Hệ thống IoT giám sát và phát hiện nguồn phóng xạ thất lạc

Ứng phó với nguy cơ phát tán phóng xạ

Dù xảy ra cách đây đã sáu năm, có lẽ nhiều người vẫn không khỏi giật mình khi nhớ lại sự cố mất nguồn phóng xạ Cs-137 dùng để đo mức điều khiển tự động xả Clinker trong một nhà máy xi măng ở Bắc Kạn vào năm 2015. Nguồn phóng xạ này sau đó được các chuyên gia nhận định là không nguy hiểm cho con người, song nó cho thấy nguy cơ thất lạc các nguồn phóng xạ khác có thể xảy ra trong tương lai.

Với sự phát triển của công nghệ trong những năm gần đây, các nguồn phóng xạ đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, nông nghiệp đến y học và đem lại vô vàn lợi ích: hoa quả được diệt trừ các mầm bệnh nhờ chiếu xạ; người mắc bệnh hiểm nghèo được điều trị bằng dược chất phóng xạ,…

Song, đi cùng với lợi ích ấy là những yêu cầu phải giám sát nguồn phóng xạ chặt chẽ hơn bởi “đây là vật rất nhỏ, có khi chỉ cỡ bằng điếu thuốc lá, không màu, không mùi, nhưng ẩn chứa nguy cơ bị thất lạc hoặc đánh cắp”, PGS. TS Trần Quang Vinh (Viện Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội) cho biết. Và thực tế là dù đã có rất nhiều các biện pháp quản lý an ninh, an toàn, các sự cố mất nguồn phóng xạ vẫn xảy ra cả ở Việt Nam và trên thế giới. Theo phản ánh của báo chí, từ năm 2002 đến 2015, bên cạnh vụ việc ở Bắc Kạn, Việt Nam đã xảy ra sáu sự cố nguồn phóng xạ khác, trong đó có nguồn tìm lại được và có nguồn còn mất tích cho đến tận hôm nay.

Một nguồn phóng xạ bị thất lạc thôi đã đủ nguy hiểm, nhưng điều mà nhiều chuyên gia lo ngại hơn cả chính là việc những nguồn này vô tình đi vào các cơ sở sắt thép, phế liệu và bị nấu chảy để tái chế thành các sản phẩm khác. “Nếu người dân không biết mà nấu hoặc đập ra, làm rò rỉ chất phóng xạ trong lõi thì nó sẽ thành phóng xạ hở, gây chiếu xạ cho cả con người và nhiễm bẩn phóng xạ môi trường”, PGS.TS Nguyễn Văn Hùng (Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt) từng chia sẻ trên báo Dân Việt vào năm 2016. Không đâu xa, Đài Loan đã từng phải tốn rất nhiều tiền để xử lý 180 tòa nhà với 1.700 căn hộ và 10.000 người dân sinh sống bên trong vì sử dụng thép xây dựng bị nhiễm phóng xạ Co-60.

Đáng chú ý, hiện nay nguồn phế liệu sắt thép nhập khẩu vào nước ta phục vụ cho công nghiệp sản xuất thép chiếm một tỷ trọng rất lớn. Tuy nhiên, “hầu như chúng ta chưa có hệ thống kiểm soát nguồn phóng xạ lẫn trong các phế liệu sắt thép nhập khẩu, ngoại trừ cảng Cái Mép – Thị Vải có một số cổng kiểm soát phóng xạ được viện trợ”, PGS. TS Vinh cho biết. “Chúng ta vẫn còn bao nhiêu cảng biển khác chưa có cổng kiểm soát phóng xạ trong hàng hóa nhập khẩu. Đây là lỗ hổng lớn trong công tác kiểm soát, tiềm ẩn nguy cơ các nguồn phóng xạ vô chủ trên thế giới vô tình hoặc cố tình đi vào Việt Nam qua các cửa khẩu bất kỳ lúc nào”, anh nói. Cho đến nay, hầu như tất cả các cơ sở thu mua, tái chế sắt thép phế liệu (trừ các nhà máy sản xuất sắt thép hiện đại) cũng đều chưa thực hiện được trách nhiệm của mình trong vấn đề này theo như quy định trong các văn bản quy phạm pháp luật hiện hành, nhóm nghiên cứu nói thêm.

Tối ưu hóa khả năng phát hiện

Không phải trước đây chưa có các công nghệ để giám sát nguồn phóng xạ, PGS.TS Vinh cho biết. Ngược lại, rất nhiều loại thiết bị khác nhau đã được nghiên cứu và phát triển, từ các cổng kiểm xạ lớn cho cả một đoàn tàu, xe container đến những thiết bị nhỏ hơn như máy dò di động để kiểm soát các phương tiện nhỏ hay các khu vực bị nghi ngờ có phóng xạ.

Tuy nhiên, các giải pháp này đều chỉ có thiết bị kiểm tra sơ cấp bố trí cố định tại cổng vào hoặc băng chuyền của các địa điểm tái chế. Trong khi đó, “các cơ sở thu mua và tái chế sắt thép, phế liệu ở Việt Nam lại nằm rất rải rác với nhiều mô hình và quy mô khác nhau. Một bãi để phế liệu thường không chỉ có một cổng mà có nhiều cổng vào, nếu muốn kiểm soát được sẽ phải lắp đặt một số lượng thiết bị rất lớn”, PGS. TS Vinh nói. “Hơn nữa, khi nguồn phóng xạ nằm ở các vị trí góc khuất, bị che chắn kín thì hiệu quả của thiết bị kiểm tra cũng giảm đi nhiều hay thậm chí không phát hiện được, đặc biệt là nếu không điều chỉnh việc thiết lập mức đo phông phóng xạ”.

Để khắc phục những hạn chế này, nhóm của PGS.TS Vinh quyết định phát triển một hệ thống ứng dụng công nghệ IoT và điện tử hạt nhân, gồm có hai loại thiết bị độc lập: một lắp cố định và một di động. “Về mặt bản chất, hệ thống này cũng vẫn dựa vào các cảm biến đầu dò (detector) để phát hiện phóng xạ như các loại máy trước đây. Song, điểm khác biệt là nó sẽ sử dụng công nghệ mới về xử lý tín hiệu và truyền thông để phối hợp dữ liệu của hai thiết bị”, PGS. TS Vinh cho biết.

Dù đã từng nghiên cứu thành công hệ thống quản lý và giám sát nguồn phóng xạ vào năm 2016, nhóm của anh vẫn gặp không ít khó khăn với bài toán lần này. Bởi, khác với việc theo dõi một nguồn phóng xạ đã biết, hệ thống dùng để phát hiện nguồn nằm ngoài kiểm soát đòi hỏi phải đáp ứng được hai yêu cầu: có độ nhạy đủ cao để phát hiện ra những nguồn phóng xạ yếu, ngay cả khi chúng nằm trong container ở khoảng cách xa; và phải có khả năng tự hoạt động độc lập mà không cần nhiều sự can thiệp của người dùng.

Để vượt qua những điểm khó này, nhóm nghiên cứu của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã bắt tay với các nhà khoa học ở Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam), Cục An toàn bức xạ hạt nhân (Bộ KH&CN) với sự tài trợ của Sở KH&CN Bắc Ninh. Do các đầu dò phải rất nhạy nên có thể bị nhiễu từ các môi trường xung quanh, nhóm của PGS. TS Vinh phải phát triển các thuật toán để xử lý tín hiệu, loại bỏ những thông tin sai lệch làm ảnh hưởng đến kết quả đo.

Bên cạnh đó, các cảm biến này cũng phải được nghiên cứu làm sao để vừa chịu được nhiệt độ cao trong các cơ sở tái chế, vừa đảm bảo khả năng hoạt động chính xác. Đó cũng là lý do sau nhiều khảo sát, nhóm quyết định sử dụng đầu dò GM – loại cảm biến có thể hoạt động một cách bền bỉ và tin cậy nhiều năm trời – cho thiết bị đo cố định; và sử dụng tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) cho thiết bị đo di động để đảm bảo độ nhạy và hiệu suất ghi cao hơn.

Kế thừa các nghiên cứu về công nghệ và thiết bị phát hiện, nhận diện, giám sát và quản lý nguồn phóng xạ với sự tài trợ của Bộ KHCN và Sở KHCN TP. Hà Nội, nhóm của PGS. TS Vinh đã phát triển thành công hệ thống giám sát và phát hiện phóng xạ cho các cơ sở tái chế. Trong đó, thiết bị kiểm tra phóng xạ cố định đóng vai trò là thiết bị cảnh báo, sẽ được lắp đặt ở những điểm tập kết trung gian như kho chứa nguyên liệu đầu vào, máy ép phế liệu, trạm cân, cẩu trục để luôn luôn theo dõi hoạt động của các phương tiện vận chuyển. Thiết bị thứ hai là thiết bị kiểm tra phóng xạ đi động, có thể cầm tay, dùng để xác nhận lại sự tồn tại của nguồn phóng xạ khi có cảnh báo.

“Hai thiết bị này được kết nối với nhau trong một hệ thống IoT hoàn chỉnh gồm các thành phần: thiết bị phát hiện phóng xạ di động (mobile node) được tích hợp các loại đầu dò phát hiện phóng xạ và các chức năng truyền thông vô tuyến (công nghệ LoRa, GPRS/3G/LTE) cho phép kết nối không dây với trạm tập trung (Gateway) cũng như trung tâm vận hành điều khiển”, PGS. TS Vinh cho biết.

Khi thiết bị kiểm tra cố định phát hiện hoặc ra cảnh báo có nguồn phóng xạ vượt quá phông bình thường, thiết bị kiểm tra di động sẽ được bật lên để xác nhận rồi xác định thêm các thông tin của nguồn phóng xạ như: vị trí hiện tại, hoạt độ sơ bộ, và loại nguồn. Các thông tin này sẽ ngay lập tức được chuyển về trung tâm, giúp các cơ quan chức năng hoặc cán bộ phụ trách an toàn bức xạ của Sở KH&CN biết để xuống xử lý kịp thời.

Nhóm của PGS. TS Vinh đã lắp đặt thử nghiệm thiết bị tại Bắc Ninh – một tỉnh giáp với thủ đô Hà Nội và là nơi tọa lạc của rất nhiều cơ sở thu mua và tái chế kim loại. Kết quả cho thấy, hệ thống có khả năng đo bức xạ gamma với dải năng lượng 0.05 ÷ 2.7 MeV, nhờ đó có thể phát hiện chính xác 100% các nguồn phóng xạ phổ biến ở Việt Nam trong khoảng cách là 3 mét và thời gian để phát hiện là 1 giây. “Từ kết quả này, chúng tôi cũng nhận thấy việc lắp đặt detector và tủ thiết bị tuy đơn giản nhưng vấn đề tính toán độ dài và đường chạy cáp kết nối lại là một vấn đề rất quan trọng”, nhóm nghiên cứu rút ra bài học.

Với những điểm mới, hệ thống giám sát phóng xạ của nhóm PGS. TS Vinh đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0032829. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu cũng được công bố trong bài báo “An internet of radiation sensor system (IoRSS) to detect radioactive sources out of regulatory control” trên tạp chí Scientific Reports. Nhóm PGS.TS Vinh cũng đang tiếp tục nghiên cứu để cải thiện những điểm còn hạn chế của thiết bị, chẳng hạn như khoảng cách phát hiện nguồn phóng xạ, số loại nguồn phóng xạ nhận diện được, và khả năng phát hiện các phế liệu nhiễm xạ – vốn đòi hỏi đầu dò phải có độ nhạy cao hơn so với hiện nay.

Do sản phẩm của nhóm mới chỉ đang dừng ở dạng prototype (mẫu đầu tiên), chi phí để sản xuất hệ thống vẫn còn tương đối đắt đỏ. Song PGS.TS Vinh tin rằng, nếu được nhân rộng, thiết bị sẽ có giá cả phải chăng hơn và mang lại rất nhiều lợi ích cả về mặt quản lý nhà nước và hoạt động sản xuất của doanh nghiệp. “Quan trọng hơn, hệ thống có thể góp phần hạn chế được những kịch bản xấu nếu như có nguồn phóng xạ bị thất lạc và lẫn vào trong phế liệu”, anh nói.