Các hạt nhân phóng xạ giải phóng từ các vụ tai nạn hoặc vụ nổ hạt nhân gây ra mối đe dọa lâu dài đối với hệ sinh thái. Điển hình là tình trạng ô nhiễm ở lợn rừng tại Trung Âu. Tuy nhiên, do không có nguồn thông tin đáng tin cậy nên vấn đề này vẫn tồn tại hàng chục năm này, chưa được xác định rõ ràng. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã tiến hành khảo sát, đánh giá ô nhiễm phóng xạ ở lợn rừng từ Bavaria. Các mẫu (2019–2021) được lấy có phạm vi từ 370 đến 15.000 Bq/kg 137Cs, vượt quá giới hạn quy định (600 Bq/kg) với hệ số lên tới 25. Sử dụng kỹ thuật đánh dấu hạt nhân 135Cs/137Cs, các nhà khoa học đã phân biệt được các nguồn phóng xạ khác nhau trong thành phần nguồn 137Cs.
Trước tình trạng biến đổi khí hậu, năng lượng hạt nhân bắt đầu bước vào thời kỳ phục hưng như một lựa chọn không thể thiếu trong cấu trúc năng lượng với hàm lượng carbon thấp. Tuy nhiên, việc giải phóng các hạt nhân phóng xạ vào môi trường do tai nạn hạt nhân hoặc bụi phóng xạ hạt nhân gây ra mối đe dọa tiềm tàng đối với sức khỏe cộng đồng, xã hội và các hoạt động kinh tế vì một số hạt nhân phóng xạ có khả năng gây ô nhiễm lâu dài trong chuỗi thức ăn, dẫn đến rủi ro lan rộng khi tiếp xúc với bức xạ. Sản phẩm phân hạch Cs-137 (137Cs, chu kỳ bán rã T1/2 = 30,08 y) là ví dụ nổi bật về các chất gây ô nhiễm như vậy vì nó hiện diện khắp nơi trong môi trường. Nó bắt nguồn từ hậu quả của các vụ nổ hạt nhân trong khí quyển từ giữa thế kỷ 20 và các tai nạn hạt nhân, nổi bật nhất là các vụ tai nạn hạt nhân Chernobyl và Fukushima. Đối với các quy định về an toàn, nhiều quốc gia đã áp dụng các giới hạn quy định nghiêm ngặt đối với mức 137Cs trong các sản phẩm thực phẩm nói chung (ví dụ: EU < 600 Bq/kg và Nhật Bản: <100 Bq/kg). Tuy nhiên, mặc dù việc giám sát bức xạ thường xuyên cung cấp thông tin định lượng cần thiết về mức độ ô nhiễm của 137Cs, nhưng việc quy kết ô nhiễm là do nguồn gốc của nó vẫn chưa được hiểu rõ vì không thể phân biệt được 137Cs do vụ thử vũ khí hạt nhân với bất kỳ dạng 137Cs nào từ các tai nạn hạt nhân. Thử thách này cản trở sự hiểu biết toàn diện về nguồn gốc ô nhiễm môi trường của 137Cs, đây là điều kiện tiên quyết quan trọng để đánh giá định lượng trách nhiệm đối với một số tác động của 137Cs và thiết lập các chiến lược có mục tiêu hơn để khắc phục và bảo vệ môi trường. Hơn bao giờ hết, với các mối đe dọa tấn công hạt nhân hoặc vô tình phóng thích trong cuộc chiến tranh Nga-Ukraine, giờ đây, việc xác định nguồn gốc của bất kỳ vụ phóng thích 137Cs nào và đánh giá hậu quả môi trường của chúng là điều bắt buộc.
Các khu vực nghiên cứu ở Bavaria. (A) Kronach; (B) Schwandorf; (C) Chăm; (D) Regensburg; (E) Kelheim; (F) Vận chuyển hàng hóa; (G) Freyung-Grafenau; (H) Vượt qua; (I) Aichach; (J) Landsberg; và (K) Garmisch-Partenkirchen. Thông tin 137Cs (Bq/m2) được lấy từ Văn phòng Liên bang về Bảo vệ Bức xạ (BfS), trong đó việc lắng đọng 137Cs được sửa lại thành năm 1986)
Trong khi dấu hiệu đồng vị của Actinide (ví dụ, uranium và plutonium) đã được sử dụng thành công để phân biệt sự đóng góp giữa các nguồn khác nhau, dấu đồng vị phóng xạ caesium vẫn chưa được áp dụng thường xuyên để nhận dạng nguồn. Caesium-135 là một ứng cử viên lý tưởng và tồn tại lâu dài (T1/2 = 1,3 triệu năm) sau khi được giải phóng, phù hợp hơn so với 134Cs suy giảm nhanh (T1/2 = 2,07 năm). Ngoài ra, cơ chế sản xuất 135Cs cung cấp thông tin chi tiết hơn về nguồn gốc hạt nhân gây ô nhiễm, do đó cho phép quy sự ô nhiễm phóng xạ Cs vào nguồn của nó thông qua tỷ lệ 135Cs/137Cs riêng biệt. Hạt nhân mẹ của Cs (135Xe) có tiết diện lớn để bắt neutron nhiệt, dẫn đến ức chế sự khởi phát của 135Cs ở mật độ dòng neutron cao của lõi lò phản ứng. Ngược lại, dòng neutron mạnh nhưng ngắn tại thời điểm xảy ra vụ nổ hạt nhân, 135Xe hầu như “sống sót” sau vụ nổ vì hầu hết sản phẩm phân hạch sơ cấp là 135Te và 135I, chưa phân rã thành 135Xe. Do đó, một vụ nổ hạt nhân mang lại tỷ lệ 135Cs/137Cs tương đối cao, trong khi lò phản ứng mang lại tỷ lệ thấp. Ngày nay, các giao thức phân tích cho phép đo khối phổ plasma kết hợp cảm ứng ICP-QQQ-MS cũng như phép đo khối phổ ion hóa nhiệt (TIMS) đã có sẵn để xác định chính xác 135Cs/137Cs, do đó cho phép ứng dụng tỷ lệ 135Cs/137Cs như dấu vân tay đồng vị trong giám định hạt nhân và nghiên cứu truy tìm dấu vết môi trường. Trong mọi trường hợp, việc áp dụng 135Cs/137Cs làm dấu vân tay vẫn còn mới vì đòi hỏi sự phân tách hóa học tỉ mỉ và các quy trình phân tích phức tạp.
Bavaria, miền đông nam nước Đức, nổi tiếng với tình trạng ô nhiễm nặng 137Cs sau vụ tai nạn hạt nhân Chernobyl. Đức báo cáo rằng 137Cs trong đất bề mặt dao động từ 102 đến 105 Bq/m2 (tháng 4 năm 1986). Là nguồn tích lũy 137Cs mạnh, lợn rừng khu vực (Sus scrofa) đã bị phơi nhiễm với nồng độ hoạt động của 137Cs trong thịt vượt quá giới hạn quy định khoảng 1–2 bậc độ lớn. Tuy nhiên, không giống như hầu hết các loài rừng, ban đầu cũng có biểu hiện nhiễm 137Cs cao trong cơ thể, sau đó giảm dần theo thời gian (tức là thời gian bán hủy sinh thái ngắn), nồng độ 137Cs ở lợn rừng không cho thấy sự suy giảm đáng kể nào từ năm 1986. Ở một số địa điểm và trường hợp nhất định, mức độ ô nhiễm giảm thậm chí còn chậm hơn so với chu kỳ bán rã vật lý của 137Cs. Hiện tượng này được gọi là “nghịch lý lợn rừng” và thường được cho là do lợn rừng ăn phải 137Cs tích lũy trong nấm hypogeous (nấm truffle hươu, Elaphomyces).
Tùy thuộc vào thành phần đất, đặc biệt là hàm lượng khoáng sét, những loại nấm dưới lòng đất là nơi lưu trữ 137Cs di cư xuống dưới. Chúng là một trong những nguồn thức ăn chính của lợn rừng, đặc biệt là vào mùa đông khi thức ăn trên bề mặt khan hiếm. Tuy nhiên, do thiếu bằng chứng thuyết phục để xác định nguồn 137Cs, nguồn gốc của tình trạng ô nhiễm dai dẳng ở lợn rừng vẫn chưa rõ ràng. Tại đây, các nhà khoa học đã phân tích hoạt độ của 137Cs cùng với tỷ lệ 135Cs/137Cs trong các mẫu thịt lợn rừng được thu thập từ 11 huyện của Bavaria trong giai đoạn 2019–2021. Báo cáo về bộ mẫu môi trường lớn nhất gồm 135Cs/137Cs cho đến nay (n = 48) đã tiến hành so sánh với các giá trị được công bố và xác nhận tính khả thi của việc sử dụng 135Cs/137Cs. Bằng cách sử dụng mô hình trộn, họ ước tính sự đóng góp của 137Cs từ các vụ thử vũ khí hạt nhân và từ lò phản ứng hạt nhân, điều này không chỉ giúp hiểu sâu hơn về “nghịch lý lợn rừng” mà còn có thể cho phép dự đoán theo vị trí cụ thể trong tương lai về sự biến chuyển của ô nhiễm 137Cs trong tự nhiên. Phương pháp này có thể được áp dụng để truy xuất nguồn gốc của 137Cs trong bất kỳ mẫu môi trường nào trong tương lai.
Cuộc khảo sát được tiến hành với tất cả các mẫu đều có dấu hiệu trộn lẫn bụi phóng xạ từ Chernobyl và các vụ thử vũ khí hạt nhân, với tỷ lệ 135Cs/137Cs dao động từ 0,67 đến 1,97. Mặc dù Chernobyl được nhiều người tin là nguồn tạo 137Cs chính, nhưng cuộc khảo sát cho thấy 137Cs “cũ” từ bụi phóng xạ do các vụ thử vũ khí góp phần đáng kể vào tổng mức (10–68%) trong các mẫu vượt quá giới hạn quy định. Trong một số trường hợp, chỉ riêng 137Cs từ các vụ thử vũ khí có thể dẫn đến vượt quá giới hạn quy định, đặc biệt là ở các mẫu có tổng mức 137Cs tương đối thấp. Phát hiện này chứng minh rằng sự chồng chất của các nguồn cũ hơn và mới hơn của 137Cs có thể vượt xa tác động của bất kỳ nguồn đơn lẻ nào chiếm ưu thế và do đó nêu bật vai trò quan trọng của việc đánh giá lịch sử 137Cs đối với các thách thức xử lý ô nhiễm môi trường hiện nay.
Từ khóa: 137Cs; bụi phóng xạ;
– CMD –
