức xạ ban đầu chiếm một phần nhỏ của năng lượng được giải phóng trong vụ nổ hạt nhân. 10% năng lượng còn lại được giải phóng dưới dạng bức xạ dư, phát ra theo thời gian, chủ yếu thông qua sự phân rã phóng xạ của các sản phẩm phân hạch của vụ nổ. Các sản phẩm phân hạch, ở dạng rắn và khí, là các đồng vị được tạo ra trong phản ứng dây chuyền hạt nhân. Một số đồng vị này ổn định, hầu hết đều không và trải qua quá trình phân rã phóng xạ, tức là chúng có tính phóng xạ. Sau một vụ nổ hạt nhân trong khí quyển, các sản phẩm phân hạch rắn gắn vào các hạt bụi lan rộng nhờ gió đến các khoảng cách rất xa.
Trạm giám sát hạt nhân phóng xạ RN13, Douala, Cameroon.
Vụ nổ hạt nhân dưới nước cũng giải phóng các hạt phóng xạ vào khí quyển. Ngay cả những vụ nổ hạt nhân dưới lòng đất cũng có thể được phát hiện nhờ giám sát các hạt nhân phóng xạ giải phóng từ các mảnh vụn phóng xạ. Tuy nhiên, các vụ nổ hạt nhân dưới lòng đất hoặc sâu dưới lòng đất không giải phóng bất kỳ hạt phóng xạ nào vào không khí. Cần có một phương pháp khác để phát hiện chúng. Đồng vị khí hiếm phóng xạ – đặc biệt là đồng vị xenon – nằm trong số các sản phẩm phân hạch được tạo ra trong vụ nổ hạt nhân. Vì chúng trơ nên các đồng vị xenon này sẽ không bám vào các mảnh vụn hoặc bụi để tạo thành các hạt lớn hơn. Chúng vẫn ở trạng thái khí và một số sẽ thấm qua các lớp đá và trầm tích cho đến khi thoát ra ngoài không khí. Tiếp xúc với gió, chúng bị phân tán trong bầu khí quyển và sau một thời gian nhất định có thể được phát hiện cách xa địa điểm vụ nổ hàng nghìn km.
Mục tiêu của mạng lưới giám sát hạt nhân phóng xạ là phát hiện bức xạ dư này ở dạng hạt phóng xạ hoặc khí hiếm, ngay cả khi chỉ ở lượng rất nhỏ. Bằng cách thu thập và phân tích theo nghĩa đen các mảnh vỡ của vụ nổ hạt nhân, công nghệ hạt nhân phóng xạ là một trong bốn công nghệ giám sát có thể cung cấp bằng chứng cho thấy vụ nổ có bản chất là hạt nhân. Do đó, công nghệ này cung cấp các phương tiện để xác định vị trí phát tán, cần thiết để chứng minh khả năng vi phạm các Hiệp ước quốc tế trong việc sử dụng công nghệ hạt nhân. Với “bằng chứng pháp y” về vụ nổ hạt nhân, công nghệ hạt nhân phóng xạ có tầm quan trọng đặc biệt đối với toàn bộ nỗ lực an ninh hạt nhân.
Trạm giám sát hạt nhân phóng xạ 73, trạm Palmer, Nam Cực
Mạng lưới giám sát hạt nhân phóng xạ này gồm 80 trạm cho phép quan sát liên tục trên toàn thế giới các mẫu khí dung của hạt nhân phóng xạ. Mạng lưới này được hỗ trợ bởi 16 phòng thí nghiệm hạt nhân phóng xạ có chuyên môn về giám sát môi trường, cung cấp các phân tích bổ sung độc lập về các mẫu. Các trạm phải có sự hiện diện dày đặc hơn ở gần xích đạo so với ở các vĩ độ cao hơn vì các trường gió toàn cầu ở vùng xích đạo hầu như thẳng đứng, trong khi ở phía Bắc và Nam chúng nghiêng nhiều hơn. Điều này có nghĩa là ở những vĩ độ cao hơn, các hạt nhân phóng xạ di chuyển theo chiều ngang là chủ yếu. Càng có nhiều trạm thì khả năng phát hiện càng lớn và khoảng thời gian có thể có kết quả càng ngắn. Về việc lấy mẫu không khí tại khu vực trạm, sẽ có lợi nếu có sự hòa trộn tốt giữa không khí bề mặt với các lớp không khí phía trên. Về nguyên tắc, địa điểm lấy mẫu phải là nơi có nhiều gió, thoáng, nơi không khí đi qua tiếp xúc dụng cụ lấy mẫu dùng để thu thập các hạt do gió vận chuyển. Thể tích không khí càng lớn thì hiệu quả lấy mẫu hạt càng cao.
Nhược điểm của kiểu phát hiện này là thụ động, dựa vào dòng không khí để di chuyển các hạt hoặc khí đến vị trí phát hiện hạt nhân phóng xạ. Đây là lý do tại sao cần có rất nhiều trạm để theo dõi các hạt nhân phóng xạ. Trạm giám sát hạt nhân phóng xạ có chứa máy lấy mẫu không khí, thiết bị phát hiện, máy tính và thiết bị liên lạc. Không khí bị ép đi qua một bộ lọc, bộ lọc này giữ lại hơn 85% tổng số hạt lọt vào. Bộ lọc được thay thế hàng ngày. Bộ lọc đã sử dụng trước tiên được làm mát trong khoảng thời gian 24 giờ và sau đó được đo thêm 24 giờ nữa trong thiết bị phát hiện tại trạm quan trắc. Kết quả là phổ tia gamma được gửi đến Trung tâm Dữ liệu Quốc tế (IDC) ở Vienna để phân tích thêm.
Trạm giám sát hạt nhân phóng xạ RN50, Thành phố Panama, Panama.
Trong hệ thống giám sát khí hiếm, không khí được bơm vào thiết bị lọc chứa than, nơi xenon được cô lập. Các loại chất gây ô nhiễm khác nhau như bụi, hơi nước và các nguyên tố hóa học khác sẽ được loại bỏ. Không khí thu được chứa nồng độ xenon cao hơn, cả ở dạng ổn định và không ổn định (tức là chất phóng xạ). Độ phóng xạ của xenon cô lập và tập trung được đo và phổ thu được sẽ được gửi đến IDC để phân tích thêm. Dữ liệu do các trạm hạt nhân phóng xạ gửi đến IDC không chỉ bao gồm phổ bức xạ gamma mà còn cả thông tin về khí tượng và tình trạng môi trường. Dữ liệu trạng thái môi trường cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động của trạm và chất lượng của dữ liệu giám sát thô mà nó truyền đi. Hỗ trợ được cung cấp trên cơ sở khu vực bởi 16 phòng thí nghiệm hạt nhân phóng xạ, tiến hành phân tích mẫu nếu và khi cần thiết. Chức năng chính của họ là cung cấp phân tích độc lập về các mẫu hạt bị nghi ngờ có chứa hạt nhân phóng xạ có thể được tạo ra bởi vụ nổ hạt nhân và tiến hành phân tích thường xuyên để kiểm soát chất lượng các phép đo mẫu không khí của trạm.
Từ khóa: bức xạ; đồng vị phóng xạ; giám sát;
– CMD&DND –
