Hiện nay, các trạm quan trắc thuộc BCHH thực hiện quan trắc sự cố hạt nhân xảy ra theo phương pháp nhận diện đồng vị nhân tạo là sản phẩm của chuỗi phần hạch gồm Cs và I. Bằng phương pháp này, chúng ta đã ghi nhận được sự bất thường phóng xạ sau khi xảy ra sự cố Chernobyl và Fukushima. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ ghi nhận được sự cố ngoài biên giới sau khi đã xảy ra hàng tuần, thậm chí hàng tháng, tùy thuộc vào khoảng cách và thời tiết. Để đáp ứng yêu cầu quan trắc, cảnh báo sớm, gần như tức thời các vụ nổ, sự cố bức xạ, hạt nhân; trên thế giới hiện nay sử dụng phương pháp hiệu quả nhất là quan trắc khí phóng xạ Xenon.

Xenon là nguyên tố hóa học có ký hiệu Xe, số nguyên tử bằng 54; là một khí trơ không màu, không mùi và rất nặng. Hàm lượng Xe bền trong không khí là không đổi và bằng 0,087 ppm. Ứng dụng của Xe được biết đến nhiều nhất là trong chế tạo bóng đèn chiếu sáng của ô tô, xe máy. Theo nghiên cứu, Xe có đến 41 đồng vị khác nhau với số khối từ 108 đến 148. Thống kê cho thấy trong số 41 đồng vị của Xe, có cả nguồn gốc tự nhiên lẫn nhân tạo, có 7 đồng vị bền, 2 đồng vị gần như bền, còn lại là đồng vị phóng xạ. Trong số các đồng vị phóng xạ của Xe, người ta quan tâm nhiều nhất đến 04 đồng vị: Xe-131m, Xe-133, Xe-133m và Xe-135. Các đồng vị này là sản phẩm phần rã phóng xạ sau khi U-235 và Pu- 239 (thành phần chính của thanh nhiên liệu hạt nhân và bom hạt nhân) bị bắn phá bởi chùm neutron nhiệt. Các đồng vị phóng xạ này phát ra bức xạ gamma, tia X, tia beta và cả electron biến hoán nội với đặc trưng vật lý như trong bảng dưới.

Sau vụ nổ hạt nhân, các đồng vị phóng xạ Xe-131m, Xe-133, Xe-133m và Xe-135 được xem là các chỉ thị phóng xạ nhanh và sớm nhất nhờ những đặc điểm sau đây:

Thứ nhất, sản lượng phân hạch tạo thành các đồng vị Xe phóng xạ rất lớn, vì thế Xe là đồng vị phổ biến và chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong khoảng 10 ngày sau vụ nổ.

Thứ hai, với đặc tính trơ về mặt hóa học và là chất khí, các đồng vị phóng xạ Xe không bám vào các mảnh vụn hoặc bụi để tạo thành các hạt lớn hơn, không tương tác hóa học với các nguyên tố khác, không bị rửa trôi do mưa và phát tán đi rất xa, rất nhanh.

Thứ ba, tỷ số hoạt độ của các đồng vị Xe phóng xạ có nguồn gốc từ các vụ nổ xảy ra do sự cố lò phản ứng hạt nhân khác với tỉ số hoạt độ các đồng vị Xe phóng xạ trong y tế. Do đó, bằng việc phân tích tỉ số hoạt độ, ta có thể xác định được nguồn gốc Xe sinh ra (xem hình dưới).

Sự thay đổi hoạt độ của các đồng vị phóng xạ sinh ra sau vụ nổ hạt nhân

Quá trình thu gom mẫu khí và phân tích trong quan trắc đồng vị phóng xạ Xe tự động bao gồm bốn giai đoạn, cụ thể:

Giai đoạn 1: Hút mẫu khí. Thông thường người ta sử dụng bơm hút khí để dẫn không khí đi đến bộ lọc bằng than hoạt tính (ở giai đoạn 2).

Giai đoạn 2: Xử lý mẫu khí và chuẩn bị mẫu đo. Trước khi không khí được dẫn đến bộ lọc bằng than hoạt tính, sử dụng các cột lưới phần tử để loại bỏ hơi nước, O₂ và CO₂ trong không khí, sau đó tách cả khí Rn ra khỏi mẫu đo. Cuối cùng mẫu được nung nóng kèm các khí mang như He và N₂ đe thu hồi mẫu đo Xe. Do các đặc tính hóa, lý của khí trơ, việc lấy mẫu khí Xe là khó khăn và phức tạp nhất trong toàn bộ tiến trình phân tích Xe.

Giai đoạn 3: Xác định lượng mẫu đo Xe. Lượng mẫu đo Xe được xác định trên GC (sắc ký khí) dùng detector dẫn nhiệt (TCD).

Giai đoạn 4: Đo mẫu và xác định hoạt độ phóng xạ. Mẫu được chuyển sang hệ phổ kế bán dẫn siêu tinh khiết HPGe hoặc hệ phổ kế trùng phùng beta-gamma dùng detector nhấp nháy NaI(Tl). Đo phổ và tính toán hoạt độ của các đồng vị.

Hiện nay, trên thế giới có 04 loại hệ thống thiết bị tự động quan trắc Xe phóng xạ tự động phổ biến nhất là: Hệ thống ARIX của Nga; Hệ thống ARSA của Mỹ; Hệ thống SAUNA của Thụy Điển; và Hệ thống SPALAX của Pháp. Cả 04 hệ thống quan trắc Xe đều hoạt động theo nguyên lý như trên.

Mạng lưới hệ thống quan trắc tự động khí phóng xạ Xenon của CTBTO

Nhận thức được sự cần thiết phải quan trắc Xe phóng xạ nên một số quốc gia và các tổ chức quốc tế trên thế giới đã và đang quan tâm đến việc quan trắc Xe phóng xạ. Trong đó, CTBTO là tổ chức đã xây dựng được mạng lưới quan trắc Xe phóng xạ hiện đại nhất và gần như phủ khắp các khu vực trên thế giới với 31 trạm đã triển khai và 9 trạm đang xây dựng. Mạng lưới quan trắc Xe phóng xạ hiện nay của CTBTO có khả năng phát hiện đến 90% vụ nổ hạt nhân tương đương 1 kt trong vòng 14 ngày kể từ khi xảy ra vụ nổ, trong đó, các vụ thử hạt nhân ở Triều Tiên đều được mạng lưới này ghi nhận.

Hiện nay, nguy cơ xảy ra sự cố phóng xạ, hạt nhân ngày càng trở nên hiện hữu từ việc ứng dụng rộng rãi năng lượng nguyên tử trong các lĩnh vực của đời sống xã hội, từ việc các quốc gia trên thế giới và trong khu vực đẩy mạnh phát triển, sản xuất và chế tạo kho vũ khí hạt nhân cấp chiến thuật, chiến lược của mình hoặc từ nạn buôn lậu, vận chuyển trái phép chất phóng xạ của tội phạm đã đặt ra yêu cầu phải có một hệ thống cảnh báo, quan trắc phóng xạ hiện đại, tiên tiến đáp ứng nhu cầu nhiệm vụ của Quân đội nói chung, Binh chủng Hóa học nói riêng trong tình hình mới. Vì vậy, ngoài các hệ thống quan trắc, phân tích và cảnh báo phóng xạ hiện có, lực lượng Hóa học cần nghiên cứu, phát triển các hệ thống quan trắc mới theo xu hướng của thế giới, trong đó có hệ thống quan trắc khí Xe.