Cesium-137 là một trong những đồng vị phóng xạ nhân tạo quan trọng và có nhiều tranh cãi nhất trong kỷ nguyên hạt nhân. Nó vừa là công cụ vô giá trong các ngành công nghiệp và nghiên cứu môi trường, vừa là mối đe dọa đáng kể đến an ninh và sức khỏe cộng đồng. Cesium-137, còn gọi là radiocaesium, là một đồng vị phóng xạ được hình thành chủ yếu thông qua quá trình phân hạch hạt nhân. Nó là một trong những sản phẩm phân hạch phổ biến nhất của Uranium-235 và các đồng vị phân hạch khác được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân và các vụ nổ vũ khí hạt nhân. Nó cũng có nguồn gốc từ sự phân hạch tự phát của Uranium-238. Do chu kỳ bán rã tương đối dài, Cs-137 được coi là một trong những sản phẩm phân hạch có tuổi thọ trung bình cao nhất.
Về mặt hóa học, Cesium có nhiệt độ sôi tương đối thấp, chỉ 671oC. Tính chất này đóng vai trò quan trọng trong các sự cố hạt nhân: khi được giải phóng đột ngột ở nhiệt độ cao, như trong sự cố Chernobyl hay các vụ nổ hạt nhân, Cs dễ dàng bay hơi và có thể di chuyển quãng đường rất xa trong không khí trước khi lắng đọng dưới dạng bụi phóng xạ. Về mặt lịch sử, Cs-137 được khám phá bởi Glenn T. Seaborg và Margaret Melhase, phân lập thành công bởi Margaret Melhase, người đã phát hiện ra dấu hiệu phóng xạ mạnh trong mẫu Uranium được làm giàu. Tuy nhiên, công trình của cô đã bị kìm lại do tính chất bí mật của thời chiến (Dự án Manhattan). Cs-137 phân rã phát xạ beta β để tạo ra Barium-137. Các đặc tính phân rã và hằng số vật lý của Cs-137 được các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế như NIST và IAEA chuẩn hóa. Chu kỳ bán rã vật lý Cs-137 dài, với giá trị được đánh giá gần đây nhất là 30.17 năm. Chu kỳ bán rã này xác định khả năng tồn tại lâu dài của nó trong môi trường.
Về cơ chế phát xạ gamma, khoảng 94.6% các phân rã β của Cs-137 dẫn đến một đồng phân hạt nhân bán ổn định của Barium-137. Đồng phân Ba-137 này có chu kỳ bán rã ngắn, khoảng 153 giây và phân rã về trạng thái cơ bản, phát ra một photon gamma với năng lượng chủ đạo là 0.6617 MeV (chiếm 85.1% tổng số phân rã Cs-137). Chính bức xạ gamma này là nguồn gốc của tất cả các tia gamma xuyên thấu từ các nguồn Cs-137 thương mại, khiến nó trở thành nguồn bức xạ tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng.
Cesium là một kim loại kiềm, có tính chất hóa học tương tự như Kali. Tính chất này quyết định khả năng di chuyển và tương tác sinh học của Cs-137 trong môi trường. Cesium dễ dàng liên kết với các gốc chloride, tạo thành Cesium Chloride CsCl dưới dạng bột kết tinh màu trắng. Các hợp chất của Cesium thường có độ hòa tan cao trong nước, cho phép nó di chuyển và lan rộng dễ dàng trong môi trường sau khi lắng đọng. Đây là một yếu tố quan trọng giải thích sự phân tán của Cs-137 trong các sự cố lớn. Trong cơ thể sống, do Cs bắt chước K, nó được hấp thụ qua đường tiêu hóa và phân bố khắp các mô mềm, đặc biệt là cơ. Sự hấp thụ và phân bố này gây ra phơi nhiễm nội bộ. Mặc dù chu kỳ bán rã vật lý của Cs-137 cỡ 30 năm, chu kỳ bán rã sinh học (thời gian cần thiết để một nửa lượng Cs bị đào thải khỏi cơ thể) ở người lớn là tương đối ngắn, dao động trong khoảng 70 đến 100 ngày. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc bổ sung Kali có thể làm giảm sự hấp thụ và tăng tốc độ đào thải Cs-137 khỏi cơ thể, do sự cạnh tranh trong cơ chế hấp thụ tế bào.
Nguồn gốc chính của Cs-137 trong môi trường toàn cầu là từ bụi phóng xạ do các vụ thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển, bắt đầu từ ngày 16 tháng 7 năm 1945. Tổng lượng Cs-137 phát tán toàn cầu từ các vụ thử này được ước tính nằm trong khoảng 545 – 765 PBq. Sự lắng đọng phổ biến của các đồng vị phóng xạ bụi phóng xạ FRN như Cs-137 vào những năm 1950 trùng khớp với “Sự tăng tốc lớn” (Great Acceleration) — giai đoạn tăng trưởng nhanh chóng của hoạt động con người dẫn đến những thay đổi lớn trong hệ thống Trái đất. Vì lý do này, sự lắng đọng Cs-137 được các nhà khoa học môi trường xem là “dấu hiệu vàng” (golden spike) đánh dấu sự khởi đầu chính thức của Kỷ nguyên Anthropocene trong các lớp địa tầng. Việc Cs-137 gắn chặt vào các hạt đất sét khiến nó trở thành một chất đánh dấu địa hóa độc đáo cho việc nghiên cứu sự di chuyển của đất.
So sánh đặc điểm ô nhiễm Cs-137 từ Sự cố Chernobyl và Fukushima
| Đặc điểm | Chernobyl (1986) | Fukushima Daiichi (2011) |
| Tổng Lượng Phát tán | 85 PBq | 15 – 20 PBq |
| Tỷ lệ Hoạt độ | 0.5 – 0.6 Bq/Bq | 0.98 pm 0.01 Bq |
| Phạm vi đất bị ô nhiễm (tổng diện tích) | Gấp hơn 10 lần Fukushima | Chỉ bằng 6% của Chernobyl |
Sự khác biệt rõ rệt về tỷ lệ Cs-134/Cs-137 cung cấp một công cụ pháp y hạt nhân quan trọng. Tỷ lệ cao (1.0) tại Fukushima chỉ ra rằng chất phóng xạ được phát tán gần thời điểm phân hạch xảy ra; trong khi tỷ lệ thấp hơn (0.5-0.6) tại Chernobyl phản ánh thời gian phân rã ngắn hơn của Cs-134 giữa thời điểm sự cố và thời điểm đo đạc, hoặc sự khác biệt trong thành phần nhiên liệu. Sự khác biệt về địa hóa học cũng ảnh hưởng đến tính di động của Cs-137. Mặc dù Cs-137 có tính hòa tan cao, nó bị cố định mạnh hơn bởi các khoáng sét micaceous trong đất Fukushima. Điều này làm giảm tính di động và khả năng rửa trôi của Cs-137 tại Fukushima so với vật chất phóng xạ phát tán từ Chernobyl, một yếu tố địa hóa quan trọng trong việc đánh giá phơi nhiễm lâu dài và các chiến lược làm sạch.
Trong các ứng dụng tiêu chuẩn, Cs-137 được sử dụng rộng rãi để hiệu chuẩn các thiết bị phát hiện bức xạ, chẳng hạn như bộ đếm Geiger-Mueller, do đỉnh gamma 0.6617 MeV ổn định của Ba-137m là một “tiêu chuẩn vàng”. Trong lĩnh vực y học, Cs-137 đã từng được đề xuất và sử dụng để thay thế Radium trong điều trị bệnh ác tính. Ưu điểm của Cs-137 bao gồm chi phí thấp, chu kỳ bán rã tương đối dài, đặc tính phù hợp để thay thế Radium, và yêu cầu che chắn ít hơn so với Radium.
Cs-137 là nguồn bức xạ chính được sử dụng trong các thiết bị đo lường hạt nhân công nghiệp (industrial gauges), nơi nó hoạt động như một công cụ đo lường không tiếp xúc (contactless measurement). Các nguồn Cs-137 được sử dụng trong các thiết bị này thường có hoạt độ nằm trong khoảng 0.05 Ci đến 5 Ci (1.85 – 185 GBq), và thường được phân loại ở Hạng 3 và Hạng 4 theo hệ thống phân loại của IAEA (mức rủi ro trung bình đến thấp). Các ứng dụng quan trọng bao gồm:
- Đo Mật độ và Độ dày: được sử dụng trong các thiết bị đo để xác định độ dày của vật liệu (như giấy, phim ảnh, hoặc tấm kim loại). Nó cũng được sử dụng trong máy đo hạt nhân di động (Portable Nuclear Gauge) cùng với Am-241 để đo mật độ đất và nhựa đường trong kỹ thuật dân dụng.
- Công nghiệp Hóa dầu và Khai thác:
- Đo mức: Trong ngành hóa dầu, Cs-137 được sử dụng trong các bồn chứa lớn có thành dày và chứa vật liệu mài mòn hoặc ăn mòn cao, nơi việc sử dụng kỹ thuật đo lường xâm lấn là không thể. Các đồng vị này cho phép đo mức (level) hoặc giao diện sản phẩm từ bên ngoài thành bình.
- Đo lưu lượng đa pha (MPFM): Cs-137 là nguồn phổ biến trong thiết bị đo lưu lượng đa pha để xác định tỷ lệ nước, khí, cát, và dầu mỏ trong ngành công nghiệp dầu khí.
- Nạo vét: Cs-137 được sử dụng để đo mật độ và lưu lượng vật liệu nạo vét.
Cesium-137 đóng vai trò là chất đánh dấu phóng xạ bụi phóng xạ FRN quan trọng nhất để nghiên cứu các quá trình địa hình học như xói mòn và bồi lắng đất. Kỹ thuật này đã được phát triển trong hơn nửa thế kỷ, với sự hợp tác của các tổ chức như IAEA và USDA. Nguyên lý kỹ thuật: dựa trên nguyên tắc Cs-137 phát tán từ các vụ thử hạt nhân toàn cầu (bắt đầu từ 1953) và nhanh chóng bám chặt (adsorb) vào các hạt đất sét ngay sau khi lắng đọng. Do đó, bất kỳ sự dịch chuyển nào của Cs-137 trong đất đều phản ánh sự dịch chuyển của các hạt đất đó. Kỹ thuật Cs-137 được coi là phương pháp duy nhất có khả năng thực hiện các phép đo thực tế về tốc độ mất đất và bồi lắng trong cùng một lưu vực thoát nước chỉ từ một lần khảo sát tại chỗ, vượt qua nhiều hạn chế của các phương pháp truyền thống. Phương pháp tính toán: sử dụng Mô hình Cân bằng khối lượng (Mass Balance Model – MBM) để ước tính tốc độ xói mòn trong khoảng thời gian 50 năm kể từ khi bụi phóng xạ bắt đầu tích lũy. Việc này được thực hiện bằng cách so sánh lượng tồn đọng Cs-137 đo được tại một điểm mẫu với lượng tồn đọng chuẩn tại một điểm tham chiếu không bị xói mòn.
Việc quản lý chất thải phóng xạ chứa Cs-137 là một thách thức do chu kỳ bán rã dài đòi hỏi sự cô lập kéo dài và tính hòa tan cao của Cesium. Xử lý chất lỏng: kỹ thuật Trao đổi Ion là phương pháp chính được sử dụng để loại bỏ Cs-137 khỏi chất lỏng phóng xạ, chẳng hạn như nước thải lò phản ứng. Các vật liệu trao đổi ion vô cơ chuyên dụng, ví dụ như IONSIV R9120-B, được sử dụng rộng rãi để hấp thụ chọn lọc Cs-137. Hóa rắn bằng Xi măng: Sau khi hấp thụ Cs-137, nhựa trao đổi ion trở thành chất thải và cần được xử lý bằng cách hóa rắn. Tuy nhiên, Cs là kim loại kiềm và vẫn hòa tan đáng kể trong môi trường pH cao của xi măng. Khi nhựa trao đổi ion chứa Cs được hóa rắn bằng xi măng thông thường, tốc độ rửa trôi Cs ra môi trường tăng lên gấp một đến hai bậc độ lớn so với khi Cs còn trong nhựa.
Từ khóa: Cs-137;
– CMD –
