Kỹ thuật hạt nhân bao gồm các phương pháp dựa trên neutron và cộng hưởng tứ cực hạt nhân (NQR), đại diện cho một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực rà phá bom mìn. Ưu điểm cốt lõi của các kỹ thuật này là khả năng phân biệt đặc hiệu, cho phép xác định chính xác các nguyên tố nhẹ (Carbon, Nitrogen, Oxygen) cấu thành nên chất nổ, tách biệt chúng khỏi phế liệu kim loại và dị vật địa chất. Trong bối cảnh các hệ thống dò tìm truyền thống như Cảm ứng Điện từ (EMI) và Radar Xuyên đất (GPR) thường gặp nhược điểm ở tỷ lệ báo động sai (FAR) cao do tạp chất, các công nghệ hạt nhân mang lại tiềm năng giảm thiểu FAR xuống mức thấp chưa từng có, thậm chí gần bằng không trong trường hợp NQR. Việc đào bới phế liệu kim loại do FAR cao là nguyên nhân chính làm chậm tiến độ và tiêu hao nguồn lực rà phá. Việc tích hợp các hệ thống dò tìm đặc hiệu chất nổ (như NQR và Phân tích Neutron) là điều cần thiết để đạt được hiệu quả về thời gian, an toàn và chi phí.
Ô nhiễm vật liệu nổ (EO) là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ít nhất 58 quốc gia và vùng lãnh thổ bị ô nhiễm bởi mìn chống bộ binh, 29 quốc gia ô nhiễm vật liệu nổ chùm và hơn 60 quốc gia ô nhiễm thiết bị nổ tự chế (IEDs). Tình trạng này đe dọa hàng triệu thường dân, đặc biệt ở các khu vực xung đột và hậu xung đột như Ukraine, Gaza, Sudan, Syria, và Myanmar. Tác động của ô nhiễm không chỉ dừng lại ở thương vong, khoảng 10% đất nông nghiệp màu mỡ nhất của Ukraine hiện đang không thể sử dụng được do ô nhiễm EO, gây ra mối đe dọa kép đối với an toàn dân sự và an ninh lương thực toàn cầu. Mặc dù nhu cầu rà phá ngày càng cấp thiết, báo cáo cho thấy nguồn tài trợ tự nguyện cho Quỹ Tín thác Hành động Bom mìn của Liên Hợp Quốc đã giảm đáng kể, từ 125 triệu USD xuống còn 46 triệu USD trong vòng bảy năm qua. Sự sụt giảm tài chính này gây áp lực trực tiếp lên các chương trình rà phá, buộc các tổ chức phải tìm kiếm các giải pháp công nghệ có khả năng tăng tốc độ làm sạch và tối đa hóa hiệu quả của nguồn lực hạn chế.
Các kỹ thuật rà phá truyền thống như máy dò kim loại cầm tay (sử dụng EMI) và GPR vẫn là tiêu chuẩn cơ bản. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng bị giới hạn bởi các nguyên tắc vật lý không thể khắc phục. Máy dò kim loại truyền thống dựa trên EMI chỉ phát hiện vật liệu dẫn điện và không thể phân biệt giữa phế liệu vô hại (như chìa khóa, đồng xu, mảnh đạn) và mối đe dọa thực sự (mìn/UXO). Điều này dẫn đến FAR cao, đặc biệt trên các bãi chiến trường cũ nơi phế liệu kim loại phong phú. Đối với GPR, mặc dù có thể phát hiện các mìn nhựa (vật chất có tính điện môi khác biệt), tín hiệu của mục tiêu thường rất yếu. Hơn nữa, GPR dễ bị nhiễu bởi tạp chất địa chất (clutter) như đá, rễ cây, hoặc sự không đồng nhất của đất (ví dụ: các túi đất ẩm ướt). Sự không phân biệt của cả EMI và GPR khiến nhân viên rà phá phải đào bới mục tiêu sai lệch (dry holes), làm giảm đáng kể tốc độ và tăng chi phí vận hành. Do đó, việc áp dụng công nghệ có khả năng xác minh chất nổ là một yêu cầu kinh tế và vận hành bắt buộc để chuyển đổi từ việc dò tìm vật thể chung chung sang xác minh mối đe dọa đích thực.
Vật liệu nổ được phân biệt với môi trường đất đá và kim loại phế liệu bởi thành phần nguyên tố độc đáo của chúng. Các chất nổ thường chứa nồng độ cao các nguyên tố nhẹ như Nitrogen (N), Carbon (C), và Oxygen (O), thường nằm trong các nhóm nitro (NO2) hoặc nitrate (NO3). Sự kết hợp và tỷ lệ của các nguyên tố này tạo ra chữ ký hạt nhân đặc trưng, có thể được nhận dạng thông qua tương tác với neutron. Các kỹ thuật này sử dụng detector bức xạ, chẳng hạn như detector bán dẫn hoặc detector nhấp nháy (như NaI), để đo định lượng các tia gamma đặc trưng được phát ra sau các phản ứng hạt nhân. Năng lượng của tia gamma xác định nguyên tố hiện diện, và cường độ của chúng xác định nồng độ.
Phân tích Kích hoạt Neutron là một kỹ thuật định lượng đa nguyên tố, thường được sử dụng trong môi trường lò phản ứng. Tuy nhiên, các biến thể của NAA đã được chuyển đổi thành các hệ thống di động. Phân tích Gamma Phát ra Tức thì bằng Neutron (PGNAA/TNA): Kỹ thuật này chiếu xạ vật thể bằng neutron. Khi neutron nhiệt bị bắt giữ bởi các hạt nhân (ví dụ: N-14), các hạt nhân sản phẩm trở nên không ổn định và phân rã ngay lập tức, phát ra tia gamma tức thời (prompt gamma rays). Nitrogen có thể được xác định thông qua tia gamma đặc trưng ở mức 10.8 MeV. PGNAA có độ nhạy cao, có khả năng định lượng khoảng 35 nguyên tố, với giới hạn phát hiện ở mức phần triệu (ppm) hoặc phần tỷ (ppb) đối với các nguyên tố có khả năng kích hoạt mạnh.
Phân tích Neutron Nhanh Xung (PFNA): sử dụng một chùm neutron nhanh được tạo xung (pulsed fast neutron beam) trong thang đo nanosecond để dò hỏi vật thể. Đây là một kỹ thuật tiên tiến được sử dụng rộng rãi để phát hiện chất nổ hoặc ma túy trong các thùng hàng lớn.
- Cơ chế phản ứng: trong thời gian xung neutron (bursts), các tia gamma tức thời được phát ra từ phản ứng tán xạ không đàn hồi (inelastic scattering) với carbon và oxygen. Trong khoảng thời gian nghỉ ngắn (khoảng 100 microsecond) giữa các xung, tia gamma từ các phản ứng bắt neutron nhiệt được ghi lại, bao gồm cả tín hiệu nitrogen.
- Xác định vị trí và thành phần: PFNA có khả năng dò hỏi nội dung của vật thể theo từng thể tích nhỏ (voxels) và cung cấp thông tin 3 chiều về vị trí các nguyên tố khả nghi. Bằng cách phân tích phổ gamma và xác định tỷ lệ nguyên tố (như carbon/nitrogen, carbon/oxygen), hệ thống có thể đối chiếu với dữ liệu tham chiếu để xác nhận sự hiện diện của vật liệu nổ. Việc sử dụng máy phát neutron tĩnh điện trong PFNA giúp giảm thiểu rủi ro giải phóng vật liệu phóng xạ ra môi trường.
Kỹ thuật Neutron Nanosecond với phân giải không gian (NNA/APT)
NNA (Nanosecond Neutron Analysis) thường được kết hợp với Kỹ thuật Hạt liên kết (Associated Particle Technique – APT) để cung cấp độ phân giải không gian, cho phép khoanh vùng chính xác nơi các phản ứng hạt nhân xảy ra. Một nguyên mẫu thiết bị NNA/APT di động đã được phát triển với các thông số kỹ thuật ấn tượng, hướng tới tính di động và khả năng vận hành tại hiện trường.
Thông số kỹ thuật của Hệ thống phát hiện neutron
| Tham số Kỹ thuật | Hệ thống NNA/APT Nguyên mẫu (Ví dụ) |
| Giới hạn Phát hiện Chất nổ | 100 gram |
| Phương pháp Phát hiện | Phân tích Neutron Nanosecond (NNA) |
| Kích thước Vùng Kiểm tra Đồng thời | |
| Độ phân giải Không gian (In-Plane) | 7 – 8 cm |
| Độ phân giải Không gian (In-Depth) | 8 – 10 cm |
| Tổng Khối lượng Thiết bị | Không quá 20 kg |
Mặc dù khối lượng thiết bị nhẹ và độ phân giải không gian chấp nhận được, giới hạn phát hiện 100 gram trong vài chục giây cho thấy tốc độ và độ nhạy vẫn là một thách thức, đặc biệt khi so sánh với mìn chống bộ binh (AP mines) nhỏ hơn hoặc yêu cầu tốc độ rà phá tức thì. Công nghệ này tỏ ra phù hợp hơn khi được sử dụng như một hệ thống xác minh thứ cấp hoặc để dò tìm Vật liệu nổ chưa nổ (UXO) và mìn chống tăng (Anti-tank mines) khối lượng lớn.
Cộng hưởng Tứ cực Hạt nhân (Nuclear Quadrupole Resonance – NQR)
NQR là một kỹ thuật dò tìm dựa trên cộng hưởng từ hạt nhân (không sử dụng chùm neutron bên ngoài), khai thác chữ ký độc đáo của hạt nhân Nitrogen (N-14) bên trong cấu trúc tinh thể của vật liệu nổ. Ưu điểm nổi bật nhất của NQR là tính đặc hiệu chất nổ, mang lại khả năng giảm FAR so với các phương pháp thông thường như EMI. Về mặt lý thuyết, tính đặc hiệu này có thể cho phép đạt được tỷ lệ báo động sai gần bằng không.
- Hiệu suất: NQR có thể đạt xác suất phát hiện cao (PD > 0.99) và xác suất báo động sai thấp (P(FA)} < 0.05) với thời gian dò hỏi từ 0.5 đến 3.0 phút.
- Phát hiện RDX: Tín hiệu từ chất nổ RDX (Cyclotrimethylenenitramine) đặc biệt mạnh, cho phép thời gian dò tìm nhanh chóng, đôi khi dưới 3 giây.
- Thách thức TNT: Điểm yếu chính của NQR là tín hiệu từ TNT (chất nổ phổ biến) yếu hơn đáng kể, tạo ra vấn đề tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) lớn. Thuộc tính hạt nhân của TNT cũng giới hạn tần suất dò hỏi, chỉ khoảng 5 đến 10 giây một lần, dẫn đến thời gian dò hỏi dài hơn.
- Hạn chế Vật lý: NQR không thể dò tìm vật liệu nổ bị bọc trong vỏ kim loại vì sóng RF không xuyên qua được. Tuy nhiên, do hầu hết mìn chống bộ binh hiện đại đều có vỏ nhựa, và EMI có thể dễ dàng phát hiện vỏ kim loại, hạn chế này không phải là một rào cản lớn đối với hoạt động rà phá nhân đạo.
Kỹ thuật hạt nhân cung cấp một giải pháp vượt trội so với các giới hạn vật lý của EMI và GPR. Trong khi EMI chỉ nhận biết vật liệu dẫn điện và GPR nhận biết vật chất có tính điện môi khác biệt, cả hai đều không thể phân biệt thành phần hóa học bên trong. Ngược lại, khả năng xác định chữ ký nguyên tố của chất nổ cho phép nhân viên rà phá nhanh chóng loại trừ các tín hiệu báo động sai gây ra bởi phế liệu kim loại hoặc đá. Sự chuyển đổi chiến lược từ việc chỉ phát hiện vật thể sang xác minh nội dung chất nổ là yếu tố then chốt. Nếu công nghệ hạt nhân có thể giảm số lần đào bới phế liệu từ 80-90% xuống còn 10-20%, điều này sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất vận hành và giảm chi phí rà phá trên mỗi mét vuông. Sự phát triển của máy phát neutron xung di động (PNGs) là động lực chính cho việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân tại hiện trường. Các thiết bị này, thường dựa trên phản ứng Deuterium-Deuterium (D-D) hoặc Deuterium-Tritium (D-T), có khả năng tạo ra neutron năng lượng 2.5 MeV hoặc 14 MeV.
Các hệ thống hạt nhân đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với máy dò kim loại và GPR, chủ yếu do chi phí của máy phát neutron, detector gamma tinh vi, và phần mềm phân tích phổ phức tạp. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế dài hạn của công nghệ này nằm ở khả năng giảm thiểu chi phí vận hành (operating costs). Bằng cách giảm FAR xuống mức thấp, công nghệ hạt nhân giúp loại bỏ việc đào bới phế liệu kim loại tốn kém thời gian và nguồn lực. Trong khi các dữ liệu công bố chưa cung cấp sự so sánh chi phí-hiệu quả trực tiếp giữa NQR và EMI/GPR, kinh nghiệm vận hành cho thấy việc giảm đáng kể số lần đào bới phế liệu sẽ tăng tốc độ làm sạch đất (clearing speed) và giảm đáng kể Chi phí trên mỗi mét vuông được rà phá (Cost per Square Meter Cleared), làm cho công nghệ này trở nên cạnh tranh về mặt kinh tế khi vận hành ở quy mô lớn hoặc tại các khu vực ô nhiễm phế liệu cao.
Sự phức tạp của kỹ thuật hạt nhân đòi hỏi đội ngũ nhân sự có chuyên môn cao hơn trong vận hành, bảo trì, và giải đoán dữ liệu phổ gamma. Việc chuyển giao công nghệ thành công cho các quốc gia bị ảnh hưởng bom mìn cần đi kèm với các chương trình đào tạo chuyên sâu về vật lý bức xạ ứng dụng, quy trình an toàn hạt nhân, và xử lý dữ liệu. Cơ sở hạ tầng pháp lý quốc gia cũng phải được tăng cường để quản lý việc sử dụng nguồn bức xạ một cách an toàn và tuân thủ.
Từ khóa: hạt nhân;
– CMD –
