An toàn điện hạt nhân: Phần 1

Những nghiên cứu này đà thu thập được rất nhiều thông tin về nền phông phóng xạ nhân tạo trong nhiêu đôi tưọTig môi trường như đất, nước, biển, lương thực thực phẩm,...[r]

lỂN

IN T Ử V IỆ T NAM

AN ĨOẰNJK

PHẠM DUY HIỂNm

V I Ệ N N Ă N G L Ư Ợ N G N G U Y Ê N T Ử V I Ệ T N A M Yf u i A w n

AN TOÀN

ĐIÊN HẬĨ NHẲN

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

Thông tin quyền

Bản quyền © GS TS Phạm Duy Hiển Việc chép, tái ấn phẩm hình thức (bản in hay điện tử) phải chấp thuận văn tác giả

Liên hệ tác giả

Phạm Duy Hiển

Địa chỉ: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Email: pdhien@gmail.com

Liên hệ mua sách

BAN KÉ HOẠCH VÀ QUẢN LÝ KHOA HỌC -VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

Địa chỉ: số 59 Lý Thường Kiệt, Hoàn Kiếm, Hà Nội, Việt Nam Điện thoại: (844) 39420463 - Fax: (844) 39422625

Email: hq.vinatom@ hn.vnn.vn, hq.vinatom(g)vinatom.gov.vn http://w w w vinatom gov.vn

AN TOÀN

DIỆN HẬT NHẰN PHẠM DUY HIỂN

M ục lục

LỜI T Ự A 13

GIỚI THIỆU NỘI DUNG 17

Chương PHÓNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN 1.1 PHÓNG XẠ - NHỮNG MỐC LỊCH S 21

1.1.1 Những năm cuối kỷ X I X 21

1.1.2 Những năm đầu kỷ X X 25

1.1.3 Thập kỷ 30 kỳ X X 27

1.1.4 Trước ngưỡng cửa chiến tranh giới thứ II Phân hạch uranium 28

1.1.5 Phản ứng dây chu yền 31

1.1.6 Vũ khí nguyên tử 36

1.1.7 Hoàn chỉnh mở rộng đồ nguyên tố hóa h ọ c 37

1.1.8 Bản đồ đồng vị Đồng vị bền phóng x 39

1.2 KHỔI LƯỢNG ĐỒNG VỊ, NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT NUCLEON MẨU HẠT NHÂN 41

1.2.1 Khối lượng đồng vị độ hụt khối 41

1.2.2 Công thức bán thực nghiệm Weizsacker Mẫu giọt chất lỏ n g 43

1.2.3 Chuyển động đơn hạt frong hạt nhân chuyển động tập thể nucleon 46

1.2.4 Các trạng thái hạt n h â n 49

1.2.5 Thời gian sống trạng thái hạt nhân 51

1.3 PHÂN RÂ PHÓNG X Ạ 53

AN TOÀN ĐIỆN HẠTNHÂN

1.3.3 Phân rã đồng hành với trình sinh tạo 1.3.4 Phân rã 1.3.5 Phân rã chiếm electron vỏ 1.3.6 Phân rã neutron t r ễ 1.3.7 Phân rã alpha 1.3.8 Phân rã 1.4 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VỚI NEUTRON .6

1.4.1 Các phản ứng với neutron chi phối hoạt động lò

phản ứng hạt nhân .6 1.4.2 Phản ứng bắt neutron phát xạ gamma (n, y) .6

1.4.3 Hấp thụ cộng hưởng neutron Công thức B re it-W ig n e r 69

1.5 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VỚI N EUTRO N 72

1.5.1 Cơ chế phân hạch 72

1.5.2 Các sản phẩm phân hạch 77

1.5.3 Phân bố mảnh vỡ phân hạch theo số k h ố i 79

1.5.4 Nhiệt dư lò phản ứ n g 81

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 83

Chương PHÓNG XẠ TRONG vũ TRỤ VÀ TRÁI ĐẤT 2.1 NGUYÊN TỐ VÀ ĐỒNG VỊ SINH RA TỪ ĐÂU, VÀ TỪ LÚC N À O ? 2.1.1 Big Bang vũ trụ giãn nở .87

2.1.2 Tổng hợp hạt nhân nhẹ sau Big Bang (BBN) Thuyết a p Y 90

2.1.3 Phân rã [3^ neutron tự 91

2.1.4 Tổng hợp hạt nhân q trình tiến hóa thiên thể (stellar nucleosynthesis) 2.1.5 Phản ứng ghép hạt nhân điều kiện nhiệt h c h 96

2.1.6 Đốt He giải tỏa lượng tạo thành hạt nhân nặng 98

2.1.7 Tạo thành hạt nhân nặng qua phản ứng bắt neutron phân rã p .9 2.1 Độ phổ biến nguyên tố vũ trụ .101

2.2 PHÓNG XẠ TRONG ĐẮT Đ Á 103

2.2.1 Các họ phóng xạ .103

2.2.2 Cân cân phóng xạ 106

2.2.3 Phân rã phóng xạ nội nhiệt Trái Đ ấ t 107

2.3 PHÓNG XẠ DO TIA v ũ T R Ụ 109

2.3.1 Tia vũ trụ sơ cấp thứ cấp 109

2.3.2 Các nhân phóng xạ mơi trường tia vũ trụ sinh 110

2.3.3 Berilium-7 ” 110

2.3.4 Tritium (^H) 112

2.3.5 C a rb o n -1 114

2.4 PHƠI NHIỂM DO PHÓNG XẠ T ự NHIÊN 117

2.4.1 Phơi nhiễm chiếu ngồi từ phóng xạ tự nhiên đất đá 117

2.4.2 Phơi nhiễm chiếu từ tia vũ trụ 119

2.4.3 Phơi nhiễm chiếu từ nguồn phóng xạ tự nhiên 119

2.5 PHƠI NHIỄM PHĨNG XẠ VÀ TÁC HẠI ĐẾN SỨC KHỎE 120

2.5.1 Định nghĩa liều phơi nhiễm đơn vị đ o 120

2.5.2 Mối quan hệ liều phơi nhiễm vói hiệu ứng sinh học 121

2.5.3 Liều tập t h ể 123

2.6 THỰC THI BẢO VỆ BỨC XẠ THEO BA KHUYẾN CÁO CỦA ICRP 125

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 127

Chương THỬVỦ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ ỌLYÊN 3.1 CHẠY ĐUA VŨ TRANG HẠT NHÂN SAU THẢM HỌA HIROSHIMA VÀ NAGASAKI T30 3.1.1 Bom A bom H 130

3.1.2 Thử vũ khí hạt nhân khí năm cường quốc 131

3.1.3 Các địa điểm thử vũ khí hạt nhân khí .135

3.1.4 Thử vũ khí hạt nhân lịng đ ấ t 137

3 PHÁT TÁN PHĨNG XẠ TRÊN TỒN CẦU TỪ THỬ v ũ KHỈ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂN 138

3.2.1 Đặc trưng nguồn phát tán .138

3.2.2 Kiểm kê phát thải toàn cầu cho nuclit .138

AN TOÀN ĐIỆN HATNHAN

3.3 QUAN TRÁC HOẠT Đ ộ PHĨNG XẠ TRONG KHƠNG KHÍ VÀ

MẬT ĐỌ RƠI LÁNG CÁC NUCLIT PHĨNG X Ạ 143

3.3.1 Kỹ thuật quan trắc 3.3.2 Hoạt độ phóng xạ khơng k h í '144

3.3.3 Mật độ rơi lắng rơi lắng tích lũy Sr®° .144

3.3.4 Mật độ rơi lắng rơi lắng tích lũy .149

3.3.5 Mật độ rơi lắng nuclit khác .152

3.3.6 Đánh giá liều hiệu dụng lên dân chúng 152

3 LƯỢNG NUCLIT PHÓNG XẠ DO THỬ v ũ KHÍ HẠT NHÂN RƠI LÁNG TRÊN ĐÁT LIỀN VIỆT N A M 154

3.4.1 Phục hồi mật độ rơi lắng tích lũy Cs^^^do thử vũ khí hạt nhân đất liền Việt Nam 154

3.4.2 So sánh kết phục hồi mật độ rơi lắng tích lũy đất liền Việt Nam với cơng bố UNSCEAR (2000) .159

3.4.3 Đánh giá tổng lượng Cs^^^rơi xuống đất liền Việt Nam thử vũ khí hạt n h â n 161

3.4.4 Lượng Sr^°do thử vũ khí hạt nhân rơi lắng đất liền Việt Nam 162

3.5 HIỆN TRẠNG NỀN PHƠNG PHĨNG XẠ NHÂN TẠO TRONG MƠI TRƯỜNG VIỆT NAM 164

3.5.1 Phóng xạ nhân tạo khơng khí rơi lắ n g 165

3.5.2 đất bề mặt nguyên s 165

3.5.3 đất canh t c 170

3.5.4 Cs^^Mrong trầm tích hồ chứa .1 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 171

Chương NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 4.1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC 175

4.2 C CHẾ PHẢN HỒI TRONG LÒ PHẢN Ứ N G 182

4.2.1 Độ phản ứng thay đổi theo nhiệt đ ộ 182

4.2.2 Hệ số rỗng độ phản ứng 186

4.3 ĐỌC TỐ TRONG LÒ PHẢN ỨNG 186

4.3.1 Vật liệu hấp thụ mạnh neutron dùng điều khiển lò 186

4.3.2 Độc tố cháy .187

4.3.3 Nhiễm độc x e n o n 187

4.4 TẢI NHIỆT NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT N H Â N 190

4.4.1 Chính sách phát triển loại lò phản ứng lượng 190

4.4.2 Tải nhiệt lò nước nén lị hoạt động bình thường 192

4.4.3 Tải nhiệt dư lò nước nén .199

4.4.4 Tải nhiệt trường hợp khẩn cấp lò nước nén 199

4.4.5 Hệ thống cấp, điều chỉnh xử lý nước tải nhiệt sơ cấp lò nước nén .2 4.4.6 Tải nhiệt lò nước s ô i 203

4.5 GIAM GIỮ CHẤT PHĨNG XẠ KHƠNG CHO THỐT RA MƠI T R Ư Ờ N G 206

4.6 PHÁT THẢI VÀ CHIÉU XẠ LÊN NHÂN VIÊN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 210

4.6.1 Chiếu xạ lên nhân viên vận hành lị hoạt động bình th n g 4.6.2 Phát thải phóng xạ lị phản ứng hoạt động bình thường 212 4.6.3 Chất thải phóng xạ rắn từ nhà máy điện hạt nhân .217

4.7 TAI NẠN LÒ PHẢN ỨNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 219

4.7.1 Tai nạn độ phản ứng làm tăng vọt công s u ấ t 219

4.7.2 Tai nạn nước tải nhiệt LOCA .222

4.7.3 Tai nạn nghiêm trọ n g 223

4.8 SÁCH LƯỢC PHÒNG VỆ CHIỀU SÂU CÁC LÒ PHẢN ỨNG 226

4.9 THANG s ự KIỆN HẠT NHÂN QUỐC TÉ .229

Chương PHÁT THẢI PHÓNG XẠ TRONG NHŨNC t a i n n đ iệ n h t n h â n

5.1 S ố HẠNG NGUỒN TRONG TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN 234

5.1.1 Kiểm kê tồn trữ phóng xạ vùng h o t 235

5.1.2 Số hạng nguồn 237

5.2 PHÁT TÁN NUCLIT PHÓNG XẠ RA KHÍ QUYỂN BỂN NGỒI NHÀ MÁY THEO MƠ HÌNH G A U S S 239

5.2.1 Mơ hình phân bố Gauss .239

5.2.2 Đánh giá liều phơi nhiễm bên nhà m y 246

5.3 PHÁT TÁN NUCLIT PHÓNG XẠ RA XA KHU v ự c NHÀ M Á Y 247

5.3.1 Quỹ đạo lan truyền nuclit phóng xạ khí theo mơ hình H Y S P L IT -4 247

5.3.2 Minh h ọ a 252

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 254

Chương PHÂN TÍCH AN TỒN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 6.1 HAI CÁCH TIẾP CẬN TRONG PHÂN TÍCH AN TOÀN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 258

6.1.1 Nhiệm vụ mục tiêu 258

6.1.2 Các trạng thái hoạt động nhà máy điện hạt nhân 263

6.2 PHÂN TlCH AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHÂN THEO PHƯƠNG PHÁP TẤT ĐỊNH .264

6.3 PHÂN TÍCH AN TỒN ĐIỆN HẠT NHÂN THEO PHƯƠNG PHÁP XÁC S U Ấ T .266

6.3.1 Định nghĩa rủi ro .266

6.3.2 Cây kiện 268

6.3.3 Cây lỗi 270

6.3.4 Phân cấp chuỗi kiện dẫn đến tai nạn phát thải L O C A 272

6.3.5 Hậu gây tử vong tai nạn điện hạt nhân 277

6.4 NUREG-115 0-B Ư Ớ C PHÁT TRIẾN HOÀN THIỆN PRA 6.5 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ST TRONG PHÂN TÍCH AN TỒN CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT N H Â N 286 TÀI LIỆU THAM KHẢO .^

Chương THREE MILE ISLAND

7.1 LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC NÉN NHÀ MÁY THREE MILE ISưVND 294

7.1.1 Hệ tải nhiệt sơ cấp thứ c ấ p 294

7.1.2 Tải nhiệt dư 298

7.1.3 Hệ thống tải nhiệt vùng hoạt khẩn c ấ p 298

7.2 TAI N Ạ N T M I-2 299

7.2.1 Chuỗi kiện 300

7.2.2 Hư hại phát thải phóng xạ mơi trường 302

7.2.3 Hệ q u ả 303

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 305

Chương CHERNOBYL 8.1 LÒ PHẢN ỨNG VÀ S ự CỐ .309

8.1.1 Lò phản ứng RBMK-1000 .310

8.1.2 Hệ số độ phản ứng .312

8.1.3 Sự c ố 313

8.1.4 Bài học phòng vệ theo chiều sâu văn hố an tồn 316

8.1.5 Số hạng nguồn - Diễn biến thành phần phát t h ả i 317

8.2 VẬN CHUYỂN CHẮT PHĨNG XẠ TRONG KHÍ QUYỂN .323

8.2.1 Các luồng khí phóng xạ 323

8.2.2 Hàm lượng phóng xạ khơng k h í 325

8.2.3 Thành phần nuclit phóng xạ mẫu quan tr ắ c 325

8.2.4 Hàm lượng phóng xạ tích phân khơng khí 326

8.3 NHIỄM XẠ 327

8.3.1 Rơi lắng nhiễm xạ sữa rau .327

8.3.2 Rơi lắng tồn lưu phóng xạ đất bề mặt 328

8.3.3 Phân bố mật độ rơi lắng theo khoảng cách 331

8.3.4 Vận chuyển nuclit phóng xạ sau rơi xuống đ ấ t 333

8.3.5 Vận chuyển nuclit phóng xạ từ đất lên trồng 335

8.3.6 Vận chuyển nuclit phóng xạ vào động v ậ t 3 8.4 NGHIÊN CỨU PHÓNG XẠ LAN TRUYỀN TỪ CHERNOBYL ĐÉN VIỆT NAM 338 TÀI LIỆU THAM K H Ả O

Chương FUKUSHIMA

9.1 ĐIỆN HẠT NHÂN NHẬT BẢN VÀ NHÀ MÁY FUKUSHIMA

DAI-ICHI 349

9.1.1 Nhà máy Fukushima Dai-ichi (I) Dai-ichi (II) 349

9.1.2 Hệ thống pháp quy an toàn hạt nhân Nhật B ả n 351

9.2 LỊ PHẢN ỨNG N c SƠI BWR .352

9.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Năm rào cản phóng xạ lịBVVR ! 352

9.2.2 Hệ thống điều k h iể n 356

9.2.3 Hệ thống tải nhiệt lò hoạt động bình thường 357

9.2.4 Giải nhiệt dư sau lò d n g 359

9.2.5 Hệ thống làm nguội vùng hoạt khẩn c ấ p 359

9.2.6 Xả khí áp suất thùng lò lên cao .360

9.2.7 Điều kiện mức độ tan chảy vật liệu vùng h o t 361

9.2.8 Nhận dạng tai nạn ngồi sở thiết kế lị phản ứng F ukushim a 362

9.3 BỂ CHỨA NHIÊN LIỆU ĐÃ C H Á Y 364

9.3.1 Lưu giữ nhiên liệu c h y 364

9.3.2 Bể chứa tạm thời bể chứa trung tâm 365

9.4 TAI NẠN VÀ xử LÝ c ố 366

9.4.1 Động đất sóng thần Nhật B ả n 366

9.4.2 Tác hại tức thời động đất sóng th ầ n 367

9.4.3 Diễn biến cố chống chọi với nhiệt dư .368

9.4.4 Lý giải vụ n ổ 372

9.4.5 So sánh chuỗi kiện với kết mô trường hợp S B O 373

9.4.6 So sánh mô với kết quan trắc liều xạ

khu vực nhà máy 9.5 Ô NHIẼM PHĨNG X Ạ 9.5.1 nhiễm khu vực nhà m y 9.5.2 Nước phóng xạ khu vực nhà máy ô nhiễm nước

biển gần nhà máy

9.5.3 ô nhiễm phóng xạ khu vực phụ cận 378

9.5.4 Hàm lượng nuclit phóng xạ khơng khí .381

9.5.5 Mật độ rơi lắng phóng xạ vùng phụ c ậ n 382

9.5.6 Đánh giá liều chiếu xạ dân chúng vùng phụ c ậ n 385

9.5.7 Dự báo phát tán ô nhiễm tình trạng khẩn c ấ p 386

9.6 PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TỪ TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN FUKUSHIMA RA NGOÀI NHẶT BẢN .388

9.6.1 Mạng lưới quan trắc 388

9.6.2 Tác động phóng xạ mơi trường tai nạn Fukushima bên Nhật B ả n 388

9.6.3 Vận chuyển phóng xạ khí q u y ể n 389

9.6.4 Khí trơ sol khí phóng xạ đến Bắc Mỹ .390

9.6.5 Quan trắc phóng xạ Fukushima ở châu  u 393

9.6.6 Quan trắc phóng xạ Fukushima nước Đơng Đông Nam Á 393

9.6.7 Số hạng nguồn Fukushima 394

9.6.8 Tổng họp kết quan trắc phóng xạ Fukushima tồn c ầ u 397

9.7 NGHIÊN CỨU PHÓNG XẠ FUKUSHIMA TẠI VIỆT NAM 399

9.7.1 Điều kiện thực n g h iệ m 399

9.7.2 Kết quan trắc 401

9.7.3 Tỷ số hoạt độ đồng vị .403

9.7.4 Quỹ đạo lan truyền phóng xạ từ Fukushima đến Việt N am 405

TÀI LIỆU THAM KHẢO 409

Chương 10 HẬU FUKUSHIMA 10.1 BÀI HỌC T TAI NẠN FUKUSHIM A 415

10.1.1 Nhận dạng thiếu sót quản lý, thiết kế vận h n h 415

10.1.2 Rút học từ tai nạn Fukushima .416

10.1.3 Kiểm tra ửng lự c 420

10.2 LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ THỨ BA 425

10.2.1 An toàn thụ động lò phản ứng hệ thứ b a 425

10.2.2 Cơng nghệ lị A P-1000 427

10.2.3 Công nghệ W E R Nga phiên A E S -2 0 433

10.2.4 Lị nước nén cơng suất bé 437

10.3 LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ THỨ T 439

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 443

Chương 11 PHẦN KẾT Từ NHỮNG NGHIÊN c ứ u THÁP NGÀĐÉN v ũ KHÍ HỦY DIỆT VÀ ĐIỆN HẠT NHÂN .445

Lời tựa

Sau thảm họa hạt nhàn Fukushima, hạt nhàn để phát triển lượng tái tạo, o n s nhiều lị số nước dứt khốt tị bị điện phản ứng mói xây dựns nhiều nước khác Chủ đề an toàn điện hạt nhân lại tiếp tục chia rè giới, tà cơns chúng đến đảng phái ttị neay giới chuyên môn Đù thấy an toàn điện hạt nhân chủ đề khoa học phức tạp, khó cân đons đo đếm để có thê khẳng định dứt khốt, có hay kỉiơng Đây cịn khoa học đa ngành, nơi hội tụ đinh cao từ nhiều khoa học đại sử dụng tối đa phươns tiện tính tốn cực mạnh Do đó, phán xét an tồn điện hạt nhân khơng đơn giản, theo nhừna tư giới hời hợt dễ bị nhừno tâm thức chủ quan chi phối

Mỗi lò phản ứns nhà máy điện hạt nhân chứa ữong MÌns hoạt hàns tỷ curi chất phóna xạ, sản phẩm phân hạch dây chuyền neuưon với hạt nhân uranium Tai nạn điện hạt nhân xảy khối phóns xạ bị tan chảy nhiệt độ tăng lên cao phản ứng dây chuyền tăng tốc khơns kiêm sốt được, nước tải nhiệt Khi ấy, nhàn viên vận hành có thề bị chiếu xạ, nhà máy sè bị hư hóng hồn tồn, xác phóns xạ phai tháo dỡ chôn cất tốn Tệ hại hơn, dân chúng sè bị nhiễm xạ, môi trường bị hoans phế chất phóns xạ khoi nhà lị

AN TỒN ĐIỆN HẠT HHẦN

Các cố tai nạn điện hạt nhân thường khởi nguồn từ sai lệch hệ thống cơng nghệ, sai sót người nhừng tượng thiên nhiên cực đoan Tai nạn nghiêm trọng yếu tố ập đến lúc, hãn hữu theo lý thuyết xác suất, song lại kịch ba tai nạn lớn xảy Công nghệ thiết bị quan trọng, song yếu tố người bao gồm đội ngũ vận hành, quản lý, hệ thống pháp lý văn hóa an tồn ln đóng vai trị định An tồn điện hạt nhân khơng cài đặt sẵn công nghệ mà

chỉ nên xem thành tích đội ngũ,

một tổng kết chí lý nhóm chun gia điện hạt nhân đăng The Economist tròn năm thảm họa Fukushima Ỷ lại vào công nghệ mà thiếu đội ngũ chuyên nghiệp gieo mầm cho điện hạt nhân an toàn Ngược lại, tai nạn điện hạt nhân khó xảy đất nước sở hữu đội ngũ chuyên gia hùng hậu, thực hàng trăm lị phản ứng thiết kế 40 năm trước vận hành an toàn nước tiên tiến

(chương 6) hai phương pháp luận an toàn điện hạt nhân Tiếp theo, ba tai nạn Three Mile Island, Chernobyl Fukushima (chương 7, 8, 9) minh họa tương đối chi tiết Cuối câu chuyện hậu Fukushima (chương 10) trình bày trạng điện hạt nhân giới triển vọng lị hệ có khả sử dụng phế thải hạt nhân lị, thương mại hóa vài thập kỷ tới

Sách sử dụng làm tài liệu tham chiếu giảng dạy chuyên ngành hạt nhân trường đại học Những người hoạt động ngành, kể giới quản lý hoạch định sách, tìm thấy kiến thức bản, có hệ thống hữu ích cho cơng việc Đặc biệt, sách ''An tồn điện hạt nh â n ” hy vọng làm cầu nối ngành công nghệ điện hạt nhân đa ngành, giúp chuyên gia thuộc chuyên môn khác nhanh chóng có hành trang cần thiết để rẽ sang cống hiến lãnh vực điện hạt nhân Cuối cùng, sách có nhiều chỗ dành cho giới truyền thông thường xuyên tác nghiệp điện hạt nhân chưa trang bị kiến thức chuyên môn

Viết sách đối thoại với người đọc Đọc sách đối thoại với tác giả Từ đối thoại tri thức khoa học đến với công chúng

LỜI T Ự A 15

G iới thiệu nội dung

An tồn điện hạt nhân ln tiêu điêm sây chia rè giới ưong nhiều thập kỹ qua Sau thảm họa hạt nhân Fukushima Nhật Bản thảns ba năm 2011, số nước quvết tâm từ bỏ đường này, nhiều lò phản ứng vần xâv dựna ỡ nhiều nước khác

Điện hạt nhàn có an tồn khơng? Một câu hỏi khôns dề ưả lời, cho nhừna muốn thấy đáp số chi cỏ hay khơng Mỗi lị phản ứng nhà máy điện hạt nhàn chứa khối xạ mạnh gấp hàng ty lần lượns phóng xạ cỏ thể gây từ vons Giữ cho điện hạt nhàn an tồn đè khối phóns xạ khơng bị tan cháy mơi tnrờns ^'iệc lại nhiều yếu tổ định, cà nsưịd lẫn thiết bị khả năns bảo đảm an toàn cho nhà máy điện hạt nhân tùy ứiuộc \'ào ưình độ phát m èn trạng rìms quốc sia

Phóns xạ lại nsuồn dần đến điện hạt nhàn Nó phát từ khống uranium àn kín ttonơ đất đá khắp nơi xuns quanh ta nhưna măi đến nhừna năm cuổi k>- XIX người có duyên phát nhàn hành trình đến hạt nhàn nsuyèn từ biểt cách điều chế chất phóng xạ xây dựns nhà máy điện hạt nhàn Điện hạt nhàn dims uranium làm nsuồn nhièn liệu nên chủ đề an toàn điện hạt nhàn phai bất đầu từ tia phóng xạ

Phónơ xạ ưonơ mơi ưườna có hai nguồn 20C tự nhiên lần nhàn tạo Trèn phạm vi tồn cầu phóns xạ nhàn tạo tồn ưong môi ưườns na>' san phàm rir thư ^■ủ hạt nhàn ạt ons vào nhừnơ năm đầu thập ký 60 cua ky XX hai tai nạn điện hạt nhàn lớn nhà máy Chemobyl Lièn Xô (cù), năm 1986 Fukushima D ai-ichi Nhật Ban năm 2011

D -ilH O C T H iK G lT iy

G iới thiệu nội dung

An tồn điện hạt nhân ln tiêu điểm gây chia rẽ giới nhiều thập kỷ qua Sau thảm họa hạt nhân Fukushima Nhật Bản tháng ba năm 2011, số nước tâm tò bỏ đường này, ưong nhiều lò phản ứng vần xây dựne nhiều nước khác

Điện hạt nhân có an tồn khơng? Một câu hịi khơng dề ưả lời, cho muốn thấy đáp số có hay khơng Mồi lò phàn ứng nhà máy điện hạt nhân chứa khối phóng xạ mạnh gấp hàng tỷ lần lượne phóng xạ gây từ vong Giữ cho điện hạt nhân an tồn để khổi phóng xạ khơng bị tan chảy môi ữrrờng Việc lại nhiều yếu tố định, người lần thiết bị, khả bảo đảm an toàn cho nhà máy điện hạt nhân tùy thuộc vào ttình độ phát ừiển trạns từns quốc sia

Phóns xạ lại nguồn dần đến điện hạt nhàn Nó phát từ khống uranium ân kín ừ-ong đất đả khắp nơi xuns quanh ta nhưns đến nhửnơ năm cuối kỷ XIX người có duyên phát nó, nhân hành trình đến hạt nhân nsuyên tử, biết cách điều chế chất phóns xạ, xây dựng nhà máy điện hạt nhàn Điện hạt nhân dùng uranium làm nsuồn nhiên liệu nên chủ đề an toàn điện hạt nhân phài bắt đầu rtr tia phóng xạ

Phóns xạ ưong mơi ttirờns có hai nsuồn aốc tự nhiên lần nhàn tạo Trên phạm vi tồn cầu, phóns xạ nhân tạo tồn o n s môi trườns sán phẩm rìr \ Ị1 thư \-ù khí hạt nhân ạt khí vào nhừns năm đầu thập kỷ 60 kỷ XX hai tai nạn điện hạt nhân lớn nhà máy C hernobyl Liên Xô (cù), năm 1986, Fukushima D ai-ichi, Nhật Bản năm 2011

AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHÂN

Để giúp hiểu chế phản ứng phân hạch dây chuyền phát thải phóng xạ mơi trường, chương trình bày số nội dung tượng phóng xạ, cấu trúc phản ứng hạt nhân có liên quan đến phóng xạ, phản ứng phân hạch với neutron bom nguyên tử điện hạt nhân Nội dung hướng tới đối tượng rộng rãi không thiết phải chuyên sâu vật lý hạt nhân Cách trình bày thiên chất vật lý dẫn dắt tốn học để đến cơng thức

Chưomg đề cập đến cách xếp nguyên tố đồng vị, song nguồn gốc chúng lại nội dung chương Khi khám phá tượng phóng xạ đầu kỷ XX, người kể tìm thìa khóa giấu kín khống urani, để chinh phục nguồn lượng vĩ đại lòng hạt nhân nguyên tử, mà cịn mở cửa vào vũ trụ, khơng khỏi ngỡ ngàng nhận phản ứng hạt nhân phân rã phóng xạ hai cánh tay siêu nhiên miệt mài nhào nặn nên hàng nghìn nguyên tố đồng vị trình giãn nở tiến hóa khơng ngừng vũ trụ Đặc biệt, đồng vị phóng xạ tự nhiên thuộc ba họ nhiều ngun tố nặng khác có mặt mơi trường ngày xuất hình thành hệ Mặt Trời hàng tỷ năm trước phản ứng chóp nhoáng neutron kèm theo phân rã nguyên tố nhẹ

Thảm họa phóng xạ với hàng trăm bom nguyên tử khinh khí cường quốc cho nổ tung khí thời đầu chiến tranh lạnh hôi đâu thập ký 60 thê kỷ XX nguồn phát thải phóng xạ nhân tạo lớn cịn tồn lưu lâu mơi trường toàn cầu Những đồng

V Ị Cs , Sr Pu tạo nên nên phơng phóng xạ nhân tạo

Nguôn phát thải lớn tièp theo lò phản ứng nâng lưọme tai nạn điện hạt nhàn ưình bày chương Mở đầu nhừng khái niệm vê động học lò phản ứng aiủp ơiải thich chế dần đến tai nạn điện hạt nhàn độ phản ửns tăns lên đột ngột (RJA) tai nạn LOCA màt nước tải nhiệt Đày hai loại tai nạn làm tan chảy nhiên liệu ưong MÌmg hoạt lị phản ứng phóng xạ mơi trường Từ đày thày ý nghĩa rào chắn nhốt siừ phóns xạ ưong lị phản ứna hệ thống phòng vệ theo chiều sâu nhừns aiải pháp bàn nhằm bảo đảm an toàn cho nhà mảy điện hạt nhàn Nội dims chươns minh họa qua hai loại lị phơ biến nay, lị nước nén lị nước sơi Phát thải phóns xạ mơi ưườns xuns quanh nhà máy điện hạt nhàn, xa xuyên quổc sia, nội dung chươns Đày miền siao thoa 2Ìừa khoa học hạt nhàn với khoa học khí quyển, có vai ưị quan ưọnơ o n s luận chửng cấp phép xàv dựng nhà mảy o n s tổ chức ứng phó cổ xáy tai nạn điện hạt nhàn

Đẻ cấp phép xàv dựng bảo đảm an tồn ưong suốt thịi £Ìan vận hành, an toàn nhà mảy điện hạt nhàn phải phàn tích đánh 2iá theo phươns pháp tất định xác suất, hai phươns pháp ưình bày o n s chương

Các chươns mồ tá ba tai nạn điện hạt nhàn đà xảy Three Mile Island Chernobyl Fukushima phát ứiải phóng xạ từ tai nạn Bơi cánh, loại lò kịch mức độ tác hại ba tai nạn phán ánh đằy đu bửc ưanh điện hạt nhàn đa dạng trons bày thập ký qua củng rủi ro có thê tướng tượng xuất phát từ chế phản ứng phàn hạch dày chuyền ưong lò năns lượng \'ớ i thành năm lị phản ứng bị tan cháy nhiên liệu ons tòng sổ 2ằn 500 lò hoạt độns u n s bình chưa đầy 25 năm rui ro điện hạt nhàn ưên thực tể cao nhiều so với nhừns dự háo lạc quan ưước đày theo phươnơ pháp xác suàt Những học rút rừ đày nhàt văn hóa an tồn cua ca hệ thổng tính chuyên nghiệp cúa đội n2Ũ luồn nóns o n s thịá đại côns nshiệp

AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHẢII

Sau Fukushima, điện hạt nhân có xu hướng chuyển dịch từ nước tiên tiến Tây Âu Bắc Mỹ lục địa châu Á khát lượng, lại yếu sở hạ tầng trình độ nhân lực Tương lai điện hạt nhân phụ thuộc nhiều vào đột phá tính an tồn kinh tế lị lượng, vào thành cơng cơng nghệ chơn cất bã thải phóng xạ hoạt độ cao khả loại trừ vũ khí hạt nhân, phóng xạ, rơi vào tay nhóm khủng bố

Những vấn đề hậu Fukushima trình bày chương 10 Các lò phản ứng hệ II phải qua kiểm tra ứng lực gắt gao để đù sức chống chịu kiện thiên nhiên cực đoan chúng lại lão hóa hàng ngày lụi tàn vài thập kỷ tới Thay vào lị hệ III+ trang bị hệ thống an toàn thụ động sử dụng chế tự nhiên để vận hành thay nguồn điện Và sau 2030, lị hệ IV có đặc điểm an tồn nội nguyên lý hoạt động chúng, lại đốt cháy phần lớn sản phẩm siêu urani lị mà khơng phải đem chơn cất lâu dài Đương nhiên, vấn đề giải trọn vẹn mặt kỹ thuật tính kinh tế lò hệ IV định tương lai điện hạt nhân

Sách cô găng trình bày giải pháp kỳ thuật bảo đảm an tồn cho lị phản ứng lượng Song an tồn điện hạt nhân khơng bảo đảm băng giải pháp kỳ thuật mà phụ thuộc nhiều vào người Yeu tô người lại rât khác nước có khoa học cơng nghẹ tien tien V Ơ I cac nước lạc hậu vừa thoát thân khỏi sản

xuât tiêu nơng lạc hậu Có tiền sè mua nhà máy, song khơng dễ mua đội ngũ có thê đạt đến "khối lượng tới hạn" trước vững bước tiên lên quỳ đạo điện hạt nhân

Hà Nội, tháng năm 2014

1 P hó ng xạ vật lý hạt nhân

Hiểu rõ chất vật lý tượng phóng xạ điều kiện tiên quyết để nghiên cứu phóng xạ môi trường nàng lượng hạt nhân X u ất cách vừa 100 năm, vật lý hạt nhân đã trải qua thời kỳ phát triển rực rỡ vào năm topớc Chiến tranh giới thứ II, mà tồn móng tịa nhà đồ sộ dựng nên bời người dấn thân âm thầm "tháp ngà" khoa học tồi tàn theo các chuẩn mực ngày nay: máy móc thiết bị tự lắp bày trên bàn làm việc với thước tính lơga kéo tay làm được vài phép tính đơn giản.

Cách tốt để hiểu chất tượng vật lý kinh điển lần theo dấu ẩn người đâ mị mẫm trong bóng tối đẻ đưa chúng ánh sáng Ngược cội nguồn sẽ cho ta cảm hứng sáng tạo khoa học.

1.1 PHÓNG X Ạ -N H Ữ N G MỐC LỊCH Sử 1.1.1 Những năm cuối kỷ XIX

AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAI

giả gọi tia X Giống từ may đãng trí dẫn đến hai phát minh khoa học vĩ đại vòng chưa đầy năm tựa hồ hai lập trình sẵn hồ sơ Tạo hóa Một hơm trước về, nhà vật lý Đức Roentgen quên tắt nguồn điện cung cấp cao áp cho ống tia âm cực trước tắt đèn, nhờ ông thấy ánh sáng huỳnh quang le lói bàn thí nghiệm Cịn với Becquerel, kính ảnh gói lại giấy đen vơ tình đặt lên cục muối uranyl bỏ quên hàng tuần lễ ngăn kéo Chỗ giống thứ hai hai phát minh khả xuyên sâu tia vơ hình khiến vật chất tìi mù trở nên hữu hình (hình 1.1)

Hình 1.1 Bàn tay vợ Roentgen ơng chụp tia X (hình bên trái). Cẳng chân bàn chân vận động viên chạy marathon bị chấn thương xương hình máy PET (Positron Em ission Tomography) đồng vỊ phóng xạ phát positron F18 điều chế trên máy gia tốc (hình bên phải) (Nguồn: Grant et al, (2008)).

Với truyền thống gia đình nghiên cứu chất lân quang từ hai đời trước, Becquerel sờ hữu sưu tập với nhiều khoáng vật phát lân quang quý giá ưone có tinh thể uranyl sulphate kali phát sáng ttong bóng tối sau phơi ngồi nắns N hửns thí nghiệm Becquerel cho thấy, khác hẳn với tia lân quang, tia lạ có khả xuyên qua đồng, ưên ầ n s có kht lồ ưịn thi sè đê lại hình lồ ưịn ưên kính ảnh N hừns đặc điểm lạ không phụ thuộc vào thành phần khống vật hóa học mầu vật miễn ưong có uranium, kính ảnh đen hàm lượns uranium ưong mầu cao

Chưa biết chất tia lạ sì, nsười ta sọi tia Becquerel N sav sau đó, trons ba năm cuối ìcỳ XIX nhà khoa học Pháp Anh vào cuộc, qua dựns lên cột mốc ưèn hành ưình nsười nhận thức chinh phục tia lạ Becquerel

Nãm 1898, Pierre Curie sau thành hôn với sinh viên Ba Lan đă tìm trons khốns uranium pitchblende hai naun tố phóns xạ polonium (Po) có tính chất hóa học sần ơiổns bismuth (Bi) radium (Ra) có quans phổ siốns barium (Ba) (xem hình 1.2 để đối chiếu) Cả hai nguyên tổ có cườns độ phóns xạ mạnh uranium sấp bội Hai ơns bà Curie cũns phát tính phóng xạ thorium (Th) nguyên tố đứns ưirớc uranium (U) hai ons bảng tuần hồn (hình 1.2) N hưns ưò chơi ủ tim thân Th khơna phài hai nơun tố phóng xạ mạnỉi Bằng chứnơ cườnơ độ phóns xạ cua uranium tinh khiết ons nhừns hợp chất chứa uranium yếu nhiều so với quặns chúng, cườnơ độ phóna xạ mạnh lại XI quặng

Bằna tiền rúi eo hẹp Pieưe Marie Curie mua XI

quặnơ tìr mo Bohemia chờ Paris hòa tách chủna ưong phòns tồi tàn àm thấp đế kết úia phàn lập 0.1 radium chloride, từ xác định khối lượns nauyèn ni Ra 225 chímơ minh đày nguyên tố hóa học hồn tồn nằm cùnơ nhóm với barium (hình 1.2) Năm 1903 Becquerel Pieưe Marie Curie nhận chuns 2Ìải Nobel vật lý

AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHÂI

84'! " 6

I I I II

iPoii At I I Rn

Ịl04|H05h0qH07Ịh0ạH0ặMQ|l1lí 112 ị ị l l Ặ l Ặ l : ị l i q | 117 y118

;R fiD b :|s g jB h ;:H s ;;M t|D s jR g ] Cn ÌUutỊị Fl ịỊu u p ỊL vl Uus nUuo

.anthanides

’ Actinides

57 58 59 60 La Ce Pr Nd l “ 1 1 - 1

«9>90 '91' 92

'ac!Th|P3| u

I I

|61. ;pm| l~ T '93' !np 62 Sm 94 Pu 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho

r - ir - If - H “ T

'95 "96 "97» 98 * 99 Hi ỈAmỉlCmilBkll Cf \ Es |Fi

68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu

ị i o ẹ k o i M Ị 3

: :: :: '3 -i*

Hình 1.2 Bảng tuan hồn ngun tố hóa học bao gồm nguyên tố siêu nặng được biết đến năm 2012 Các nguyên tố xếp thành 18 nhóm chu kỳ dựa tính chất hóa học chúng, về sau, học lượng tử cho phép tính tốn trạng thái lượng tử electron bao quanh hạt nhân, từ giải thích đầy đù chất nhóm chu kỳ nói Các nguyên tố lanthanides cịn gọi đất có cấu hình electron ngồi cùng giống nhau,do có tính chất hóa học giống Các nguyên tố actinides vậy.

một cơng cụ cho phép nhìn thấy đườns tia phóng xạ Mãi đèn năm 1906 Geiger, cộng Rutherford, sáng chế đêm chứa khí cho phép đếm tia phóns xạ, qua biết tơc độ phàn rã phóng xạ cường độ phát xạ nguyên tố (sau gọi hoạt độ phỏns xạ)

Năm 1899, phịng thí nshiệm Cavendish Anh, Rutherford phân biệt hai loại phân rã a p dựa quàng chạy khả ion hóa ưên đường chúne Tia a bị chặn lại tờ giấy nhôm mỏng, ưong tia p có ứiể xun qua nhơm dày vài milimet làu sau, cộng khác Rutherford cịn nhận dạng loại tia phóng xạ xuyên sâu hơn, gọi tia Ỵ Neu đặt nguồn phóng xạ o n s điện ưưịmg, tia Ỵ sè thẳne ưong tia a p lệch hai phía khác nhau, chứng tỏ chủns mana điện tích nơược dấu

Năm 1900, Becquerel thí nehiệm đo tỷ số điện tích khối lượng đà khẳna định tia p elecưon Ba năm sau Rutherford khẳng định tia a hạt nhân helium cùna với cộng Soddy tìm quy luật chuyển hóa liên tiếp từ nguyên tổ sang nguyên tổ khác chúng phàn rã phóng xạ

1.1.2 Những năm đầu kỷ XX

Cho đến đầu kỷ XX ngưòã ta vần chưa biết tia xạ phát từ đơn vị cẩu trúc o n s lịns vật chất Mơ hình nsun tử Thompson đề xướns năm 1904 xem nguyên từ siọt chất lịns tích điện dương, ưong có elecưon chuyển động, cịn q thơ sơ khơns thực tể Khoa học đà vào cấu trúc vi mô \ ật chất từ cuối thể k\- XDC lúc chi biết có elecưon chưa biết hạt nhàn đồng vị Phải mưòã năm sau năm 1911 cộng cua Rutherford nhìn thay hạt nhàn nguyên từ lần o n s thi nshiệm chiếu tia a từ nsuồn phóng xạ radium lên nhôm \ thấy sổ tia a bị bật ngược phía sau Từ thí nghiệm Rutherford đề mơ hình cấu ưúc nguyên tử với elecưon quay

AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHU

quanh hạt nhân giống hành tinh quay quanh Mặt Trời Hạt nhân nằm tâm nguyên tử tập trung hầu hết khối lượng ngun tử Mơ hình Rutherford gần thực tế hơn, song gặp mâu thuẫn nội có tính ngun tắc, electron chuyển động có gia tơc ăt phải phát xạ dần lượng rơi vào tâm Phải đợi thêm thập kỷ nữa, học lượng tử đời xây dựng mô hình cấu trúc nguyên tử đắn phù hợp với quan sát thực nghiệm

Năm 1913, Soddy Thompson phát tượng đồng vị, theo ngun tố hóa học có vị trí xác định bảng tuần hồn Mendeleevcó thể hỗn hợp nhiều đồng vị với số khối A khác Các đồng vị nguyên tố chuyển hóa lẫn bang phân rã phóng xạ phản ứng hạt nhân Hiện tượng Rutherford khảo sát lần vào năm 1917 chuyển hóa nitơ oxy cách dùng tia a rtr nguồn phóng xạ Ra-Be Phản ứng xảy theo phương trinh:

7N‘" + H e " ^ '" + p (1.1) Nhưng nguyên tố có nhiều đồng vị? Lý giải bí ẩn phải đợi thêm hai thập kỷ Chadwick, cộng cùa Rutherford, tìm neutron vào năm 1932 Đen lúc người ta biêt hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ proton neutron, gọi chung nucleon, hạt mang điện dương, hạt trung hòa điện, chúng tương tác V Ớ I băng lực hạt nhân Một đông vị X nguyên tố có nguyên

tử số z viết d n g ^ x ^ , A = z + N, z và N tương ứng số proton neutron cấu tạo nên hạt nhân đồng vị số z là số thứ tự nguyên tố bảng hệ thống tuần hoàn

1.1.3 Thập kỷ 30 kỷ XX

Nàm 1933, Anderson M illikan đă ghi nhận ưong tia vũ trụ hạt có khối lượng electron, m ans điện tích dương Trước frong cơng trình lý thuyết học lượng từ tương đổi tính Dirac tiên đốn tồn phàn hạt Hạt Anderson Millikan tìm phản hạt elecưon, 2ỌÌ posiưon Posiưon khơng có thành phần tia trụ mà cịn phát phân rã phóng xạ nhiều hạt nhàn

Một năm sau năm 1934, Irene Jolio Curie đà tìm thấy đồng vị phóng xạ phân rà positron mà đồng vị xạ người tạo lần đầu tièn Phóna xạ nhàn tạo bắt đầu có từ đày Hai nhà khoa học đă tiến hành nhiều thí nghiệm chiếu tia a rìr nsuồn phóng xạ polonium lên nhơm nshiên cứu tia phát rtr phàn ứng hạt nhàn bằns buồns ion hóa, trons có neutt-on Lá nhôm cũn2 dùns làm cừa sô cho buồng ion hóa Hiện tượng phóng xạ nhân tạo phát tình cờ họ định chiếu nhơm 10 phút sau tách nhơm khịi buồns ion hóa đặt lên ổna đếm Geiser Số đếm 2Ìảm dần theo quy luật hàm mù với chu kỳ bán phân rà Ti - = 2.5 phút Chất phóng xạ tạo thành ưona thí nshiệm đồna vị cua phosphor (P), khơng có o n s thiên nhiên Hai tuần sau Joliod-Curie côns bố kết tách phosphor phóna xạ khói bia nhơm bằna phươna pháp hóa học Phản ứns hạt nhàn phân rà phóns xạ nói ưên có thê viết sau:

uS i-’-' + e ' + v (1.2)

Khám phá cua Joliod-Curie khời đầu 2Ìai đoạn tons họp đồng vị phóns xạ ưong phịns thí nơhiệm Thế đồng vị phóna xạ khơns chi có trona tự nhiên mà cịn có thè điều chế được, sổ lượng đồn2 vị phóns xạ nhàn tạo tàng lên nhanh chóng nhờ sừ dụng chùm hạt tãns tốc ưonơ máv gia tốc có cường độ nàng lượns cao nhiều so với n2uồn phóng xạ tự nhiên mà Joliod-Curie dừi2

Song sử dụng máy gia tốc có mặt hạn chế, hạt tích điậ gia tốc phải vượt qua hàng rào Coulomb trước chui vàc bên hạt nhân để gây phản ứng về mặt này, neutron có ưu hẳn khơng bị hàng rào Coulomb cản trở Thậm chí, theo lý thuyết học lượng tử, neutron chậm thưòng dễ gây phản ứng hơE

neutron nhanh Dựa ý tưởng nhóm nghiên cứu Ý, Pháp Đức tìm nhiều sản phẩm phóng xạ chiếu neutron lên hạt nhân, đa sổ đồng vị phân rã p, phát electron, có phơ liên tục

Nhưng phổ electron lại liên tục, hạt nhân vốn tồn trạng thái lượng gián đoạn? Fermi xây dựng thành công lý thuyết phân rã p giải thích bí ẩn ô n g tiên đoán tồn hạt khác tham gia vào trình phân rã p chia xẻ lượng với electron Đó hạt neutrino có khối lượng gần khơng khơng mang điện tích nên xun qua lớp vật chất dày mà không bị lượng, neutrino khó phát dụng cụ đo lúc

1.1.4 Trước ngưỡng cửa chiến tranh giới thứ II Phân hạch uranium

Hấp dẫn nghiên cứu tìm nguyên tố chiếu neutron lên uranium để săn tìm ngun tố phóng xạ hồn tồn mới, gọi siêu uranium, khơng có tự nhiên, nặng hơn, có điện tích lớn uranium Fermi tìm số sản phẩm, phóng xạ phản ứng chiếu neutron lên uranium, kết không lý giải Cuối cùng, vào năm 1938 hai nhà hóa học người Đức Hahn Strassman chứng minh sản phẩm phóng xạ chiêu neutron lên uranium siêu uranium mà nguyên tơ có sơ khối trung bình barium lanthanum Đe tránh nghi ngờ đông nghiệp, hai nhà hóa học khẳng định họ phát barium khơng phải radium (cùng nhóm II bảng tuần hồn, nặng barium nhiều) lanthanum khơng phải actinides

(cùng nhóm III ưong bảng tuần hồn) (xem hình 1.2) Theo Frisch, đơng nghiệp hai tác giả nói trên, sản phâm có động khả ion hóa cao gấp bội so với tia phóng xạ biêt trước đày

Thê giới lúc đứng trước ngưỡng cửa Chiến tranh giới thứ II Bên phịng thí nghiệm n ắng đại học châu Âu, khơng khí sặc mùi thuốc súng Sinh mạng nhiều nhà khoa học ưeo ưên sợi tóc bời sóng cuồng nộ Do thái Đức quốc xã phát động Nhiều nhà khoa học hạt nhàn gốc Do thái phải tìm cách khỏi nước Đức Ý để lánh nạn, ưong số cỏ Fermi vợ nsười gốc Do thái Ịna đưa gia đình sane Mỹ nhân chuyến Na Uy nhận giải Nobel thưởng cho cơng trình nghiên cứu phóng xạ beta Meitner, nhà hóa học nữ

tài ba 20C Do thái cùna làm việc o neutron o n s nhóm Hahn Sưassman

cũng kịp lánh nạn sang Thụy

Điển ị

M eimer khơng nshi nsờ kết

quả bất ngờ hai đồng ^ ị

nshiệp Hahn Strassman do o o

Frisch thông báo Qua ưao đổi, ♦ _

hai cháu có lời o o

2Ìai dựa ưèn mầu hạt nhàn siọt ^

■ , ^ , H ình 1.3 M ô tả trình biên dang hat

chât long Gamov đê xuât rtr

= nhân uranium dấn đên phân

năm 1930 Bohr hoàn hạch theo Meitner,

thiện o n s mầu hạt nhân hợp

phần \'ào nhừng năm 1935 Theo đó, tác dụns neuưon hạt nhàn bị kích thích, năns lượna kích thích phàn bố lại cho nucleon bên hạt nhàn uranium chuvển hóa thành dao độns tập thể dao động cua mặt ngồi giọt chất long Q ưình làm cho hạt nhân bị biến dạng thành hình elipsoit ưịn xoay hình elipsoit kéo căng có thê đến lúc bị thãt lại 2Ìừa để sau tách làm hai 2Ìọt có số khổi lượns tmng bình (hình 1.3)

Dựa tính tốn đơn giản mối tương quan thê sức căng mặt lực đẩy Coulomb, Meitner ước lượng hai giọt bay với động lớn, khoảng 200 MeV Tác giả cịn tiên đốn giọt tách quan sát barium với z = 56 giọt phải krypton có z — 36, hai giọt đêu thừa neutron nên chúng phân rã liên tiếp tạo thành hai chuồi đồng vị phóng xạ B a-L a-C e chuỗi kia, nhẹ hơn, S r-Y -Z r Những tiên đoán Meitner y quan sát sau

Những giải thích tiên đốn M eitner Frisch công bố Nature 143, p 239-240 ngày 11/02/1939 Hai tuần sau, Nature 143, p 330 Bohr viết bình luận giải thích rõ ý tưởng sau:

Mọi phản ứng hạt nhân xảy qua trạng thái hạt nhân hợp phần (compound) lượng kích thích từ phản ứng phân bổ lại cho mức tự hạt nhân giong ta kích thích nhiệt vật răn lỏng phản ứng hạt nhân thường thấy, hạt nhân hợp phần phân rã cỏ hạt bay ra, lượng kích thích tập trung vào hạt giống trình bốc phân tử từ giọt chất lỏng Phân rã hạt nhân hợp phần dẫn đến phân hạch, phân bố lại lượng kích thích tập trung cho chuyển động dao động gây biến dạng mạnh bề mặt hạt nhân hợp phần

Hiện tượng phân hạch uranium làm chấn động giới khoa học vốn ngột ngạt bầu khơng khí chiến tranh cận kề Năng lượng cực lớn tỏa phân hạch hạt nhân uranium tương đưoTig với lượng oxy hóa hàng triệu nguyên tử carbon Nhớ lại, phản ứng hóa học đốt nhiên liệu hóa thạch làm nên cách mạng công nghiệp giới từ kỷ trước Giờ với phản ứng hạt nhân uranium phải loài người đứng trước ngưỡng cửa cách mạng lưọrng Nhưng có thê chinh phục nguồn lượng vĩ đại này?

1,1.5 Phản ứng dây chuyền

Nguồn lượng khai thác neutron tương tác với hạt nhân uranium theo phản ứng dây chuyền tự trì Điều có sở hạt nhân vỡ làm đơi ln có khoảng 2,5 neutron thứ cấp phát với hai mảnh vỡ Một neutron bị lại sinh 2,5 neutron mới! Các neutron bị hao hụt thất mơi trường chứa uranium chất làm chậm neutron, cuối số neutron cịn lại nhiều đôi chút trước gặp hạt nhân khác để gây phân hạch

Bảo đảm hệ số nhân neutron k > để phản ứng dây chuyền xảy chuyện khơng dễ Trong hai đồng vị uranium, có phân hạch tác dụng neutron nhiệt, mà đồng vị chiếm 0,7% tự nhiên, 99,2% lại khơng phân hạch mà cịn hấp thụ neutron

Để băn khoăn giải tỏa, trước hết phải tìm cách chứng minh mơi trường làm chậm neutron thích họp có chứa uranium, số neutronsẽ nhân lên ta đặt vào nguồn neutron Fermi với Szilard, đồng nghiệp người Hungari gốc Do thái di cư sang Mỹ, làm thí nghiệm thành cơng khoa vật lý Đại học Columbia Những kết ban đầu cho thấy điều kiện định số neutron nhân lên, đem lại hy vọng phản ứng phân hạch dây chuyền thực

Được khích lệ kết thí nghiệm nhân neutron, Szilard tìm Einstein sứ mệnh lịch sử Vào câu chuyện, Szilard kể cho Einstein nghe kết thí nghiệm nhân neutron kết tính tốn phản ứng phân hạch dây chuyền môi trường uranium-graphit Khơng ngại phật lịng người bạn trẻ quen biết Đức, Einstein ngắt lời khách: "Daran habe ich gar nicht gedacht" (Tôi chưa nghĩ thế) Nhưng sau đó, Einstein hứa ký tên vào thư gửi Tổng thống Roosevelt Bức thư chuẩn bị sẵn có nội dung sau:

Thưa Ngài,

Trong vòng bổn tháng gần đây, qua cơng trình J o lio - Curie ở Pháp Fermi Szilard M ỹ dường xuảt khả năng thực phản ứng dây chuyền khổi uranium, từ có thê sản sinh lượng khổng lồ lượng vô lớn nguyên tổ p hóng xạ giong radium Hiện tượng dẫn đến việc chế tạo bom, ta tin, chắn hơn, bom cực mạnh ỉciểu chế tạo được thời gian trước mắt

Hoa Kỳ có ti-ữ lượng vừa ph ả i quặng uranium không tốt lam Quặng tốt chì có Canada, Tiệp Khắc, nguồn uranium quan trọng Congo thuộc Bỉ Tôi biết nước Đức hiện ngừng bán uranium từ mỏ Tiệp Khắc mà họ chiếm được Hành động kịp thời nước Đức hiểu trên việc người trai thứ trưởng Von Weizacker điều làm việc Viện Kaiser-W ilhelm Berlin, người ta lặp lại một so thỉ nghiệm uranium Mỹ.

Nhà khoa học W eizacker nhắc đến thư người tìm cơng thức bán thực nghiệm lượng liên kết nucleon hạt nhân (xem 1.2.2), dựa vào Meitner Bohr giải thích tượng phân hạch uranium Nồi lo người Đức chế tạo bom nguyên tử thúc nhà khoa học Mỳ chạy đua với thời gian Nhận thư, Tổng thống Mỹ cho thành lập ủ y ban Uranium khởi động dự án chế tạo vũ khí nguyên tử mang tên Manhattan

Cho đến năm 1940, nhà khoa học biết dùng làm nhiên liệu cho bom nguyên tử Nếu chọn làm nhiên liệu phải làm giàu từ 0,7% uranium thiên nhiên lên khoảns 90% có thê phản ứng dây chuyên xảy bom nguyên tử Còn theo phương án thứ hai, phải có mà đồng vị khơng có sẵn tự nhiên nên phải tơng hợp phản ứng hạt nhân

uranium Tổng hợp máy gia tốc lúc tạo lượng nhỏ, khơng q micro gram, mà bom ngun tử địi hịi khơi lương nhiên liệu hàng chục kilogram Pu‘^^ Chi cách phải xây dựng lị phản ứng, phản ứng phân hạch dây chuyền điều khiển được, sè sinh theo phản ứng hấp thụ neutton đồng vị (công thức 1.3), đồng vị dồi (99,2%) ưong uranium Với phương án thứ nhất, nhà máy làm giàu bàng phương pháp khuếch tán khí dự tính có đủ o n s vịng bốn năm để chế tạo hai nửa bán cầu bán cầu có khối lượng tới hạn, nghĩa chưa đủ khối lượng để phản ứng dây chuyền xảy ra, nhanh chóng ghép hai nửa bán cầu lại với nhau, khổi lượng uranium tới hạn, phản ứng dây chuyền sè xảy Phản ứng giải phóng năna lượng cực lớn thời gian khoảng phần triệu giây, gây \TỊ nổ hạt nhân với sức công phá cực mạnh Đặc điểm kỹ thuật mấu chốt hai bán cầu tiến đến với vận tốc lớn, vài nshìn feet/s giữ chúng tiếp xúc với ữong khoảng thời 2Ìan định để phản ứng dây chuyền xảy chớp nhoáns phần lớn số hạt nhân phàn hạch sè phải cháy hết ttong phần triệu giây

Nếu phươne án tt-ên không thành công, tồn kế hoạch sè phải ươns chờ vào phươns án Pu~^^ Để theo phương án nàv, thiết phải xây dựng lò phản ứns đê sản sinh tích lũy đủ số lượna Pu'^^ Nhiên liệu cho lị chi uranium tự nhiên, chứa ỒJ%

Vì thành phần đồng vị q nên đe phản ửnơ dây chuvền xảy cần phải có chất làm chậm neutron cho q trình làm chậm neutron bị thất Nước làm chậm neutron hiệu qua neuưon lại dễ neutron bị H ưong nước hấp thụ Nước nặng (D2O) có lợi khơng có sẵn điều chế nước nặnơ địi hỏi phải có thời sian Cuối đành phải dùns sraphit dù biết ràns hạt nhân carbon ưong graphit có khối lượns lớn hoTi H \ D nhiều nên làm chậm neuưon hiệu (báns 1.1)

3 4 AN TOÀM ĐIỆH HẠT NHÂH

B ản g 1.1 Số lần va chạm tru ng bình để neutron giảm động từ M eV xu ống eV.

Chất làm chậm

H

H2O

D2O

He

Be

Số lần va chạm

14

20

19 2 9 4 3 6 9 91

Ngồi ra, phải bố trí khối graphit uranium cho trình làm chậm neutron từ lượng trung bình gần MeV lúc sinh lượng chuyển động nhiệt ~ 0,025 eV, neutron tránh vùng hấp thụ cộng hưởng ~ 25 eV mà đồng vị lại dồi nhiên liệu Muốn thế, nhiên liệu không trộn lẫn với chất làm chậm mà phải xếp chúng thành cấu trúc ô mạng Uranium nằm nút ô mạng, nút chất làm chậm Còn ẩn số khác phải giải quyết, thông sổ phản ứng hạt nhân thời thiếu xác

Chưang PHỒNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN 3 5

số thực nghiệm st sốt với tính tốn ban đầu Fermi dùng thước tính kéo tay lơga

4m H ình 1.4 S đồ xếp lóp uranium -graphit trong cấu tới hạn CP—1 theo Fermi. C cấu tới hạn gồm 000 khối graphite, khối có khoét lỗ chứa viên uranium hình cầu. Cả thảy có 22 000 viên Khi lắp lò, khối graphite - uranium được xếp thành lóp từ lên trên lóp thứ 57 đạt đến đến tới hạn, từ lúc phản ứng dây chuyền tự trì.

Khơng phải vơ cớ mà tồn khối vật liệu đồ sộ có dạng hình cầu, hình cầu bảo đảm neutron bị thất khỏi mặt ngồi nhất, đồng thời dễ tính tốn Công suất nhiệt CP-1 vào khoảng 0,5 W

3 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHầM

1.1.6 Vũ khí ngun tử

CP-1 có công suất bé, vào khoảng 0,5 w Nhưng tri thức tích lũy ưr cấu tới hạn sơ khai giúp Mỹ xây dựng sau lị phản ứng cơng suất hàng chục MW để sản xuất dùng làm nhiên liệu cho vũ khí nguyên tử đồng vị chẵn - lẻ nên phân hạch neutron chậm, giống Năm 1940, Seaborg cộng Đại học Berkely, California tổng hợp lượng bé cách chiểu neutron lên uranium, hấp thụ neutron sinh theo phản ứng:

^ p-2,35d ^ ^ ^ p ^ ( )

Phản ứng xảy lị phản ứng cơng suất lớn Mỹ xây hai năm 1944 - 1945, nhiên liệu uranium thiên nhiên chất làm chậm neutron nước nặng graphit Tính tốn cho thấy với thiết kế tối ưu, lò phản ứng sản sinh g plutonium giải phóng nhiệt MWd Nhưng ngồi lị phản ứng cịn tạo đồng vị Đây đồng vị chẵn - chẵn (N z đều chẵn), khó phân hạch với neutron chậm, mà lại có xác suất phân hạch tự phát cao Quá trình phân hạch tự phát sản sinh nhiều neutron gây kích nổ sớm, khơng có lợi Do đó, để sử dụng plutonium làm vũ khí, quy trình vận hành lị phải bảo đảm cho thành phần đồng vị

là thấp chấp nhận

các sản phẩm phân hạch phát chậm sau bom nổ Lần khoa học chứng kiến lượng chất phóng xạ lớn người tạo ra, bốc lên tầng bình lưu lan khắp địa cầu Bắt đầu từ đây, vụ thử vũ khí hạt nhân hai thập niên cường quốc, lượng chất phóng xạ nhân tạo cực lớn thâm nhập vào đất, nước sinh toàn giới Cho đến tận ngày nay, nguồn phóng xạ nhân tạo chủ yếu ữong môi trường, vụ nổ hạt nhân khí chấm dứt từ thập kỷ 60 kỷ XX Sau Chiến ừanh giới II lị phản ứng hạt nhân có cơng suất lớn trở thành công cụ điều chế chất phóng xạ qua phản ứng neuữon với đồng vị bền sẵn có ừong thiên nhiên Tuy nhiên, phản ứng tạo đồng vị phóng xạ có số A z cận kề với đồng vị bền (hình 1.5) về sau máy gia tốc, đặc biệt máy gia tốc ion nặng, mở rộng đồ đồng vị xa dải đồng vị bền Từ số 254 đồng vị bền tồn thiên nhiên, ngày bán đồ đồng vị có thêm hàng nghìn đồng vị phóng xạ nhân tạo khác

1.1.7 Hoàn chỉnh mở rộng đồ nguyên tố hóa học

Trong thời gian dài nhiều nhà hóa học tìm cách lấp đầy ưống ưong bảng tuần hồn ngun tố hóa học Mendeleev phát minh năm 1869 Cho đến cuối kỷ XIX cịn nhiều trốns để lấp đầy chúng, phương pháp hóa học cổ điển khơng cịn thích hợp mà phải phương pháp vật lý hạt nhân

Bản đồ nguyên tố hóa học cũne mờ rộng phía nhữns ngun tố siêu nặng sau uranium Ban đầu nguyên tố siêu nặnơ nàv tìm nhờ có dịng neutron mạnh lò phản ứns, sau nhờ máy 2Ìa tốc ion nặng Berkely (Mỹ), Dubna (Nsa) Darmstad (Đức) Phần lớn nguyên tố phóns xạ phân rã a phân hạch tự phát, hạt nhân tự vỡ làm đôi mà khôns cần có neuưon chiếu vào Hiện tượng phân hạch tự phát uranium hai nhà vật lý Liên Xô (cũ) Flerov Petrzack phát vào năm 1940 loạt thí nshiệm

tiến hành ga tàu điện ngầm Matxcơva sâu 60 m Phải làm thí nghiệm bên lớp đất dày 60 m để giảm ảnh hưởng tia vũ trụ neutron tia vũ trụ gây phân hạch uranium Cho đến nay, bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học mở rộng đến nguyên tố z = 118, chúng đồng vị phóng xạ phân rà chủ yếu phân hạch tự phát Trong số có 22 nguyên tố có tên gọi Hiệp hội quốc tế Hóa học ứng dụng (lUPAC) thức cơng nhận Hiệp hội có định đắn gắn nguyên tố hóa học tên nhà khoa học phóng xạ, phần lớn giới vật lý, người xây nên tịa nhà phóng xạ kỷ XX Đó Curium, Cm (Z = 96), Einstenium, Es (Z =99), Fermium, Fm (Z = 100), Lawrencium, Lr (Z = 103), Rutherfordium, Rf (Z = 104), Seaborgium, Sg (Z = 106), Bohrium, Bh (Z = 107), Hasium, Hs (Hahn + Strassman, z = 108), Meitnerium, Mt (Z = 109), Roentgenium, Rg (Z = 111), Flerovium, F1 (Z = 114) Địa danh nơi khoa học, nơi mà trí tuệ lớn dày cơng khám phá ngun tố phóng xạ siêu uranium vinh danh Berkelium, Bk (Z = 97), Californium, C f (Z - 98), Dubnium, Db (Z - 105), Darmstadium, Ds (Z = 110) Livermorium, Lv (Z = 116)

Hai nguyên tố siêu nặng lUPAC thức cơng nhận gần vào ngày 31 tháng năm 2012 Flerovium số 114 Livermorium số 116 Đây kết hợp tác nghiên cứu hai trung tâm Dubna (Nga) Livermore (Mỹ) Hai nguyên tố siêu nặng tổng họp từ phản ứng hạt nhân hạt đạn hiếm, ^*Ca, bắn lên bia hiếm, Để ghi nhận thành công này, nguyên tố thứ 114 mang tên Georgy Nikolaevich Flerov, người lãnh đạo xây dựng máy gia tốc U -400 Dubna, ông người phát minh tượng phân hạch tự phát uranium năm 1940 với Petrzack Nguyên tố thứ 116 chọn để vinh danh trung tâm khoa học Livermore

Thcri gian sons cúa nauyèn tố siêu nặna nỏi chuns giảm dàn nguyên tử số z tăns từ 100 nsày với iooFni“ xuổng 61 ms với X him s nhiều tiên đoản lý ứiuyểt cho rằns nhửns hạt nhân siêu nặng MÌns số kẬ' ảo kép (xem 1.2.3) cỏ 184 neuơon 114, 120, hay 126 proton sè rẩt bền nèn sè có ứiời d a n sons làu nhiều, đèn hàng phút X hừns đồng vị sièu nặna 2Ìốn2 vièn ngọc nằm hịn đảo cuổi bảng tuần hồn mà nhà 2Ìả kim ứiuật thời m ons đặt chân đển Xhỏm Dubna - Livermore đà tổns hợp nguyên tố F1 có z = 114 N = 173 cịn thiếu 10 neuưon đạt đen số k>- ảo Có thể đày lý khiến nhà khoa học vần chưa chạm đến đảo bền Tuy nhièn cũns cỏ nhiều ý kiến bi quan tồn đảo bền khả năn£ khoa học có ứiể đặt chân lèn đỏ

1.1.8 Bản đồ đồng vị Đồng vi bền phóng xạ

Dưới ánh sảng quan niệm ưên ta tìm hiểu khác mặt năna lượnơ liên kết 2Ìừa nucleon ữong sổ hàng ưăm nsuyèn tổ hóa học hàns nshìn đồns vị N sày khoa học định danh 118 nsuyèn tổ hóa học ơona sổ có so nsuyèn tố tồn sằn trona tự nhièn số cịn lại chi tơns hợp ưèn lị phản ửna mảy 2Ìa tốc định danh bằns phương pháp hạt nhân Cảc nsuyèn tố bao aồm 300 đồng vị bền cùns phóng xạ Có thé định nahìa phóng xạ ưình phàn rã tự phát cảc hạt nhàn đồng yị \ầ chuyển ứiành hạt nhàn đồns vị khác, ưình toa lượnơ dạng ria phóns xạ a p V mảnh vỡ phàn hạch

Trèn đồ đ èn s vị (hình 1.5Ì dải đồng vị bền siừa hai \Tin2 cuối đồnơ vị phóns xạ dái đồns vị bền ụ- lệ số neuưon proton tối ưu đè hạt nhàn tồn làu dài khơns hị phàn rã phóns xạ Dai hạt nhàn bền ban đầu riệm cận ứieo đườne N = z sị neuưon proton nói chung bànơ nhau, sau lệch dần xuốns phia dưcn proton ÍT neuữon Hạt nhàn càns nặns càns càn nhièu neuưon so với proton đé lực hạt nhàn ửiănơ thé lực đàv Coulomb làm cho hạt nhàn bền \irng

4 AN TOÀM ĐIỆH HẠT NHẤN

Phản rã

■ p*, chiếm elecưon vò K ■ P

a

■ Phán hạch tự phát

Giảu proton

20 \

® j f ^ 28 I’®" ^

H inh 1.5 Bản đ ề đồng vị phóng xạ Đồng vị nằm bên dải bền (m àu đen) giàu neutron nên phân rã p~ để neutron chuyển thành proton N gược lại, phía dải đồng vỊ bền đồng vị thiếu neutron nên phân rẵ hoặc chiếm electron K để có thêm neutron proton chuyển thành neutron.

Trong số 92 nguyên tố đứng trước uranium bảng tuần hồn có 80 ngun tố tồn thiên nhiên bao gồm 254 đồng vị bền Tính bền hạt nhân hệ cấu trúc vỏ nucleon, tương tự cấu trúc vỏ electron nguyên tò (xem 1.2.3) Theo mẫu cấu trúc vỏ, nucleon hạt nhân lấp đầy vỏ, số nucleon số kỳ ảo 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, hạt nhân bền vững

Khi lấp đầy vỏ, nucleon liên kết chặt chẽ với so với nucleon cho thêm vào bên vỏ, vỏ chưa lấp đầy Đặc biệt có hạt nhân kỳ ảo kép, hai số neutron proton số kỳ ảo, chúng bền vững o '^ (Z, N = 8), CSL^° (Z, N = 20), Ca"' (Z = 20, N = 28) (Z = 82, N = 126)

Càng xa hai bên dải đồng vị bền, tỷ sổ neuưon/proton ưu, hạt nhân phân rã nhanh, chu kỳ bán rã ngăn Cho nên vê nguyên tắc, số lượng đồng vị phóng xạ cịn nhiều có ưên đồ hình 1.5, có điều chúng sống q neắn để có thê tơng hợp nhận dạng

Ngược lại, số 254 đồng vị xem bền, nhiều trường hợp đồng vị phóng xạ, xét ưên quan điểm lượng liên kết nucleon bên ưong hạt nhân, nhưns chu kỳ bán rã lớn nên hoạt độ phóng xạ thấp chưa phát

Những đồng vị phóng xạ chia thành hai loại, tự nhiên nhân tạo Phóng xạ tự nhiên bao gồm khoảng 85 đồng vị có từ thời nguyên khởi vũ trụ (xem chương 2) tồn đến ngày nhờ có chu k>^ bán

rã lớn chúns ln cùns với

cháu có chu kỳ bán rã bé nhiều Thuộc loại phóne xạ tự nhiên cịn có đồng vị tia \ii trụ sinh Toàn số đồng vị phóng xạ cịn lại (gần 000) có nsuồn sốc nhân tạo, chúng tạo thành nhờ lò phản ứng hạt nhân máy gia tốc

1.2 KHỐI LƯỢNG ĐÒNG VỊ, NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT NUCLEON, MẪU HẠT NHÂN

1.2.1 Khối lirợng đồng vị độ hụt khối

Phân rã phóns xạ phản ứng hạt nhân tuân theo nhừns quy luật bao toàn, ttước hết bảo toàn lượns Bởi vậy, muốn hiêu trình này, trước hết phải biết nucleon liên kết với hạt nhân nàng lượns liên kết phụ thuộc vào sô lượng nucleon hạt nhân A, N và z như Theo thuyẻt tương đối hẹp cua Einstein, năna lượns tý’ lệ với khối lượng chúnơ chun hóa qua lại theo cơng thức E = m c' tronơ c vận tốc ánh sáns

Khi nucleon kết hợp lại với thành hạt nhân, khối lượng hạt nhân bé tông Idiổi lượna nucleon hợp thành, tựa hồ

các nucleon bị "sụt cân" tương tác với để sít lại gân Điêu giải thích dựa cơng thức Einstein Khôi lượng hạt nhân bị hụt phần khối lượng nucleon phải chuyển hóa lượng liên kết:

m(A, Z) = Nm„ + Zmp - B(A, Z)/c^ (1.4)

trong đó, m khối lượng đồng vị, nin niptương ứng khối lượng neutron proton, B(A, Z) lượng liên kết nucleon hạt nhân (B > 0)

Trong vật lý hạt nhân, khối lượng tính theo đơn vị khối lượng ngun tị (amu, atomic mass unit) 1/12 khối lượng đồng vị c ’^ đo khối phổ kế có độ xác cao Giá trị amu là:

1 amu = (1/12) m ( C ’^) = 931,494 013 (37) MeVc"^ = Eb

= 1,660 538 7 (1 ) X

và khối lượng proton, neutron electron mp = 1,007 276 466 88(13) amu,

nin - 1,008 6 15 8(6) amu

lĩie = ,0 0 548 58 amu (1.5)

Cần ý khối lượng neutron đo phương pháp khối phổ kế mà dựa phản ứng proton bắt neutron tạo hạt nhân deuterium (iH^ D):

n + i H ' ^ i H ^ (16)

Deuterium đồng vị tồn tự nhiên thường dạng phân tử nước nặng D2O Cũng H, khối lượng đo xác khối phổ kế, lượng tia Y đo xác, Ey = 2,225 MeV từ xác định xác khối lượng neutron

Ta kiểm tra tượng hụt khối nói với hạt a, hạt nhân ^He^có khối lượng đo 4,002 602 amu, bé tổng khối lượng bốn nucleon (4,031 882 765 amu) đại lượng

0,031 62 amu, tương đương lượng liên kết hạt a 27,274 86 MeV Tính trung bình, lượng liên kết cho mồi nucleon hạt a 6,82 MeV

Vì khối lượng đo khối phổ kế với độ xác cao nên lượng liên kết nucleon hạt nhân tính xác đến hàng chục eV Nhờ Weizsacker (1935) đề công thức bán thực nghiệm để tính lượng liên kết B(A, Z), cơng thức thường dùng làm sở để tính tốn lượng trình tương tác hạt nhân phân rã phóng xạ

1.2.2 Cơng thức bán thực nghiệm Weizsacker Mầu giọt chất lỏng

Năm 1935, Weizsacker, người Đức, đưa công thức bán thực nghiệm để mô tả độ hụt khối lượng liên kết nucleon ưong hạt nhân Nói bán thực nghiệm tác giả rút công thức cách hệ thống hóa kết đo khối lượng đồng vị sừ dụng mơ hình giọt chất lỏng hạt nhân Gamov đề xuất trước

Theo Gamov, hạt nhân giống giọt chất lỏng hình cầu nucleon tương tác với lực hạt nhân Khác với lực tĩnh điện, tương tác lực hạt nhân chi xảy khoảng cách cực ngắn, khoảng 10“^^ cm Các giọt chất lỏng hạt nhân có khối lượng riêns khơng thay đổi theo số A z, nói cách khác, chất lỏng hạt nhân khơng bị nén giãn tò hạt nhân sang hạt nhân khác Quan niệm phù hợp với kết thí nghiệm tán xạ electron lên hạt nhân, qua thấy thể tích hình cầu hạt nhân tỷ lệ tốt với số khối A , hay r = ĩq.A'^, frong ro = 1,2.10“ *^ m, công thức đơn giàn rút từ thực nghiệm

Theo Weizsacker, lượng liên kết nucleon hạt nhân (A, Z) gồm năm thành phần sau:

_ * A 2,3 N - Z - Ơ(A,Z)

Eb avA asA'

trong đó,

av = 15,75 MeV, as= 17,2 MeV, ac = 0,714 MeV, aA= 93,2 MeV,

4 4 AN TỒN ĐIỆN HẠT NHÂN

Ơ(A, Z) =

+ ỏo với z, N chẵn

0 với A lẻ

- ô o với z, N lẻ

Ô = l l , M e V (1.7)

Số hạng thứ nhất, avA, tỷ lệ với A, hay với thể tích hạt nhân, đại diện cho lực tương tác mạnh nucleon, neutron hay proton nên không phụ thuộc vào số z hay N mà phụ thuộc số A số hạng phải tỷ lệ với số cặp tương tác A.(A - l)/2, lực hạt nhân có cự ly ngắn, nucleon tương tác với số định nucleon bên cạnh, số hạng tỷ lệ với số nucleon A hạt nhân Đương nhiên, giả thiết chưa hẳn với thực tế phải đưa vào số hạng hiệu

Trước hết, xem hạt nhân giọt chất lỏng nên phải hiệu sức căng mặt ngồi số hạng thứ hai Có hiệu ứng nucleon gần bề mặt bao bọc số nucleon so với bên (hình 1.6) số hạng hiệu cho sức căng mặt ngồi có giá trị âm tỷ lệ với diện tích bề mặt

• X õ a p ^

O Ò * O q * O q

th ể tích bề mặt C o u lo m b bất đối x ứ n g k ết cặp

H ìn h 1.6 Minh họa năm thành phần công thức lượng liên kết hạt nhân bán thực nghiệm W eizsacker.

Số hạng thứ tư đưa vào để hiệu cho cân đối số neutron proton, hạt nhân nhẹ, lượng liên kết lớn hạt nhân bền số neutron sổ proton, hạt nhân nặng, số neutron phải nhiều để lực hạt nhân đủ khả giảm bớt ảnh hưởng lực đẩy Coulomb tránh cho hạt nhân khỏi phình Nhưng điều xảy số neuưon proton bị cân đối? Tưởng tượng neufron proton bị nhốt hai hố khác nhau, ưong chúng chiếm đầy trạng thái đofn hạt Theo nguyên lý Pauli, nucleon chi chiếm trạng thái đơn hạt, rir thấp lên cao Nấu số neuưon proton tổng lượng trạng thái lấp đầy hai hố Khi số neutron nhiều hơn, neuữon "dôi ra" phải chiếm mức lượng cao làm cho lưọfng liên kết hạt nhân giảm Giả sử cách chuyển bớt số neutron thành proton hạt nhân sè bền vững Lập luận giúp hiểu có số hạng cân đổi frong cơng thức bán thực nghiệm Weizsacker

Số hạng thứ năm phản ánh tượng quan sát thực nghiệm hạt nhân có số z hoặc N chằn ln bền vừng hạt nhân đồng vị bên cạnh có z và N lẻ Đây tượng kết cặp nucleon trạng thái lượng tử có spin đối chiều.Chính tượng kết cặp tìm thấy sau elecưon có spin chiều vật liệu siêu dẫn (cặp Cooper)

Như vậy, cơng thức tính lượng liên kết bên trons hạt nhân Weizsacker có năm hệ số cần xác định bằns cách làm khớp với thực nghiệm, chẳng hạn, so với kết đo khối lượng đồns vị bền khối phổ kế

Phần trình bày giúp hiểu chế nucleon liên kết với hạt nhân giải thích trình biến hóa đồng vị với phân rã phóng xạ phàn ứng hạt nhân Nó truyền đạt tốt dáng dấp phụ thuộc lượng liên kết trung bình tính ưên nucleon vào số khối A (hình 1.7) Thí dụ, lượng liên kết cho nucleon đạt gía trị cực đại với A ~ 62 (Ni) A = 59 (Fe), sau

4 6 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHẤN

giảm dần, hạt nhân nặng lượng liên kết tính cho nucleon bé Từ hiểu hạt nhân nặng có thê phân hạch tác dụng neutron nhiệt, q trình tạo hai mảnh có số khối trung bình nucleon liên kết với mạnh hon, lượng dôi chuyển thành động hai mảnh

Cách tiếp cận công thức W eizsacker hữu ích xem xét trình biến đổi hạt nhân, chẳng hạn giải thích tượng phân hạch uranium phản ứng ghép hạt nhân, hai phản ứng giải tỏa lượng lớn Tuy nhiên, công thức Weizsacker không thật xác Trong khơng trường hợp, lưọng liên kết tính nucleon Eb/A theo cơng thức W eizsacker lệch so với kết đo khối lượng đồng vị đến cỡ MeV

ồ3 Z %C n

?

c

I

sốnucleon h ạt nhân

H ình 1.7 Phụ thuộc lượng liên kết trung bình nucleon trong hạt nhân theo số nucleon.

1.2.3 Chuyen động đơn hạt hạt nhân chuyển động tập thể nucleon

hạt nhàn nặns tiếp theo, lượng liên kết nucleon lại giảm rò rệt Chẳne hạn, ta thấy ttên hình 1.7 lượng liên kết ưên nucleon eiàm đột ngột rtr hạt nhàn He"* có z N số kỳ ảo sang hạt nhân Li^ có neuưon proton lớn số kỳ ảo Mầu hạt nhàn giọt chất lỏns khơng aiải thích nhữna tượng này, phài nhờ đến mầu cấu ưủc vỏ nucleon, hoàn chinh vào năm 1949 bời Wigner Goepper - Mayer Jensen Cả ba đoạt chuna 2Ìải Nobel vật lý năm 1963

Trên thực tế chuyển độna tập thể nucleon thể mẫu siọt chất lòns, nucleon cịn có chuyển độns độc lập cua ưona tniịmơ ưung bình nucleon cịn lại tạo nên 2ỌÌ trườns tự hợp Hatree - Fox Nói theo nsôn ngữ lượns từ, ons ưường tự hợp nucleon tồn o n s nhừns ạn s thái "đơn hạt" có số lượng từ xác định Hình ảnh rẩt giổns electron chuyển độns quanh hạt nhân trons trường hạt nhàn electron khác tạo nên từ tạo nên vò elecưon K L, M, N

Nhưng khó tướns tượns o n s hạt nhân nucleon lại ưong nhừns ttạn s thái lượna tử xác định chủng sít với va đập vào tươns tác lực hạt nhàn Đó nsuvèn lý trừ khứ Pauli khơns cho phép hai fermion (hạt có spin bán nguyên) cùna ư n g thái đơn hạt \"a chạm siữa hai nucleon dần đen thay đôi ư n thái đơn hạt cua chúns khơng có ưạng thái "thích hợp" chưa bị nucleon chiếm 2Ìữ nucleon sè khơng va chạm với 2Ìừ nsuyên ạns thái sằn có Đày quan niệm độc đáo chi có o n s lý thuyết lượng tử!

Các ưạng thái lượns từ đơn hạt đặc ưưng bơi lượng, momen quỹ đạo momen toàn phần nucleon Momen quỹ đạo bảo toàn ưong ư ờns ĩự hợp xuyèn tàm nhặn sò lượng ni = ký hiệu rương ứng s p d f Momen toàn phần I tồng hợp từ momen quỳ đạo spin cua nucleon (1 2) nên có thé nhận giá nị bán nsuyèn Mồi ưạng thái đơn hạt có momen tồn phần I chi có thè chứa 21 - neuưon proton (hình 1.8)

4 8 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN

Trạng ttiái nảng lượng Nàng lượng tách trong hố có tính ra tương tác đén phụ thuộc momen spín-quỹ đạo

quỹ đạo ^

Tổng số trạng thái đơn hạt oó thẻ có

ị

2p

II

2s

1d

1p

1s

Igi<í 8

igsB 10

2pirt 2

liw 6

2Pot 4

1I1T2 8

Ịd w 4

2*3/2 2

1ds« 6

1Pl/2 2

1pift 4

1s (2

Các lớp vồ được lấp đằy bời só kỳ ảo nucleon

H ình 1.8 Các trạng thái đonn hạt nucleon hạt nhân số nucleon tối đa cho trạng thái Hạt nhân có số nucleon kỳ ảo 2, 8, 20, 28, 50 sẽ bền vững nhiều so vói hạt nhân lân cận.

Các trạng thái đơn hạt có lượng gần tạo thành vỏ, giống vỏ electron nguyên tử Trong hạt nhân, nucleon chiếm trạng thái lượng tử từ thấp lên cao Khi vỏ lấp đầy với số nucleon "kỳ ảo", hạt nhân bền vừng so với vỏ nhiêu trạng thái chưa lâp đây, tượng giống nguyên tố khí trơ cấu trúc nguyên tử

Chinmg I PHÒHG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN

và kỳ ảo kép Đặc trưng trạng thái phần lớn hạt nhân E nói chung phù hợp tốt với mẫu Song với số khối A tưo đơi lớn, mẫu giải thích thành cơng nhiều đặc điểm ] nhân có số kỳ ảo cận kỳ ảo Khi số nucleon cách xa số kỳ ảo, ] nhân bị biến dạng, mà đơn giản thành giọt chất lỏng hì elipsoit trịn xoay Trong trường hợp này, trường tự hợp không c xuyên tâm hạt nhân hình cầu nữa, momen quỹ ỏ khơng bảo tồn, số lượng ưr khơng cịn đặc ứirag cho trang tl đoTi hạt Thay vào số lượng tử đặc trưng cho vết chiếu mom quỹ đạo nucleon trục đối xứng elipsoit tròn xoay

Song hạt nhân biến dạng khơng có hình hài xác định vật r; nucleon bên tham gia vào chuyển động tập thê sóng bề mặt giọt chất lỏng làm quay elipsoit tròn xoay Hai dạng chuyển động tập thể ưên bề mặt làm thay đổi nãne lưọ liên kết hạt nhân đồng thời ảnh hưởng đến trường tự hợp chi pl chuyển động nucleon hạt nhân Nói cách khác, có tưo tác qua lại chuyển động đơn hạt với dao động bề mặt chu\ động quay giọt chất lỏng hạt nhân A Bohr B Mottelson ] nối thành công chuyển động đơn hạt tập thể mẫu hạt nh tổng hợp

1.2.4 Các trạng thái hạt nhân

Những đặc trưng lượng tử trạng thái hạt nhân đốn nhận dựa chuyển động đơn hạt tập thể nucleon, bàn mục Chẳng hạn, spin trạng thái hạt nhân có cách tổng hợp momen động nucleon bên hạt nhân, hạt nhân biến dạng thành hình elipsoit trịn xoay, vết chiếu spin trục đối xứng bảo toàn tổng vết chiếu momen động nucleon trục đối xứng, hạt nhân có vỏ nucleon lấp đầy, spin trạng thái ln cặp nucleon có momen động đối chiều với nhau, hạt nhân có nucleon vượt (hoặc chưa đủ) số kỳ ảo, chuyển động đơn hạt nucleon chi phối đặc trưng lưọng tử trạng thái hạt nhân

ở xa số kỳ ảo, hạt nhân có số khối A tương đối lớn bị biến dạng đặc trưng lượng tử mức lượng chịu ảnh hưởng dao động mặt chuyển động quay giọt chất lỏng bị biến dạng Chẳng hạn, hạt nhân chằn - chẵn bị biến dạng thành hình elipsoit trịn xoay quay quanh trục vng góc với trục đối xứng (chuyển động quay quanh trục đối xứng không làm thay đổi hình dạng lượng liên kết hạt nhân),và quy tắc lượng tử hóa cho phép trạng thái có spin chẵn tính chằn lẻ dương 0"^, T , 4^, 6* Mặt khác, lượng chuyển động quay tỷ lệ với bình phương momen đông lượng, hay spin hạt nhân, nên lượng tử hóa theo cơng thức

5 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN

E ,= h V 1(1 + 1)

2ti 20 (1.8)

Chưưng PHỒNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN

1,0770 ,7

0 ,5

0 ,3

-

0,1480 ,0,1480

-■^r

I(r

4*

r '(T Ngoài đặc trưng lượng rtr

nói frên, mồi ữạng thái hạt nhân cịn có đặc trưng vật lý khác momen quán tính tham gia vào chuyển động quay, momen lưỡng cực rir phản ảnh cưòmg độ tương tác hạt nhàn từ trường Hạt nhân khơng có momen lưỡng cực điện lại có momen tứ cực điện phàn ánh phàn bố điện tích bên trons hạt nhân bị biến dạng khác với hình cầu Hạt nhân hình cầu có momen tứ cực điện không Momen tứ cực điện phản ánh cườns độ tươns tác tứ cực điện với tenxơ gradient điện trườne vị trí hạt nhân, siá trị phụ thuộc vào cấu hình nsuyên tử tinh thể chứa hạt nhân

Vì ưạna thái hạt nhân tuân theo nhiều quy luật bao toàn khác nên phàn rã phóng xạ theo kênh có thê phép năns lượns không xáy khơna phép mặt tồn momen độns lượng hay tính chằn le Hình 1.10 (mục 1.4.5) n họa đặc tnm lượng tứ cua sô trạng thái lièn quan đến phà phónơ xạ cua đồns vị đồng vị thườns sập ưonơ nghiên phóna xạ mơi trường

H ình 1.9 Các mức lượng quay qua trục >Tiơng góc vói trục đối xú của hạt nhân chẵn - chẵn l Bên trái lượng tính tt M e \ , bên trái spin tính ch lẻ (Nguồn: Tables o f IsotoỊ

C.Lederer and \ ' Shừle> ì

1.2.5 Thời gian sống trạng thái hạt nhân

bản với lượng thấp nhất, hạt nhân sống lâu vơ hạn (đơng vị bền) hữu hạn bị phân rã phóng xạ trạng thái kích thích có lượng cao hơn, hạt nhân phải tìm cách phân rã vê mức bản, mức đồng vị bên cạnh có lượng thâp Do đó, trạng thái kích thích có thời gian sống X định, tỷ lệ nghịch với tốc độ phân rã toàn phần r trạng thái Hàm phân bố xác suất tìm thấy hạt nhân trạng thái kích thích có lượng Eo phân bố quanh giá trị Eo theo hàm Lorentz với độ rộng r có dạng;

c o ( E ) « -^ (1.9)

' ' ( E- E„ ) ^ + r

Hàm phân bố có cực đại E = Eo, đạt đến nửa giá trị cực đại E - Eo = ± r giảm nhanh |E - E J > r đ ộ rộng lượng r phân bố Lorentz tỷ lệ thuận với xác suất phân rã tỷ lệ nghịch với thời gian sống trung bình hạt nhân trạng thái kích

thích, T X r = h Vì hạt nhân phân rã theo nhiều kênh khác nhau,

như phát tia Y, neutron hay phân hạch nên r tổng độ rộng riêng phần:

r = r , + rn + rf (1.10)

trong Ty, r„, Tf độ rộng riêng phần cho tòng kênh phân rã.

Để có hình dung cụ thể mối tương quan độ rộng với lượng trạng thái kích thích, ta xét trường hợp trạng thái kích thích có lượng 600 keV thời gian sống 10^^ s Độ rộng phân bố lượng tương ứng ~ 6.10 ^ eV, bé so với lượng trạng thái kích thích, nói cách khác, độ chụm lượng trạng thái hạt

nhân sắc nét.

ở vùng lượng thấp, gần trạng thái bản, mức lượng cách từ hàng chục đến hàng trăm keV, lên cao chúng sít lại vùng lượng kích thích - MeV, tức vùng lượng liên kêt nucleon, khoảng cách mức vài eV, lên cao nữa, phô lượng trạng thái kích thích xem liên tục,

VI đọ rọng cua trạng thái kích thích tương đương với khoảng cách

giữa chúng

Công thức Lorentz (1.9) thườne sặp ưone nhiều tượng cộng hường liên quan đến hạt nhân Khi chiếu hạt nhàn bằne tia V neuưon cỏ lượne phù hợp với lượns kích thích, hạt nhàn hàp ứiụ cộns hưõms chủns để chuyển từ ạn s ứiải lên trạng thái kich thich Hấp thụ cộne hưỡne với tia V ưong hiệu ửna Mõssbauer (phát minh năm 1956) đà mang lại rẩt nhiều ứns dụns ưở thành công cụ nghiên cửu rẩt phổ biến ttong vật lý, hỏa học, sinh học Hấp thụ cộng hường neutton côna cụ nơhièn cứu đặc trưns mức hạt nhân ưong \-ùn2 năns lượnơ cận kề nãns lượng liên kểt neuưon ưong hạt nhàn Hấp thụ cộna hưởns neutton ưèn hạt nhân đóng 2Ĩp quan ơọna ưong phản ửna phàn hạch dày chuyền (xem mục 1.5)

1.3 PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 1.3.1 Quy luật phân rã phóng xạ

Những hạt nhàn o n s mầu vật phóna xạ phàn rã cách ngẫu nhiên, ta khôna thể khãna định hạt nhàn cụ thè phàn rà nhưns sau khoảns thời 2Ìan nhẳt định ta biết hạt nhàn bị phàn rã Xét tập hợp N hạt nhân ạn s thái

không bền Chủng phàn rà với tốc độ:

A = — = (1.1 n

dt

ư o n s đỏ / xác suàt phàn rã ưèn đơn vị thời sian gọi hăns sô phàn rã

Trons đo lườna phóns xạ đại lượns A 2Ọ Ì hoạt độ nsuồn

phóns xạ Lẩy tich phàn phươns ưình (I.I thấy hoạt độ xạ A giảm dần theo thời £Ìan theo quy luật hàm mù:

A(tì = Ao exp(-Àt) (1.12)

^■à Ao = /^

ư o n2 đò No số hạt nhàn thòá đièm ban đầu t =

5 4 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHẮN

Trong hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI), hoạt độ phóng xạ đo theo đon vị Becquerel (Bq), Bq phân rã s, Bq = s~' Trước người ta dùng đơn vị Curie (Ci), Ci hoạt độ phóng xạ gam radium -226, Ci= 3,7 X l o ' ° s"'

Để dễ hình dung tốc độ phân rã phóng xạ hơn, thay số phân rã X người ta thường dùng chu kỳ bán rã T1/2, hay thời gian sống trung bình

T của hạt nhân phóng xạ, hai đại lượng tỷ lệ nghịch với số

phân rã X Chu kỳ bán rã khoảng thời gian sau số hạt nhân phóng xạ cịn lại nửa, N = Nq/2:

ln2 0,693

^ 0-13)

T ,.=

X

Còn thời gian sống trung bình T hạt nhân phóng xạ tính

theo cơng thức:

T = A

dN dt dt

■»

dN dt

dt Ằ

(1.14)

T = 1/Ằ, > Ti/2, là thời gian để lượng hạt nhân phóng xạ giảm đi

e = 2,718 lần Hằng số phân rã Ằ chu kỳ bán rã T]/2 thòd gian sống trung binh I thuộc tính hạt nhân, chúng khơng bị ảnh hưởng điều kiện bên áp suất, nhiệt độ môi trường

Trong thực tế mồi trạng thái hạt nhân phân rã theo hai kênh a b với hai số phân rã >iavà Ầb khác Vì hai kênh phân rã độc lập nên

r d N ^

dt dt dt

- N (Ầ a + Ầb) = N Ầ ( )

Sô hạt nhàn sinh sau thời aian t tính theo cơng thức:

Na(t) = ^ N o ( l - exp(-Xt))

K

Nb(t) = ^ N o ( l - exp(-Ầt)) (1.16)

À

Những công thức ưên khái quát hóa cho ưườns hợp ưạna ửiải hạt nhàn có nhiều kênh phàn ră đồnơ thịã a b c d canh ưanh

1.3.2 Chuỗi phóng xạ

Đó trường hợp mà hạt nhàn mẹ hạt nhàn cháu phàn rà phóng xạ Mỗi thành viên ưonơ chuỗi tạo nèn bới phàn rã thành \ iên hệ ưước đồns thời chinh lại phân rã đè hệ Điển hình chuồi phóng xạ tự nhiên Th"'" Np"' U ''* (chưomg 2) C hẳns hạn chuỗi bao gồm 12 nhàn phỏnơ xạ tận cùns đồns vị bền Pb'*^ Chuỗi phóng xạ biểu diễn sau:

X , ^ ; ^ X , — ^ X, (1.17)

Xét trường hợp đơn 2Ìản chuỗi có hai thành phần Xi X; Đồns vị Xi phàn rã theo quy luật hàm mũ thòns thường (1.11) \ ới đồna vị X; hoạt độ thời đièm t bàna tốc độ san sinh trừ tốc độ phân ră nó;

^ = À i N i - À : N : (1.18)

dt

Ni N ’ m ơns ửns sổ lượng hạt nhàn mẹ thòã điém t Ài À' hàng số phàn rã tuơns ứng hai nhàn Lời 2Ìải (1.18) có dạng;

Ni = n;'expi-ÀiO

N; = [>-1 - [ N ; - (>‘1 (À;-Ài))NÍ’] exp(-À;t) (1.19)

N® N “ sơ lượng nhân mẹ có mặt thời điêm ban đâu t = Công thức (1.19) trường hợp riêng cho lời giải tốn chuỗi phóng xạ tổng quát gồm nhiều nhân thành phần Batemen tìm sau:

N2 =C2iexp(-X,it) + C22exp(-Ằ,2t)

Nk = Ckiexp(->iit) + + Ckkexp(-A.kt) (1.20) Các hệ số Cij tính theo cơng thức truy hồi:

C , j = Q _ i , j ^ ^ , v i i ^ j (1.21)

và hệ số Cii tính dựa điều kiện ban đầu t = 0:

N,(0) = Cii + Ci2+ + Qi (1.22)

Trong trường hợp chuỗi phóng xạ tự nhiên cơng thức truy hồi đơn giản nhiều thời gian sống đồng vị mẹ thời gian t lớn so với chu kỳ bán rã đồng vị (nhờ mà ba nhân cịn tồn ngày nay), tức là:

Ằ.2, X.3, , Ả n » Ải À,2t, Ầ3t, , «

nên công thức (1.19) (1.20) đơn giản nhiều,

N, ° o ^ N , (1.23)

Ảị hay

A,= = XiNi = Ai (1.24)

nghĩa hoạt độ phóng xạ đông vị họ bang hoạt đọ phong xạ nhân mẹ Hiện tượng gọi cân bang phóng xạ trường cửu họ phóng xạ Trong thực tế có trình tự nhiên gây cân phóng xạ đồng vị họ, thấy 2.2.2

1.3.3 Phân rã đồng hành với q trình sinh tạo

Trong thực tế có nhiều trường hợp phân rã phóng xạ xảy đồng thời với q trình tạo đồng vị phóng xạ Chúng ta gặp phải trưỊTig hợp phân tích kích hoạt neufron, frong tính tốn hoạt độ sản phẩm kích hoạt (bên cạnh sản phẩm phân hạch từ tai nạn điện hạt nhân, tính tốn đồng vị phân rã neutron ữễ lò phản ứng Ta minh họa trình qua tốn phân tích kích hoạt neutron frên lị phản ứng

Giả sử bia chiếu xạ có N hạt nhân đồng vị bền thuộc nguyên tố cần phân tích Do phản ứng với neuưon, đồng vị bền biến thành đồng vị phóng xạ tốc độ sản sinh tính theo phương trình;

^ = ọơ N (1.25)

dt

ừong ọ dịng neutron tính theo số neufron/cm^, tiết diện phản ứng kích hoạt Một sinh ra, hạt nhân đồng vị phóng xạ phân rã theo chu kỳ bán rã q trình độc lập với q trình tạo thành Do đó, hoạt độ hạt nhân phóng xạ diện thời điểm t hiệu hai tốc độ sinh đi:

^ = (p N -X N i (1.26)

dt

Lời giải phương trình vi phân (1.26)

N = (1.27)

Ả

Trong thực tế người ta cần đo hoạt độ đồng vị phóng xạ quan tâm, tức đại lượng ẦNi để xác định tổng số hạt nhân ừong mẫu đo N nguyên tố cần phân tích:

ẦNl = ( p N ( l - e “^') (1.28)

Đây phương trình phân tích kích hoạt neuừon Đáng ý sau thòi gian chiếu xạ đủ lâu t » — số lượng hạt nhân phóng

Ả xạ mẫu chiểu đạt đến bão hòa

1.3.4 Phân rã P"

Sau ta xét số đặc điểm quan trọng loại phân rã phóng xạ, trước hết phân rã

Nằm phía dải đồng vị bền đồng vị thừa neutron, chúng phải phân rã P ' để giảm bớt số neutron làm cho hạt nhân bền hơn, trình phát electron phản neutrino theo công thức:

^ + e - + V (1-29)

Thực chất q trình phân rã neutron proton neutron có khối lượng lớn hơĩi:

on' ^ ip^ + e “ + V (1.30)

Trên thực tế, neutron tự phân rã theo chế tương tác yếu với thời gian sống đo hai thập kỷ gần nằm khoảng tù

T 878,5 s đến T = 889,2 s Tương tác yếu bốn dạng tương tác hạt bản, ba dạng tương tác mạnh, tương tác điện tị tương tác hấp dẫn Xác định xác thời gian sống neutron có ý nghĩa quan trọng để hiểu biết trình hình thành vũ trụ nguyên tố sau Big Bang (xem chương 2)

Năng lượng phân rã p" phân bố cách thống kê hai hạt electron phản neutrino, lượng electron bay có phổ liên tục, thay đổi từ lượng phản neutrino cực đại đến giá trị cực đại lượng phản neutrino không

1.3.5 Phân rã và chiếm electron vỏ K

0 phía dải bên đông vị thừa proton thiếu neutron, chúng phải phân rã p đê giảm bớt số proton, proton chuyển thành neutron đông thời có hai hạt phát ra, phản electron, tức positron, e"", neutrino:

N V N + l ' V ' t A , + ,

z X ^ + e + V (1.31)

Để phân rã xảy ra, hiệu lượng hạt nhân mẹ 2X hạt nhân phải lớn hai lần khối lượng tĩnh electron,

1,02 MeV (khối lượng tỉnh neutrina bé) Trên thực tế, positron không tồn lâu, gặp vật chất kết hợp với electron hủy cặp (e"^, e“) phát hai tia Ỵ lượng 511 keV, hai tia bay đồng thời theo hai hướng ngược

e" + e ^ - ^ y ( l,0 M e V ) (1.32)

Nhờ có đặc điểm mà phân rã positron có ứng dụng độc đáo y học hạt nhân nghiên cửu vật liệu Hình l lb giới thiệu hình chấn thương xương cẳng chân bàn chân vận động viên chạy marathon máy PET (Positron Emission Tomography) dùng đồng vị phân rã với chu kỳ bán rã 110 phút điều chế máy gia tốc cyclotron

ở đồng vị thừa proton mà điều kiện nói khơng thỏa mãn, proton chuyển hóa thành neutron cách chiếm electron vỏ K nguyên tử, vỏ electron nên nguyên tử phát tia X

^ e ^ + X (1.33)

Khi điều kiện lượng nói thỏa mãn, hai dạng phân rã chiếm electron K đồng thời xảy cạnh tranh Thí dụ trường hợp trình bày hình 1.9 Chọn đồng vị igK"*® để minh họa đồng vị phóng xạ tự nhiên đóng góp phần quan trọng liều xạ trực tiếp rtr đất đá tị thể người Tia Y với lượng 460 keV thường xuyên xuất phổ gamma mẫu mơi trường Ngồi ra, thí dụ minh họa sè cho thấy đồng vị phân rã theo nhiều kênh cạnh tranh kênh phép mặt lượng lại bị cấm xét đặc trưng lượng tà khác hạt nhân momen động lượng tính chẵn lẻ

6 0 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAI

Đồng vị c ó tị thời ngun khởi vũ trụ, sau Big Bang trước

khi hình thành hệ mặt trời, cịn tồn đến ngày nhờ có chu kỳ bán phân rã lớn (Ti/2 = 1,27 tỷ năm) Trong tương quan với tuổi vù trụ, đồng vị phân rã hết 11 chu kỳ, qua hàm lượng đất đá giảm 048 lần, lại 0,01% ữong hai đồng vị bền nguyên tố kali có độ phổ biến áp đảo tương ứng đến 93,08% 6,91%

H ình 1.10 Sơ đồ phân rã phóng xạ đồng vị K ‘*° theo hai kêníí P“ chiếm electron vỏ K (EC) qua thấycơ chế phát tia Ỵ đặc trưng

của đồng vị với lượng Ey = 460 keV.

Muốn biết lọK^^^phân rã theo sơ đồ hình 1.10, ta ý đến hai đồng vị bền cận kề có số khối 2oCa'‘° igAr'^®, phân rã p không thay đổi số khối So với hai đồng vị bền này, đồng vị vừa thừa neutron vừa thừa proton Do đó, phân rã theo hai kênh P“ để chuyển 2oCa"^° chiếm electron vỏ K để chuyển igAr Sơ (hình 1.10) cho thấy hai kênh phân rã phép mặt lượng Năng lượng hạt nhân cao hai hạt nhân đồng khối đến gần 1,5 MeV

thành số nguyên bán nguyên nhân với h/27i, h số Planck, tính chằn lẻ phản ảnh tính đối xứng (+) hay phản đối xứng ( - ) qua gương Lý thuyết hạt nhân cho biết, lượng mà tổng momen động tính chẵn lẻ bảo tồn ưong phân rã phóng xạ, tị nảy sinh quy tắc lọc lựa ảnh hường đến xác suất phân rãcủa kênh Kết kênh có xác suất 89%, kênh thứ hai chiếm 11% Theo kênh thứ hai, sau chiếm elecfron vò K, hạt nhân Ar trạng thái kích thích phát tia gamma với lượng 462 keV Đây tia Ỵ quen thuộc, xuất rõ ưong phổ gamma đất đá

1.3.6 Phân.j[ặ,neutron trễ

Khi chiếu neuưon nhiệt lên uranium, hạt nhân vỡ làm hai mảnh với số khối ttimg bình phát vài neutton thứ cấp Với số neutron thứ cấp trung bình cho mồi phân hạch 2,47 Chúns phát thời gian ngắn, khoảng s, nên gọi neutron tức thời Lại có neuữon phát chậm hơn, hàng phút sau đó, mảnh vỡ phân hạch, gọi neutron ưề số lượng neutt-on frề không nhiều, khoảng 0,64% so với lượng neuưon tức thời tính cho phân hạch, thiếu chúng, phản ứng phân hạch dây chuyền trone lị phản ứng sè khơng điều khiển Tại mảnh vỡ phân hạch lại phát neutron ưễ?

Các mảnh vỡ phân hạch thừa neuưon tạo thành ỡ ạns thái kích thích có lượng lớn lượng liên kết neutron (~ MeV) có thời gian sống ngắn (~ 10”‘^ s) Neuưon tức thời phát từ ưạng thái Nhưng mảnh vờ phân rà P“ liên tiếp để giải tỉnh ưạng thừa neuưon Có khi, sau phân rã P” mảnh vỡ với chu kỳ bán rà td, hạt nhân tạo thành ạn s thái kích thích có nàng lượna lớn năns lượng liên kết neutron Hạt nhân phát neutron với chu kỳ bán rã td cùa phân rã ừước đó, nên neuưon phát trề neutron tức thời

6 2 AN TỒN ĐIỆN HẠT NHẦM

Hình 1.11 minh họa trường hợp phát neutron trễ mảnh vỡ phân hạch 3sBr*^ (Ti/2 = 55 s) Một mặt, phân rã liên tiếp tạo thành đồng vị phóng xạ 36Kr'^ (Ti/2 = 75 s), 37Rb'' (Ti/2= lo " năm) 39Sr*^ (bền) Theo kênh khác, sau lần phân rã tạo thành hạt nhân 37Kr^^ trạng thái kích thích với lượng lớn liên kết neutron, phát neutron liền sau tia trở thành svKr^^ Do đó, neutron trễ có chu kỳ bán rã 55 s mảnh vỡ

H ình 1.11 Sơ đà phân rã Br*’, mảnh vỡ phân hạch Neutron trễ phát từ trạng thái kích

36Br ,87

thích hạt nhân K r hình thành phân rã từ bạt nhãn vói chu kỵ bán phân rã 55 s.

1.3.7 Phân rã alpha

Những đồng vị nặng thừa proton phát tia a, hay hạt nhân 2He‘*, để giảm bớt tỷ lệ proton neutron, đồng vị tạo thành nằm gần đường đồng vị bền hình 1.5

NỵA

(1.34) Hạt nhân nặng đến mức phân rã a phân rã với tốc độ bao nhiêu? Câu trả lời tìm giáo trình lý thuyết hạt nhân chuyên sâu

Chmmg PHÓNG XẠ NHÂN 6 3

tự, hai đồng vị đất khác G d'"', Sm*'^ đồns vị phàn rà a với chu kỳ bán rã lớn Ngồi cịn có bốn đồns vị khác ttona vùng đất phàn rã a với chu kỳ bán rã nsẳn

H ình 1.12 Chu kị' bán rã phụ thuộc vào nàng lượng tía a djnh luật G«iger - X uttall Trục tung vẽ theo thang logarit trục hoành theo thang bậc hai lượng tía a.

Năm 1911, hai cộng Rutherford G eiser Nuttall phát quy luật thực nshiệm thú vị Khi xem xét chu k>- bán phàn rã T i2 đồna vị phân rã a o n s ba chuỗi phóng xạ rự nhièn (chươns 2), Geiger Nuttall ứiấy chúns có mối quan hệ đơn 2Ìán với năns lượna hạt alpha (Ea) theo cơnơ thức:

logioTi = - a - b z E a '■ (1.35)

6 4 AN TỒM ĐIỆN HẠT NHầll

H ìn h 13 M uốn có phân rã o , hạt o chuyển động tron g hố thế hạt nhân phải chui qua hàng rào th ế C oulom b Xác suất chui qua hàng rào thế càng lớn lưọng E của hạt cao.

Quy luật thực nghiệm Geiger - Nuttall Gamov giải thích dựa lý thuyết học lượng tử vừa hoàn chỉnh trước vài năm Theo đó, hạt a bị nhốt bên hạt nhân hố hìnlì chữ nhật có bán kính R, bán kính hạt nhân (hình 1.13) Với R ’ > R hạt a hạt nhân tương tác với theo định luật Coulomb Muốn thoát khỏi hố hạt nhân, hạt a phải chui qua hàng rào thế, điều xảy học cổ điển Nhưng với học lượng tử xem chuyển động hạt a có tính sóng, lần sóng a đập lên bờ tường thế, có xác suất định chui qua khỏi hàng rào Hiện tượng chui qua hàng rào hiểu theo nguyên lý bất định Heisenberg xem hạt a có độ bất định tọa độ tỷ lệ nghịch với độ bất định xung lượng

Tính tốn xác suất chui qua hàng rào T theo học lượng tử, Gamov đến công thức

T = exp(-2G ),

G = (27T/h) j d r ^ m J V ( r ) - E j (1.36)

Chương I PHÓNG XẠ NHÂN 6 5

Vẽ:

(1.37)

trong c là hệ số tỷ lệ

Do số phân rã X phụ thuộc vào lượng hạt a theo công thức:

exp 2C

'Vẽ:

(1.38)

Tương tự công thức thực nghiệm Geiger - Nuttall (1.35)

1.3.8 Phân rã Y

Trong năm trình phân rã nêu trên, hạt nhân X ’ thường tạo thành frạng thái kích thích, tị phải trở ưạng thái cách phát tia Y, q trình khơng làm thay đổi số lượng neutron proton hạt nhân Những trạng thái kích thích có thời gian sống ngắn, thường ưr đến 10"^ giây, nên xem tia y phát đồng thời với tia beta tia alpha phát trước

Nhưng có trường hợp momen động lượng frạng thái kích thích ưạng thái khác q nhiều nên q trình phát tia Ỵ khơng thỏa mãn định luật bảo toàn momen động lượng bị "ách tắc" Khi ưạng thái kích thích có thời gian sống dài, đến hàng năm, gọi trạng thái isome Cho nên có đồng vị bền trạng thái

cơ mà vần "phóng xạ" ưạng thái kích thích, chúng phát tia Ỵ và

khơng chuyển hóa thành đồng vị khác

Bức xạ điện ưr tia Y có hai đặc trưng điện (E) từ (M), mồi loại lại triển khai nhiều thành phần ứng với momen góc photon Tuy nhiên, quy tắc lọc lựa mà ữong phân rã cụ thể xạ Ỵ thường đặc trưng cặp E1 MI xác định Trong phân rã Ỵ rir trạng thái li xuống I f momen bảo toàn,

Nguyên lý bảo tồn tính chẵn lẻ dẫn đến quy tắc lọc lựa thứ hai cho đặc trưng E1 MI tia Ỵ Tính chẵn lẻ photon El (-1)^, photon MI Do đó, tính chẵn lẻ hai trạng thái đầu cuối hạt nhân giống nhau, photon phát có thê E2 M l Trường hợp ngược lại, photon phát E1 M2 Ngồi ra, xác suất phân rã giảm nhanh từ E1 sang Ml, tò E1 sang E2, E3 Do đó, phân rã theo E1 khơng thể xảy theo quy tắc lọc lựa trên, tia Y có đặc trưng E2 Ml,

hoặc E2 + M

Phát xạ Y trạng thái kích thích cịn bị cạnh tranh q trình

biến hóa nội, electron vỏ K, L bật với tia X thay tia y Quá trình biến đổi nội thường trở nên lấn át trạng thái isome spin trạng thái kích thích trạng thái nằm bên khác nhiều khiến tia Ỵ khó phát quy tắc lọc lựa momen

tính chẵn lẻ nói

1.4 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VỚI NEUTRON

1.4.1 Các phản ứng với neutron chi phối hoạt động lò phản ứng hạt nhân

Do khơng có điện tích, neutron dễ "thâm nhập" vào hạt nhân, gây nhiều phản ứng

(n, y) - hạt nhân bắt neutron tạo nên trạng thái kích thích, sau phát

ra tia y,

(n, n) — tán xạ đàn hôi, lượng neutron bay neutron tới

(n, n ) — tán xạ phi đàn hơi, lượng neutron bay giảm, q trình làm chậm neutron lị phản ứng

ci), (n, p) — sau phán ứng hạt a, proton bay ra, phản ứng thương có ngưỡng, xảy lượng neutron tới vượt giá trị định, phản ứng phân hạch với neutron (n, f)

Chirong PHÓNG XẠ NHÂN 6 7

Các phản ứng ưên phụ thuộc nhiều vào năns lượng.Tiết diện phản ửne thay đôi tùy theo lượng neuưon Neutton chậm có lượng E n < 000 eV, neuưon u n s gian có nãng lượng keV < En

< 500 keV neuưon nhanh có năns lượng 0.5 MeV < En< 20 MeV Ngoài chúns cũns khác với hạt nhàn nhẹ (A < 20), ưung bình (20 < A < 80), nặng (A > 80) Bàng 1.2 đưa tiết diện phàn ứng với neuưon sổ hạt nhàn thưòms gặp ưona vật liệu lò phản ứng hạt nhàn nhiên liệu, chất tải nhiệt, chất làm chậm, chất hấp thụ neuưon Tiết diện đại lượng nói lèn tốc độ xáy phản ứng ưèn cm vật chất thôns lượns neuưon qua cm‘ưèn bia neuưon s Tiết diện có thứ nsuyèn diện tích tính bằna bara, bam

lO”'"* cm ', vào khống tiết diện hình học hạt nhàn

B ản a 1.2 Tiết diện phản ứng (n y), (n tán xạ đàn hồi (n, n) phi đàn hồi (n n') vói neutron nhiệt (E , ~ 0,025 eN") neutron phân hạch tức thời có nảng lượng trung bình khoảng MeN (hình 1.18) Đ on W tiết diện: b am

Nhàn Tiết diện phản ứng

với neutron nhiệt

Tiểt diện càc phản úng với neutron phân hạch

n f n.y n.n n f n y n.n n n'

4 9 41 11.9 1,9 0 7 4 ,4 1.2

6 8 2 4 7,8 1.8 0 ,0 5 4,4 1.5

0 2 4 9 ,4 0.31 0 7 4 8 2 ,6

0 5 2 4 1.5 1.4 0,09 4 3 2.0

- 0,29 20.5 - 4 ' 3,9

5.10“^ 3.4 - 7.10-^ 2.5

443 2,1 - 8.10^' 2.1 0.07

- 0.003 4.7 - 2 ' 2,3 0.01

- 1.1 10.6 - 0.01 5 0.7

- 2,7.10" 3 ' - 0.01 4.9 1

eiSm' - 6.10' 373 - 0.22 4.5 2.2

Tiết diện ghi bảng 1.2 giúp ta hiểu tính vật liệu lị phản ứng hạt nhân Tiết diện phân hạch lớn đơng vị nặng có số A lẻ, không đồng vị chẵn - chẵn hai đồng vị hydro, có tiết diện phản ứng n,Y rất bé so với H, dùng nước nặng làm chậm neutron giảm bớt tổn thất neutron hấp thụ Zircon chọn làm vỏ bọc nhiên liệu hấp thụ neutron Các tạp chất đất Gd, Sm nhiên liệu phải giảm thiểu tối đa chúng có tiết diện hấp thụ neutron phản ứng (n, y) lớn Mặt khác, có chúng lại đưa vào nhiên liệu độc tố cháy để điều khiển độ phản ứng ữong lò phản ứng (chương 4)

1.4.2 Phản ứng bắt neutron phát xạ gamma (n, y)

Phản ứng (n, y) có vai trị quan trọng hoạt động khai thác lò phản ứng hạt nhân Trong phản ứng (n, y), hạt nhân (Z, A) hấp thụ neutron biến thành hạt nhân hợp phần (Z, A + 1) trạng thái kích thích với lượng lượng liên kết neutron cộng với động neutron tới Hạt nhân hợp phần tồn thời gian đủ lâu

(> 10“’^ s), để lượng kích thích kịp phân bố lại cho nucleon

trong hạt nhân Sau phát tia Y nhau, gọi tia y

tức thời, để trở trạng thái trạng thái (hoặc trạng thái kích thích trung gian đó), hạt nhân (Z, A + 1) thường đồng vị phóng xạ, phát tia p Y theo quy luật phân rã phóng xạ Cho nên thực tế phản ứng bắt neutron (n, y) phát hai loại tia Ỵ , tia tức thòi

với lượng cao hàng MeV tia y đặc trưng đồng vị phóng xạ tạo thành phản ứng, tia có lượng bé hơn, MeV Với đặc điêm trên, phản ứng (n, y) sử dụng rộng rãi để nghiên cứu phổ hạt nhân vùng lượng kích thích cao Phản ứng bắt neutron sử dụng để điều chế đồng vị phóng xạ phân tích kích hoạt lị phản ứng

Sau hai thí dụ minh họa vai trị phản ứng (n, y) lò phản ứng hạt nhân

Chuưng PHÓNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN _6 9

• Phản ứng (n, y) hạt nhân

n + ^ -> Np-^^ — - > Pu-^^ 2.35 mm p- ^ 2.35 d.p- (1.40)’

Phản ứng tạo hai đồng vị phóng xạ Np"^^, sau phân rã sè có Pu'^^la nhiên liệu phân hạch tách riêng sau xử lý nhiên liệu cháy Như vậy, nhiên liệu sau cháy ttong lò phản ứng tái sản xuất nhiên liệu Hệ số tái sản xuất thường ưong khoảng 0,5 - 0,6 ưong lò neutron nhiệt lớn ưone lò neutron nhanh Do đó, lị phản ứng neuưon nhanh có khả tái sản xuất mở rộng nhiên liệu, qua đại phận đồng vị chiếm 99,2% ữong thiên nhiên sè sừ dụng nên khônơ lo nsuồn nhiên liệu uranium sớm bị cạn kiệt

• Nhiễm độc xenon lò phản ứng

Xe'^' sản phẩm phân hạch có tiết diện hấp thụ neuưon cực lớn, đến 2,7 triệu bams chu kỳ bán rã 9,2 Trons phân hạch đồng vị chiếm 6,3% tổns sản phẩm phân hạch Ngồi ra, tạo thành phân rã số sán phẩm phân hạch khác, thí dụ có chu kỳ bán rã 6,7 Khi lò hoạt độna, lượng tt-ona lị tích lũv dần sau thời 2Ìan đạt đến cân bằns (xem 4.3.3) Nhưng lò dừns hoạt độnơ, khơng cịn neuưon để Xe^^' hấp thụ thi lại tạo thêm phân rã 1^^' dẫn đến tích lũy X e'^' Q trình ánh hưởng đến việc nâns lại cơng st lị sau lò dừns gọi lò bị nhiễm độc xenon Do không chủ ý đến nhiễm độc xenon sau lị dừns nên kíp vận hành lò phàn ửna Chemobyl đê xảy tai nạn hạt nhân cấp cao theo thang cố hạt nhân quốc tế Ư<ES (xem chương 8)

1.4.3 Hấp thụ cộng hưởng neutron Công thức Breit-Wigner

Hạt nhân hợp phần tồn ưạng thái kích thích có thịi 2Ìan sống T

7D AH TOÀN ĐIỆN HẠT NHAI

h r = —

X (1.41)

Theo công thức trên, r có giá trị xác suất phân rã hạt nhân hợp phần giây Vì nguyên tắc, hạt nhân hợp phần phân rà theo nhiều kênh khác phát hạt khác y, n, a, nên người ta đưa khái niệm độ rộng riêng phàn cho tìmg kênh Ty, Tn, Fa độ rộng toàn phần trạng thái kích thích hạt nhân hợp phần tổng độ rộng riêng phần kênh phân rã

r = Ty + r„ + Ta .

Tiết diện phản ứng hạt nhân (n, y) tính theo cơng thức Breit - Wigner:

A 2n

r r„

(1.42)

Cách rút cơng thức xem sách chuyên khảo lý thuyết hạt nhân học lượng tà

Trong công thức (1.42), E động Ầ bước sóng neutron tính theo công thức Ẳ = 2,86.10 ^/VẼ Tiết diện đạt đến cực đại lượng neutron E = Er, tiết diện phản ứng là:

= 4n A

2n)

r r„n y

(1.43)

Er lượng mức hạt nhân vùng lượng liên kết

r

neutron Khi lượng neutron tới E = Er = —, tiết diện phản ứng chi

còn nửa giá trị cực đại Tiết diện giảm nhanh E cách

xa Er, phản ứng (n, y) có tính cộng hưởng r được gọi độ

rộng độ cao vạch cộng hưởng

Chưcmg I PHÓNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN 71

lượng liên kết neutron thường cách vào khoảng vài chục eV, ữong độ rộng r chi vào khoảng hàng chục meV, cộng hưởng nhọn, phân giải rõ Nhưng mức cộng hưởng khơng cịn phân giải với mà chồng chập lên lượng neutron tới lên đến hàng keV hạt nhân nặng Hình 1.14 minh họa tiết diện phản ứng (n, y) hạt nhân phản ứng đóng vai trị quan trọng hoạt động lò phản ứng hạt nhân, ỏ đây, cộng hưởng phân giải rõ rệt ữong vùng lượng neutron tìr 10 đến 100 eV

H ình 1.14 Tiết diện phản ứng hạt nhân với neutron Vùng cộng hưởng phân giải rõ rệt với lượng neutron từ 10 đến 100 eV Dưới 10 eV, tiết diện phản ứng (n, y) phụ thuộc vào nâng lượng neutron tới theo quy luật 1/v, V là vận tốc neutron.

bị hấp thụ nhiều hạt nhân dao động nhiệt mạnh tinh thể làm cho vạch cộng hưởng nở rộng hiệu ứng Doppler Hiện tượng xem xét kỹ chương

ở phần phần vùng cộng hưởng, tiết diện phản ứng (n,y) không cịn "nhấp nhơ" mà giảm theo quy luật l/> /Ẽ hay 1/v Quy luật không xảy với hạt nhân mà phổ biến với hạt nhân suy từ cơng thức Breit - W igner (xem sách K H Beckurts W irtz K., 1964)

Như vậy, cách xa cộng hưởng tiết diện phản ứng (n,Y) lớn lượng neutron tới bé Ý nghĩa vật lý quy luật hiểu ý neutron dễ bị hạt nhân bắt tiếp cận với hạt nhân lâu vận tốc chậm

1.5 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VỚI NEUTRON 1.5.1 Cơ chế phân hạch

Meitner người giải thích hiên tượng hạt nhân uranium bị vỡ làm đơi tác dụng neutron phát lượng cực lớn cách sử dụng công thức bán thực nghiệm W eiszacker (xem 1.2.2) Trong trình hạt nhân bị vỡ làm đơi có hai thành phần thứ hai thứ ba công thức Weiszacker thay đổi, thành phần cịn lại khơng thay đổi Hai thành phần biểu diễn sức căng mặt Vs = tương tác Coulomb Vc = Giả thiết hai

A

mảnh vỡ băng nhau, ây lượng Q phát hiệu trước sau phân hạch:

Q = Vs(A, Z) + Vc(A, Z) - 2Vs(A/2, Z/2) + Vc(A/2, ZH) Thay giá trị as = 17,2 MeV ac = 0,714 MeV công thức Weiszacker vào công thức thấy Q = 190 MeV giống Meitner tiên đoán từ 1935 Như vậy, xét lượng, phân hạch uranium hoàn toàn xảy tự nhiên mà khơng can phải có

Chuinig PHĨNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHẤN 7 3

thêm lượng neutron đưa thêm vào ữong lò phản ứng Đây trình phân hạch tự phát

Nhưng phân hạch tự phát xảy với tốc độ bé Các đồng vị lân cận uranium vậy, chúng phân rã a với số phân rã a lớn phân rã theo phân hạch tự phát nhiều bậc (bảng 1.3) Hạt nhân phân hạch tự phát với số phân rã hàng triệu bé phân rã a Như nhắc đến 1.1.7, Flerov Petrjak người khám phá tượng phân rã phóng xạ chậm

B ả n g ỉ So sánh xác suất phân rã phân hạch tự phát và phân rã a đồng vị nặng.

Đ ỏ n g vị

X c s u ấ t p h â n rã th e o c c k ê n h (Đ ơn vị tinh: 1/y)

P h ă n h c h tự p h t P h â n rã a

9oTh^'' 5,3.10-^® 4 ,9 “^^

3,6.10-^® 9 ,7 “^°

1,2.10-^® 1.5.10-''°

94Pu''® 1 ,4 “^^ 7 ,7 “^

94PU^^® 1 ,2 “^® 2,8.10-^

94Pu'"° 5,3.10-''^ 1,04.10"*

94Pu""" 9,8.10-''^ 2 0-®

95Am'"' 3.10-^® 1,6.10-^

7 4 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAK

thức Weiszacker không thay đổi, liên quan đên sức căng mặt ngồi tăng lên diện tích bề mặt tăng thê tương tác Coulomb lại giảm khoảng cách trung bình proton tăng lên Hệ trình biến dạng, hạt nhân qua m ột ữạng thái trung gian, tốc độ biển đổi tương tác bề mặt tương tác Coulomb cân Trạng thái trung gian gọi điểm yên ngựa tường (hình 1.15) Từ đó, tiếp tục biến dạng, giọt chất lỏng hạt nhân tách làm hai giọt

H ình 1.15 Giải thích hạt nhân hình cầu bị biến dạng thành elipsoit trịn xoay.

Để đơn giản, ta xét giọt chất lỏng cổ điển Vì thể tích hạt nhân khơng đổi nên

47T ‘tn ,2 — r = — ab4n

T

(1.44) a = r ( l + G ) , b = r(l + - )

trong G thơng số đặc trưng cho độ biến dạng

Đơi với hình elipsoit trịn xoay, hai số hạng liên quan đến sức căng mặt ngồi tương tác Coulomb cơng thức tính lượng liên kết Weiszacker đôi thành

1 +

Chuong PHÒNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN 7 5

và Ec = acZ A2 A - /

5

nghĩa hạt nhân thay đổi lượng

âE = -!-E ^ ( a A " - a Z = A - ''’ ) (1.45)

tỷ lệ thuận với nghĩa G bé, tăng với e theo

đưòng parabol (hình 1.16)

Nhưng độ biến dạng lớn, cơng thức khai triển khơng cịn nữa, hạt nhân bị dẹt lại sau điểm yên ngựa r = R, giảm, giọt chất lỏng tách làm đơi, tị ừở sức căng mặt hai giọt không thay đổi tương tác Coulomb giảm dần Hình 1.16 minh họa diễn biến hạt nhân uranium biến dạng, thay dùng thơng số biến dạng e (chỉ có ý nghĩa với giá trị e bé), trục hoành ta dùng khoảng cách hai giọt chất lỏng r

o d)E oo

H ình 1.16 Thế nàng hạt nhân uranium theo khoảng cách giữa hai mảnh vỡ phân hạch.

7 6 AN TOÀN ĐIỆM HẠT NHầM

với tích điện tích hai mảnh vỡ Z1Z2 Trong frường hợp này, độ cao tường có giá trị lớn nhiều so với độ cao tường thê phân rã a (hình 1.13), tị thấy tốc độ phân hạch tự phát bé tốc độ phân rã a nhiều bậc (bảng 1.3)

Bức tranh khác hẳn phân hạch tác dụng neuưon Phản ứng với neutron chậm hạt nhân tạo nên hạt nhân hợp phần có lượng kích thích lớn lượng liên kết (6,5 MeV) đơi chút nhờ có thêm động neutron mang đến Năng lượng trạng thái hợp phần lớn độ cao tường thế, Ep = 6,0 MeV, hạt nhân phân hạch mà không bị hạn chế hiệu ứng đường ngầm

Tuy nhiên, hạt nhân hợp phần trạng thái kích thích phân rã theo nhiều kênh phản ứng cạnh tranh nhau, tán xạ đàn hồi (n, n),

phi đàn hồi (n, n ’), bắt neutron phát tia Y (n, y), phân hạch (n, f).

Hình 1.17 minh họa tiết diện phản ứng theo lượng neutron tới trường hợp Phản ứng phân hạch (n, f) áp đảo so với phản ứng khác, vùng lượng neutron nhiệt, phản ứng tán xạ neutron xảy lượng neutron tới > 10 keV

a C

*0

ĩhưong PHÓNG XẠ VÀ VẬT LÝ HẠT NHÂN 7 7

Với hạt nhân lại có tranh khác Phản ứng với neuưon tạo nên hạt nhân hợp phần ưạng thái kích thích với lượng neutron mang vào lượng liên kết neuưon (6,0 MeV), thấp hon độ cao tường Ep = 7,0 MeV Do đó, với neutron tới có lượng thấp, phản ứng phân hạch cạnh tranh với phản ứng khác, đặc biệt (n, y) Phân hạch bắt đầu xảy neutron tới có lượng lớn MeV (hình 1.14) để tạo thành hạt nhân hợp phần lượng lớn MeV

1.5.2 Các sản phẩm phân hạch

Sản phẩm phân hạch bao gồm mảnh vỡ hạt nhân, neutron, tia phóng xạ ị3, Y phản neutrino Hai giọt chất lỏng hạt nhân sau tách

ra trạng thái nóng, chúng phát neutron tia Y tức thời Với hạt

nhân trung bình phân hạch có 2,46 neutron tức thời phát Chúng có động từ đến ~ MeV với hàm phân bố có dạng hình 1.18 tính theo cơng thức:

(1.46)

0 2 4 6 8

động neutron tức thời, M eV

H ình 1.18 Phổ neutron tức thời phân hạch dưới tác dụng neutron nhiệt.

neutron tức thời có xác suất cực đại vào khoảng 0,7 MeV có giá trị trung bình = MeV

Neutron tức thời tán xạ hạt nhân vật liệu xung quanh nơi sinh vịng từ 10 đến 100 cm, qúa trình lượng giảm dần Cuối cùng, biến thành neutron nhiệt, chúng bị hạt nhân vật liệu lò hấp thụ, số lớn bị hấp thụ theo phản ứng (n, y) làm neutron phát tia y

Những mảnh võ phân hạch thừa neutron nên chúng phân rã P" liên tiếp qua đồng vị số khối, trình phát electron, phản neutrino tia Y đạt đến đồng bị bền Chẳng

hạn, mảnh vỡ có A = 140 (s4Xe''^°) A = 94 (sgSr^'^) phân rã P' theo sơ đồ sau:

+ n ^ ^ 54Xe'^° + 3gSr^^ + 2n,

54^® p-14s ^ 5 p-64s ^ 56^^ p-40h ^ 57^^ p-40h ^ 58^® (bền)

(bền) (1.47)

Một số mảnh vỡ sau phân rã P“ trạng thái kích thích có lượng lón lượng liên kết neutron nên phân rãneutron trễ trở thành đồng vị A -

Nhưng phần lớn, gần 85% lượng phản ứng phân hạch tập trung vào động hai mảnh vỡ Do có điện tích khối lượng lớn, mảnh vỡ vài milimet dừng lại, chuyển hết động thành nhiệt năng, làm tăng nhiệt độ nhiên liệu lò phản ứng Các neutron tia Y tức thời tương tác với vật liệu

vùng hoạt biên thành nhiệt Ngồi cịn có lượng phát chậm phân rã sản phâm phân hạch phản ứng bắt neutron trình làm chậm Bảng 1.4 kiêm kê phân bố lượng theo sản phâm phân hạch lò phản ứng với neutron nhiệt

Chương PHÓNG XẠ NHẰN 7 9

B ả n g 1.4 N ăng luựng phân hạch do neutron nhiệt phân bổ cho sản phẩm phân hạch.

Nguồn Năng lượng trung bình

phát ra, M eV

Năng lượng phát tức thời:

Động mảnh vỡ phân hạch 169,1

Động neutron tức thời 4,8

Năng lượng tia Y tức thời 7,0

Năng lượng phát không tức thời:

Năng lượng tia (3 phân rã phóng xạ mảnh vỡ 6.5

Năng lượng tia Y do phân rã phóng xạ mảnh vỡ 6,3

Năng lượng phát neutron tức thời không gây phân hạch mà bị bắt

8.8

Toàn lượng biến thành nhiệt lò neutron nhiệt hoạt động

202,5

Nàng lượng phản neutrino 8,8

Tổng lượng 211,3

1.5.3 Phân bố mảnh vỡ phân hạch theo số khối

Các mảnh vỡ có số khối quan sát tò A = 72 đến A = 160 Tỷ suất

phân hạch chúng (suất ra) trải rộng sáu bậc, lớn - 6% ở

hai bưóoi A = 95 A = 137 (hình 1 ) Phân bố mảnh vỡ theo số khối

CĨ hai bướu hình n ngựa (bất cân đối) chuyện khó lý giải Nếu xem

8 0 AN TOÀN ĐIỆN HẠT HHầM

vỡ với số nucleon kỳ ảo kép z = 50, N = 82 ưu tiên phát Đó bướu thứ hai hình phân bố 1.19

Có chứng thực nghiệm hỗ trợ cho cách lý giải định tính Thứ nhất, động neutron tới tăng lên, chẳng hạn chiếu neutron nhanh có lượng 14 MeV, hạt nhân hợp phần nóng nhiều phân bố mảnh vỡ có xu hướng cân đối hơn, ừên hình 1.19 Thứ hai, hình phân bố mảnh vỡ từ hạt nhân phân hạch có số khối tăng dần từ đến có hai bướu Trong vị frí

bướu thứ hai giữ nguyên A = 132 hạt nhân phân hạch, bướu thứ lại dịch hướng "nặng" số khối hạt nhân phân hạch tăng lên (hình 1.20)

ss P (õ

80 90 100 110 120 130 140 150 160

Hình 1.20 Phân bố mảnh vỡ phản ứng phân hạch Pu~’’ neutron nhiệt. Phân bố có hai bướu, bướu thứ dịch chuyển hirớng tăng số khối từ đến và thi bướu thứ hai giữ nguỵên >Ị trí quanh số nucleon k>- ảo kép với A = 132 fNguon: W ikipedia, N uclear fission product)

1.5.4 Nhiệt dư lò phản ứng

8 2 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHÂN

Rất khó đến cơng thức giải tích tổng qt cho nhiệt dư phụ thuộc vào thời gian sau lị dừng hoạt động có q nhiêu mảnh vỡ phân hạch với chu kỳ bán rã khác nhau, tỷ suất chúng lại phụ thuộc vào lịch trình vận hành lị thành phần cấu tạo nhiên liệu Có thể sử dụng cơng thức giải tích gần tương đối đơn giản sau cho thời gian từ 10 giây 100 ngày sau dừng lị:

(1.48)

trong đó, Po cơng suất nhiệt lị dừng, p cơng suất nhiệt cịn dư thời điểm T tính tìì lò bắt đầu hoạt động, Ts là khoảng thời gian

từ lúc lò bắt đầu hoạt động dừng, thời gian đo s

số năm sau khl dừng lò

Với khoảng thời gian dài hon dùng đồ thị hình 1.21 để ước tính nhiệt dư Trong 100 năm đầu sau dừng lị, phóng xạ nhiên liệu cháy chủ yếu mảnh vỡ phân hạch, Cs với chu kỳ bán phân rã ~ 30 năm sè đóng góp phần lớn Sau vài ừăm năm, đồng vị siêu uranium plutonium, americium, neptunium curium đóng góp phần chủ yếu

TÀI LIÊU THAM KHẢO

1 Grant F D et al., (2008) Skeletal PET with F'*-Fluoride: Applymg New Technology to an Old Tracer The Journal of Nuclear Medicine 49, 68-78 Beckurts K H & Wirtz K.,Neutron Physics, Springier -Verlag, 1964 The International Panel on Fissile Materials http://www fissilematerials.org c M Lederer and V s Shirley, Table of Isotope, 7“^ edition, a Wiley

Interscience Publication

2 Phóng xạ vũ trụ và T r ã Đat

Phóng xạ có khắp nơi Tia phóng xạ từ nuclit

và trong đất đá chiếu lên người ngồi trời, nhà, hay lịng đất Bay cao mười nghìn mét con người lại bị phóng xạ tia vũ trụ Ngồi boong ke có thể hấp thụ hết tia phóng xạ đất đá bên do tia vũ trụ bên trên, tia phóng xạ chiếu vào nội tạng từ đồng vị K'*° ln có mặt với ngun tố Kali (K) chính cơ thể Trung bình thể người có 40 mg K'*°, cứ giây phân rã 12 000 lần, tia p chiếu lên mơ bên trong thể hết lượng, tia Y lượng 1 keV sau chiếu lên mô đủ khả xuyên qua thể để chiếu lên thể người bên cạnh Những kịch bản không mong muốn mặc định từ thiên nhiên, không sao tránh Hậu thực tế từ ngàn đời nay, người luôn chung sống với tia phóng xạ góp một phần xác suất gây ung thư khơng rõ căn ngun.

S ẽ có người than: Thượng đế sinh người, lại còn sinh phóng xạ!

nhống giây cuối để thừa hưởng tất gi mà tạo

hóa nhào nặn nên từ khởi thủy phản ứng hạt nhân

phân rã phóng xạ.

Con người chìm đắm bể phóng xạ hàng vạn năm mà không hay biết năm cuối kỷ X IX phát nó, nhờ phát hạt nhân nguyên tử, từ bắt đầu hành trình vào giới vi mơ, săn tìm cấu trúc ngày bé, đơn vị tận cấu tạo nên vật chất Thật kỳ lạ, hành trình săn tim vơ cùng bé người gặp lại vũ trụ vô lớn nguồn xa xưa trước hàng chục tỷ năm Khoa học hạt nhân nguyên tử - phóng xạ tìm đến nơi hội tụ "vơ cùng" trong chiều kích khơng gian thời gian: vơ bé siêu dây kích thước 10“^® m vơ lớn vũ trụ kích thước 10“"^^ m, hai vô cách đến 56 bậc đại lượng!

2.1 NGUYÊN TỐ VÀ ĐỒNG VỊ SINH RA TỪ ĐÂU, VÀ TỪ LÚC NÀO?

Các phản ứng hóa học biến hóa thể vật chất động chạm đến electron lớp ngồi ngun tìr Năng lượng trao

đổi q trình tính cho tìrng ngun tị thường khơng q

vài chục eV, hàng triệu lần so với lượng phản ứng hạt nhân phân rã phóng xạ Phản ứng nguyên tố hóa học điều kiện môi trường khác tạo nên hàng triệu hợp

chất hóa học, sẵn có tự nhiên, người tổng hợp

nên phịng thí nghiệm xưởng hóa chất Nhưng khơng có phản ứng hóa học biến nguyên tố thành nguyên tố khác Chương cho thây nguyên tố đồng vị đứng sau uranium hình thành nhờ có phản ứng hạt nhân phân rã phóng xạ Cịn ngun tơ đơng vỊ từ uranium trước sao? Cũng vậy, đêu tạo băng phản ứng hạt nhân phân rã phóng xạ q trình hình thành vũ trụ, thiên hà, hàng tỷ năm trước

Bằng chứng thành phần nguyên tố đồng vị ưong vỏ Trái Đât có nhiều đặc điểm giống thành phần nguyên tổ đồng vị mặt ười, thiên thạch Nhừng đặc điểm có nguồn gốc từ cấu trúc hạt nhân lượng liên kết nucleon hạt nhân, bàn đến chương trước

2.1.1 Big Bang vũ trụ giãn nở

Big Bang đánh dấu kiện vũ trụ bất đầu giãn nờ đột ngột từ khối

năng lượng có kích thước bé, nên nóng và đậm đặc, cách nay

13,7 tỷ năm Một vũ trụ với kích thước vơ bé, độ cong không-thời gian nên vô hạn điểm kỳ dị (singularity) phương trình tương đối tính tổng qt Einstein tìm năm 1915 Năm 1922, nhà vật lý người Nga Friedman đưa hai giả thiết đơn giản để giải phương trình Einstein Friedman xem vũ ftỊi đẳng hướng đồng theo góc vị trí quan sát, tị chứng minh rang vũ trụ không tĩnh Einstein nhiều người đương thời khác quan niệm, mà giãn nở không ngừng Vũ trụ nguyên khới bẳt đầu giãn nỡ nguội sau Big Bang, qua lượng biến hóa thành hạt sơ cấp nhất, từ tạo nên neutron, proton, hạt nhân nặng hơn, đến nguyên rtr gồm hạt nhân liên kết với electron Vũ trụ nguội dần sinh thiên hà thiên thể T r o n s Thiên hà xuất

hiện Mặt Trời, Trái Đất người

Thuyết giãn nở vũ trụ sau Big Bang chấp nhận rộns rãi sau nhiều chứng thực nshiệm có tính đột phá lớn ký ưước Trước hết khám phá quy luật giãn nở vũ trụ Hubble năm 1929, theo thiên hà chuyền động xa với vận tốc tỷ lệ thuận với khoana cách c h ú n Vận tốc đo từ dịch chuyên vạch quans

phổ phía đỏ hiệu ứng Doppler

Khám phá quan trọns thứ hai thuộc Penzias Wilson Năm 1965 hai nhà vật lý đà ghi nhận xạ vi ba (CBM) với tần số vào khoáng 160 GHz phát từ khoang không thiên hà thiên với cường độ đăng hướng CBM xem dấu tích phát xạ

của vũ trụ vật đen tuyệt đối nguội đến ~ 000 K (~ 0,25 eV) sau Big Bang khoảng 380 000 năm, nguyên tử gồm hạt nhân electron bắt đầu hình thành Lúc lượng photon xuống thấp nên electron proton "yên ổn" kết hợp với để tạo thành ngun tử trung hịa mà khơng bị ion hóa, cịn photon trở thành hạt "tự do" không vướng vào nhiệm vụ truyền tương tác hạt tích điện trước Nói cách hình ảnh, lúc vũ trụ đà bắt đầu sáng có photon tự Tuy nhiên, ưr đó trở vũ trụ tiếp tục giãn nở nên CBM ghi xạ bị dịch chuyển phía đỏ, tần số giảm 000 lần nằm vùng sóng viba

Những xảy thời gian ngắn sau Big Bang mơ tả theo mơ hình chuẩn hạt sơ cấp, mơ hình bao gồm quark, lepton, boson làm nhiệm vụ trao đổi tương tác chúng Mới việc tìm hạt Higg boson có khối lượng 125 GeV máy gia tốc đối chùm hadron khổng lồ CERN tựa hồ lấp lỗ trống cuối đầy thách thức mơ hình chuẩn, qua giải thích chế tạo nên khối lượng vật chất Cả thuyết Big Bang mơ hình chuẩn chưa thể xem tranh hoàn chỉnh cấu trúc vật chất từ thang độ hạ nguyên tử đến vũ trụ, hai chấp nhận rộng rãi

Quy mô giãn nở vũ trụ sau Big Bang hình dung qua cơng thức liên hệ mật độ vật chất p nhiệt độ T với khoảng thời gian t kể tò bắt đầu giãn nở:

, _ 4,5.10'

p(g.cm ) = —

8 _ AH TOÀN ĐIỆM HẠT MHấll

5.10'°

T ( K ) = - ^ (2.1)

E = keT (2.2) ke số Boltzman, ke = 8,617.10“^ eV.K“^

Một đơn vị cấu trúc vật chất neuữon, proton, hạt nhân hay nguyên tử chưa thể sinh lượng liên kết bên ưong cấu trúc cịn bé lượng chuyển động nhiệt Lè đơn giản chuyển động nhiệt phá cấu trúc liên kết Dựa nguyên tắc công thức (2.1), (2.2) ta xét đốn đơn vị cấu trúc tạo trình giãn nở vũ trụ

Trong khoảng thời gian ngắn < 10“*^ s sau Big Bang mà nhiệt độ chưa hạ thấp 10*^ K, vũ trụ chứa đầy quark, lepton, boson hạt sơ cấp không chia nhỏ theo hiểu biết Các boson làm nhiệm vụ chuyển tải tương tác, ưong sổ có photon làm nhiệm vụ chuyển tải tương tác hạt tích điện Với nhiệt độ cịn q cao lúc này, lượng chuyển động nhiệt không cho phép hạt sơ cấp liên kết với tạo thành cấu trúc phức tạp

Trước khoảng thời gian = 10“^ s, nhiệt độ hạ xuống khoảng 10'~ K động chuyển động nhiệt hạt (cơng thức 2.2) hạ xuống cịn khoảng 100 MeV, hạt quark tự qua trao đổi với gluon tạo thành meson barion, mà neuưon proton thành phần nhẹ ữong số barion số lượng neutron proton gần tương đương Nhiệt độ lúc cao để nucleon tạo thành hạt nhân

Sau Big Bang 10"' s nhiệt độ hạ xuống 10'° K, lúc neuưon proton đạt trạng thái cân nhiệt chun hóa lần qua q trình tương tác yếu có tham gia neutrino Ve và phản

neutrino Ve công thức Ve + p e ' + n

n + Ve<f^p + e“ (2.3)

Sau Big Bang s, nhiệt độ hạ xuống 10^ K hay ~ MeV, tương đương hiệu khối lượng neutron proton (nin - nip = 1,3 MeV/c^) Do neutron có khối lượng lớn hơn, phân bố Boltzman lệch phía proton khiến proton ngày nhiều neutron Thêm vào đó, neutron bớt phân rã Cán cân khối lưọTig hai hạt lúc 76% proton 24% neutron Ngoài vũ trụ lúc cịn có lượng lớn photon, electron, neutrino phản hạt chúng

2.1.2 Tổng hợp hạt nhân nhẹ sau Big Bang (BBN) Thuyết aPv

BBN (Big Bang Nucleosynthesis) xảy khoảng thời gian tò vài phút vài chục phút sau Big Bang Trong khoảng thời gian

một số hạt nhân nhẹ "^He, ^Li tạo từ phản

ứng neutron với proton phân rã phóng xạ neutron Alfer, Gamov sau thêm Bethe, người khởi xướng lý thuyết BBN tà năm 1940, lý thuyết gọi aịỉy (chữ Hy Lạp tên ba tác giả)

Với lượng chuyển động nhiệt khoảng MeV, neutron tương tác với proton tạo thành hạt nhân deuterium (D hay ^H) theo phương trình:

n + p ^ D + Y + 2,22 MeV (2.4)

về nguyên tắc, hạt nhân D tạo thành bị phản ứng quang ly (photo-dissociation)

D + y ^ n + p

nếu photon có lượng cao 2,22 MeV Tuy nhiên, lúc lượng photon môi trường thấp nhiều nên phán ứng quang ly khơng thể xảy nhờ hạt nhân D, cấu trúcvật chất phức tạp đầu tiên, tồn bền vững Hạt nhân D hấp thụ neutron proton tạo thành tritium (^H hay T) hạt nhân helium -3 (^He):

n + D + y + 6,26 MeV

p + D -> ^He + y + 5,49 MeV (2 5)

Tiếp theo, đồng vị bền He'* tạo từ phản ứng + p, He^ + n, He^ + H^, D + D Đồng vị nặng hơn, Li’, tạo ưong thời gian theo phản ứng ghép:

He^ + He^ ^ L r + y + 2,47 MeV (2.6)

Tuy nhiên, Li tạo sè nhanh chóng bị hủy phản ứng với proton:

Li^ + p ^ He^ + He'* + 17,35 MeV (2.7)

Những phản ứng xảy ưong vòng chưa đầy nửa sau Bie Bang, sau nhiệt độ giảm hàng rào Coulomb cao nên phản ứng tổng hợp xảy rạ về khối lượng, lúc vũ ừại chứa = 76% H, 24% He"*, 0,01% D lượng không đáng kể Li^, Bệ Kết tính tốn (hình 2.1) cho thấy hàm lượng hạt nhân nhẹ tăng vọt sau -1 0 giâỵ Từ lúc trở số lượng neutron tự

do giảm nhanh lượng He'^ tích lũy rtr phản ứng

hạt nhân đạt đến cân bằng, vào khoảng ba lần so với proton Lượng hạt nhân nhẹ khác vào ôn định

2.1.3 Phân rã p~của neutron tự do

Phản ứng hạt nhân phân rã phóng xạ đà tạo nên nguyên tố đồng vị suốt trình tiến hóa vịi trụ sau Big Bang Trong sổ phân rã phónơ xạ, phân rã P ' neutron tự có vị tri đặc biệt làm thay đổi tương quan neuưon-proton cần thiết cho phan ứng tổng họp hạt nhân nhẹ xảy ữong vòng vài chục phút sau Big Bang Nếu giả sừ thời gian sống neutron ngắn đôi chút so với giá trị đo được, Tn=15 phút, ba phút sau Big Bang neutron đă khơng cịn đủ để ghép với proton tạo thành Ha'*, H" sau giới vật chất ta thấy ngày Cho nên thời gian sống cua neutron (Tn) phân rã P" có ánh hương định đến lượng sàn phẩm tạo ưona BBN "Ai" định chuyện đê vii trụ hình thành theo tồn lộ trình tiếp theo, điều thật bí ấn!

9 2 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAI

I

■*5

Thời gian vũ trụ, giáy

H ình 2.1 Diễn bien hàm lượng hạt nhân nhẹ so vói proton trong thuyết BBN (Nguồn: Weiss Achim, Einstein Online).

Cụ thê, tỷ sô khôi lượng "^He/H tạo thành sau BBN phụ thuộc nhiều vào trị sô sai sô Tn Vì xác định xác thời gian sống

Chưang PHỒHG XẠ TRDNG vú TRỤ VÀ TRÁI ĐẨT 9 3

quả sử dụng hai kỹ thuật khác chùm neutron lạnh (T = 20 K, vận tốc neutron khoảng vài nghìn m.s~^), nhốt neuưon siêu lạnh ừong bình (T = mK, vận tốc neutron khoảng vài m s"‘) Neufron siêu lạnh phản xạ tồn phần góc tới, nhờ người ta nhốt bình để theo dõi trình phân rã chúng Trong kỹ thuật chùm neutron siêu lạnh, người ta đo số proton neuưon biến thành phân rã ữên đường bay, tị tính chu kỳ bán rã neuưon

Những kết đo thời gian sống neufron tự trước năm 2004 chụm lại Tn = (885,7 ± 0,08) s, nhiên, sau Serebrov cộng sử dụng kỳ thuật neutron siêu lạnh đưa kết thực nghiệm khác với giá trị đến sai số chuẩn, Tn = (878,5± 1) s, có nghĩa neutron tự sống vần cịn câu hỏi chưa có lời kết

Thời gian thực nghiệm

2.1.4 Tổng hợp hạt nhân trình tiến hóa thiên thể (stellar nucleosynthesis)

BBN xảy khoảng thời gian ngắn nên hạt nhân nặng He chưa thể tổng hợp Phải đợi đến hình thành với nhiệt độ vùng trung tâm tăng dần đến 10 K thời gian dài, hàng tỷ năm, hạt nhân nặng có điều kiện hình thành qua chế phản ứng ghép nhiệt hạch Cũng phản ứng giải tỏa lượng để trì tồn trước chúng suy tàn

Sau BBN, vũ trụ với thành phần vật chất H 116“* tiếp tục giãn nở Tuy nhiên, vùng có mật độ vật chất cao nơi khác, trình giãn nở bị chậm lại lực hút hấp dẫn thắng làm cho kích thước chúng ngày co lại Hiện tượng gọi suy sụp lực hấp dẫn dẫn đến hình thành thiên hà

Những cụm bụi khí đậm đặc bên thiên hà, gọi tinh vân, co lại lực hấp dẫn Trong q trình tinh vân hút thêm bụi khí vùng xung quanh, theo thời gian làm cho khối tinh vân quay xung quanh nó, tốc độ quay ngày tăng dẫn khối tinh vân ngày co lại Cuối khối khí đậm đặc sè trở thành đĩa quay với vật chất bị hút vào nén mạnh vùng trung tâm nên ngày nóng lên, tị bắt đầu hình thành giống Mặt Trời Những bụi khí cịn lại bao quanh "Mặt Trời" hình thành phát triển thành đĩa đồng tâm, tiền thân hệ hành tinh

0 vi sao, mật độ vật chât nhiệt độ tăng dần từ vào nhiệt độ vùng trung tâm đủ cao, > 10^ K, phản ứng ghép nhiệt hạch xảy để biến H thành He Năng lượng giải tỏa từ phản ứng ghép nhiệt hạch tạo áp suât bên Áp suất lớn dân đên lúc có thê cân băng lại lực hâp dẫn không cho bị nén tiêp Các có thê tơn lâu dài trạng thái cân với H liên

tục chuyển hóa thành He Năng lượng tị phản ứng chuyển hóa vật chất giải tỏa dạng nhiệt xạ ánh sáng, nhờ ta quan sát cách ta hàng triệu năm ánh sáng bầu trời Tuy nhiên, đến lúc nhiên liệu H vùng trung tâm bị cạn kiệt, lực hấp dẫn thắng thế, trình suy sụp hấp dẫn làm cho vùng trung tâm co lại nóng lên Diễn biến phụ thuộc vào khối lượng Nếu khối lượng bé nhiều so với mặt ttời, phản ứng ghép không tiếp tục xảy trình suy sụp hấp dẫn cuối sè tạo nên lùn ưắng (white dwarf) có kích thước bé hành tinh Ngược lại, kềnh (giant), nhiệt độ mật độ vùng trung tâm phải cao để cân lại lực hấp dẫn (T > 10* K, p = 10^ kg.m'^), nên nhiên liệu H cạn kiệt, chúng bị lực hấp dẫn nén tiếp làm nhiệt độ bên ừong tăng cao khiến cho He có khả chuyển hóa thành các hạt nhân nặng c, o bằng phản ứng ghép hạt nhân Nguồn lượng đốt nóng lớp vỏ bao quanh, H cịn dồi để tiếp tục phản ứng ghép tạo thêm He phát lượng Q trình làm cho độ chói tăng lên ưr 000 đến 10 000 lần, đồng thời giãn nở mạnh, vùng ngoại vi lạnh hơn, quang phổ chuyển vùng đò nên quan sát sao kềnh đỏ (red giant).

Nhưng phản ứng tạo hạt nhân nặng vùng trung tâm kềnh không giải tỏa nhiều lượng nên cuối vần xảy trạng thái khủng hoảng Vùng lõi đậm đặc giống neutron hay lồ đen (black hole) Lồ đen trường hợp giai đoạn suy tàn có lực hấp dần lớn đến mức khơng gì, kể ánh sáng, từ Bán kính lồ đen, gọi bán kính Schwarzschild, ti lệ thuận với khối lượng cua Với Mặt Trời bán kính km, Mặt Trời khơng đủ nặng để suy tàn trờ thành lồ đen

Một kich bán ngược lại xảy suy tàn có lượns lớn bên lõi khiến cho vòing ngoại vi bung thành \TJ nổ lớn gọi

96 AN TOÀN ĐIỆN HẠTNHAN

siêu (supernova), sáng nhiều lần khác thiên hà tượng kéo dài nhiều năm Vật chất chứa đầy đủ nguyên tố tò nhẹ đến nặng, tạo frong suốt thời gian trưởng thành già cỗi kềnh siêu tung vào thiên hà dạng bụi khí Từ lại tạo thành hệ Hệ mặt trời chứa nhiều (2%) nguyên tố nặng nên xem hệ hai hay ba tạo từ đám mây bụi siêu tung cách khoảng tỷ năm

2.1.5 Phản ứng ghép hạt nhân điều kiện nhiệt hạch

Trong phản ứng ghép hạt nhân, hai hạt nhân có điện tích Zi Z2 phải chui qua hàng rào Coulomb để tương tác với Chiều cao hàng rào xác định công thức:

z 7

( R, + R, ) (2.8)

trong tính MeV, Ri R2 bán kính hai hạt nhân tính theo đơn vị fermi (fm), fm = 10“^^ cm

Ngay ngơi nóng nhất, lượng chuyển động nhiệt hạt nhân tính theo cơng thức (2.2) bé so với độ cao hàng rào Vc- Tốc độ phản ứng nhiệt hạch tỷ lệ thuận với mật độ hai hạt nhân tham gia phản ứng ghép rii n2!

dN

(2.9) dt = Iiin2 < ơv >

trong N số hạt nhân tạo thành đơn vị thể tích V vận

tôc txrơng đôi hai hạt, tiêt diện phản ứng ghép Dấu ngoặc phép trung bình hóa theo phân bố vận tốc chuyển động nhiệt Maxwell - Boltzman:

n(v) c» exp

có tính đến xác suất chui qua hàng rào Coulomb hiệu ứng đường ngầm (công thức 1.36)

Trong giai đoạn H đốt cháy để tạo thành He"^, phản ứng xảy theo chế nhiệt hạch chậm so với giai đoạn BBN Hydro bị đốt để tạo thành He theo hai chu trình proton-proton chu trình carbon

Trong chu ừinh proton - proton, hai proton kết hợp với theo chuỗi phản ứng phân rã p kế tiếp, qua số hạt nhân trung gian tạo thành bị phân rã 2He^, iD ', 2He^, sLi^ Cuối chu trình bốn proton để sinh hạt nhân He"*, hai positron, hai neutrino giải tỏa lượng 26,7 MeV theo công thức;

4p ^ a + 2e^ + 2v + 26,7 MeV (2.11)

Trong chu trình carbon, hay cịn gọi chu trình Bethe, c '^ đóng vai trò xúc tác:

6C'2 + p ^ N " + y , + V,

+ p —> + y,

yN'^ + p ^ e C ' ^ + aHe** (2.12)

Kết c '^ làm nhiệm vụ xúc tác, không đi, bốn proton chuyển thành “^He giải tỏa lượng 26,7 MeV, ưong neutrino mang theo 1,7 MeV, giống y trình (2.11) Tuy hai chu trình giống hình thức, song hiệu giải tỏa lượng lại khác tùy theo nhiệt độ mật độ vật chất bên frong lõi Khi nhiệt độ tăng lên, hai chu trình đốt hydro nhanh hơn, chu trình proton-proton hiệu chu trình carbon, Mặt Trời,

nay chu trình hydro lấn át, số nặng chu trình carbon lại nguồn phát lượng

2.1.6 Đốt He giải tỏa lượng tạo thành hạt nhân nặng hom

Heli sinh bị đốt cháy tạo thành ^Be:

2He^ + H e ^ B e * (2.13)

Với p = 10^ kgm“^ trạng thái cân 10^ hạt nhân ‘^He có hạt nhân *Be Với số lượng *Be ỏi đủ để tạo ra*^c theo phản ứng ghép:

9 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAR

4

Hạt nhân ’^c tạo ở trạng thái kích thích, từ đó phát ra tia Ỵ Phối hợp (2.13) với (2.14) cho thấy ba hạt a ghép với để tạo thành ’^C:

3 (2 H e^)^6 C '^ + Ỵ + 7,27M eV (2.15)

Sau tích lũy lượng c '^ đủ lớn, trình 3a tương tự (2.15) tiếp tục tạo nên o, Ne, Mg Si, Fe, đồng thời lượng giải tỏa thêm Thí dụ:

c '2 + c '^ ^ + p + 2,24 MeV

c*~ Một lần nữa, ta lại tìiấy hội tụ thủ vị aiữa khoa học vô cùns lớn khoa học vô bé

Đồng thời phản ứng với hạt a cũns tạo neuưon, chẳna hạn; Ne“ + a ^ Mg-" + n - ,4 MeV

C ‘" + a - > ‘V n - , MeV (2.17) Neutron sinh sè bị hạt nhân bẳt siừ theo phản ứng (n, y) tạo thành

hạt nhân có sổ khối lớn N ầừne hạt nhân 2Ìàu neutron nên phân rã để tạo thành hạt nhân đồng khối có số z lớn

2.1.7 Tạo thành hạt nhân nặng qua phản ứng bắt neutron và phân rã p

Phản ứna ghép nhiệt hạch khó xảy với hạt nhân nặng có hàng rào Coulomb cao Với hạt nhân phán ứns bất neutron (n, v) (xem 1.4.2) dễ xày tiết diện phán ứnơ (n y) lớn có xu hướng tăng lên theo số khối A Với phan ứng (n y), đồng vị có số khổi A sè biến thành đồng vị có số khối A + Đồng vị bền khơns bền Nếu không bền hạt nhân tạo thành phàn rã làm tăns nguyen từ số z Do chuồi phan ứng (n y) kèm theo phân rã ị3“ sè tạo nhừna nguyên tố ngày nặna Toàn ữinh có thê xuất phát từ nhừna đồng vị cúa Fe xem nặng có ùr phàn ứng ghép nhiệt hạch Tuy nhiên, cần lưu ý phán ứng bắt neutron hấp thụ lượng khơng giải tịa năna lượns phan ứng ghép nhiệt hạch

Trong \-ũ trụ trình bất neuưon xảy cách ùr rìr (%, slow) nhanh (r rapid)

Quá trình s xàv mật độ neutron tự ngơi q bé khiến cho khống thời gian hai lần bất neuưon lớn horn nhiều so với thời sian sổng cua tàt ca đơng vị phóna xạ tạo từ phàn ứng (n y) Hình 2.3 minh họa lộ trình tạo đồng vị

100 AN TỒN ĐIỆN HẠTNHAN

ngun tố nặng dần tìr 47Ag^°^ đến 51 Sb'^^ trình s kêt hợp với phân rã Ta ý đến mắc xích bắt đầu tò đồng vị bền 48Cd‘'^ Phản ứng bắt neutron;

48Cd"^ + n 48Cd"' + Y (2.18)

z

* k Sb Sn In Cd Ag 112 110 109 111 U 4 113 112 115 113

116 U 11« 119

121 120 ‘x

123

122

Sb Sn UA In

U6 Cd Phản ứng hạt nhân

Phân rã p Bắt gíữ ncnron

■ > N

H ình 2.3 M inh họa trình hình thành đồng vị nguyên tố nặng thông qua phản ứng bắt neutron từ (quá trình s) và phân rẫ P".

sẽ tạo thành đồng vị phóng xạ 48Cd**^ với chu kỳ bán rã 54 Nếu khoảng thời gian hai lần hấp thụ neutron bé 54 đồng vị bền khác Cd với A = 116 hình thành từ phản ứng (n, ỵ) Tuy nhiên, thời gian hai lần hấp thụ neutron lớn 54 nhiều lần (quá trình s) nên hạt nhân 48C d‘^^ kịp phân rã P' chuyển thành hạt nhân 49ln"^ trước bắt tiếp neutron để tạo thành Cd'*^

Nhưng trình khơng thể tạo thành đồng vị nặng Bi sau Bi thường đồng vị phân rã a với chu kỳ bán phân rã ngắn Những đồng vị nặng này, có u và Th, tạo điều kiện mơi trường có mật độ neutron cao để trình bắt neutron xảy nhanh (quá trình r) đồng vị tạo thành chưa kịp phân rã phóng xạ Thí dụ, đồng vị bền Bi bắt liên tiếp 20 neutron

Đồng vị tạo không bền nên phàn rã liên tiếp để tạo đồng vị nằm giừa ssAt gypr Mật độ neutron cao tồn ưong vụ nổ siêu Hệ mặt ười xem hình thành òr vụ nổ xảy vTÌng kế cận ưong Thiên hà chủng ta cách khoảng 4,5 tỷ năm có mặt nơuyên tố nặna u, Th ưong vỏ ưái đất minh chứns cho siả thuyết nàv

2.1.8 Độ phổ biến nguyên tố vũ trụ

Mô hình tạo thành ngun tố thơns qua phản ứns hạt nhân phàn rà phóng xạ ưên kiểm chửng tốt cách so sảnh với độ phố biến neuyên tố ưona trụ

Hydro có hàm lượne áp đảo ttong \TĨ trụ sau đến He, chiếm -8° số lưọme nguyên tử, nsav sau hổ sâu chứa ba nsuyèn từ Li, Be B (hình 2.4) Độ phổ biến ba nsuyên tố sộp lại thấp H ưăm ttiệu lần Khả năns tạo ba nguyên tố ons BBN cũns tâm thấp phản ứng ghép hạt nhân He để tạo nên chúns diễn chậm, mặt khác tạo chúna dễ phản ứns với proton đẽ quav ưở lại hạt nhàn He chầna hạn theo phương trình:

3Lì" + p ^ 4Be* ^ 2:He-* (2.20) Sau B, nguyên tố lại dồi lên với đinh c o Si Ca Tron£ vùng nhừne đồng vị chẵn-chằn với A = 2Z = 2N sO’® .oNe'^ v M g - \ u S r* có độ phổ biến cao hẳn đồns vị khác, tượng phù hợp với năna lượng liên kết mẫu vó hạt nhàn ưình

bày chương 1.

Sau Ca độ phô biến nguyên tố lại qua hố sàu Sc Nguyèn tố ưong \ii ưụ đồng thời nguyên tô quý "nổi tiếns" ưong vị ưái đẩt (hình 2.4) Sau Sc độ phổ biến nsuyèn tố lại tăng lèn qua cực đại xTÌng A = 50-60 quanh đồns vị Fe Ni Một lần độ phơ biến ngun tơ có tương quan chặt chè với nãng lươns liên kết rièns có giá ttị lớn MÌng Fe (xem 1.2.2) Sau

cực đại Fe, Ni độ phô biến nguyên tố lại giảm giam rât chậm sau A = 100 Tuy nhiên vùng nguyên tô nặng xuât cực đại nhỏ đồng vị có số kỳ ảo kép (xem 1.2.3)

102 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHẦM

Z£j

Độ phổ biển cùa Si

• ”* đ ac chia cho 10^

^ • N

• • • • •

: • v

ã s

Bô

" Zn

, cS ,• G*

Ì G ; , ^ Sn / ĩ Ì* B p, ^

^ ^ v v r : ? : ?

0 í 10 t ỉ 20 » » S5 40 ^ u M e o » 7C J K H n M

Nguyên tử sò, z

Hinh 2.4 Độ phổ biến tương đối nguyên tố vũ trụ.

2.1.9 Độ phổ biến nguyên tố vỏ Trái Đất

Chưong PHÓNG XẠ TRONG vũ TRỤ VÀ TRÁI ĐẤT 1 3

Kim loại cho cõng nghiẬp: AI, Cr Cu Fe Mg Mn Mo Ni, Pb Sn TI w, Zn Kim loại quý hiếm: Au, Ag, Ir, Rh, Ru, Pd, Pt, Os

Nguyên tốt đầt hiém: Ce, Dy, Eu, Gd, Ho, La, Lu Nd Pr, Sc Sm, Tb, Tm, Y, Yb Nguýỉn tổ đa lifỌ>ng đà: AI, c, Ca, Ci, H, F, Fe, K, Mg, Mn, Na, o, p, s, Si, TI

H ìn h Độ phổ biến nguyên tố vỏ Trái Đất tính theo số nguyên tử 10* nguyên tử Si.

2.2 PHÓNG XẠ TRONG ĐÁT ĐÁ 2.2.1 Các họ phóng xạ

Trong số hàng trăm nguyên tố đồng vị cấu thành Trái Đất rtr thời nguyên khởi trước hệ mặt trời hình thành có nguyên tố phóng xạ u, Th K Chúng cịn tồn đến ngày nhờ có chu kỳ bán rã tương đương với tuổi Trái Đất, khoảng 4,5 tỷ năm Các nhân đứng đầu ba họ phóng xạ đất đá Th"^“ có chu kỳ bán tương ứng 4,5 tỷ năm, 14 tỷ năm 700 triệu năm

104 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN

đồng vị bền chì: Tất có 47 đồng vị khác thuộc ba họ nói Khơng thể lẫn họ với họ khác số khối A đồng vị họ Cụ thể A = 4n + họ A = 4n họ A = 4n - họ n số nguyên Hình 2.6 trình bày đầy đủ đồng vị ba họ nói với kênh phân rã chu kỳ bán rã chúng

2“u

(4,47E9y) U,45E5y) Pa ị ị

^ J6,69h) _

(24,1 d)

ị (1.6E3y) ị “ỈRn (3,82d) ị Th Ac Ra Rn

“ *U; Nhãn phóng xạ (T„2): y - năm; h - giờ: m - phút; s - giáy

j^Phân ră o; /^Phân rã

Ẹ-“ *Th (1,4E10y) y»(1,91y)

V (6.15h) ^Ra (5,75y) -ãRa (3.66d) ôRn (55.6 s) Po Bi Pb

21B po p „ p o

(3,04 m) (1.6E-4S) (J38d)

I I 2’ » Bi I

▼ (lQ7m) ▼ J5,01d) ▼

2'“Pb “6pb

(26,9m) (22,6y) (Bển)

(0,15s) yr(3E-7s) ị▼ ^ (1 ,0 h ) X▼ 2'2Pb X

(10,6h) ▼ /^(Bền)

208TI

(3,05m)

2Xịj

(7E8y)

ị “'Pa

^3.3E4y)

ị

(I,06d)

“'Ác V

(21,8y) ▼ “iRa (11,4d) ị 2’9Rn (3.96s) Ĩ

(1,78 m s

ị yiMm) 2’Ỷb ị «^Pb

(36,1 m) ^ỵ » (B ển )

2 ÍI

(4,77 m)

H ình 2.6 Sơ đồ phân rã ba họ phóng xạ (bên trái), (giữa) và (bên phải) Các đồng vị phóng xạ ba họ phân rã a (Z N giảm 2) P"(Z tăng 1, N giảm 1) Chuỗi phân rã phóng xạ chấm dứt ba đồng vị bền chì Pb^®‘’

nguyên tố hoàn toàn lúc có hoạt độ phóng xạ riêng cao uranium đến hàng triệu lần

Ngồi uranium thorium, phóng xạ tị đất đá cịn bắt nguồn từ iqK"*®- Trong vỏ Trái Đất nguyên tố kali phổ biến, có hàm lượng trung bình 2,6%, lớn nhiều so với thorium (7,2 ppm) uranium (1,8 ppm) Nhưng kali chứa 0,01% đồng vị igK"*® tỷ lệ ổn định ứong mơi trường đồng vị phóng xạ có từ thời nguyên khởi cách hàng chục tỷ năm

Hàm lượng trung bình uranium ừong vỏ Trái Đất 1,8 ppm, ưong lớp đất bề mặt hàm lượng thường cao u dễ bị hấp thụ phần tị sét có kích thước bé ữong đất Trong vỏ Trái Đất, chiếm 99,27%, phần ỏi cịn lại (0,73%) Ngồi cịn có (0,0058%) đồng vị - cháu tạo thành phân rã phóng xạ (hình 2.6) Tuy nhiên, uranium phân bố không frong đất đá Tùy theo loại khống vật, hàm lượng dao động tị vài phần tt-ăm ppm đá ulfrabasic đến hàng chục ppm ừong granite Còn

các dị thường quặng phóng xạ, hàm lượng u thưỊTig lên đến hàng

nghìn hàng vạn ppm

Uranium tồn ứong sáu trạng thái hóa trị, tị đến số ừạng thái này, quan trọng Trong môi trường khử, uranium tồn dạng [U(rv)] có độ linh động thấp u r a n iu m n ite ( Ư O2) v c o f f i n i t e ( U S Ì O4) k h ó h ị a ta n , d o đ ó h m lượng u nước không vượt 10"^^ M Trong môi trường oxy hóa, U(IV) chuyển sang U(VI), dễ hịa tan biến thành ion uranyl (U02^^), phức bị di chuyển xa theo nước ngầm Khi gặp môi trường khử, ion U(VI) đọng lại hấp phụ ưên bề mặt khoáng sét hay hừu

Hàm lượng trung bình thorium vỏ Trái đất 7,2 ppm Nhưng hàm lượng biến đổi theo loại khoáng vật, ưr đến 50 ppm frong granite permatic xuống 1-3 ppm basalt đá basic Thorium thường xuất khống zircon, Th thay vị trí

của Zr tinh thể Các sa khoáng cát đen chứa Ti Zr dọc theo ven biển thường nguồn cung cấp Zr dùng làm vỏ bọc nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân

2.2.2 Cân cân phóng xạ

Do chu kỳ bán rã đồng vị - cháu ba họ phóng xạ ngắn nhiều so với đồng vị mẹ ngắn so với thời gian tồn Trái đất nên lý thuyết, xảy cân phóng xạ trưÒTig cỉm đồng vị thành viên họ (xem 1.3.2) Khi hoạt độ phóng xạ A i của thành viên i

bằng hoạt độ phóng xạ đồng vị mẹ Ai công thức (1.23)

A i = Ằ iN i = Ầ ,N i = A i

trong Xi N i là số phân rã số hạt nhân thành viên thứ i

Tuy nhiên, thực tế thành viên chuỗi cân phóng xạ trường cửu thành viên bị tách khỏi chuỗi phóng xạ, bổ sung từ mơi trường bên ngồi vào chuỗi q trình địa hóa Hiện tượng đứt gãy chuỗi có hai nguyên nhân liên quan đến đặc điểm nguyên tố đồng vị thành viên chuỗi

Do thuộc nguyên tố khác nhau, thành viên chuồi có hành vi khác mơi trường Thí dụ uranium có độ linh động nước cao nhiều so với ngun tố - cháu Vì có hàm lượng thấp nước ngâm Radium -226 dê hịa tan mơi trường nước có hàm lượng ion C1 cao, khó hịa tan nước có nhiều ion

sulphate Ngồi ra, nước ngầm

khoáng vật hâp phụ với mức độ khác gây cân phóng xạ Radon khí trơ nên dễ khỏi đất đá Sau bị vào không khí, - cháu radon gắn kết vào bụi khí theo đường hơ hâp xâm nhập vào thê trở thành nguồn chiếu chủ yếu người

Hai đồng vị nguyên tố cân phóns xạ trường hợp cặp Khi hạt nhân phân rã a hạt nhân siật lùi có động đủ lớn để có ứiể naồi tinh thể Kết giàu nước ngầm nghèo khoáng vật so với Hạt nhân giật lùi ữong phân rã a tạo nên đường vết sai hịng tinh thể, qua ngun rtr dề bị chiết nước ngầm làm cân bàng phóng xạ

2.2.3 Phân rã phóng xạ nội nhiệt Trái Đất

Trái Đất chứa lượng lớn nhân phóng xạ tự nhiên ^^“Th Trừ lớp đất mỏng vài chục cm ưên mặt, tia phóne xạ p

Y chúng phát dừng lại trons đất toàn động năns

chúng biến thành nhiệt Cùng với sổ yếu tố khác nhiệt lưu lại từ thành tạo hành tinh, nhiệt phân rã phóns xạ góp phần quan frọng trì nhiệt độ cao \-ùne tâm trái đất, lên đến 000 K, gây gradient nhiệt độ 22°Ckm“' ữ ons lớp vỏ, cũns tượng địa nhiệt chuyển độns kiến tạo khác độns đất, núi lửa Các loại hạt lượnơ phát tị phóns xạ tự nhiên

Th^^‘ tổng kết phươns ttình

Chng PHĨNG XẠ TRONG vũ TRỤ VÀ TRÁI ĐẨT _ 107

(2.21)

y 8

^ Pb-°^ + 8 a + 6e + 6 V + 51,698 MeV ^ 5

+ 7 a + 4e + 4 v + 46,402 MeV

^ Pb-°* + 6 a + 4e 4 v + 42,652 MeV

J 0

^ Ca^° + e + V -ị- 1.311 MeV(89.3%)

K^ ' ^ +e - + V + 1.505 MeV (10.7%)

108 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAI

chỗ, có phản nơtrino V khơng bị cản lại

khỏi Trái Đất Tuy nhiên, khơng có điện tích khối lượng bé

nên hạt V khó ghi nhận được.

B ản g Nhiệt phân rã phóng xạ m anti.

Đồng vị

Suất nhiệt, W.kg~^ đồng vị

Ti/2, năm

Hàm lượng trung binh, kg/kg đất đá

Nhiệt tỏa ra,

w kg ’ manti

u,238

9 ,4 - 4,47.10^ 3 ,8 “ 2 ,9 1 0,-12

u235 5 ,6 ' 7,04.10® 0,22.10- 1 ,2 01-13

Th232 2 ,6 - 1 ,4 010 1 01-9 3 ,2 0,-12

K40

2 ,9 “ 1,25.10® 3 ,9 0,-9 1 ,0 0,-12

Mãi gần có hai nhóm nghiên cứu Kamioka, Nhật Bản Gran Saso, Italia ghi V thoát từ phân rã phóng xạ lịng đất sau chế tạo thành công hệ detector vừa đồ sộ vừa tinh vi để phát nơtrino Đe có hiệu suất phát neutrino tối đa hai nhóm sử dụng hàng nghìn nhấp nháy lỏng ghi tín hiệu nhấp nháy neutrino để lại hàng nghìn ống nhân quang Nhóm thứ ghi 841 hạt V thời gian tà năm 2002 đến 2009,

trong có (111 ± ) hạt xem từ phân rã phóng xạ lịng đất, số cịn lại phơng bắt nguồn tò lò phản ứng hoạt động từ mặt trời Nhóm thứ hai ghi 15 kiện hai năm 2007 - 2009, (9,7 ± 3,9) kiện xem ưr phân rã phóng xạ

Theo số tính tốn đây, nhiệt thoát khỏi mặt đất vào khoảng 47 TW ( W) Những kết thực nghiệm neutrino địa nhiệt

trên cho phép tác giả kết luận lượng nhiệt chủ yếu do

2.3 PHÓNG XẠ DO TIA vũ TRỤ

2.3.1 Tia vũ trụ s ơ cấp thứ cấp

Bức xạ ion hóa có nguồn gốc từ vũ trụ chia làm ba loại gồm tia vũ tìại sơ cấp, tia vũ tìỊi thứ cấp tia phát từ chất phóng xạ hình thành tia vũ trụ phản ứng với vật chất ưong khí Tia vũ trụ sơ cấp lại có hai loại, tia có nguồn gốc thiên hà tia xuất phát từ Mặt Trời

Cường độ tia vũ trụ có nguồn gốc thiên hà đến Trái Đất không biến đổi theo thời gian đẳng hướng Thành phần chúng proton lượng cao đến 30 GeV, chiếm đến 85%, sau (10%) hạt nhân nguyên tố nhẹ He, Li, Be, c , sổ lại elecưon, photon, neutrino Chúng sản phẩm phản ứng hạt nhân xảy ưong trình bùng nổ hình thành thiên thể thuộc hệ thiên hà Neuừon sinh ừong vũ trụ phản ứng tổng hợp hạt nhân không kịp đến ưái đất trước bị phân rã biến thành proton với chu kỳ bán rã khoảng 15 phút Trong đó, tia sơ cấp xuất phát từ Mặt Trời biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào chu kỳ hoạt động 11 năm Mặt Trời

Khi vào khí quyển, tia vũ ừTỊ sơ cấp có lượng lớn sè gây phản ứng hạt nhân với ngun tử phân từ ưong khơng khí tạo nên hạt ion hóa khí bao gồm photon, elecưon, neuưon, proton, pion, muon , chúng gọi tia vũ trụ thứ cấp

Như nam châm lchổng lồ, từ trường Trái Đất uốn quỳ đạo hạt tích điện ưong tia vũ trụ làm cho chúng bật ưở lại lượn vòng quanh trước đâm vào khí quyên Theo đường sức cùa từ

trường hạt tích điện hướng vào xích đạo có xu hướng lượn hai

cực làm cho cường độ tia vũ trụ tăng theo vĩ độ, vĩ độ trung bình Bắc bán cầu phơi nhiễm tia vũ trụ cao vTÌng xích đạo đến 30 - 40%

110 AN TỒN ĐIỆN HẠT NHAI

Khơng khí khí hấp thụ giảm tốc tia vũ trụ lượng cao hiệu quả, nhờ giảm thiểu đáng kể tác hại người sống mặt đất Càng lên cao phơi nhiễm tia vũ trụ lớn bề dày lớp khơng khí che chắn giảm Trên đinh Everest cao 850 m so với mặt biển, phơi nhiễm tia vũ trụ tăng lên 20 lần so với độ cao ngang mặt nước biển

2.3.2 Các nhân phóng xạ mơi trường tia vũ trụ sinh ra

Trong số phản ứng hạt nhân tia vũ trụ sơ cấp lượng cao cịn có phản ứng đập vờ (spallation) hạt nhân c, N, o, Ar khơng khí tầng cao, từ vỡ nhân phóng xạ H \ Be\ c''^, Na^^, Các nhân xâm nhập xuống tầng đối lưu quan trắc môi trường mặt đất Dễ quan trắc số Be^ Ba nhân phóng xạ cịn sử dụng để đánh dấu q trình vận chuyển môi trường Một số đặc trưng ba đồng vị ghi bảng 2.2

B án g 2.2 Đặc trung nhân phóng xạ tia vũ trụ tạo khí quyển

Nhân Tv2 Phân rã E, M eV Phàn ứng tạo thành

12,3 năm p- Ep max “ 0,01 9 Tia vũ trụ, thử bom H,

lò nước nặng

5 730 năm 3' Ep max “ 0,01 56 Tia vũ trụ, thử bom H,

lò phản ứng

4Be^ 53,28 ngày bắt

electron

Ey = 0,477 Tia vũ trụ đập vỡ hạt nhân trong khí quyển

2.3.3 Berilium-7

+ P _> 4Be^ + 22He^ (2.22)

tN*" + n ^ 4B e' + sLi' (2.23)

Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào cường độ tia vũ trụ, có liên quan đến chu kỳ hoạt động 11 năm Mặt Trời, hoạt động ảnh hưởng đến tị trường Trái Đất Do đó, hàm lượng Be^ khơng khí nước mưa quan trắc khắp nơi giới tương quan nghịch với số lượng vết đen Mặt Trời

Phản ứng đập vỡ hạt nhân xảy chủ yếu tầng cao khí quyển, từ hạt nhân Be^ vận chuyển xuống tầng đối lưu lớp khơng khí sát mặt đất nhờ trình trao đổi hai tầng bình lưu đối lưu Các trình thường mạnh mùa xuân lớp đệm hai tầng khơng cịn ngăn cản xáo trộn chúng Do hàm lượng ^Be khơng khí biến thiên theo mùa, thường có cực đại mùa xuân phụ thuộc vào vĩ độ

Sau sinh tò phản ứng trên, hạt nhân Be^ liền gắn kết với sol khí có kích thước micron tầng bình lưu quan sát thưÒTig xuyên mẫu sol khí lẫn nước mưa Tốc độ trung bình sản sinh Be^ toàn địa cầu 810 hạt nhân/m^.s Hàm lượng trung bình khơng khí tầng bình lưu 12,5 mBq.m“^ Hàm lượng đo Việt Nam thường thấp hơn, từ đến 10 mBq.m~^ hiệu ứng vĩ độ nói trên, đỉnh 477,6 keV Be^ bật phổ gamma sol khí, nước mưa, lớp đất bề mặt mỏng (hình 2.7) Những kết quan trắc nhiều năm Việt Nam cho thấy hàm lượng Be^ diễn biến rõ rệt theo chu kỳ hoạt động Mặt Trời có tương quan nghịch với lượng vết đen Mặt Trời Hiện tượng quan sát nhiều nơi giới

Theo mưa rơi xuống đất, nhân phóng xạ Be^ hịa tan nước mưa hấp phụ lên khoáng sét mùn hữu lớp đất bề mặt Do chu kỳ bán rã tương đối ngắn (53 ngày) nên Be^ không kịp khuếch tán sâu vào lóp đất sâu vài cm

112 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAM

2.3.4 Tritium (^H)

Đồng v ị này tạo thành t ò phản ứng neutron nhanh (E n > MeV) tia vũ trụ với hạt nhân khí quyển:

+ n (2.24)

m

10000

-1000

-100

ll

Í Ể

a

M ị

K 'tữ

li

SS

—I—

200 400

™**iiiIiJLi 1

600 800 1000

keV

H ình Phổ gam m a mẫu đất iấy đến độ sâu cm có chứa đỉnh 477,6 keV B e’ roi lắng từ không khí theo nước mưa (Nguồn: Phan Sơn Hải, V iện N CH N Đà Lạt)

Phản ứng xảy chủ yếu thượng tầng đối lưu hạ tầng bình lưu với tốc độ 0,20 hạt nhân cm^/s Sau sinh ra, tritium phân rà P“ trở thành 2He^ với chu kỳ bán rã 12,3 năm:

iH^^2He^ + e " + V (2.25)

Tia p có lưọTig thấp, Eị3 = 18,6 keV, miĩi

quyển, chuyển thành phân tử nước tritium (H 'H 'O ) theo mưa rơi xuống đất vào thủy thâm nhập vào nước ngầm Hoạt độ tritium nước đo đơn vị TU (Tritium Unit)

ITU = 0,118 Bq/L

Hàm lượns tritium trung bình đo ưong nhừns năm 2004 - 2011 3,1 TU ữong nước mưa Hà Nội 4,0 TU frong nước sông Hồng Hàm lượng tritium ttong nước tăns dần theo độ đạt cực đại vĩ độ trung bình châu Âu Bắc Mỹ

Các thử vũ khí hạt nhân ưonơ khí từ năm 1945 đến 1978

làm cho hàm lưọng tritium frons nước tăns vọt lên hàng nahìn lần trong

năm 1963 châu Âu, sau 2Ìảm dần ướ 2ần mức phônơ tự nhiên vào đầu ký XXL c tính lượna ttitium phát từ 422 \-ụ thư vũ khí hạt nhân khí quvển vào khoảng 2.10"° Bq, chủ yếu nơ bom khinh khí phản ứns tổne hợp hạt nhân deutrium tritium Cụ thể, mồi m esaton bom khinh khí phát 7,4.lo ' Bq tritium, ưong lượne ttitium phát từ megaton bom ngun tử nhiều, chi có 2,6 lo' ^ Bq

Các thừ \iĩ khí hạt nhân trước thập ky 60 cua kỹ XX tiêm vào khí quyên lượnơ tritium đáns kè Song, chu kỳ bán rà tương đối nsắn ( T i : = 12,3 năm) trình ưao đơi tritium 2iừa khí mơi trường khác, đến sau gần năm thập kỵ nsừnơ thư

\ i i khí hạt nhàn, lư ợns tritium ưong nước mưa \'à môi tnrờns

thủy trờ mức cân tia \'ũ trụ gày Hình 2.8 minh họa kết quan trắc tritium ưong nước mưa Hồns Kồng từ năm 1965 Có thè thấy hàm lượng tritium ưung bình ưons nước mưa đến đà giam 2ần 100 lần Các kêt quan ưắc tritium nước mưa \'iệ t Nam cho thày hàm lượng cua nước frơ ưạng thái trước có thư \1Ì khí hạt nhàn hồi thập ky 50 cua ky XX

114 AN TOÀN ĐIỆN HẠT HHầl

\ũ kD -P 0) 3Ế

ƠI (-M

S ỉ

so ơì ro ^

r> ^ òộ òộ 00' ■ * .»■ 1

— > Q J u — > U l i — > ( - ) l i —i V J l i

o o o r ọ ự i r ^ O Ị N ^ r ^ o õ í o S i i o o ò o

É t i - Ó É u - P Ì < u ^ o j5 ; í (u

H ìn h Hàm lượng trítìum nước m ưa H ồng K ông quan trắc trong mạng lưới quốc tế IAEA từ năm 1965.

Nguồn nhân tạo thứ hai T lò phản ứng lượng, đặc biệt lò CANDU dùng nước nặng làm chậm neutron Phản ứng (n, y) hạt nhân D (H^) nước nặng tạo T, lượng phóng xạ tritium lớn môi trường Tuy nhiên, lượng phát thải tritium vào khơng khí tị lị CANDU Canada 1/10 mức quy định ICRP

2.3.5 Carbon-14

Đồng vị sinh từ phản ứng neutron thứ cấp tia vũ trụ với

7N ‘^ + n + p (2.26)

quang hợp trao đổi với CO2 nước để cuối lắng đọng thành carbonate Đồng vị phân rã P" với chu kỳ bán rã dài, Ti/2 = 730 năm

+ e" + V (2.27)

Sau sinh ra, phân rã phóng xạ vận chuyển vào mơi trường khác q trình trao đổi khí với hệ sinh Kết trình sinh làm cho hoạt độ phóng xạ khơng khí mơ sống đạt đến trạng thái cân ổn định Nhiều kết nghiên cứu cho thấy hoạt độ phóng xạ éC’"* trung bình ưong mơ sống vào khoảng 15 phân rã phút gam c số không phụ thuộc vào vĩ độ

Các vụ thử vũ khí hạt nhân thập kỷ 50 - 60 kỷ XX tiêm vào khí lượng đáng kể (hình 2.9), trì hàm lượng carbon phóng xạ khơng khí cao năm cuối kỷ trước Tuy nhiên, sau chuyển hóa vào hệ sinh quyển, thành phần carbon phóng xạ thử vũ khí hạt nhân bé nhiều so với sản lượng tia vũ trụ sũứi Những kết nghiên cứu cho thấy tổng lượng tồn lưu cân (do tia vũ trụ sinh ra) sinh 11 000 PBq (1 PBq = 10*^ Bq) thử vũ khí hạt nhân khí đóng góp 350 PBq, tức khoảng 3%

Hàm lượng c'"* hình 2.9 tính phần trăm carbon cận đại (pMC), tức hàm lượng carbon phóng xạ ưong mẫu phân tích so với mẫu chuẩn làm axit oxalic tổng hợp từ mía đường trồng năm 1950, trước thử vũ khí khinh khí khí quyển, Viện Các chất chuẩn Công nghệ, Mỹ cung cấp số liệu hiệu chỉnh với hàm lượng đồng vị bền Phải hiệu chỉnh lại hoạt độ c'"* với hàm lượng CO2 khơng khí tăng lên phát thải cơng nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch hai kỷ gần gây hiệu ứng nhà kính (Nguồn: W ikipedia common, Radiocarbon)

116 AN TOÀN ĐIỆN HẠT N H ll

19 S I960 1966 1970 1975 1960 e s i 9 9 0 Thờt gian năm MU cóno l|ch)

H ình 2.9 Diễn biến hàm lượng ‘‘*c khơng khí đo nửa sau thế kỷ 20 W ellington (New Zealand), Nam bán cầu Vertm unsee (Áo), Bắc bán cầu.

2.4 PHƠI NHIỄM DO PHÓNG XẠ Tự NHIÊN

Con người bị phơi nhiễm tia phóng xạ từ nuclit phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc nhân tạo Nói chung dân chúng tồn cầu, phơi nhiễm phóng xạ tự nhiên đóng góp phần chủ yếu Phơi nhiễm phóng xạ tự nhiên lại gồm có hai thành phần, chiếu ngồi chiếu ữong

2.4.1 Phơi nhiễm chiếu từ phóng xạ tự nhiên trong đất đá

Tia phóng xạ tò nhân lớp đất bề mặt tạo nên phơng phóng xạ mặt đất đóng góp vào liều chiếu ngồi Trong ba loại tia phóng xạ alpha, beta, gamma, tia y đóng góp lớn vào phơng phóng xạ frên mặt đất có khả xuyên qua lóp đất bề mặt mạnh

hơn hai loại tia Tuy nhiên, đến tia Ỵ phát xuất từ nhân

nằm lóp đất sâu 30 cm khơng đóng góp vào trường phóng xạ mặt đất Tia p xuyên sâu nên nhân lớp đất mỏng bề mặt có tác dụng chiếu xạ nhiều Tia a từ nuclit đất đá khơng đóng góp vào phơng phóng xạ mặt đất, chúng gây tác dụng thâm nhập vào thể qua đường hô hấp tiêu hóa

Trên phạm vi tồn cầu, đóng góp phơng phóng xạ vào liều chiếu ngồi gồm có 35% tị K”*®, 25% tị nuclit phát tia y frong họ (chủ yếu là hai đồng vị và và 40% tò nuclit phát tia y

trong họ (chủ yếu Ac^^*) Tia y đồng vị vừa kể ữên thấy rõ mẫu đất phân tích phổ kế gamma dùng detector Ge siêu tinh khiết hình 2.10

Tại địa điểm cụ thể phơng phóng xạ phụ thuộc vào hàm lượng nhân phóng xạ có đất đá xung quanh, mà hàm lượng biến đổi mạnh tị vùng sang vùng khác Thí dụ Việt Nam, hai tỉnh Tuyên Quang Yên Bái có hàm lượng radium cao gấp ba lần mức trung bình, vùng đất xám miền Đơng Nam Bộ

11 8 AN TỒN ĐIỆN HẠT HHầl

Bình Phước, Tây Ninh lại nghèo phóng xạ, đặc biệt K”*® (và tổng kali) với hàm lượng vài chục lần thấp hom mức trung bình Cát đen dọc theo ven biển miền Trung chứa khống monazite, nên hoạt độ phóng xạ riêng thorium cát cao mức trung bình hàng chục lần

H ình Phổ gam ma mẫu đất bề mặt Quảng Nam ghi detector Ge siêu tinh khiết thể tích 120 cin^.

(Nguồn: Nguyễn Quang Long, Viện KHKT Hạt nhân H Nội)

Chương PHÒHG XẠ TRONG vữ TRỤ VÀ TBẨl ĐắT 1 9

B ản g Thành phần phơng phóng tự nhiên liều hiệu dụng trung bình năm lên thể sổng từ thành phần phóng xạ tự nhiên giói.

Thành phần phơng phóng xạ tự nhiên

Liều hiệu dụng trung bình hàng năm trên thế giới (mSv/năm)

Khoảng biến thién (mSv/năm)

Tia vũ trụ (chiếu ngoài) 0 4 0 , - 1,0

Tia phóng xạ từ đất (chiếu ngoài) 0 ,5 0 , - , 6

Radon (chiếu hô hấp) 1.2 0,2-10

Nhân phóng xạ tự nhiên thâm nhập vào thể (chiếu trong)

0 ,3 0,2- 0,8

Tổng cộng chiếu chiếu trong 2 ,4 1,0 -

2.4.2 Phơi nhiễm chiếu từ tia vũ trụ

Trên toàn cầu liều hiệu dụng trung bình tia vũ trụ vào khoảng 0,4 mSv/năm (bảng 2.3) Tuy nhiên liều hiệu dụng tăng lên theo độ cao, cụ thể độ cao 15 km lên đến 20 mSv/năm vùng xích đạo từ 50 đến 120 mSv/năm hai cực tày theo hoạt động Mặt Trời

2.4.3 Phơi nhiễm chiếu từ nguồn phóng xạ tự nhiên

Các nuclit phóng xạ tự nhiên thâm nhập vào thể theo thức ăn, nước uống đường hô hấp Riêng với đồng vị tồn ưong mô ứiành phần đồng vị kali với hàm lượng thể thay đổi tò đến 2,5 g/kg thể ưọng, tập trung chủ yếu mơ bắp Quy hoạt độ phóng xạ, người nặng 70 kg xem nguồn phóng xạ hoạt độ 000 Bq Kali—40 cịn thâm nhập vào thể qua thức ăn Hàm lượng thực phẩm nằm khoảng từ 20 đến 600 Bq.kg"'

Tính chung, liều hiệu dụng trung bình chiếu từ các nuclit có

Trong số nuclit phóng xạ tự nhiên, đóng góp nhiều vào liều chiếu Liều hiệu dụng chiếu trung bình hít thở - cháu 1,2 mSv/năm gấp bốn lần phần đóng góp tất nuclit phóng xạ khác cộng lại (0,3 mSv/năm) (bảng 2.3) phân rã a với chu kỳ bán phân rã 3,82 ngày, radon ichí trơ nên thân nuclit lại theo thở ngồi gây hậu cho thể Gây liều chiếu chủ yếu cháu nó, đồng vị phát tia Y với chu kỳ bán rã ngắn 30 phút

Khi radon khơng khí, nuclit liền gắn kết với sol khí có kích thước micron, từ xâm nhập sâu vào phổi theo đường hô hấp gây liều chiếu Hàm lượng cháu

khơng khí m ùa hè cao m ùa đông, ban đêm cao ban ngày

2.5 PHƠI NHIẼM PHÓNG XẠ VÀ TÁC HẠI ĐẾN sức KHỎE 2.5.1 Định nghĩa liều phơi nhiễm đơn vị đo

Mức độ tác hại phơi nhiễm phóng xạ trước hết phụ thuộc vào lượng tia phóng xạ truyền cho vật chất, gọi liều hấp thụ D, đinh nghĩa tỷ số lượng hấp thụ d£ khối lượng vật chất dm Trong hệ SI liều hấp thụ đo gray (Gy), Gy = J.kg”' Trong nhiều trường hợp, người ta dùng đơn vị rad, rad = 10“^ Gy Nhưng tác hại đến thể từ lượng hấp thụ khác tùy theo dạng tia xạ Nếu trường xạ có nhiều thành phần R khác nhau, tác hại phải đánh giá theo liều tương đương

H = Z rD |.Q « (2-28)

Ọ gọi hệ số phẩm chất thành phần xạ R Theo khuyến cáo ICRP, ọ = tia X, tia Ỵ electron, ọ = 10 đối

với neutron, proton hạt đơn điện tích có khối lượng tĩnh lớn amu, Ọ 20 đôi với hạt a hạt đa điện tích Liều tương đương H đo hệ SI liều hấp thụ D (J.kg”’) có tên gọi riêng sievert (Sv), Sv = J kg“’ Ngoài ra, người ta hay dùng đơn vị rem, rem = 10^^ Sv

Các mô/cơ quan nội tạng khác thể lại có độ nhạy cảm khác nhận liều tương đương Đe tính tác hại chiếu xạ tồn thân, người ta phải đưa thêm trọng số Wt cho mơ (T), cơng thức sau:

He= tWt-H , (2.29)

He gọi liều tương đương hiệu dụng Theo khuyến cáo ICRP, ừọng số W t cósố trị cao phận sinh dục (0,25) vú (0,15), sau đến tủy phổi (0,12), tuyến giáp mặt xương (0,03), mơ cịn lại có trọng số chung

0,3-2.5.2 Mối quan hệ liều phơi nhiễm với hiệu ứng sinh học

Công thức (2.29) chi dùng để đánh giá tác hại đến sức khỏe dựa mối quan hệ mang tính ngẫu nhiên (stochastic) liều phơi nhiễm hiệu ứng sinh học, soma ác tính di truyền Khi tập hợp người bị phơi nhiễm với liều hiệu dụng tương đương nhau, hiệu ứng sinh học phát ở vài cá nhân đó, cho nên mối quan hệ liều hiệu ứng sinh học mang tính xác suất, thưÒTig xác lập với độ tin cậy khơng cao Hiệu ứng lại bị trì hỗn thời gian dài bệnh lý di truyền ác tính tia phóng xạ thường xuất sau nhiều năm mang tính ngầu nhiên Liều phơi nhiễm mối quan hệ ngẫu nhiên thường thấp, vần ưong phạm vi quản lý an toàn xạ

Khác với mối quan hệ ngẫu nhiên, quan hệ tất định (deterministic, non-stochastic) liều phơi nhiễm hiệu ứng sinh học chì xuất liều tương đương hiệu dụng vượt ngưỡng định Quan hệ tất định có ngưỡng thường thấy tượng bỏng da không ác tính, đục thủy tinh thể, hư hịng tế bào sinh dục dần đến suy giảm khả sinh sản Trong mối quan hệ này, liều cao hiệu ứng nghiêm ưọng bị trì hỗn

Tính tất định nói lên hệ chắn xảy thể rõ vùng liều cao ngưỡng 50 rem với hiệu ứng sinh học cấp tính Liều 500 rem xem liều tử vong, 50% số người nhận liều chết vịng vài tuần lễ, liều 500 rem có tên gọi riêng, liều tử vong 50 (lethal dose 50, LD 50) Thời gian tò lúc bị phơi nhiễm đến lúc chết giảm xuống vài ngày với liều 000 rem vài với liều 15 000 rem Tai nạn điện hạt nhân Chemobyl xảy năm 1986 Liên Xô (cũ) trường hợp thực tế hi hữu qua kiểm chứng kết nghiên cứu nói Từ tai nạn người ta thấy nhiều công nhân nhận liều vượt 500 rem sống sót nhờ chăm sóc y tế chu đáo

Những thơng tin sau giúp ta hình dung liều 500 rem lớn đến mức Một nguồn hoạt độ 01 Ci phát tia gamma lượng 1,3 MeV tạo khoảng cách m liều phơi nhiễm 2,2 rem phút Các nguồn Co®® sử dụng rộng rãi cơng nghiệp bệnh viện thưịng có hoạt độ hàng nghìn Ci phải che chắn chu đáo

Nguồn có hoạt độ khoảng 100 Ci phát tia gamma lượng trung bình khoảng 460 keV, sử dụng rộng rãi để chụp ảnh kiểm tra không hủy thể công nghiệp Nếu chẳng may nguồn bị rơi ngồi lớp chì bảo vệ không che chắn, liều phơi nhiễm cách m 0,82 rem phút Mức liều cao cố xem tai nạn phóng xạ Mới đây, tháng 6/2014, CNN đưa tin cảnh sát phải ban bố tình trạng khẩn cấp thành phố Mexico phát nguồn loại bị cắp

Trong quan hệ tất định liều hiệu ứng sinh học xác lập với độ tin cậy cao, quan hệ ngẫu nhiên dải liều tương đơi thâp có độ tin cậy khơng cao lắm, chí cịn nhiều vấn đề tranh cãi, gây khó khăn cho việc định giới hạn liều cho dân chúng nhân viên phóng xạ quy phạm an tồn xạ Có tình trạng số người mẫu nghiên cứu thường không đủ lớn,

hiệu ứng phóng xạ khó phân biệt với nguyên nhân khác, hiệu ứng tia phóng xạ khơng xảy mà thường bị trì hỗn Trước năm 1960, quy phạm an toàn xạ dựa quan điểm cho hiệu ứng sinh học đáng quan tâm liều tưong đương hiệu dụng vượt ngưỡng đó, rem năm công chúng Nhưng quan niệm bị bác bỏ sau có nhiều chứng thực nghiệm dịch tễ học cho thấy hiệu ứng sinh học mang tính thống kê xảy mức liều thấp Từ đó, mối quan hệ liều - hiệu ứng khơng có ngưỡng qn triệt quy phạm an toàn xạ Các giới hạn liều dân chúng nhân viên xạ quy phạm an toàn phải hiểu quy định mang tính hành pháp, mà khơng có ý nghĩa giới hạn bảo đảm an tồn Nói cách khác, liều giới hạn cho phép quy phạm khơng thể xem an tồn

Hiện nay, công chúng, giới hạn cho phép liều hiệu dụng tương đương hàng năm quy định mSv hay 0,5 rem Ngồi cịn quy định liều hiệu dụng tưorng đương hàng năm không vượt 50 mSv, hay rem cho mô quan nội tạng riêng lẻ số nhóm công chúng đặc biệt Đối với nhân viên xạ, giới hạn nâng lên mười lần Những quy định chi tiết công chúng nhân viên xạ, giới hạn thứ cấp phái sinh khác tham khảo văn pháp quy tiêu chuẩn an toàn xạ IAEA Safety Standards, 1982

2.5.3 Liều tập thể

Quan điểm khơng có ngưỡng mối quan hệ liều - hiệu ứng chấp nhận rộng rãi, diễn tả xác mối quan hệ vấn đề franh cãi Từ số liệu thực nghiệm dịch tễ học phạm vi liều hấp thụ vài gray, người ta thấy dùng biểu thức tương đối tổng quát sau đây:

E = aD + bD^ (2.30) Trong E hiệu ứng, D liều hấp thụ, a b số Trong công thức trên, số hạng bậc hai lấn át vùng liều cao, số hạng bậc đóng góp vùng liều thấp Tuy nhiên, số a b xác lập quán Cho nên, đưa nguyên tắc bảo vệ xạ, người ta phải theo cách tiếp cận thận trọng, xem quy luật liều - hiệu ứng tuyến tính khơng có ngưỡng, hệ số tuyến tính xác hóa số liệu thực nghiệm ngày tin cậy Quan hệ liều - hiệu ứng an toàn xạ gọi mơ hinh tuyến tính khơng ngưỡng (linear non-threshold model, LNT)

Xuất phát tìr mơ hình LNT, người ta đưa khái niệm liều tập thể cho phép cộng liều phơi nhiễm cá nhân cộng đồng để đánh giá hiệu ứng sinh học tập thể Trong hệ SI, liều tập thể đo n g iS iv e r ts. Ngoài người ta cịn dùng đơn vị người.rem Sử dụng mơ hình LNT, ủ y ban nghiên cứu hiệu ứng sinh học xạ ion hóa thuộc Viện hàn lâm khoa học Mỹ đánh giá xác suất gây ung thư

không phông tự nhiên 5,7 X 10“"^ tử vong/người.rem Cụ thể hom,

nếu tai nạn điện hạt nhân làm cho 10 000 dân bên ngồi nhà máy nhận thêm bình qn rem người ngồi liều phơng tự nhiên, gần người số họ tử vong ung thư Nhắc lại, liều cá nhân phông tự nhiên bình quân giới 0,24 rem/năm (bảng 2.3) Tuy nhiên cách sử dụng mơ hình LNT khơng khỏi gây tranh cãi trích Chẳng hạn, ICRP cho rằng: "Liều tập thể công cụ để tối ưu hóa, để so sánh kỹ thuật quy trình bảo vệ xạ Liều tập thể không nên dùng công cụ nghiên cứu dịch tễ học xạ, khơng thích hợp cho đánh giá rủi ro tiếp xúc với xạ Đó giả định dùng để tính tốn liều tập thể (theo mơ hình LNT) có độ bất định thống kê cao Đặc biệt, tính tốn xác suất tử vong ung thư dựa liều tập thể khơng hợp lý đừng nên sử dụng"

2.6 THỰC THI BÀO VÊ BỨC XẠ THEO BA KHUYẾN CÁO CỦÃ ICRP

Những bất định xung quanh mối quan hệ liều - hiệu ứng sinh học cách đinh nghĩa giới hạn liều nêu gây khó khăn cho cơng tác quản lý an tồn xạ Trước tình hình đó, ICRP đưa khuyến cáo (ICRP, 1977) xem ba nguyên tắc ừong quản lý bảo vệ xạ

Thứ nguyên tắc minh chứng (justification) phát biểu không cho phép hoạt động khiến người bị phơi nhiễm tia phóng xạ hoạt động mang lại lợi ích rịng sau cân nhắc kỷ thiệt hại xạ gây

Theo nguyên tắc này, hoạt động sử dụng tia phóng xạ phải mang lại lợi ích ròng sau xem xét chu đáo mặt lợi hại Tốt phải giải toán chi phí - lợi ích trước đưa định cho phép thực yêu cầu gây phơi nhiễm tia xạ Nguyên tắc gây thách thức lớn cho ứng dụng kỳ thuật hạt nhân, kể điện hạt nhân, mà kỳ thuật phải cạnh ưanh với kỹ thuật khác không gây phơi nhiễm

Thứ hai nguyên tắc tối ưii (optimization) Phơi nhiễm phải 2Ìừ mức thấp cách hợp lý ưong điều kiện đạt (as low as reasonably achievable) có tính đến yếu tố kinh tế xà hội Đây nguyên tắc ALARA tiếng, viết tắt tà cụm ưr tiêng Anh ưên Nguyên tắc yêu cầu phải thiết kế biện pháp bảo vệ xạ nhằm giảm thiểu tác hại tò phơi nhiễm tia phóng xạ đến mức tối ưu cho không đáng để cố gắng giảm thiểu tiếp

Yêu cầu minh họa hình 2.21 Trong thực thi sử dụng tia phóng xạ, tìm cách giảm liều tập thể, với kỳ vọng giảm chi phí chừa trị y tế, chi phí bào vệ xạ lại tăng lên, tổng chi phí đạt đến cực trị liều tập thể phải chấp nhận xem tối

126 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAI

ưu Từ trở đi, tiếp tục giảm liều tập thể ý nghĩa khơng thể biện minh cho đầu tư tăng thêm cao để bảo vệ xạ

Nguyên tắc thứ ba gọi giới hạn liều cá nhân Theo nguyên tắc này, liều tương đương mà cá nhân phải chịu thực thi ứng dụng tia phóng xạ khơng vượt giới hạn cho phép Trong công tác bảo vệ xạ, cần phân biệt hai loại giới hạn sơ cấp thứ cấp, liều dân chúng nhân viên xạ Giới hạn sơ cấp bao gồm liều tương đưoTig liều tương đương hiệu dụng Liều giới hạn thứ cấp sử dụng liều giới hạn sơ cấp khơng thích hợp Thí dụ, để phân biệt chiếu xạ ngồi vào lớp mơ nơng sâu người ta phải dùng chi số liều tương đương thay cho liều tương đương Đối với chiếu ừong, giới hạn thứ cấp giới hạn thâm nhập hàng năm vào thể (annual limits on intake, ALI)

"Chi phi chữa trị Chi phi bảo vệ xạ—— Chi phí tổng

Hình 2.11 Minh h ọ a liều tậ p th ể tối ưu theo nguyên tắc ALARA

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Weiss, Achim "Elements of the past; Big Bang Nucleosynthesis and observation" Einstein Online

2 IAEA Basic Safety Standards for Radiation Protection, 1982

3 ICRP 26 Khuyến cáo ủ y hội quốc tế bảo vệ chiếu xạ, Pergamon Press, Oxford (1977)

Thử vũ kh í hạt nhân trong khí quyẽn

Sau phát xít Đ ứ c đầu hàng đồng minh ngày tháng năm 1945, m ặt trận Thái Bình Dương N hật Bản gần tuyệt vọng, chờ ngày hạ vũ khí Trong ngày diễn ra nhiều thương lượng để N hật đầu hàng vô điều kiện Trong thế vơ vọng khơng có để mặc cả, phía Nhật u cầu Nhật hồng vị Mỹ không chấp thuận, không vội thúc ép,

Sáng 17 tháng 6, nhà khoa học Mỹ cho nổ thành công quả bom nguyên tử làm plutonium lấy từ lị phản ứng (xem hình) Sức công phá vượt tường tượng của nhà khoa học chế tạo nó.

Ngày 06 09 tháng hai bom nguyên tử làm bằng plutonium uranium giàu với sức cơng phá gần 20 nghìn kiloton T N T hủy diệt hai thành phố Hiroshima Nagasaki, giết chết thê thảm 25 nghìn người dân vô tội sức nổ, bỏng nhiệt tia phóng xạ Ngày 15/8 N hật hồng Hirohito tun bố đầu hàng Mỹ phe đồng minh chấp thuận, đồng thời chấp thuận vị Nhật hồng sau chiến tranh.

Khơng có lý biện minh cho ba tháng kéo dài chiến tranh để cuối phải nhận lấy thảm cảnh Hiroshima và Nagasaki Ngược lại, khơng có lý biện minh cho hành động hủy diệt bom nguyên tử Mỹ Ngay đến những tướng lĩnh chủ chốt, có D MacArthur, tư lệnh lực lượng đồng minh Thái Bình Dương hồi tưởng thảm họa nguyên tử tránh Các nhà khoa học thai nghén bom ngun tử khơng muốn nhìn thấy thành lao động giết chết người dân vô tội Đối với Einstein, nỗi dằn vặt không nguôi những năm cuối đời Năm tháng trước qua đời (1955), Eisntein còn kịp trăn trối phạm sai lầm lớn đời viết thư đề nghị Tổng thống Mỹ Roosevelt làm bom nguyên tử.

1 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAl

3.1 CHẠY ĐUA vũ TRANG HẠT NHÂN SAU THẢM HỌA

HIROSHIMA VÀ NAGASAKI

3.1.1 Bom A bom H

tồn cầu điện hạt nhân khơng đáng kể so với vụ thử vũ khí hạt nhân khí Sau năm 1980 thử vũ khí hạt nhân tiến hành lịng đất sâu, khơng gây phát tán chất phóng xạ vào mơi trường khí nước

Vũ khí hạt nhân chia làm hai loại, bom nguyên tử theo chế phân hạch bom khinh khí dựa phản ứng ghép hạt nhân nhẹ ưong điều kiện nhiệt hạch Trường hợp thứ thường gọi bom A, có sức nổ khơng q trăm kiloton TNT, chất phóng xạ phát tị vụ nổ sản phẩm phân hạch (xem 1.5.2) Trường hợp thứ hai gọi bom H, có sức nổ mạnh nhiều, từ hàng ưăm kiloton (kt) đến hàng chục triệu megaton (Mt) TNT Trong sản phẩm phóng xạ bom khinh khí, ngồi mảnh vỡ phân hạch cịn có đồng vị phóng xạ kích hoạt neutron đồng vị phóng xạ nhẹ c^'*, Na^^ Phân biệt bom nguyên tử bom khinh khí có tính chất quy ước Thực bom khinh khí có chế phân hạch đóng góp phần quan ưọng cường độ bom lượng chất phóng xạ phát bom nổ (bảng 3.1)

3.1.2 Thử vũ khí hạt nhân khí năm cường quốc

v ề lượng, vụ nổ hạt nhân có từ 40 đến 50% lượng tỏa dạng sóng xung kích, cịn lại xạ nhiệt (30 - 50%), xạ ion hóa trực tiếp từ neuừon tia gamma (5%) xạ từ nhàn phóng xạ (5%) Tuy nhiên, tùy theo kết cấu bom cũnơ địa hình môi trường xảy vụ nổ mà thành phần ưên thay đối nhiều Cơ chế hủy hoại vật lý thành phần thứ (sóng cơ) thứ hai (bức xạ nhiệt) bom nguyên ưr giống loại \iì khí thơna thường, có điều lượng tỏa vụ nổ hạt nhàn lớn 2ấp bội Chẳng hạn, quy mô hủy hoại sóng xung kích bom ngun Từ 20 kt TNT cho nổ độ cao 500 m làm bình địa hồn tồn trone phạm vi đường kính 600 m phá hủy hầu hết cơng trình dân phạm vi 1,7 km Trong đó, xạ nhiệt có thê gây đại hoa

hoạn phạm vi km, xạ ion hóa trực tiếp từ neutron tia gamma gây liều tử vong phạm vị 1,4 km Chơ khác vũ khí hạt nhân với vũ khí thơng thường hiệu ứng nhiệt có tác dụng hủy diệt chỗ tức thời, cịn xạ ion hóa trực tiếp gây tà vong muộn Sản phẩm phóng xạ từ mảnh vỡ phân hạch kích hoạt neutron lan truyền xa cịn gây tác hại phạm vi rộng hofn, chậm

Mỹ, Liên Xô (cũ), Anh, Pháp Trung Quốc năm cường quốc có vù khí hạt nhân đem thử khí từ năm 1945 đến 1980 Sau hiệp định cấm thử vũ khí hạt nhân khí Mỹ Liên Xơ (cũ) có hiệu lực năm 1963, hai nước thử lịng đất sâu, chất phóng xạ hàu khơng ngồi mơi trường Nhưng Pháp Trung Quốc chưa tham gia hiệp định nên tiếp tục thử khí Pháp bắt đầu thử vũ khí hạt nhân tị năm 1960 tiếp tục thử khí 1974 Trung Quốc chậm Pháp vài năm, bắt đàu từ 1964 đến 1980 chấm dứt thử khí Các nước tham gia "câu lạc hạt nhân" sau bao gồm Án Độ, Pakistan Bắc Triều Tiên thử vũ khí lịng đất

Thơng tin chi tiết vụ nổ hạt nhân thường giữ kín, sau chiến tranh lạnh bạch hóa nhiều Theo UNSCEAR (2000) dựa thơng tin có từ nước thừ vũ khí hạt nhân, thảy có 543 vụ thử vũ khí hạt nhân khí với sức nổ tổng cộng tương đương 430 Mt TNT Hình 3.1 ghi lại tổng số lần thử vũ khí hạt nhân khí năm cường quốc trước năm 2000, kèm theo diễn biến số lần thử lòng đất Các thừ vũ khí lịng đất áp đảo số lượng có sức nổ thấp hoTĩ nhiều (hình 3.2) Hình 3.3 đánh dấu địa điểm thử vũ khí hạt nhân khí năm cường quốc sức nổ tổng cộng Tất có 12 địa điểm nổ hạt nhân trải hầu khắp năm châu, trừ Nam Mỹ

Chưmig THỬ vũ KHÍ HẠT MHẦN TBOMG KHÍ QUYỂN _ 133

trong khí quyền di lịng

.ĩ Ể C

■H j II I ri 11I I111 n11 n II ni 11I III1111111111 rn'i I iTn ITI n 11

l ũ ỉ l Ú A iù ĩ i * * ',¥fi I Ì M l ú ỉ l « u ! W H Ú

Hình 3.1 Diễn biến sổ lần thử yũ khí hạt nhân khí lòng đất tnrác nãm 2000 năm cuờng quốc 9^ ^ L iên Xô (cũ), Anh Pháp Trung Quốc (UNSCEAR, 2000).

Hình Cường độ vụ nỗ hạt nhân khí lòng đất trước năm 2000 năm cường quốc M ỹ, Liên Xô (cũ), Anh Pháp Trung Quốc (ƯNSCE.\R 2000).

điểm, ngày thử, loại vũ khí, sức nổ (UNSCEAR, 2000) Những thơng tin loại tổng hợp bảng 3.1 cho nước Trong bảng này, việc phân định phần đóng góp từ phản ứng phân hạch nhiệt hạch có tính chất ước lượng gần Cụ thể phần đóng góp phản ứng phân hạch 67% vũ khí có sức nổ khoảng 0,1 - 0,5 Mt TNT giảm xuống 50% vũ khí có sức nổ tìr 0,5 đến Mt TNT Với 17 vụ thử có sức nổ lớn, khoảng đến 25 Mt TNT, phần đóng góp tị phản ứng phân hạch cịn nữa, 33% Riêng với bom "vua" 50 Mt TNT Liên Xơ (cũ) thử năm 1961, phần đóng góp từ phản ứng phân hạch ước lượng chi khoảng 3%, 97% lại phản ứng nhiệt hạch

Những vụ thử với cường độ lớn Mt TNT (25 vụ) chiếm 4,6% số vụ đóng góp 55% vào lượng sản phẩm phân hạch tung mơi tnrỊTig Xét số lượng vụ thử phân bố theo thời gian (hình 3.2) cho thấy năm 1962 hai nước Mỹ Liên Xô (cũ) tiến hành 165 vụ, nhiều tất năm Từ 1963 trở đi, thi hành hiệp định cấm thử vũ khí hạt nhân khí quyển, hai nước khơng tiến hành vụ thừ Các vụ thử sau Pháp Mỹ có sức nổ khơng lớn Vì năm 1963 xem cọc mốc chấm dứt việc bơm chất phóng xạ vào khí Cọc mốc sử dụng để tính tuổi trầm tích tốc độ xói mịn đất nghiên cứu dựa thị phóng xạ Cs'^^

134 AN TOẦM ĐiỆH HẠT NHâ«

Mối quan hệ lượng nổ hạt nhãn, lượng lò phản ứng hoạt độ phóng xạ mảnh vỡ phân hạch

1 g TNT (trinitrotoluene) tương đương kcal = 4.184 j = 1,15 kW.h.

1 M tT N T tương ứng với 1,45x10^® phân hạch.

Chương THỬ vũ KHÍ HẠT NHẤN TRONG KHÍ QUYỂN _

Nhưng chỗ khác lị phản ứng, lượng nói phát ra liên tục năm điều khiển được, bom nguyên tử lượng phát tức thì, cơng suất lớn, gây cơng phá lớn.

v ề nuclit phóng xạ, chúng có tỷ suất phân hạch bom nguyên tử lị phản ứng Tuy nhiên, nuclit phóng xạ có thời gian sống ngắn bị phân rã q trình vận hành lị nên tương đương giữa lị phản ứng bom ngun tử phóng xạ tính theo lượng phân hạch phát đồng vị sống lâu, hàng chục năm trở lên Sr®°,

3.1.3 Các địa điểm thử vũ khí hạt nhân khí quyển

Mỹ nước có vũ khí ngun tử Quả bomA cho nổ tháp dựng sa mạc bang Nevada ngày 16/7/1945, sau chiến tranh giới lần thứ II kết thúc châu Âu Bom nổ theo chế phân hạch với công suất nổ 21 kt TNT Vụ nổ khinh khí với cấu nổ đặt ữên tháp Mỹ tiến hành đảo Enewetak, Thái Bình Dương ngày 08/5/1951 có sức nổ 225 kt TNT, phản ứng phân hạch chiếm 150 kt, phần lại 75 kt phản ứng tổng hợp nhiệt hạch Bom khinh khí mạnh với sức nổ 13,5 Mt TNT Mỹ cho thử đảo Bikini Thái Bình Dương ngày 04/5/1954 Vụ nổ khinh khí gây thương tích phóng xạ cho người Nhật đánh cá cách đảo 135 km, có người tử vong

136 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAl

Nước Anh thử vũ khí hạt nhân khí quyên từ 1952 đên 1958, ban đâu đât liên vùng sa mạc Australia, sau chuyên sang sỏ đảo Thái Bình Dương Pháp bắt đầu rtr 1960 với bốn vụ nổ sa mạc Sahara thuộc Algerie chấm dứt thừ năm 1974 sau số vụ thử đảo Mururoa, Nam Thái Bình Dương

Trung Quốc vào muộn tiến hành 22 VỌỈ thừ hạt nhân

trong khí Lop Nor từ 1964 đến 1980 Trung Quốc thử bom khinh khí vào năm 1966 liên tục năm sau, đạt cưòfng độ lớn Mt TNT vụ thử ngày 17/11/1976

Mỹ

H UẻnXÕ

I I Ft4>

n n Trung Quóc

■22,21

LopNor

86 1

Nevada

65,109 Mensháil Islands

■E12.21 JownsKin

AtoS Regarre> 14 0,1

^M.23

ChretTtas M r a 8.7/3.1

CMsimaB Usno/ MalaenMend 3.0.1

Mome 7Q, Marai>nga

I!41,10

Munma

H ình 3.3 Những địa điểm thử vũ khí năm cưÒTig quốc hạt nhân. Tại địa điểm có ghi số lần thử vũ khí sức nổ (sau dấu phảy) tính theo M t TNT

(Dựa theo American A cientists, 2006, V 94, p.48)

Pháp Nhưng xét sức nổ tìiì Liên Xô (cũ) dẫn đầu với 247,3 Mt TNT, sau Mỹ 153,8 Mt (bảng 3.1)

3.1.4 Thử vũ khí hạt nhân diPỚi lịng đất

Cả thảy có khoảng 1876 vụ thử lịng đất với cưịug độ tổng cộng 90 Mt TNT, ừong số có 750 lần thử thuộc Liên Xơ (cũ) với cường độ tổng cộng 38 Mt TNT Mỹ tiến hành 908 lần thử với cường độ tổng cộng 46 Mt TNT Đứng thứ ba ữong danh sách Pháp với 160 lần thử cường độ tổng cộng Mt TNT Các số thống kê ừong trường hợp khơng xác ưong mồi vụ thử có nhiều đầu nổ lúc Các vụ thử lịng đất sâu khơng ảnh hưởng đến mơi trường Chỉ có lượng khí ừơ phóng xạ Xe, Kr dị lên mặt đất, chúng quan trắc được, khơng gây tác hại

Chưimg THỬ vũ KHÍ HẠT NHẤN TRONG KHÍ QUYỂN _

140

120 100

80

60

40

20

iỉỉ

■ ■ I I i i i i ẵ i i » ■

ờ'ịtờ*ờiỡiỡ'õ'ỡ*õ»õ»ở!ỏiõi5»ỡ!ơiơ' ơ'oio<o*ơ‘O*ơ»ơH<?'ij'ií'O‘ O'O'O*ơ‘®ơ*ơkơ<ơ'ơ'ơ'ơ'ơ*0'ơ'ỡ>ỡ»ẽio*ỡiõ<ỡiõ» o o

Mý Pháp

I Liên Xô (cũ)

B Trung Quôc

□ Anh Ị g Ân Đô

Pakistan

■ Bấc Tnều Tiên

3.2 PHÁT TÁN PHĨNG XẠ TRÊN TỒN CÀU TỪ THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂN

3.2.1 Đặc trưng nguồn phát tán

Trong thập kỷ 50 - 60 kỷ XX thông tin vụ nổ hạt nhân không tiết lộ đầy đủ, phương tiện quan trắc mơ hình hóa phát tán chất phóng xạ cịn thơ sơ, nên đánh giá tình trạng phóng xạ mơi trưỊTig tồn cầu thử vũ khí hạt nhân cịn sơ sài Đe tính tốn phát tán nhân phóng xạ từ thử vũ khí hạt nhân cần nhiều thơng tin đặc thù cho vụ thử, đặc biệt cường độ nổ, đóng góp thành phần phân hạch nhiệt hạch, ước lượng mức độ phát tán tầng đối lưu, bình lưu cao Những thơng tin nước thử vũ khí cung cấp sau chiến tranh lạnh vào đầu thập kỷ 1990 UNSCEAR (2000) tập hợp thơng tin tìr 500 vụ thử vũ khí hạt nhân Trên sở thơng tin kiểm tra mơ hình phát tán nhờ so sánh với kết quan trắc, tị ước lượng liều hiệu dụng lên dân chúng toàn cầu

Trong hoTi 500 vụ thử vũ khí hạt nhân, bom khinh khí với cường độ lấn át so với bom nguyên tử, đó, vụ nổ khinh khí ảnh hưởng định đến lượng chất phóng xạ phát tán tồn cầu Thí dụ, Lop Nor, Trung Quốc thử 10 bom khinh khí với cường độ 20,3 Mt TNT, 12 bom nguyên tử lại đóng góp 0,4 Mt TNT Trong số hom 13 địa điểm thử vũ khí (hình3.3) địa điểm dẫn đầu cường độ nổ Novaya Zemlya (74°N, 56°E): 239 Mt, Bikini (11°35’N, 165°23’E): 76,8 Mt, Enewetak (11°30’N, 162°20’E): 34,7 Mt, Johnson Island (16°73’N, 169°52’W): 23,8 Mt, Chrismas Island (10°30’S, 105°40’E): 23,3 Mt, Lop Nor (41°30’N, 88°30’E): 20,7 Mt TNT Sáu địa điểm chiếm 95% cường độ vụ nổ hạt nhân đương nhiên có ảnh hưởng định đến trình lan truyền phóng xạ tồn cầu

3.2.2 Kiểm kê phát thải toàn cầu cho nuclit

Dựa thống kê vụ thử vũ khí hạt nhân bảng 3.1 tính lượng phát thải cho nuclit phóng xạ Kết trình bày

Chưang THỬ vú KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHỈ QUYỂN _

bảng 3.2 (UNSCEAR, 2000) Khi tính lượng thải chuẩn hóa ưên PBq ứng với sản phẩm phân hạch (cột thứ tư) cần ý cường độ nổ Mt TNT tương ứng với 1,45.10"^ phân hạch Lượng phát thải toàn cầu (cột thứ năm) tính dựa số liệu dịng cuối bảng 3.1, theo tồn vụ nổ có 160 Mt TNT phân hạch 251 Mt TNT nhiệt hạch (không kể phát tán chồ, tương đương 29 Mt TNT) Lượng phát thải ba đồng vị Pu tính dựa tỷ số phát thải tồn cầu chúng so với Sr^° Bốn nhân nhẹ c'"^, Mn^"^ Fe'^ phản ứng nhiệt hạch sinh (UNSCEAR, 2000)

B ản g 3.1 Tổng hợp thử vũ khí hạt nhân khí tồn giói.

Địa điểm Số vụ

nổ

Cường độ, Mt TNT Khu vực tác động Mt TNT

Tổng Phân

hạch

Nhiệt

hạch Tại chỗ Đối lưu Bình lưu

Lop Nor 22 20,7 12,2 8,5 0,15 0,66 11,4

Úc (Anh) 21 8,05 4,22 3,83 0,07 1,76 2,39

Nevada 86 0,021 0,021 0 0,011 0,010 0

Thái Bình

Dương (TBD)

(Mỹ)

105 152,6 80,4 72,2 27,9 7,45 44,9

TBD (Pháp) 41 10,12 6,1 4,02 0,19 0,54 5,37

TBD (Anh) 6 6,65 3,35 3,3 0 1,09 2.6

Semilatinsk 116 6,59 3,74 2,85 0,097 1,23 2,41

Nova Zemlia 91 2 ,6 80,8 1 59,8 0,036 2,93 77,8

Sahara 4 0,073 0,1 0 0,036 0,035 0,001

Tổng 543* 189 251 29 16 145

140 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAM

3.2.3 Q trình lan truyền phóng xạ tồn cầu từ thử vũ khí hạt nhân

Sau bom nổ, phần sản phẩm phóng xạ rơi lăng chồ vùng phụ cận, phần khác lan truyền rộng phạm vi hàng nghìn km theo luồng khí rơi xuống tiếp tục di chuyển xa phạm vi toàn cầu Phân bố phụ thuộc vào điều kiện khí tượng, độ cao vụ nổ, địa hình dạng tồn sản phẩm phóng xạ vụ nổ tạo Với nuclit chịu lửa Zr^^, ước tính có đến 50% rơi xuống chỗ vùng phụ cận, 25% rơi lắng xuống vùng rộng xung quanh 25% cịn lại tham gia vào q trình vận chuyển tồn cầu Với nuclit dễ bốc Sr^°, Cs'^^ phần rơi lắng chỗ vùng phụ cận chiếm nửa, nửa lại tham gia vào vận chuyển toàn cầu

B ản g 3.2 Tổng hợp lưựng phát thải tồn cầu thử vũ khí hạt nhân khí quyển

Nhân Tv2 Tý suất phân

hạch, %

Lượng thải chuẩn hóa, PBq/Mt

Phát thải toàn cầu, PBq

12,33 a 740 186 000

c"'' 5 730 a 0,85 213

312,3 d 15,9 3 980

2,73 a 6,1 1 530

Sr®® 50,53 d 3,17 730 117 000

Sr®° 28,78 a 3,50 3,88 622

y91 58,5 d 3,76

748 120 000

64,02 d 5,07 921 148 000

39,26 d 5,20 1 540 247 000

373,6 d 2,44 76 12 200

Chưrog THỨ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂN _ m

Nhân Tm Tỷ suất phân

hạch, %

Lượng thải chuẩn hóa, PBq/Mt

Phàt thải tồn cầu, PBq

.131

8,02 d 2,90 4 0 685 000

Ba140 12,75 d 5,18 4 720 759 000

Ce^ 32,5 d 4,58 1 640 263 000

Ce144 284,9 d 5,69 191 30 700

Cs137 30,07 a 5,57 5,9 948

Pu,239 24 1 a 6,52

Pu,240 6 563 a 4,35

Pu241 12,35 a 142

Trong tính tốn lan truyền tồn cầu, khí chia thành số khu hình 3.5 (UNSCEAR, 1982, 2000 tài liệu trích dẫn) Theo vĩ độ, khí chia thành vùng xích đạo (0 - 30°) vùng địa cực (30 - 90°) Cách phân chia chủ yếu dựa địa điểm thử vũ khí tập trung chủ yếu vùng xích đạo Thái Bình Dương Mỹ vùng Bắc cực (Novaya Zemlya) thuộc lãnh thổ Liên Xơ (cũ) (hình 3.3) Các nuclit phóng xạ lan truyền chủ yếu tầng đối lưu bình lưu

Tầng bình lưu có hai phân tầng, trên, hình 3.5 Trên thực tế vụ thử đưa chất phóng xạ lên tầng bình lưu độ cao 50 km Tầng bình lưu bể chứa phần lớn nuclit phóng xạ tị vụ thừ vũ khí hạt nhân, tị chúng lan tỏa khắp tồn cầu Độ cao tầng đối liru thay đổi theo vĩ độ, song để đơn giản, lấy trung bình km cho vùng cực 17 km cho vùng xích đạo Vận chuyển khơng khí tầng đối lưu bị chi phối hồn lưu khí quyền tượng gió mùa đại lục đại dương, tế bào Hadley theo khơng khí vùng nhiệt đới bốc lên xích đạo, vận chuyển cao tầng đối lưu hai cực, giáng xuống vĩ tuyến 30°N 30°s

H ình 3.5 Phân chia khí khu vực để nghiên cứu lan truyền nhân phóng xạ thử vũ khí hạt nhân N hững hồn lưu chính khí thể hình.

Ngồi vận chuyển kể trên, sol khí hai tầng rơi xuống đất trọng lực Với sol khí tầng bình lưu, q trình tiếp sức xáo trộn lớp đệm hai tầng đối lưu bình lưu bị thủng, thường mùa xuân Kết sol khí tầng bình lưu có thời gian sống dài, trung bình tà đến 12 tháng hai cực từ đến 24 tháng vùng xích đạo Trong đó, thời gian sống sol khí phóng xạ tầng đối lưu ngắn nhiều, không 30 ngày (UNSCEAR 1982, Annex E)

và tổng rơi lắne sản phẩm phàn hạch 604 PBq (UNSCEAR 2000) Tỳ suất 3,9 PBq.M f^ (bảng 3.2)

3.3 QUAN TRẮC HOẠT ĐỌ PHĨNG XẠ TRONG KHƠNG KHÍ VÀ MẬT ĐỌ RƠI LÁNG CÁC NUCLIT PHÓNG XẠ

3.3.1 Kỹ thuật quan trắc

Trong thời gian thừ \iì khí hạt nhân, nơhiên cứu phát tán sản phàm phân hạch từ nhừnơ \1Ị nổ hạt nhân thườnơ dựa ưên quan trẳc đồns yị phát tia p Sr^° trons khơns khí rơi lấng Đê xác định hoạt độ phóna xạ trone khơns khí (tính theo Bq m ') nsười ta thườns dùnơ máy hút khí qua phin lọc Các sol khí mane chất phónơ xạ từ nhừns \1J nơ hạt nhàn khí qun thườnơ có kích thước cỡ micron bé chúng bị phin lọc giữ lại hàu hồn tồn nêu \Ận tơc lns khí qua phin lọc trì giới hạn thích hợp Các sol phóns xạ rơi xns đàt chủ vêu theo nước mưa (tuyêt) nên mật độ rod lăng (tính theo Bq m") thườns quan ưắc khay hửng có diện tích định

Lượng trons phin lọc mầu rơi lắng đo bằns detector p phôns thấp, hiệu suất cao sau nguyên tố Sr mầu tách hóa phóng xạ khoi đồns vị phát p khác Kỹ thuật ơhi đo tia p phai qua phá mẫu cơna dề phạm sai sót Phần lớn nuclit phóna xạ ưr thư \-ũ khí hạt nhân phát tia y vào nhừnơ năm 1950 - 1960 detector nhấp nháy ghi tia y có độ phàn giai nên khôns thê sư dụns mầu chứa nhiều đồng vị phát tia y Từ cuối thập kỳ 1960 detector bán dẫn có độ phàn 2Ìai cao xuất cho phép phàn 2Ìài định lượns hầu hết nhân phát tia V đặc

biệt C s'' nhờ đà tinh sian bớt khâu tách hóa phóns xạ phức tạp mà độ tin cậy lại cao nhiều Do tình hình nên kêĩ qua phàn bố phát tán nhàn phóng xạ ÙI thư \0i hạt nhàn trèn tồn cầu ban đầu dựa trèn đồns vị sau bô suns thèm thỏna tin từ đồnơ vi C s'‘

3.3.2 Hoạt độ phóng xạ khơng khí

Một mạng lưới quan trắc tồn cầu tiến hành đo hoạt độ nuclit phóng xạ khơng khí, rơi lắng, thực vật, sữa từ tính liều chiếu xạ hiệu dụng ngồi Hình 3.6 ghi lại kết qua quan trắc so sánh với tính tốn hoạt độ Sr^° khơng khí tính Bq Hoạt độ khơng khí Bắc bán cầu cao Nam bán cầu khoảng - lần phần lớn địa điểm thử vũ khí tập trung Bắc bán cầu (hình 3.3) hai bán cầu hoạt độ phóng xạ đạt đến cực đại vào khoảng năm 1963, sau liên tục giảm nhanh, đến sau 1983 - 1985 giảm xuống mức ngưỡng phổ biến máy đo hai bán cầu, hoạt độ phóng xạ cao mùa đơng sol khí bị phát tán rửa trơi

Những đặc điểm nói thể rõ kết quan trắc theo tháng tiến hành mạng lưới quan trắc toàn cầu tính tốn hình 3.6 Ket trung bình hóa từ mạng lưới quan trắc ỡ hai bán cầu phù họp tốt với kết tính tốn dựa mơ hình phát tán tồn cầu trình bày sơ lược

3.3.3 Mật độ rơi lắng rơi lắng tích lũy Sr®°

Từ khí nuclit phóng xạ rơi lắng xuống đất đại dương, về chúng lưu lại tích lũy lâu dài mơi trường trước biến phân rã Cũng từ đất mà chất phóng xạ chiếu trực tiếp lên người (chiếu ngoài) thâm nhập vào người qua chuồi thực phẩm (chiếu trong) Vì quan trắc rơi lắng có ý nghĩa quan trọng để tìm mối liên hệ nguồn phát (các \-ụ thư vũ khí hạt nhân) liều hiệu dụng lên người

Mật độ rơi lắng nuclit phóng xạ đo khay hứng nước mưa bời hai mạng lưới quan trắc tồn cầu thuộc Phịna thí nghiệm Health and Safety, Mỹ (HASL 329) Phịng thí nghiệm Harwell, Anh Mật độ rơi lắng đo trạm quan trắc truns binh hóa

Chương THỬ vú KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂM «

cho dải vĩ độ, sau đem nhân cho diện tích dải vĩ độ để có tổng lượng rơi lắng hai bán cầu Tổng lượng rơi lắng cho ưmg năm, trình bày hình 3.7, cho thấy thực tế mật độ rơi lắng giảm xuống ngưỡng đo vào năm 1984 - 1985

lO"^10*’

-m

m 10'^-di c 5-b .4

10 -E -<c I

10^-Kct đo Kei tinh toàn

I I I I I I I I I I I I I I I r ~ i I r ' " T ' “ T " T ' 1 I i I I

— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— I— r— I— I— I I I — I— I— I

H inh 3.7 Lượng roi lắng Sr’“ Bắc bán cầu (hình trên) Nam bán cầu (hình dưói) theo mạng lưới quan trắc tồn cầu (điểm ) theo tính tốn (đường liền nét).

tại chỗ, trường họp đất bề mặt nguyên sơ, mật độ rơi lắng tích lũy mật độ tồn lưu nuclit đất vấn đề xét đến Cs'^^ở 3.3.4 3.4.1

Hình 3.7 ghi lại tổng mật độ rơi lắng tính cho năm mật độ rơi lắng tích lũy Sr^° Kết tính tốn cho năm phù hợp tốt với quan trắc, trừ giai đoạn cuối, sau năm 1980, sai số quan trắc tăng lên mật độ rơi lắng giảm xuống gần ngưỡng đo Tuy nhiên mật độ rơi lắng tích lũy kết quan trắc tính tốn phù hợp với

Phân bố mật độ rơi lắng tích lũy theo vĩ độ trình bày bảng 3.3 hình 3.8 Rơi lắng vĩ độ bắc (N) cao vĩ độ nam (S) khoảng lần địa điểm thử vũ khí tập trung nhiều Bẳc bán cầu Từ kết đo mật độ rơi lắng tích lũy bảng 3.3 tính tổng lượng rơi lắng tồn cầu cho Bắc Nam bán cầu 604 PBq, 460 PBq 144 PBq Những giá trị thu phù họp với ước lượng dựa thông tin vụ nồ (xem 3.3.3)

Chưimg THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRŨNG KHÍ QUYỂN _

148 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHÂN

B ản g 3.3 Phân bố mật độ roi lắng tích lũy Sr*® theo vĩ độ hai bán cầu

Vĩ độ M ật độ rơi lắng, Bq/m^

80 - 90°N 256

7 - 0 681

6 - 0 1 741

5 - 0 2 887

4 - 0 3 246

3 - 0 2 343

2 - 0 1 771

1 - 0 1 189

0 - 0 810

0 - ° S 476

1 - 0 416

2 - 0 699

3 - 0 758

4 - 0 892

5 - 0 473

6 - 0 354

7 - 0 216

Mật độ rơi lắng cao vĩ độ trung bình 40 - 50° thấp vùng xích đạo hai địa cực Mức chênh lệch cực đại mật độ rơi lắng vĩ độ trung bình Bắc bán cầu so với vùng xích đạo hai địa cực lên đến hàng chục lần Sở dĩ có tượng trình trao đổi hai tầng bình lưu đối lưu xảy mạnh vĩ độ trung bình, mặt khác hồn lưu khí làm cho rơi lắng có khuynh hướng tăng vĩ độ trung bình giảm xích đạo hai địa cực

Tuy nhiên, vĩ độ, mật độ rơi lắng thăng giáng mạnh tùy theo vị trí quan trắc Bản đồ phân bố mật độ rơi lắng tích lũy tồn cầu kết từ mạng lưới quan trắc (UNSCEAR, 1988) cho thấy mức độ thăng giáng lớn có ảnh hưởng địa điểm thử vũ khí kết hợp với tồn trung tâm tác động thường trực chi phối hồn lưu khí

Chưong THỬ vủ KHl HẠT NHẨN TRONG KHÍ QUYỂN _ «

137 3.3.4 Mật độ rơi lắng rơi lắng tích lũy Cs

150 AN TỒN ĐIỆN HẠT NHAN

hom phía tây đến hai lần, tức có phụ thuộc kinh độ rõ rệt Sự chênh lệch giải thích lượng mưa phía đơng cao so với phía tây

3500

E 0-Ũ

dì

ệ ■«

í-V I

I 1500

J I J I I I I I I I I I I I » » I I

Bắc bán cầu Nam bán cầu

H ình 3.9 Phân bố mật độ roi lắng tích lũy Sr’® theo vĩ độ.

Chưomg THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ Q U Y Ể N _ m

B àn g 3.4 Phân bố mật độ roi lắng '^’Cs theo \1 độ (Aoỵam a et al., 2006).

Vĩ độ

Trung bình, Bq.

Tich phân trên toàn cầu,

PBq

Khoảng biến thiên

UNSCEAR 2000

Bắc bán cầu

85° 900 3.5 820 - 990 280

75° 1 970 22,8 880 - 280 800

65° 3 420 64,5 1 1 - 060 2 050

55° 5 040 128,9 2 7 - 910 3 430

45° 5 090 159,8 1 - 10 230 3 830

35° 4 100 149,0 7 0 - 630 2 780

25° 2 620 105,0 1 - 430 2 110

15 1 820 77,6 380 - 280 1 420

5° 1 300 57,3 4 - 860 970

Nam bán cầu

5° 800 35,1 1 0 - 210 510

15° 530 22,8 1 - 060 440

25° 470 18.7 1 - 0 750

35° 580 21,1 1 - 430 810

3.3.5 Mật độ rơi lắng nuclit khác

Nhiều nuclit khác không quan trắc xác có hệ thống năm thừ vũ khí mật độ rơi lắng chúng suy từ mơ hình phát tán toàn cầu từ kết đo sau hiệu tỷ suất phân hạch chu kỳ bán rã (hình 3.8) Ngồi ra, số kết quan trắc đáng tin cậy năm đầu đồng vị phát y (suất phân hạch cao Ti/2 = 64 ngày) dùng làm để kiểm nghiệm kết tính tốn cho đồng vị khác Diễn biến rơi lắng mười nuclit phát y có ảnh hưởng lớn đến liều hiệu dụng lên dân chúng thể hình 3.10 Trong thập kỷ 1960 ảnh hưởng ba đồng vị Ru'°^ chiếm ưu Đen năm 1963, trước hiệp định cấm thử vũ khí khí có hiệu lực Mỳ Liên Xô (cũ), mật độ rơi lắng tất nuclit đạt đến cực đại Trong năm sau, mật độ rơi lắng giảm nhanh, trừ giảm chậm có chu kỳ bán phân rã lớn (khoảng 30 năm)

3.3.6 Đánh giá liều hiệu dụng lên dân chúng

Mật độ rơi lắng nuclit hình 3.10 sử dụng làm sở để đánh giá liều hiệu dụng lên dân chúng Liều hiệu dụng đánh giá cho ba đường: chiếu ngoài, thâm nhập vào thể qua ăn uống hít thở Đối với đường lại có hệ số chuyển hóa phóng xạ từ đất, nước khơng khí xác định thực nghiệm riêng Thí dụ, khả hấp thụ nuclit phóng xạ khác hệ tiêu hóa, thấy bảng 3.5

Đối với chiếu ngoài, đồng vị phát y có chu kỳ bán rã tương đối ngắn đóng góp phần chủ yếu năm đầu, sau phần đóng góp Cs'^^ kéo dài tận ngày Liều hiệu dụng ăn uống thời gian dài chủ yếu Sr^°, nhiên đóng góp phần quan trọng năm đầu thừ vũ khí ạt Các đồng vị Ru'°^, Cs'^^ đóng góp vào liều hít thở, hẳn sau năm 1980 nồng độ chủng khơng khí giảm đáng kể Hình 3.11 giới thiệu tranh tồn cảnh liêu hiệu dụng qua ba đường thâm nhập vào thề sống (UNSCEAR, 2000)

Chưong THỬ vú KHÍ HẠT NHÂN TRDNG KHÍ QUYỂN _ I M

E

ị ã

C

■ã

1 s.

s

1945 1950 19SS 1960 1965 1970 197S 1980 1965 990 1995 2000

H ình M ật độ rơi lắng nuclit thử vũ hạt nhân ÍNguỒn: UNSCEAR, 2000).

B ản g 3.5 Hiệu suất hấp thụ nuclit qua bệ tiêu hóa.

Nuclit Bức xạ Chu kỳ bán hủy Hấp thụ qua hệ tiêu hóa

Sr“ /Y®° p 28 năm 30%

P.Y 30 nám 100%

p^147

p 2,6 năm 0.01%

P,Y 285 ngày 0,01%

Ru'°®/Rh'°® Í3,Y 1,0 năm 0,03%

P,Y 65 ngày 0,01%

Sr®® p 51 ngày 30%

P.Y 39,7 ngày 0.03%

P,Y 35 ngày 0,01%

C e'''’ P,Y 33 ngày 0.01%

P,Y 12,8 ngày 5%

,131

ÍB.Y 8,05 ngày 100%

154 AN TỒN ĐIỆN HẠT NHAI

Hình 3.Ỉ Đ óng góp ba thành phần chiếu ngồi, ãn uống và hít thở vào liều hiệu dụng dân chúng tồn cầu từ thử vũ khí hạt nhân.

Liều hiệu dụng trung bình gây nuclit phóng xạ nhân tạo lên dân chúng tồn cầu đạt đến cực đại khoảng 0,1 mSv/năm vào năm 1963 - 1964 giảm xuống mười lần vào năm đầu kỷ XXI Con số bé 10 |iSv/năm, thấp hàng trăm lần so với liều hiệu dụng phóng xạ tự nhiên

3.4 LƯỢNG NUCLIT PHĨNG XẠ DO THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN RƠI LẮNG TRÊN ĐẤT LIÈN VIÊT NAM

3.4.1 Phục hồi mật độ rơi lắng tích lũy do thử vũ khí hạt nhân đất liền Việt Nam

đó đo hàm lượng hầu hết nuclit phóng xạ nhân tạo đối tượng môi trường khác

Nhưng tị kết đo đạc truy hồi lại tổng lượng rơi lắng phóng xạ thử vũ khí hạt nhân vào đầu thập kỷ 60 kỷ XX thập kỷ 70 kỷ XX, lúc xem rơi lắng phóng xạ chấm dứt? Đại lượng mật độ rơi lắng tích lũy đo đon vị B q W

Đất bề mặt nơi tàng trữ nuclit phóng xạ nhân tạo lớn số đối tượng môi trường lục địa Cũng từ lớp đất bề mặt nuclit phóng xạ vận chuyển đến đối tượng môi trường khác thủy vực, bùn đáy hồ chứa, hệ sinh thái động thực vật Lượng phóng xạ cịn giữ lại lớp đất bề mặt vị trí gọi mật độ tồn lưu nuclit phóng xạ vị trí Mật độ tồn lưu đo đơn vị Bq/m^, có giá trị khác với mật độ rơi lắng tích lũy nói trên, sau rơi xuống đất nuclit phóng xạ di chuyển nơi khác đất bị xói mịn, lượng phóng xạ bổ sung từ nơi khác chuyển đến đất bồi lắng Xác định mật độ tồn lưu nuclit phóng xạ lớp đất bề mặt cho ta thông tin tham chiếu tổng lượng phóng xạ nhân tạo rơi lắng đất liền từ vụ thử vũ khí hạt nhân

Cs'^^ rơi xuống từ khí quyển, trực tiếp (rơi khô), theo nước mưa ion hòa tan nước, hấp phụ gắn chặt vào hạt sét hạt keo hữu đất Một số khống sét vơ đất bề mặt, illite vermiculite, có suất hấp phụ ion hòa tan cao nhờ có nhiều chồ rìa xù xì (frayed edge site) với diện tích bề mặt lớn Một bị hấp phụ, khó bị giải hấp dung dịch đất Bức tranh không quan sát thấy số khoáng khác kaolinite, thành phần khoáng chủ yếu đất có nguồn c basalt Trong traờng hợp này, thay cho khoáng sét, colloid mùn hữu trở thành trung tâm hấp phụ lưu giữ Cơ chế hấp phụ Cs'^^ khoáng sét mùn hữu

trong đất bề mặt thảo luận nhiều nghiên cứu gân tham khảo Staunton et al (2002)

Sau bị hấp phụ, số phận nuclit Cs'^^ phụ thuộc vào trinh lý - hóa lórp đất bề mặt Một mặt, chúng khuếch tán xuống lóp sâu hom, khơng q vài chục cm Mặt khác, chúng di chuyển theo phương nằm ngang q trình xói mịn bồi lắng nước mưa gió Chính trình làm cho mật độ tồn lưu thay đổi giá trị khác với mật độ rơi lắng tích lũy

Nơi bị xói mịn nhiều sườn dốc, mật độ tồn lưu phóng xạ đất xuống thấp, nuclit phóng xạ giữ lại lớp đất vài cm Ngược lại, chân dốc nơi đất bồi lắng, mật độ tồn lưu tăng lên cao, nuclit phóng xạ tìm thấy lớp đất sâu, 50 cm Chỉ có lớp đất bề mặt cịn ngun sơ không bị xáo trộn canh tác, đất khơng bị vận chuyển nơi khác xói mịn bồi lắng, mật độ tồn lưu giữ nguyên giá trị mật độ rơi lắng tích lũy Cho nên xác định mật độ tồn lun nuclit phóng xạ đất bề mặt cịn ngun sơ cho phép ta truy hồi lại tranh rơi lắng phóng xạ tị vụ thử vũ khí hạt nhân trước

Tuy nhiên, khó chọn vị trí nguyên sơ, điều kiện đất đai tận dụng triệt để Cho nên để tiến hành thí nghiệm vị trí chọn xem gần nguyên sơ, mật độ tồn lưu đo nơi chọn lựa kỳ (I, Bq/m^) khơng thể hồn tồn, mà gần mật độ rơi lắng tích lũy C s’^^ (D, Bq/m^) Nơi đất bị xói mịn, I < D, ngược lại nơi đất bồi lấp, I > D, với số lớn vị trí đo, trị trung bình I tiến gần đến D Phương pháp phân tích hồi quy cho phép suy D từ số lớn kết đo I đất bề mặt nguyên sơ, trình bày phần sau Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ 9°N đến 23°N, mật độ rơi lấng tích lũy

nói chung khơng cao gần xích đạo, tăng đáng kể từ Nam Bắc Căn theo kết công bố UNSCEAR (2000), mật độ rơi lắng tích lũy tăng từ 300 Bq m“ vùng cực nam đến 700 Bq.rn'^ ở cực bắc Tuy nhiên, số kết quan

Chương THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂN _

trắc phóng xạ đất lãnh thổ nước ta cho thấy nhiều nơi mật độ tồn lưu vượt xa số 700 Bq/m^ cho vùng cực bắc nước ta tổng kết ƯNSCEAR (2000) Chắc chắn lượng mưa hàng năm địa điểm quan trắc có ảnh hưởng mạnh, gây biến động Lượng mưa hàng năm nước ta thay đổi mạnh từ nơi sang nơi khác, nơi cao lên đến 000 mm/năm (Bắc Quang, Hà Giang), nơi thấp (Phan Rang) 700 mm/năm

Cho nên nghiên cứu, kinh vĩ độ phải xem xét yếu tố khác vị trí quan trắc, có lượng mưa hàng năm với thơng số hóa lý đặc trưng đất để xem liệu, kinh vĩ độ, có cịn yếu tố khác chi phối mật độ tồn lưu hay không Phương pháp hồi quy nhiều biến giúp giải tốn để tìm yếu tố có ý nghĩa thống kê cao

Bảng 3.6 Tóm lược thống kê kết xác định mật độ tồn lưu và thông số liên quan qua 292 mẫu đất bề mặt xem nguyên sơ đất liền Việt Nam.

Trung binh Độ lệch

chuẩn

Trung bình hình học

Khoảng biến thiên

VT độ, °N 16,8 4,34 17,1 9 , - 3

Kinh độ, °E 106,5 1,5 106,3 1 - 1 0

HoạtđộCs^^^ Bq.kg-^ 2,03 2,2 1,58 0 , - 8

Mật độ tồn lưu, Bq.m"^ 643 384 590 1 - 294

Phía Nam, <16°N 441 315 361 1 - 603

Phía Bắc, >16°N 808 359 750 3 - 294

Tỷ trọng đất, kg.m“^ 1,22 0,3 1,23 0 ,4 - ,1

Lượng mưa năm, m 1,97 0,56 1,88 0 , - ,8

Lượng mùn hữu cơ, % 1,97 1,11 1,81 0 , - , 5

Trong năm 1998 - 2000, phịng thí nghiệm kiểm xạ mơi trường thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam thu góp đo đạc mật độ tồn lưu 292 mẫu đất bề mặt xem nguyên sơ lấy đến độ sâu 30 cm đất liền ưr Nam Bấc Ngồi mật độ tồn lưu cịn xác định nhiều thơng số hóa lý đất Tóm lược thống kê mẫu đo ghi lại bảng 3.6

Kết chi tiết cho thấy mật độ tồn lưu đất bề mặt gần nguyên sơ tăng lên từ nam bắc phạm vi rộng, tò 129 đến 3294 Bq.m”^ Trong xu hướng chung ấy, lại có vùng miền Trung, Quảng Nam, Thừa Thiên, Hà Tĩnh, mật độ tồn lưu cao nhiều so với tỉnh vùng đồng Bắc Rõ ràng lượng mưa có ảnh hưởng lớn đến mật độ rơi lắng tích phân, mưa nhiều mật độ cao

Trong cơng trình nghiên cứu (P D Hien et al., 2002), kinh vĩ độ lượng mưa hàng năm nơi lấy mẫu, thông số lý - hóa mẫu đất bao gồm hàm lượng mùn hữu cơ, CEC, pH, cation trao đổi Ca^^, K"^, thành phần giới sử dụng biến độc lập phép phân tích hồi quy biến phụ thuộc mật độ tồn lun '^^Cs (I, Bq.m"^) Để bảo đảm phân bố thống kê chuẩn - điều kiện cần thiết phép hồi quy tuyến tính - mật độ tồn lưu chuyển đổi thang logarit

Phép phân tích hồi quy tịng bước qua 292 mẫu đất chọn vĩ độ L(°N) lượng mưa hàng năm AR(m) hai biến độc lập có khả giải thích biến thiên mật độ tồn lưu (biến phụ thuộc) đất bề mặt đất liền Việt Nam Kinh độ thông số hóa - lý đất khơng đủ ý nghĩa thống kê tham gia giải thích biến thiên mật độ tồn lưu Cs'^^ tồn lãnh thổ Phương trình hồi quy có dạng;

ln(I, Bq.m'“) - s= (3,53±0,09) + (0,092+0,004).L(°N) + 0,62±0.03).AR(iĩi) [t = 37,9] [t = 22,8] [ t = ]

R ' = 0,76 (3.1)

Sai số chuẩn hệ số hồi quy thống kê t (student) phương trình chứng tỏ phép hồi quy (3.1) có ỷ nghĩa thống kê cao Hai biến L AR giải thích 43% 33% tơng phương sai ln(I) tồn lãnh thổ, 24% lại nằm số hạng dư (residual) số hạng có phân bố chuẩn với tâm = độ lệch chuẩn 0,3 Chính số hạng cịn dư nói lên chênh lệch mật độ tồn lưu I mật độ rơi lắng tích phân D vị ứí lấy mẫu Mật độ rơi lắng tích lũy D trung bình mật độ tồn lưu I Mầu đất với = đất nguyên sơ "đích thực", vị trí nhận bồi lắng từ nơi khác đến có I > D £> 0, ngược lại, vị trí bị xói mịn có I < D nên s <

Trong thí nghiệm, vị trí bị xói mịn bồi lắng ngầu nhiên, s phân bố chuẩn quanh trị trung bình £ = Tại địa điêm định lấy mầu ta đất bề mặt có cịn neuvên sơ hay không, cách đo nhiều mầu đất sau áp dụns phép hồi quy, ta biết vị trí lấy mầu ấv bị xói mịn hay bồi lắns tùy theo giá trị £ tưonng ứng dương hay âm Mối quan hệ 2Ìừa mật độ rơi lắng tích lũy mật độ tồn lưu C s'' sè

ln(I) - e = ln(D(L AR)) (3.2)

hay

ln(D, Bq.m "-)- (3,53±0,09) + (0,092±0.004).L(°N) + 0.62±0.03).AR(m) (3.3) quy luật biến thiên mật độ rơi lắng tích lũy C s’ ’ theo vĩ độ lượng mưa hàng năm địa phận lãnh thô Việt Nam

3.4.2 So sánh kết phục hồi mật độ rơi lắng tích lũy đất liền Việt Nam với công bố UNSCEAR (2000)

Để so sánh với kết t r o n s ƯNSCEAR (2000) mật độ tồn lưu thực nghiệm được truna bình hóa cho dài vĩ độ 0,5''' kết qua tnina bình hóa dùnơ làm biến phụ thuộc phép hồi quy với biến độc lập vĩ độ lưọTig mưa trung bình hóa theo \'ĩ độ phương trình sau;

160 AN TỒN ĐIỆN HẠT NHAN

•N24

22

20

-

18-[ln(I)]L- s ’= [ln(D)]L= (3,64±0,11) + (0,094±0,004).[L]l + (0,54 ±0,04).[AR]l

trong ký hiệu lấy trung bình theo dải vĩ độ L Các hệ số phương trình hồi quy 3.3 3.4 giống nhau, song số hạng dư s ’ phương trình hồi quy 3.3 nhỏ nhiều so với 3.2 Nói cách khác, mật độ tồn lưu thực nghiệm trung bình theo vĩ độ kết hồi quy (cũng mật độ rơi lắng tích phân trung bình theo vĩ độ) gần nhau, q trình trung bình hóa mẫu đo vĩ độ làm cho mật độ tồn lưu bớt "gồ ghề" q trình bồi lắng xói mịn, giá trị trung bình tiến gần đến mật độ rơi lắng tích lũy lấy trung bình theo vĩ độ (3.4) 16-■D 5 H 12 -10

m ĩ ẽ

102 104 106

Longitude

108 110

H ình Phân bố mật độ tồn lưu C s'” trên đất liền V iệt Nam qua mẫu đất bề mặt 292 vị trí xem như nguyên sơ Vị trí lấy mẫu được đánh dấu màu hồng đồ.

Hình 3.13 minh hoạ điều vừa nói trên, cột đen kết hồi quy,

Chưang THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂN m

□ Ln(Cs-137, Bq m-2) ■ Regression

latitude, oN

H inh 13 Phân bố theo vĩ độ mật độ tồn lưu thực nghiệm hồi quy theo công thức (3.2) phạm vi lãnh thổ Việt Nam.

Theo phân bố hình 3.13, rtr nam bắc mật độ rơi lắng tích lũy tăng theo quy luật chung tồn cầu, tăng mạnh số tỉnh miền Trung nơi có lượng mưa lớn chịu tác động hệ thống gió mùa đơng bắc vào tháng cuối năm So với công bố UNSCEAR, kết đo Việt Nam nói chung cao hơn, mật độ rơi lắng tích lũy Cs'^^ tỉnh miền Bắc nói chung cao 650 Bq.m“^ đạt đến 1100 Bq.m“^ địa đầu phía bắc (so với khoảng 700 Bq.m"^ theo ƯNSCEAR)

3.4.3 Đánh giá tổng lượng rơi xuống đất liền Việt Nam do thử vũ khí hạt nhản

lần, nghĩa lượng rơi lắng phóng xạ xuống lãnh thơ Việt Nam thử vũ khí hạt nhân đơi chút so với mức rơi lắng trung bình giới, kết hợp lý, khơng cao nước vĩ độ trung bình Bắc bán cầu, khơng thấp vùng xích đạo hai điạ cực

3.4.4 Lirợng và Sr®° thử vũ khí hạt nhân rơi lắng trên đất liền Việt Nam

Nếu định lượng hoạt độ phóng xạ dễ dàng nhờ hệ phổ kế gamma phơng thấp với kỹ thuật thực nghiệm phức tạp nhiều phải đo máy bêta phông thấp sau xừ lý hóa phóng xạ phiền phức Còn để phát đồng vị Pu cần phải có phổ kế alpha phơng thấp với hệ thống chuẩn bị mẫu để tạo lớp mỏng cho tia a bị tự hấp thụ mẫu đo Trong thực nghiệm phổ alpha hai đồng vị Pu^^^^^chập với nên kết đo tính chung cho hai

p^239+240 40 mẫu đất bề mặt, gồm 20 mẫu lấy phía Bắc 20 mẫu phía Nam đo mẫu đất bề mặt lấy phía Bắc 20 mẫu phía Nam Kết nhóm nghiên cứu phía Bắc cơng bố tạp chí J of Environmental Radioactivity (Quang et a l, 2004) Ket nhóm phía Nam Trương Ý chủ trì cơng bố hội nghị khoa học nước

Trong quy trình thực nghiệm, hai nhóm nghiên cứu xác định hoạt độ phóng xạ cá hai nuclit Pu^^9+240 so sánh chúng với theo hệ số tương quan phương pháp hồi quy Kết nghiên cứu hai nhóm tóm lược bảng 3.7 Hoạt độ cùa

hai nuclit C s’^^ Pu239+240 ^ Nam rõ rệt,

đúng nói nhiều lần phần Tuy hai nhóm tiến hành thí nghiệm độc lập thời điểm khác nhau, song kết qua tương hợp với

Chưong THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ Q U Y Ể N _ ^

Do khó khăn xác định mật độ tồn lưu nên đo số lượng mẫu đủ lớn để lập đồ phân bố trường hợp C s‘‘ Tuy nhiên, hai nuclit song hành với q trình tạo thành vận chuyển mơi trường hoạt độ phóng xạ chúng đất bề mặt phải tồn mối tương quan định thê qua hệ số tương quan cao tỷ số ồn định khơng phụ thuộc vị trí lấy mẫu

Để làm rõ ý tường đơn giàn hồi quy kết đo hoạt độ phóng xạ hai miền, hình 3.14 Đườns hồi quy gần qua gốc tọa độ nên ta có thê xem hoạt độ

Pu^-9-40 ^ (0,0225 ± 0,0014) X hoạt độ C s '- \ (3.5) Ket quà giúp ta xác định hoạt độ trona đất bề mặt địa điểm đất liền mà khơng cần phái sư dụng kỳ thuật phô kế alpha phức tạp cách đo C s'' theo phổ kế ơamma sau lấv kết nhàn cho 0,0225

B àn g 3.7 Tóm lược kết nghiên cứu xác định hoạt độ

p y ’ 39+240 ^ ^ a j j j

Miền Bắc Miền Nam Cả nước

v r độ, °N 1 ,6 -2 ,7 9,1 - 16,5 9,1 - 2 ,

Hoạt độ trung bình Bq/kg

4,65 1,24 2,95

Hoạt ta in g bình Bq/kg

0,111 0,032 0.072

Hệ số tư ng quan 0,94 0,93

Trung bình tỷ số P u/C s 0.0 = 0015 0,026 = 0,005 ,0 2 = 0014

164 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN

phát thải 1,52 hai đồng vỊ (bảng 3.2), chứng tị Sr có độ linh động đất cao nhiều so với Cs'^^

[”"Cs], Bq kg'

H ình Quan hệ hoạt độ riêng Cs'^’ (tình ra Bq/kg) đất bề mặt Việt Nam.

3.5 HIÊN TRẠNG NỀN PHƠNG PHĨNG XẠ NHÂN TẠO TRONG Mồl TRƯỜNG VIÊT NAM

thực vật chi thị Dưới chi tóm lược số kết quà công bố quốc tế

Những kết quà đưa chưa phán ánh đầy đủ trạng phóng xạ nhân tạo mơi trường Việt Nam vần có thê dùng làm sờ tham chiếu cho quan trắc sè tiến hành tương lai liên quan đến tác động mơi trường chương trình điện hạt nhân

3.5.1 Phóng xạ nhân tạo khơng khí rơi lắng

Trong mầu sol khí rơi lắng quan trẳc hàng tháng Đà Lạt, TP Hồ Chí Minh Hà Nội chi xuất nuclit phóng xạ tự nhiên thuộc dãy u Th, Bệ Hàm lượng nuclit phónơ xạ nhân tạo Cs'"^ xuống mức phát mầu thu eóp hàng tháng Nhưng xảy tai nạn điện hạt nhân Chemobvl Fukushima, trạm quan trắc khơng khí rơi lắng ờ Việt Nam đă shi nhận Cs*' ngav mầu thu 2Óp hàna ngàỵ Mặc dù rơi lắng phóng xạ từ hai tai nạn phát được, sonơ chúng yếu so với tồn lưu từ thừ \iì khí hạt nhàn 2ần năm thập ky trước đây, không cịn có thê phát sau vài chục ngàỵ

Một sổ thực vật dùns làm chì thị thơns địa y có kha năns tích tụ sol khí phóna xạ rtr khí quvển Cs'" t r o n s thơns thu p ơ

Việt Nam có hoạt độ cao, chủ yếu kim hút sol phónơ xạ từ khí qun, khơng phai từ đất lên Quan trắc phóng xạ thực vật chi thị tiến hành ưr làu Việt Nam song đến chưa có tổng kết học thuật vấn đề

3.5.2 trong đất bề mặt nguyên sơ

Như nói nhiều lần chương trước, đất bề mặt kho tồn trừ nuclit phóne xạ nhân tạo lớn nhất, dề định lượng nhất, so \ ới môi trườns khác Hàm lượnơ C s'”’ trons môi trườna tùy thuộc

166 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAM

nhiều vào đất nguyên sơ hay đất canh tác, đất dốc bị xói mòn hay vùng trũng bồi lắng

Năm 1998 ba phịng thí nghiệm Hà Nội, Đà Lạt TP Hồ Chí Minh Viện Năng lượng ngun tị Việt Nam phối hợp với dự án nghiên cứu nhằm xác định tim quy luật phân bố mật độ tồn lưu Cs'^^ qua hàng trăm mẫu đất bề mặt toàn quốc xem nguyên sơ, không bị xáo trộn canh tác, bị xói mịn hay bồi lắng nước mưa

ở nơi đất nguyên sơ mật độ tồn lưu mật độ rơi lắng tích lũy đồng vị thử vũ khí hạt nhân khí (sau hiệu chỉnh phân rã phóng xạ) Sở dĩ đất nguyên sơ, sau rơi lắng xuống đất theo nước mưa, Cs^^^chỉ khuếch tán xuống độ sâu không ~ 30 cm mà không di chuyển theo phương nằm ngang nơi khác Hoạt độ Cs'^^ giảm nhanh theo độ sâu đất nguyên sơ, tập trung chủ yếu (90%) lớp đất 20 cm cùng, hình 3.15

C s - (B q /k g )

E o

Hình 15 Phân bố hoạt độ Cs'^’ theo độ sâu đất bề mặt nguyên sơ Đức Trọng, Lâm Đồng

(Nguồn: Trương Ý, Viện NCHN Đà Lạt).

và tìm quy luật phàn bố mật độ rơi lắns tích lũy Cs' ' ưèn lãnh thơ Việt Nam mà vào nhữne thập kỹ 50 - 60 k>' XX chưa có điều kiện đo

Kết quà nshièn cứu cho thấy mật độ tồn lưu C s'' truns bình ưong đất bề mặt nơuyèn sơ M ệt Nam 643 Bq m có xu hướng tãns dần từ Nam Bắc vào khoảng 300 Bq m NÒing cực Nam tãns lèn ưên 100 Bq m‘ \-img cực bắc (số đo hiệu phàn rã phóng xạ năm 2000) Nhưns xu hướnơ 2Ìa tănơ từ Nam Bắc khơns mà bị ảnh hườn£ bời lượng mưa hàns năm MÌns khơ hạn mật độ tồn lưu ngược lại số \TÌn2 miền Trung nhiều mưa vĩ độ khôns cao lăm nhưns mật độ tồn lưu vằn cao

Mơ hình hồi quy theo côns thức (3.4) diễn ta quy luật phàn bố mật độ tồn lưu C s'' ưong đất bề mặt nauyèn sơ theo vĩ độ lượns mưa truna bình hàns năm Công thức tinh cho thời đièm năm 2000, sư dụns nhừna năm khác sè phai hiệu chinh phàn rã phóna xạ cua Cs'" (T i: = 30.07 năm) Xhắc lại còng thức (3.3), L vĩ độ -AJR lượna mưa hàns năm lấy trung bình ons nhiều thập k\ vào nhừna năm cuối thẻ ky ưước s số dư côns thức hồi quy nói lèn độ chènh lệch mật độ tồn lưu / vód mật độ rơi lẳnơ tich lùy D đièm lấy mẫu Cụ thè = I = D đất bề mặT đièm lấy mẫu nsuvèn sơ Iv tường > có nshĩa I > D đièm lấy mẫu bồi lấns nsược lại vóá £ < đièm lày mẫu bị xói mịn

Cơng thức (3.4) rút ùr 292 mầu đàt nsuyèn sơ toàn lãnh thỏ \'iệ t Nam nên có độ tin cậy thốnơ kè cao Xó lại kiêm nahiệm

n h i ê u lần q u a c c t h í n h i ệ m n h i è n c u x ó i m ị n \ à t r ầ m t í c h m i è n

Xam (Hai et a l 1999) miền Bấc (Hien et al 2013Ì nhừns thi nghiệm địi hoi phai tìm nhừnơ vị tri tham chiểu đè xac định mật độ roi lắns tích lũv C s'' rừ rút tốc độ trầm tich \'à xói mịn Hình 3.16 giới thiệu vị ưí tham chiếu Thè ons cịns ĩrinh nghiên cữu xói mịn đàt dỏc Lương Sơn Hịa Bình (P D Hien eĩ a l

2 ) Đ y l m ộ t k h o a n h đ ấ t b a n s p h ã n s k í c h t h c 0 X 0 c m \ ' Ơ1

cao độ chi bièn đòi khoans 100 mm chọn làm rn tham chiếu cho thi nghiệm nói

168 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHÂN

H ìn h 3 Khoảnh đất tham chiếu chọn để đo mật độ rơi lắng Cs'^’ nghiên cứu xói mịn đất Lương Sơn, Hịa Bình.

Để xác định mật độ rơi lắng tích lũy, chín cọc đất sâu 40 cm lấy lên vị trí đánh dấu hình 3.16, mồi cọc đất cắt thành bốn lát để đo lượng Cs'^^ tồn Imi lát xác định phân bố mật độ tồn lưu theo độ sâu Kết thể giản đồ hình 3.17 Tại điểm lấy mẫu, hoạt độ mật độ tồn lưu lát cắt giảm nhanh theo độ sâu theo quy luật gần hàm mũ Trên 75% lượng Cs'^^ nằm lại 20 cm đất Mật độ tồn lưu mồi vị trí lấy mẫu có từ bốn lát cắt tính theo Bq.m“^ ghi giản đồ Trị trung bình (± sai số chuẩn) chúng 827 ± 50 Bq.m“^ , phù hợp tốt với giá trị 810 ± 25 Bq.rn”^ suy từ mơ hình hồi quy (3.4) với L = 20,9°N AR = 1,8 m

Theo mơ hình hồi quy (3.4) rút 3.4.2, vĩ độ (L) lượng mưa hàng năm (AR) vị trí lấy mẫu giải thích 76%

p h n g sai m ậ t đ ộ t n l u C s ' ^ ^ t r o n g đ ấ t b ề m ặ t đ ợ c x e m l n g u y ê n

Chương THỬ vũ KHÍ HẠT NHÂN TRONG KHÍ QUYỂN _

North (em)

3 0 f

200

c= § § 10

20

890 30 ■

40 ■

c

-K3 -K - 3T1 o > o o o

10 20

-™ $ 30 " ■

40 '

900

East (cm)

H ình 17 Phân bố mật độ tồn lưu Cs'^’ theo độ sâu vị trí khác nhau trên khoảnh đất chọn làm tham chiếu thí nghiệm nghiên cứu xói mịn đất Lương Sơn, Hịa Bình (Hien et al 2013).

Theo hình 3.16, khoảnh đất kích thước 400 X 900 cm với L AR

bất biến, mật độ tồn lưu Cs'^^van biến thiên dải rộng, từ 669 Bq.m“^ đến 047 Bq.m“^ Hệ số biến thiên tính theo tỷ số độ lêch chuẩn (145 Bq.m“^) trị trung bình (827 Bq.m“^) 17,5% Yếu tố gây nên biến thiên rộng khoảnh đất hẹp thế?

3.5.3 trong đất canh tác

Canh tác, cày xới đât, cộng với trình xói mịn trâm tích làm cho mật độ tồn lưu khác nhiều so với đất nguyên sơ trình bày phần

Trước hết, cày xới đất canh tác làm trộn Cs'^^ lóp đất canh tác, nuclit khơng giảm nhanh theo độ sâu đất nguyên sơ hình 8.5 mà phân bố lớp đất 20 - 30 cm Ket nghiên cứu hàng chục mẫu đất ruộng lúa Thái Bình cho thấy Cs'^^ phân bố hai lớp - 15 cm 15 - 30 em Mật độ tồn lưu C s’^^ trung bình vùng 654 Bq/m^, phù hợp với giá trị 675 Bq/m^ suy tò mơ hình hồi quy (8.1) với vĩ độ L = 20,5°N lượng mưa hàng năm AR = 1,8 m Có phù hợp tốt đất ruộng lúa Thái Bình khơng bị xói mịn bối lắng hàng chục năm qua Nhưng tranh hoàn tồn khác đất dốc vùng núi Q trình xói mịn trầm tích nhiều năm phân bố lại C s’^^, làm cho mật độ tồn lưu đất bề mặt khác hẳn với mật độ rơi lắng tích lũy thử vũ khí hạt nhân khí quyển, nơi đất bị xói mịn lớp đất chứa Cs'^’ mỏng hơn, mật độ tồn lưu giảm chí có nơi đất khơng chứa Cs'^^ nơi bồi lắng tượng lófp đất chứa dày hơn, mật độ tồn lưu tăng lên

Dọc theo sườn dốc, mật độ tồn lưu Cs'^^ phụ thuộc vào đặc điểm bình đồ ưmg vị trí ỏ chỗ đất lồi, đất bị xói mịn Ngược lại, chỗ lõm, C s’^^ nhiều đất bồi lắng (Ritchie et a l, 2007) Cho nên, sau rơi xuống đất theo nước mưa cách nửa kỷ phân bố lại dọc theo sườn đất dốc tượng xói mịn bồi lắng

Đất rừng nguyên sinh bị xói mịn nhất, chuyển sang canh tác nơng nghiệp đất bị xói mịn mạnh Ngược lại, tốc độ xói mịn đất bị hạn chế nhiều có lớp che phủ bề mặt đủ kín giải pháp caiìh tác chống xói mịn thích họp Nói chung, đất canh tác cày xới bị xói mịn mạnh đất nguyên sinh, đất rừng lâu năm, đồng cỏ

3.5.4 trong trầm tích hồ chứa

Nếu lưu \ạrc, dùng làm chi thị đánh dấu xói mịn đất đáy hồ chứa, giúp dánh dấu lóp trầm tích xuất vào năm đầu thập kỳ 60 kỷ XX bắt đầu có rơi lắng phóng xạ thừ vũ khí hạt nhân, qua ta xác định tốc độ trầm tích

Kỳ thuật đánh dấu C s''M ă áp dụns để nshiên cứu tốc độ trầm tích ba hồ chứa tinh Lâm Đồng sồm hồ nhà máy thủy điện Đa Nhim xây năm 1960 - 1962 với dung tích 163.10^ hai hồ tưới tiêu Đa Ham Tuyền Lâm xây năm 1982 - 1988 với duns tích 2.8.10^ 10.6.10^ m' (Hai et al., 2000) Diện tích lưu \TIC hồ Đa Nầim 775 km , hai hồ tưới tiêu có lưu vực bé hơn, tị 20 đến 33 km" Tốc độ ưầm tích đo 0,7 - 1,6 cm.y“' hồ thủy điện Đa Nhim, 0,5 - 0,8 crn.y"^ hồ Tuyền Lâm 0.8 - 1,4 cm.y“^ hồ Đa Ham

TÀI LIÊU THAM KHẢO

1 A o y a m a M H i r o s h e K J g a r a s h i Y , ( 0 ) R e c o n s t r u c t i o n a n d u p d a t i n g o u r u n d e r s t a n d i n g o n t h e a l o b a l w e a p o n s t e s t s C s ' ' f a l l o u t J o u r n a l 0 f E n v i r o n m e n t a l M o n i t o r i n g , - 0

2 F r i e d l a n d e r , B R , G o c h f e l d M B u r g e r , J P o w e r s , c \ v ( 0 )

R a d i o n u c l i d e s i n t h e m a r i n e e n v i r o n m e n t A C R E S P S c i e n c e R e v i e w W-AV-VV.c r e s p o r g A m c h i t k a F i n a l _ r a d i o n u c l i d e

3 H A S L - ( 7 ) , H e a l t h a n d S a f e t y L a b o r a t o n - F i n a l t a b u l a t i o n o f m o n t h l y S r f a l l o u t d a t a ; -

4 H i e n P D D u n g B D P h i e n T ( ) R e d i s i b u t i o n o f C s ‘‘ a n d D o i l c o m p o m e n t s o n c u l t i v a t e d h i l l s l o p a w i t h h e d g e r o w s a s c o n s e n a t i o n m e a d a r e s S o i l a n d T i l l a g e R e d e a r c h -

5 H a i P S , S o n p N D i e n N N T a n V H & H i e n p D ( 9 Ì A s s e s s m e n t o f e r o s i o n a n d a c c r e t i o n i n c a t c h m e n t a r e a s b a s e d o n a n d C s ‘" c o n t e n t s i n s o i l a n d s e d i m e n t In I s o t o p e p r o d u c t i o n a n d a p p l i c a t i o n s i n t h e s t c e n t u i Ạ ' I n Proceedings o f the 3rd Internaiional Conference on Isotopes I'ancourer: World Scientific ( p p — t - lS ).

6 Hien, P.D., Hiep, H.T., Quang, N.H., Huy, N.Q., Binh N.T., Hai, p.t,

Long, N.Q., Bac, V.T., 2002 Derivation of Cs-137 deposition density froB measurements of Cs-137 inventories in undisturbed soils Journal (rf Environmental Radioactivity 62, 295-303

7 Owens, p N., Walling, D E., He, Q., 1996 The behaviour of bomb derived cesium-137 fallout in catchment soils Journal of Environmental 32,

169-191

8 Playford, K J et al., Radioactive fallout in air and rain: Results to the end of 1991 AEA-EE 0498 DOE/RAS/93.003 (1993)

9 Ritchie, J c., McCarty, J w , Venteris, E R., Kaspar, T c., 2007 Soil Geomorphology 89, 263-171

10 Simon, S L., Bouville, A., Beck, H L., (2004) Journal of Environmental Radioactivity Vol 74, p 91-105

11 Staunton s., Dumat c Zsolnay A., (2002) Journal of Environmental Radioactivity Vol 58, p 163-173

12 U n i t e d Nations, A n n e x c Sources a n d E f e c t s o f I o n i z i n g R a d i a t i o n United

Nation Scientific Committee on the Efects o f A tom ic Radiation, 2000.Report to the General A ssem bly with Scientific Annexes, N e w Y o r k 0

13 Zapata F (edited), (2002) Handbook for the assessment of soil erosion and sedimentation using environmental radionuclides, Kluwer Academic Publisher

4 Nhà m áy điện hạt nhân

Khối urani giàu kích thước chưa đầy 15 cm quả

bom nguyên tử thả xuống thành phố Hiroshima có sức nổ tương đương 16 kt T N T , giết chết 66 00 người tức khắc và gây thương tích lâu dài cho 70 000 người khác Phản ứng phân hạch dây chuyền xảy khoảng vài phần triệu giây kịp đốt cháy không kg số 64 kg chứa bom Liệu kịch nổ tương tự xảy ra nhà m áy điện hạt nhân (Đ H N ) với lượng nhiên liệu phân hạch lớn gấp bội? Chắc chắn khơng, lị phản ứng khơng phải bom nguyên tử!

Song có kịch khác dẫn đến thảm họa lớn Lị phản ứng cơng suất điện 000 M W tích lũy vùng hoạt một lượng phóng xạ khoảng sáu tỷ curi (Ci, Ci = 3,7 X 10^° phân rã phóng xạ giây) Chỉ cần phần nhỏ của lượng phóng xạ khỏi rào chắn tung môi trường vùng hoạt bị tan chảy lớn gấp bội so với lượng phóng xạ bom thả xuống Hiroshima Khơng ít nhà khoa học cảnh báo nguy này, giới truyền thông dân chúng ln lên tiếng, song nói chung khơng khí lạc quan chủ quan bao trùm, giới kinh doanh Đ H N , cho đến chứng kiến tai nạn lớn xảy Three Mile Island (T M I-2 ), Mỹ, ngày 28 tháng năm 1979.

N gay trước xảy tai nạn T M I-2 , an toàn Đ H N dựa trên nguyên lý phòng vệ theo chiều sâu rào chắn nhốt giữ phóng xạ bên chúng "bảo đảm" hai

(probabilistic) Phương pháp phân tích rủi ro xác xuất (Probability Risk A sessm ent - P R A ) phát triển lần đầu cho lò phản ứng lượng với đỉnh điểm báo cáo W A S H -1400 của ủ y ban Pháp quy Hạt nhân Hoa Kỳ (N R C ) cống bố tháng 10 năm 1975 N R asm ussen, giáo sư Đ ại học Massachusetts, chủ trì Theo báo cáo này, cố nước tải nhiệt làm tan chảy hoàn toàn vùng hoạt (L O C A ) lò nước nén (PW R) và nước sôi (B W R ) Mỹ xảy với xác suất lần trong 17 0 lò - năm X ác suất xảy chết người chất phóng xạ thốt ngồi mơi trường vùng hoạt lị bị tan chảy thấp hơn nhiều, khoảng lần hàng triệu lò - năm, hàng vạn lần thấp loại tai nạn dân khác.

Tuy bị khơng chun gia chống đối, nói chung, báo cáo W A S H -1 0 làm cho nhiều người an lòng độ an tồn của Đ H N Thậm chí, nhà khoa học hạt nhân có thẩm quyền như H Bethe, nhân vật chủ chốt chương trình chế tạo bom nguyên tử Mỹ, giải Nobel 1967 chu trình proton - proton và chu trình carbon tiến hóa thiên thể (xem chương 2), viết tờ Scientific A m erican tháng giêng 1976: " điện hạt nhân toàn giới đạt đến số gần 2000 lò

-ĩ năm, kể lò dùng quân Nếu dự báo của nhóm Rasm ussen sai, chí đến 20 lần, nghĩa xác suất tan chảy vùng hoạt rút xuống lần 50 lò - năm, thi chúng ta phải chứng kiến cố ".

Thực tế phản bác nhận dịnh H Bethe: tai nạn tan chảy vùng hoạt T M I-2 xảy năm 1979, vài nám sau công bố báo cáo W A S H -1 0 Tám năm sau, tai nạn nghiêm trọng hơn, có hàng chục người thiệt mạng, xảy ờ Chernobyl, người cảnh giác nhiều, một tai nạn lớn lại xảy với ba lò phản ứng Fukushima năm 01 Đ ến lúc này, với tổng số 14 000 lò - nám, điện hạt nhân toàn giới ghi nhận lò phản ứng bị tai nạn tan chảy vùng hoạt, có trường hợp gây thiệt hại nhân mạng.

Phương pháp phân tích rủi ro Đ H N có giá trị khơng thể chối cãi, nhiên kết định lượng thẻ ở xác suất tan

c h ả y v ù n g h o t c ò n q u th ấ p s o v i th ự c tế C ó lẽ đ n h g iá n h â n tố c o n n g i, tu y đ ợ c x e m x é t p h ầ n n o tr o n g P R A , v ẫ n c h a đ ú n g m ứ c T ệ h i h n , n h ữ n g p h â n tíc h P R A m c h o m ộ t s ố n g i m ấ t c ả n h g iá c d o q u tin rằ n g ta i n n Đ H N s ẽ rấ t k h ó

xảy ra, cơng nghệ lị phản ứng đ ã được cải tiến rất

n h iề u v i c c lò p h ả n ứ n g th ế h ệ m i M ộ t tổ n g k ế t c ó g iá trị đ ợ c đ n g trê n T h e E c o n o m is t n h â n trò n m ộ t n ă m s a u ta i n n F u k u s h im a đ ã b c b ỏ n h ậ n đ ịn h n y : "a n to n Đ H N k h ô n g đ ợ c c i s ẵ n tro n g c ô n g n g h ệ m c h ỉ th ể h iệ n th n h tíc h c ủ a đ ộ i n g ũ "

4.1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ MỘT số ĐẬC ĐIỀM ĐỌNG HỌC

Để khai thác nguồn lượng phân hạch v ĩ đại cần phải tạo đ i ề u k i ệ n c h o p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n c ó t h ể đ i ề u k h i ể n đ ợ c B i t o n này nhà vật lý hạt nhân giải gọn đẹp tò k h i x â y d ự n g l ò p h ả n ứ n g h t n h â n đ ầ u t i ê n t r ê n t h ế g i i , v l i g i ả i v ẫ n t n t i c h o đ ế n n g y n a y T r c h ế t , đ ó l c ô n g t h ứ c b ố n t h a s ố d ù n g đ ể t í n h h ệ s ố n h â n n e u t r o n v đ ộ p h ả n ứ n g

4.1.1 Hệ số nhân neutron cơng thức bốn thừa số

L ị p h ả n ứ n g c ó b a t h n h p h ầ n c h í n h l n h i ê n l i ệ u c h ứ a c h ấ t l m c h ậ m n e u t r o n , v c h ấ t t ả i n h i ệ t C h ú n g t h n g đ ợ c s ắ p x ế p t h n h ô m n g , n ú t ô l c c t h a n h n h i ê n l i ệ u , g i ữ a c c t h a n h n y c ó c h ấ t l m c h ậ m n e u t r o n v c h ấ t t ả i n h i ệ t

L ò p h ả n ứ n g h t n h â n đ ợ c c h i a t h n h h a i l o i k h c n h a u v ề c ô n g d ụ n g , l ò n g h i ê n c ứ u c ó c ô n g s u ấ t ( n h i ệ t ) b é h n 0 M W d ù n g đ ê n g h i ê n c ứ u k h o a h ọ c , ứ n g d ụ n g c h ù m n e u t r o n , s ả n x u ấ t đ n g v ị p h ó n g x v t h ử v ậ t l i ệ u L o i t h ứ h a i t h n g g ọ i l l ò n ă n g l ợ n g d ù n g đ ể s ả n x u ấ t đ i ệ n , t h n g c ó c n g s u ấ t n h i ệ t v o k h o ả n g 0 M W t v c ô n g s u ấ t đ i ệ n 0 M W e P h ầ n l n c c l ò n ă n g l ợ n g d ù n g n c t h n g v a làm chậm neutron v a để tải nhiệt.

K h i m ộ t n e u t r o n n h i ệ t l m c h o h t n h â n p h â n h c h s ẽ c ó ,4 7 n e u t r o n n h a n h p h t r a C h ú n g p h ả i đ ợ c l m c h ậ m đ ê t r t h n h n e u tr o n n h i ệ t v p h â n c h i a h t n h â n t i ế p t h e o , c ứ t h ế t o n ê n p h ả n ứ n g dây c h u y ề n T r o n g q u t r ì n h l m c h ậ m , m ộ t s ố n e u t r o n s è m â t đ i d o b ị hấp t h ụ b i c h í n h c c h t n h â n l m c h ậ m , b i c c t h a n h đ i ê u k h i ể n v bởi c c đ ộ c t ố d o p h ả n ứ n g p h â n h c h t o r a , h o ặ c b ị r ò r a k h ỏ i v ù n g hoạt. M ộ t s ố k h c , t u y k h ô n g m ấ t đ i , n h n g s a u k h i b i ế n t h n h n e u t r o n n h iệt l i k h ô n g t n g t c v i n h i ê n l i ệ u m c h ỉ g â y p h ả n ứ n g t r ê n c h ấ t làm c h ậ m , n ê n c ũ n g k h ô n g đ ợ c s d ụ n g đ ể g â y p h â n h c h t i ế p t h e o Lò p h ả n ứ n g p h ả i đ ợ c t h i ế t k ế s a o c h o s ố n e u t r o n n h i ệ t c ò n l i s a u m ỗi t h ế h ệ p h ả i b ằ n g 1, h o ặ c l n h n c h ú t í t , c ó t h ế , p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n m i x ả y r a v d u y t r ì đ ợ c , số n e u t r o n n h i ệ t c ò n l i s a u m ỗ i t h ế h ệ gọi l h ệ s ố n h â n n e u t r o n h i ệ u d ụ n g keff, đ ợ c t í n h t h e o c ô n g t h ứ c

k e f f = ỗ k o o (4.1)

t r o n g đ ó , koo l h ệ s ố n h â n n e u t r o n t r o n g m ô i t r n g c ó k í c h t h c rất l n s o v i q u ã n g đ n g v ậ n c h u y ể n t r u n g b ì n h c ủ a n e u t r o n t r o n g l ị , và ơ l m ộ t h ệ s ố h i ệ u c h í n h m ấ t m t n e u t r o n d o b ị r ò r a k h ỏ i m ặ t n g o i v ù n g h o t , k í c h t h c v ù n g h o t c n g l n , c n g g ầ n v i H ệ s ố koc đ ợ c t í n h t h e o c ô n g t h ứ c b ố n t h a s ố , t r o n g đ ó x e m x é t m ọ i q u trình c ó t h ể g â y m ấ t m t n e u t r o n t r c k h i n ó g â y p h â n h c h m ộ t h t nhân

t i ế p t h e o :

k x = r i p f e (4.2)

ở đ â y :

r| g ọ i l t h a s ố t i s ả n x u ấ t đ ợ c t í n h b ằ n g s ố n e u t r o n n h a n h p h t ra k h i c ó m ộ t n e u t r o n n h i ệ t b ị h ấ p t h ụ t r o n g n h i ê n l i ệ u V ì t r o n g n h i ê n liệu n e u t r o n n h i ệ t c ó t h ể b ị h ấ p t h ụ m k h ô n g g â y p h â n h c h n ê n T| v o k h o ả n g , , b é h n s ố n e u t r o n t r u n g b ì n h ( , ) p h t r a t r o n g m ỗ i đ ộ n g t c p h â n h c h t r ê n

p l t h a s ố t r n h h ấ p t h ụ c ộ n g h n g n ó i l ê n p h ầ n n e u o n t r n h đ ợ c v ù n g h ấ p t h ụ c ộ n g h n g c ủ a đ n g v ị t 6 e V đ ế n 0 k e V ( h ì n h ) , t r o n g q u t r ì n h l m c h ậ m đ ể t r t h n h n e u t r o n n h i ệ t

0 , - , ;

f l t h a s ố s d ụ n g n e u t r o n n h i ệ t d i ễ n t p h ầ n n e u t r o n n h i ệ t b ị h ấ p t h ụ bởi nhiên liệu so với tồn số neuừon bị hấp thụ lị, f = 0,8 ơ c c l ò n c n é n P W R ;

s l t h a s ố h i ệ u c h í n h p h ầ n đ ó n g g ó p v o p h â n h c h c ủ a n e u t r o n n h a n h , 8 = ,

Bằng cách tăng khối lượng nhiên liệu (tăng kích thước \0in2 hoạt) bố trí họp lý nhiên liệu môi trường làm chậm, người ta có thê làm c h o l ị p h ả n ứ n g c ó h ệ s ố n h â n n e u t r o n h i ệ u d ụ n g = 1 h o ặ c l n h n đ ô i c h ú t , k h i ấ y p h a n ứ n g p h â n h c h d â y c h u y ề n s è x a y r a K h i k e ff = 1 lò phản ứns đạt đến trạng thái 2ỌÌ tới hạn.

T r ê n t h ự c t ế , k h i n p n h i ê n l i ệ u v o l ò t r c h ế t n g i t a p h ả i đ t đ ế n trạng thái tới hạn, sau hệ số keff tăng lẽn cho thêm nhiên liệu

v o đ ê l ò c ó t h ê h o t đ ộ n s t r o n g m ộ t t h i g i a n d i m k h ô n g c ầ n b ô s u n s n h i ê n l i ệ u K h i n p đ u n h i ê n l i ệ u c h o m ộ t c h u k ỳ h o t đ ộ n g c u a l ò ( k h o a n s t r ê n m ộ t n ă m c c l ò n c t h n s ) h ệ s ố n h n n e u t r o n v đ ộ p h a n ứ n g c ó s i t r ị l n n h ấ t T r o n s q u t r ì n h n p n h i ê n l i ệ u , đ è 2Ì c h o k e ff k h ô n g q u 1 n g i t a p h i đ a v o l ò c c t h a n h h ấ p t h ụ n e u o n l m b ằ n a b o r o n c a r b i d e ( B4C ) h o ặ c đ a d u n a d ị c h c h ứ a b o r i c a c i d v o n c t a i n h i ệ t

K h i l ò h o t đ ộ n s ketY l u ô n d a o đ ộ n g r ấ t b é q u a n h K h i d ậ p l ò c c t h a n h h ấ p t h ụ s è đ ợ c n h ấ n c h ì m f r o n g v ì i n s h o t k h i ế n h ệ s ố n h n n e u t r o n g i a m n h a n h x u ố n d i g ọ i l t r n g t h i d ó i t i h n N g ợ c l i , k h i h ệ s ố n h n n e u t r o n k^f f > l ò t r n s t h i q u TỚi h n c c c ơ c h ế đ i ề u k h i ê n s ẽ t ự đ ộ n s đ a l ò t r l i t r n g t h i t i h n n ế u k h ô n g , p h ả n ứ n d y c h u y ề n s è c ó t h è p h t t r i è n \ ' ó i t ố c đ ộ r ấ t l ó n k h n k i è m s o t đ ợ c , n h s ẽ t h ấ y p h ầ n s a u

4.1.2 Độ phản ứng

Đ ể đ ặ c t r n g c h o đ ộ l ệ c h k h ỏ i t r n g t h i t i h n n g i t a t h n g d ù n g k h i n i ệ m đ ộ p h ả n ứ n g p x c đ ị n h t h e o c ô n g t h ứ c s a u :

p =

K h i l ò t r n g t h i t i h n , p = t r n g t h i d i t i h n , p < , v ở t r n g t h i q u t i h n , p > T r o n g t h ự c t ế , l ò p h ả n ứ n g h o t đ ộ n g ờ c ô n g s u ấ t k h ô n g đ ổ i , k h i ấ y p = N h n g c ó k h n h i ề u y ế u t ố l m c h o đ ộ p h ả n ứ n g b i ế n đ ổ i t h ô n g q u a c c t h a s ố t r o n g c ô n g t h ứ c b ố n t h a số ( ) , n h l ợ n g n h i ê n l i ệ u g i ả m d ầ n d o b ị c h y , v ị t r í c c t h a n h đ iề u k h i ể n t h a y đ ổ i , n h i ê n l i ệ u m i đ ợ c s i n h r a , c h ủ y ế u l c c đ n g v ị P u , l ợ n g đ ộ c t ố d o c c m ả n h v ỡ p h â n h c h b i ế n đ ổ i , k h i ấ y đ ể d u y trì c n g s u ấ t ổ n đ ị n h , n g i t a c ó t h ể đ a t h ê m v o h o ặ c g i ả m b t h ệ s ố đ ộ p h ả n ứ n g b ằ n g c c h t c đ ộ n g l ê n h ệ đ i ề u k h i ể n l ò

Đ ộ p h ả n ứ n g l đ i lư ọ T i g k h ô n g t h ứ n g u y ê n T h e o c ô n g t h ứ c , đ ộ p h ả n ứ n g đ ợ c đ o b ằ n g đ n v ị A k / k , h o ặ c p h ầ n t r ă m A k / k N h i ề u k h i n g i t a c ò n d ù n g đ n v ị đ ô l a v c e n t ( x e m )

4.1.3 Vịng đời trung bình neutron động học lò phản ứng

V ò n g đ i n e u t r o n t r o n g l ò p h ả n ứ n g l k h o ả n g t h i g i a n t r u n g b ì n h từ k h i n e u t r o n đ ợ c s i n h r a d o p h â n h c h c h o đ ế n k h i c h í n h n ó g â y p h â n h c h m ộ t h t n h â n t i ế p t h e o s a u k h i đ ợ c l m c h ậ m v t n x ạ t r o n g v ù n g h ọ a t Q u t r ì n h l m c h ậ m t n e u t r o n n h a n h x u ố n g n e u t r o n n h i ệ t t h n g r ấ t n g ắ n s o v i q u t r ì n h n e u t r o n n h i ệ t k h u ế c h t n t r o n g m ô i t r n g l m c h ậ m K h o ả n g t h i g i a n k h u ế c h t n t r u n g b ì n h c u a n e u t r o n n h i ệ t p h ụ t h u ộ c r ấ t m n h v o c h ấ t l i ệ u l m c h ậ m , t 2,1.10“^ s đ ố i v i n c t h n g H2O , t ă n g l ê n , “ ^ s v i n c n ặ n e D 2O v k h á l n , , s , v i g r a p h i t ( C ) V ì t r o n g v ù n g h o t c ò n c ó n h i ê n l i ệ u h ấ p t h ụ m n h n e u t r o n n h i ệ t n ê n k h o ả n g t h i g i a n k h u y ế c h t n t r u n a b ì n h s ẽ b é h n c c g i t r ị v a n ê u b i m ộ t h ệ s ố (1 - f )

G i ả s m ậ t đ ộ n e u t r o n b ê n t r o n g v ù n g h o t l n , s a u m ộ t v ò n g đ i Ip, m ậ t đ ộ n e u t r o n s ẽ t ă n g l ê n k n , v t ố c đ ộ g i a t ă n g m ậ t đ ộ n e u t r o n s ẽ l à

d n ( t ) ^ k n ( t ) - n ( t ) ^ n ( t ) ( k - 1) _ p

Chưoĩig NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHẮN

h a y

v i

n ( t ) = n ( ) e x p ( t / T ) ( )

T = ^ ( )

p

T đ ợ c g ọ i l c h u k ỳ l ò p h ả n ứ n g k h i c h a t í n h đ ế n đ ó n g g ó p c u a n e u t r o n t r ễ ( s ẽ b n p h ầ n s a u ) S a u k h o ả n g t h i g i a n m ộ t c h u k ỳ T , m ậ t đ ộ n e u t r o n , h a y c n g s u ấ t l ị , s è t ă n g l ê n e = , l ầ n C h u k ỳ T g i ả m t h e o đ ộ p h ả n ứ n g p , n g h ĩ a l c h ỉ c ầ n l ò l ệ c h k h ỏ i t r n g t h i t i h n đ ô i c h ú t , c h u k ỳ T c ó t h ể r ấ t n g ắ n v l ị k h n g t h ể đ i ề u k h i ể n đ ợ c \ ' ì c n g s u ấ t t ă n g q u n h a n h v q u n t í n h c ủ a c c t h a n h đ i ề u k i ê n k h ô n g đ p ứ n g k ị p

C h ẳ n g h n , v ì m ộ t l ý d o n o đ ó k t ă n g t ( l ò t r n g t h i t i h n ) l ê n 1 , 0 ( p = , 0 ) V i Ip = ~ ^ s , T s ẽ b ằ n g , s , n g h ĩ a l m ậ t đ ộ n e u t r o n h a y c ô n g s u ấ t s ẽ t ă n g t h e o c ô n g t h ứ c

n ( t ) = n (0) e x p -0^1,

n ê n c h i s a u s , c ô n g s u ấ t l ò s è t ă n g v ọ t l ê n e x p ( l O ) = 2 0 l ầ n !

4.1.4 Vai trò neutron trễ

180 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN

T r o n g t í n h t o n l ị p h ả n ứ n g , n e u t r o n t r ễ t h n g đ ợ c p h â n t h n h sáu n h ó m v i c c đ ặ c t r n g n h t r ê n b ả n g P h ầ n đ ó n g g ó p rir m ỗ i n h ó m đ ợ c k ý h i ệ u l p i, v đ ó n g g ó p t ổ n g ^ Pj = p = , 0 t r o n g tr n g h ợ p p h â n h c h t r ê n T u y p h ầ n đ ó n g g ó p v ề s ố l ợ n g n e u t r o n k h ô n g l n , n h n g v ì c h ú n g đ ợ c p h t r a c h ậ m h n r ấ t n h i ề u s a u m i đ ộ n g tác p h â n h c h d o c c đ n g v ị p h t n e u t r o n t r ễ c ó c h u k ỳ b n r ã đ ế n h n g c h ụ c g i â y t r l ê n ( b ả n g ) , n ê n c h ú n g s ẽ đ ó n g g ó p p h ầ n c h ủ y ế u g iú p k é o d i v ò n g đ i t r u n g b ì n h c ủ a n e u t r o n t r o n g l ò

B ản g Đặc trưng nhóm neutron trễ phân hạch neutron nhiệt.

N h ó m Ti/2, S

H ằ n g s ố p h â n rã, s~

En, k e V

s ố n e u tro n /p h â n h c h

p h ầ n đ ó n g góp j3i

5 ,7 2 0 ,0 4 2 0 0 ,0 0 52 0 ,0 0 215 2 ,7 2 0 ,0 5 5 0 0 ,0 6 0,001 424

6,22 0,111 4 5 0 ,0 10 0,001 274

2 ,3 0 0,301 4 0 0 ,0 24 0 ,0 568

0,61 1,14 , 0 1 82 0 ,0 0 748

0 ,2 3 3,01 0,000 66 0 ,0 0 273

Tổng 0 ,0 8 0 ,0 5

N h v ậ y , c ầ n p h â n b i ệ t h a i l o i n e u t r o n đ ợ c s i n h r a t r o n g l ò p h ả n ứ n g : t ứ c t h i v t r ễ V ò n g đ i Ip t í n h t r ê n đ â y l c h o n e u t r o n t ứ c th i ( p : p r o m p t ) V i s ự c ó m ặ t c ủ a n e u t r o n t r ễ , v ò n g đ i n e u t r o n t r o n g lò p h ả n ứ n g s ẽ l n h n n h i ề u , n h đ ó h ệ t h ố n g đ i ề u k i ể n t ự đ ộ n g m i t h e o k ị p c c q u t r ì n h c h u y ể n t i ế p v l m c h o l ị c ó t h ể đ i ề u k h i ê n đ ợ c N h n g đ i ề u n y c h ỉ đ ú n g k h i p < p T h ậ t v ậ y , v ì p h ầ n n e u t r o n t ứ c th i t r o n g l ò l (1 - P ) n ê n l ò s ẽ đ t đ ế n t r n g t h i t i h n v i r i ê n g n e u t r o n t ứ c t h i k h i :

h a y :

P = p

T r n g t h i n y c ủ a l ò đ ợ c g ọ i l t r n g t h i t i h n t ứ c t h i ( p r o m p t c r i t i c a l ) , v k h i p > p , v ò n g đ i n e u t r o n r ấ t n g ắ n k h i ế n c ô n g s u ấ t l ị c ó t h ể t ă n g v ọ t t r o n g t h i g i a n r ấ t n g ắ n v l ò I d i ô n s đ i ề u k h i ể n đ ợ c , n h ư đ ã n ó i m ụ c t r c D o p c ó ý n g h ĩ a q u a n t r ọ n g n h t h ế n ê n n ó đ ợ c d ù n g l m đ n v ị đ o đ ộ p h n ứ n g , g ọ i l đ ô l a , s C h o n ê n k h i l ò đ a n g h o t đ ộ n g c ầ n t r n h đ a v o m ộ t h ệ s ố đ ộ p h n ứ n s l n h n p h a y l n h n 1$ ( t r c c l ò n g h i ê n c ứ u l m v i ệ c t h e o c h ế đ ộ x u n s đ ó n s i t a đ a v o m ộ t đ ộ p h ả n ứ n g p > p l m c h o t h ô n a l ợ n s d ò n n e u t t - o n t ă n g l ê n r ấ t c a o - o n g t h i g i a n r ấ t n g ấ n r i h x u ố n g n g a y )

D o c ó đ ó n g g ó p c ủ a n e u o n t r ề , p h n s t r ì n h đ ộ n g h ọ c l ò p h a n ứ n a s è p h ứ c t p h n c ô n g t h ứ c ( ) n h i ề u v l i g i i ( x e m c c s c h t h a m k h a o v ề l ò p h n ứ n g ) t n s đ ổ i p h ứ c t p ỏ đ â y t a c h i x é t n h n a q u t r ì n h c h u y ê n t i ế p c h ậ m k h i l ò h o t đ ộ n g t n s đ ố i ổ n đ ị n h , p h n g t r ì n h đ ộ n g h ọ c l ò l ú c n y s è c ó d n g đ n 2Ì ả n g ầ n g i ổ n n h ( ) :

( )

Chưong NHÀ MÀY ĐIỆN HẠT NHÂN

d n d t

t r o n g đ ó A e f f l t h ô n g s ố đ ặ c t r n c h o v ò n g đ i n e u o n c ó k ê đ ế n p h ầ n đ ó n g e ó p c ủ a n e u o n t r ề :

Ằ, v i

N h v ậ y , v i v a i t r ò c ủ a n e u t r o n đ ợ c l m c h ậ m c ù n g \ i s ự đ i ê u tiết c ủ a n e u t r o n t r ễ , p h ả n ứ n g p h â n h c h d â y c h u y ề n t r o n g l ò p h ả n ứ n g có t h ể đ i ề u k h i ể n đ ợ c m k h ô n g t h ể p h t n ổ l n t r o n g t h i g a n c ỡ phần t r i ệ u g i â y n h t r o n g b o m n g u y ê n t , n i m n e u t r o n p h â n h c h t ứ c thời k h ô n g đ ợ c l m c h ậ m v d o k h ô n g c ó n e u t r o n t r ễ n ê n v ò n g đ i n e u tr o n r ấ t n g ắ n T u y n h i ê n , l ò p h ả n ứ n g c ó t h ể b ị n ổ t r o n g c c t a i n n đ i ệ n hạt n h â n d o k h í h y d r o h o ặ c d o n ổ h i n c , n h ữ n g v ụ n ổ n y c ó t h ể p h vỡ n h l ò v t u n g c h ấ t p h ó n g x r a m i t r n g

4.2 Cơ CHÉ PHẢN HỒI TRONG LÒ PHẢN ỨNG 4.2.1 Độ phản ứng thay đổi theo nhiệt độ

G i ả t h , v ì m ộ t l ý d o n o đ ó , n h i ệ t đ ộ c h ấ t t ả i n h i ệ t t ă n g l ê n k h i l ò p h àn ứ n g đ a n g h o t đ ộ n g L ú c ấ y c c t h ô n g s ố v ậ t l ý l ò s ẽ t h a y đ ổ i k é o th e o s ự t h a y đ ổ i h ệ s ố n h â n n e u t r o n h i ệ u d ụ n g v đ ộ p h ả n ứ n g N ế u k e f f v p t ă n g l ê n , p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n s ẽ m n h h n l m c h o n h i ệ t đ ộ t i ế p tục t ă n g T r o n g t r n g h ợ p n y t a c ó c c h ế p h ả n h i d n g v q u t r ìn h c ó t h ể t i ế p t ụ c p h t t r i ể n t h n h m ộ t k ị c h b ả n k h ô n g m o n g m u ố n N g ợ c l i , n ế u l ú c ấ y k e f f v p g i ả m , t a s ẽ c ó c c h ế p h ả n h i â m , t ố c đ ộ p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n s ẽ g i ả m l m c h o n h i ệ t đ ộ c h ấ t t ả i n h i ệ t g i a m , v c c h ế p h ả n h i â m n y c ó x u h n g đ a l ò t r l i t r n g t h i b a n đ ầ u Đ i l o n g — đ c g o i l h ê s ố n h i ê t đ ô c ủ a đ ô p h ả n ứ n g n ó c ó g i tn

Ơ T

d n g t r o n g t r n g h ợ p t h ứ n h ấ t , v â m t r o n g t r n g h ợ p t h ứ h a i L ò p h ả n ứ n g s ẽ đ ợ c ô n đ ị n h v a n t o n n ế u c ó h ệ s ố n h i ệ t đ ộ â m Đ n g n h i ê n , đ â y c h ỉ x é t n h ữ n g b i ế n đ ổ i n h ỏ , n ế u n h i ệ t đ ộ đ ộ t n g ộ t t ã n g lên r ấ t m n h t r o n g n h ữ n g t r n g h ợ p x ả y r a s ự c ố , c c h ế p h a n h i â m v ẫ n k h ô n g t h ê đ a l ò t r l i t r n g t h i b a n đ ầ u

T i s a o k h i n h i ệ t đ ộ c h ấ t t ả i n h i ệ t t h a y đ ổ i s ẽ l m c h o đ ộ p h a n ứ n g th a y đ ổ i ? Đ ê d ễ l ậ p l u ậ n t a h ã y x é t đ i ề u g ì s ẽ x ả y r a k h i n h i ệ t đ ộ c h ấ t tài n h i ệ t t ă n g

Chưang NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÀN 183

T r c h ế t , n ă n g l ợ n g c h u y ể n đ ộ n g n h i ệ t t r u n g b ì n h c u a n e u t r o n t ă n g k h i ế n t i ế t d i ệ n p h ả n ứ n g n e u o n n h i ệ t ê n c c h t n h n t r o n g c h ấ t l m c h ậ m v c h ấ t t ả i n h i ệ t g i m đ i t h e o q u y l u ậ t 'v ( x e m ) Y e u t ố n y c ó t h ể l m c h o n e u t r o n đ ợ c s d ụ n g n h i ề u h n t r o n g n h i ê n l i ệ u , t h a s ố f o n e ( ) s è t ă n e k é o t h e o t ố c đ ộ p h n ứ n g d y c h u y ề n t ă n g T h ứ h a i , c h u y ể n đ ộ n g n h i ệ t c u a c c h t n h â n u r a n i o n g n h i ê n l i ệ u s ẽ m n h l ê n l m c h o c c v c h h ấ p t h ụ c ộ n s h n s " ' * n ỡ r ộ n g h n t h e o h i ệ u ứ n s D o p p l e r , k h i ấ y h ấ p t h ụ c ộ n h n s n e u t r o n t r o n g U '" * s è m n h h n v t h a s ố n h h ấ p t h ụ c ộ n s h n g p o n s h ì n h s è ơ i ả m 2Ó p p h ầ n k ì m h ã m t ố c đ ộ p h a n ứ n g d â y c h u y ề n

H ình M inh họa tượng nỡ rộng vạch cộng hưỡng õ hạt nhân U*'* hiệu ứng Doppler.

H i ệ n t ợ n a n r ộ n g v c h c ộ n g h n t h e o h i ệ u ứ n g D o p p l e r c ó t h è 2Ìa i t h í c h d ự a t r ê n h ì n h m i n h h ọ a C c v c h c ộ n g h n g c h i n h đ ò n s yị

v n h i ề u n e u t r o n c ó n ă n g l ợ n g x a đ ỉ n h c ộ n g h n g đ ợ c h â p t h ụ dễ d n g h n

T h ứ b a , m ậ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m n e u t r o n v c h ấ t t ả i n h i ệ t s ẽ g i ả m d o vật l i ệ u d ã n n c ũ n g g ó p p h ầ n l m c h o t h a s ố f t ă n g v t h a s ố p g i ả m T h ậ t v ậ y , m ậ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m g i ả m d o n h i ệ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m t ă n g s ẽ l m c h o n h i ề u n e u t r o n r i v o v ù n g c ộ n g h n g h n t r o n g q u á t r ì n h l m c h ậ m v n e u t r o n b ị h ấ p t h ụ n h i ề u h n t r o n g n h i ê n l i ệ u , th ù a s ố p s ẽ g i ả m T r o n g k h i đ ó , v ì c h ấ t l m c h ậ m b ị l o ã n g đ i n ê n n e u t r o n c ó x u h n g đ ợ c s d ụ n g n h i ề u h n t r o n g n h i ê n l i ệ u , l m t ă n g t h a s ố f. N h v ậ y , f c ó x u h n g t ă n g v p c ó x u h n g g i ả m k h i n h i ệ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m t ă n g v m ậ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m g i ả m Đ i ề u n y đ ợ c m i n h h ọ a t r ê n h ì n h , đ â y t r ê n t r ụ c h o n h đ n g t h i c ó h a i t h a n g t n g đ n g v i n h a u , đ ó l n g h ị c h đ ả o n h i ệ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m / T h o ặ c t ỷ s ố m ậ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m t r ê n m ậ t đ ộ n h i ê n l i ệ u N ( l m c h ậ m )/N ( n h ỉê n liệu).

T r ê n t r ụ c t u n g đ n g t h i c ó b a t h a n g ; h ệ s ố n h â n n e u t r o n h i ệ u d ụ n g keff, t h a s ố t r n h h ấ p t h ụ c ộ n g h n g p , v t h a s ố s d ụ n g n e u t r o n n h i ệ t f. H ì n h c h ỉ m a n g t í n h m i n h h ọ a , t h a n g t r ê n h a i t r ụ c k h ô n g c ó g i trị t u y ệ t đ ố i P h ố i h ọ p h a i x u h Ó T ig n ó i t r ê n c ủ a h a i t h a s ố f v p s ẽ m c h o h ệ s ố n h â n n e u t r o n h i ệ u d ụ n g keff c ó m ộ t c ự c t r ị , n h m i n h h ọ a trên h ì n h

D o d i ễ n b i ế n h a i t h a s ố f v p t r i n g ợ c n h a u n ê n h ệ s ố n h â n n e u t r o n h i ệ u d ụ n g keff d i ễ n b i ế n t h e o n h i ệ t đ ộ k h c n h a u t r o n g h a i m i ề n n ằ m h a i b ê n c ự c t r ị t r ê n h ì n h m i ề n b ê n p h ả i c ự c t r ị , m ậ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m t r ê n m ậ t đ ộ n h i ê n l i ệ u c a o , k e ff t ă n g k h i n h i ệ t đ ộ t ă n g , đ ộ p h ả n ứ n g c ó h ệ s ố n h i ệ t đ ộ d n g , m i ề n n y , l ò p h ả n ứ n g k h ô n g ô n đ ị n h , n ế u n h i ệ t đ ộ v c ô n g s u ấ t g i a t ă n g , l ị s ẽ c ó t h ê m đ ộ p h ả n ứ n g d n g k h i ế n c ô n g s u ấ t t i ế p t ụ c t ă n g N h n g m i ề n b ê n t r i c ự c t r ị , x u h n g n y s ẽ đ ả o n g ợ c , h ệ s ố n h i ệ t đ ộ c ủ a đ ộ p h ả n ứ n g â m , k h i n h i ệ t đ ộ c h ấ t m c h ậ m t ă n g đ ộ p h ả n ứ n g s ẽ g i ả m , l ò p h ả n ứ n g s è ổ n đ ị n h n h c ó k h ả n ă n g t ự đ i ề u c h ỉ n h Đ ể d ễ p h â n b i ệ t , n g i t a g ọ i p h ầ n b ê n t r i c ự c trị là m i ề n n e u t r o n t r o n g l ò đ ợ c l m c h ậ m k é m ( u n d e r m o d e r a t e d ) N g ợ c l i , p h â n b ê n p h ả i , m ậ t đ ộ c h ấ t l m c h ậ m d i d o h n n e u t r o n đ ợ c

Ihương NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 185

l m c h ậ m q u n h i ề u ( o v e r m o d e r a t e d ) Đ ể t r n h n h ữ n g t a i n n d o đ ộ p h ả n ứ n g , c c t h ô n g s ố l ò p h ả i đ ợ c c h ọ n s a o c h o l ò h o t đ ộ n g m i ề n b ê n t r i , vấn đ ề n y s ẽ đ ợ c x e m x é t t r o n g p h ầ n s a u l i ê n q u a n đ ế n t a i n n đ i ệ n h t n h â n d o đ ộ p h ả n ứ n g ( )

T r ê n đ â y t a c h ỉ đ ề c ậ p đ ế n n h i ệ t đ ộ v n n g đ ộ c h ấ t l m c h ậ m n e u t r o n T u y n h i ê n , v ì t h a n g t r ụ c h o n h c ó c ả t ỷ s ố N ( l m c h ậ m ) /N ( n h ỉê n liệu),

n ê n g i ả n đ t r ê n h ì n h c ũ n g b a o g m c ả n h i ệ t đ ộ v m ậ t đ ộ n h i ê n l i ệ u K h i m ậ t đ ộ n h i ê n l i ệ u g i ả m v n h i ệ t đ ộ n h i ê n l i ệ u t ă n g d o t ố c đ ộ p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n m n h l ê n , h i ệ n t ợ n g n r ộ n g c c v c h c ô n g h n g t h e o h i ệ u ứ n g D o p p l e r s è l m c h o p g i ả m , n e u t r o n b ị h ấ p t h ụ n h i ề u h n l m h ã m t ố c đ ộ p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n

H ìn h 4.2 Diễn biến hệ số keff, p, f nhiệt độ mật độ chất làm chậm neutron thay đổi.

4.2.2 Hệ số rỗng độ phản ứng

ở c c l ò đ ợ c t ả i n h i ệ t b ằ n g n c , s ự t h a y đ i l ợ n g b ọ t n c s è anh h n g đ ế n đ ộ p h ả n ứ n g T r o n g c c l ò v i n c t a i n h i ệ t d i p suất, l ợ n g b ọ t n c c ó t h ể t ă n g l ê n k h i n h i ệ t đ ộ c h ấ t t a i n h i ệ t t ă n g h o ặ c áp s u ấ t g i ả m K h i n c l m c h ậ m c h ứ a n h i ề u b ọ t h n , n e u t r o n s ẽ bị n c h ấ p t h ụ h n l m c h o đ ộ p h ả n ứ n g t h a y đ ổ i M ứ c đ ộ ả n h h n g đ ợ c t í n h t h e o h ệ s ố r ỗ n g b ằ n g t ỷ s ố b i ế n đ ổ i đ ộ p h ả n ứ n g t r ê n b i ế n đói t h ể t í c h b ọ t

H ệ s ố r n g c ó t h ể d n g v â m t ù y t h e o l o i l ò c c l ò t a i n h i ệ t b ằn g n c t h n g d i p s u ấ t , k h i n h i ệ t đ ộ t ă n g c c b ọ t n c c ó t h ê tăng l ê n , m ộ t p h ầ n c h ấ t t ả i n h i ệ t b ị đ ẩ y r a k h ỏ i v ù n g h o t , k h i ế n t ỷ s ố Níỉàm c h ậ m )/N ( n h iê n liệu), g i ả m N ế u l ò h o t đ ộ n g c h ế đ ộ t h u ộ c p h ầ n bẽn t r i h ì n h đ ộ p h ả n ứ n g s ẽ g i ả m , t a c ó h ệ s ố r n g â m N g ợ c l i , c ũ n g c ó t r n g h ợ p t r n g t h i l ò r i v o p h ầ n b ê n p h i h i n h , k h i ấ y h ệ số r n g s ẽ d n g N h l ò R B M K , h ệ s ố r n g d o n g l ấ n t h ệ s ố n h i ệ t độ â m l m c h o t ố c đ ộ p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n t ă n g v ọ t , k h ô n g đ i ề u k h iê n đ ợ c v t a i n n đ ộ p h ả n ứ n g R I A đ ã x ả y r a n h m y C h e m o b y l (x e m c h n g 8)

4.3 ĐỌC TÓ TRONG LÒ PHẢN ỨNG

4.3.1 Vật liệu hấp thụ mạnh neutron dùng điều khiển lò

T r o n g s ố c c v ậ t l i ệ u n y t r c h ế t p h ả i k ể đ ế n c c t h a n h h ấ p t h ụ và đ i ề u k h i ể n c ó t i ế t d i ệ n h ấ p t h ụ n e u t r o n r ấ t c a o đ ợ c d ù n s đ ê b ù tr lại đ ộ p h ả n ứ n g d d o l ợ n g n h i ê n l i ệ u d ự t r n p v o \ i i n g h o t l ú c l ắ p lò. K h i l ò h o t đ ộ n g , l ọ n g n h i ê n l i ệ u d ự t r n y c n d ầ n , l ợ n s đ ộ c tố t r o n g c c t h a n h đ i ề u k h i ê n c ũ n g b t đ i , n g o i r a c c t h a n h đ i ề u k h iẻ n c ũ n g đ ợ c r ú t r a d ầ n k h o i \ ò i n g h o t đ ề b ù t r c h o l ợ n g n h i ê n l i ệ u bị s u y g i ả m T u y r ấ t c ầ n t h i ế t , c c t h a n h đ i ề u k h i ê n c ó n h ợ c đ i ê m c h o n n h i ê u c h ỗ t r o n g v ù n g h o t v l m c h o t r n g n e u t r o n k h ó n a đ ợ c p h â n b ô đ ê u , b ị s ụ t g i a m m n h v ù n g g ầ n t h a n h đ i ề u k h i ê n

Đ ẻ g ó p p h ầ n k h ắ c p h ụ c n h ợ c đ i ể m n y , n g i t a t h n g b ổ s u n g c c đ ộ c t ố k h c n h a c i d b o r i c h ò a t a n v o n c t ả i n h i ệ t B ằ n g c c h t h a y đ ổ i n n g đ ộ đ ộ c t ố h ò a t a n n y n g i t a c ó t h ể đ i ề u c h ỉ n h đ ộ p h ả n ứ n g c ủ a l ò T h ậ t v â y , k h i n n g đ ộ b o r o n h ò a t a n t ă n g l ê n , c h ấ t l m c h ậ m v à t ả i n h i ệ t s ẽ h ấ p t h ụ n h i ề u n e u t r o n h n l m c h o t h a s ố s d ụ n g n e u t r o n n h i ệ t f g i ả m đ i N g ợ c l i , g i ả m n n g đ ộ b o r o n h ò a t a n t r o n g n c t ả i n h i ệ t s ẽ c ó t c d ụ n g g i ố n g n h đ a t h ê m đ ộ p h ả n ứ n g d n g v o l ò T u y n h i ê n c ũ n g c ầ n l u ý r ằ n g s d ụ n g b o r o n h ò a t a n t r o n g n c t ả i n h i ệ t s ẽ k è m t h e o n g u y c t o r a h ệ s ố n h i ệ t đ ộ d n g c h o đ ộ p h ả n ứ n g v ì k h i n h i ệ t đ ộ n c t ă n g l ê n , m ộ t l ợ n g b o r o n h ò a t a n s ẽ b ị đ ẩ y r a k h ỏ i v ù n g h o t l m c h o đ ộ p h ả n ứ n g t ă n g l ê n

4.3.2 Độc tố cháy được

Đ ộ p h ả n ứ n g d k h i l ắ p l ò s ẽ g i ả m d ầ n d o n h i ê n l i ệ u b ị c h y t h e o t h i g i a n Đ e g ó p p h ầ n c â n b ằ n g q u t r ì n h s u y g i ả m n y , n g i t a đ a v o v ù n g h o t c c đ ộ c t ố c h y đ ợ c , c h ú n g l n h ữ n g n g u y ê n t ố / đ n g v ị c ó t i ế t d i ệ n p h ả n ứ n g ( n , y ) r ấ t l n n h g a d o l i n i D o c h y đ ợ c n ê n đ ộ p h ả n ứ n g â m d o c h ú n g đ a v o s ẽ g i ả m d ầ n t h e o t h i g i a n , c â n b ằ n g l i q u t r ì n h g i ả m đ ộ p h ả n ứ n g d n g d o n h i ê n l i ệ u b ị c h y C c đ ộ c t ố c h y đ ợ c n y đ ợ c c h o c h u n g v o v i ê n n h i ê n l i ệ u h o ặ c đ ể r i ê n g , n ê n c h ú n g r ấ t d ễ b ố t r í , n h đ ó g ó p p h ầ n l m đ ề u t r n g n e u t r o n t r o n g v ù n g h o t , k h ô n g đ ể x ả y r a n h ữ n g c h c ó c n g s u ấ t c ụ c b ộ q u c a o h o ặ c q u t h ấ p

4.3.3 Nhiễm độc xenon

T r o n g s ố c c m ã n h v ỡ p h â n h c h c ó đ n g v ị 54X e ’ ^^ h ấ p t h ụ n e u t r o n n h i ệ t r ấ t m n h ( b ả n g ) c ó t h ể t r t h n h đ ộ c t ố g â y n h i ễ m đ ộ c l ò p h ả n ứ n g 54X e " đ ợ c t o r a t r ự c t i ế p n h m ả n h v ỡ p h â n h c h h o ặ c q u a t r u n g g i a n m ộ t m ả n h v ỡ k h c p h â n r ã P “ t h e o s đ s a u :

53I " ' ) X e ’ ' ' 5 5 C s " ' ( b ề n )

Chương NHÀ MẤY ĐĨỆN HẠT NHÂN 187

C h ỉ c ó % l ợ n g đ n g v ị 54X 0*^^ s i n h r a t r ự c t i ế p t p h â n h c h , 95% c ò n l i d o p h â n r ã c ủ a đ n g v ị 53!'^ ^ S a u k h i đ ợ c t o r a , 54X0'^' p h â n r ã P ' t h n h s s C s ’ ^^ h o ặ c h ấ p t h ụ n e u t r o n n h i ệ t p h t r a t i a y th eo p h ả n ứ n g c h i ế m b ứ c x ( n , y ) :

5 X e '^ '+ o n ' 55X6*^^ + Ỵ (4.11)

P h ả n ứ n g n y c ó t i ế t d i ệ n r ấ t l n , = 0 0 b a m s , n ê n 54X0’^^ là m ộ t đ ộ c t ố t r o n g l ò v l m g i ả m đ ộ p h ả n ứ n g c ủ a l ò L ợ n g đ ộ c t ố n ày b ị m ấ t đ i d o p h â n r ã p h ó n g x v i c h u k ỳ , h v d o h ấ p t h ụ n e u tr o n t h e o p h ả n ứ n g ( 1 ) , n h n g l i l u ô n đ ợ c t í c h l ũ y c h ủ y ê u d o p h â n rã p h ó n g x c ủ a 53!'^^ v i c h u k ỳ , h N n g đ ộ 54X 0'^^ đ t đ ế n g i trị ổn đ ị n h k h i l ợ n g s i n h r a c â n b ằ n g v i l ợ n g m ấ t đ i T í n h t o n p h n g t r ì n h đ ộ n g h ọ c t h e o s đ ( ) s ẽ c h o r a c ô n g t h ứ c s a u đ â y đ ố i v i n n g đ ộ đ ộ c t ố 54X 6*^^ c â n b ằ n g t r o n g l ò :

188 AW TOÂN ĐiỆN HẠT NHầM

( a x e + a t ) T 0 N x e (câ n b ằ n g ) = — —

^ x e +

(4 12)

t r o n g đ ó a xe v a i l t ỷ s u ấ t p h â n h c h c ủ a h a i đ n g v ị X e ’ ^^ v l ’^^, Ầ x e v ơxe l h ằ n g s ố p h â n r ã v t i ế t d i ệ n c h i ế m n e u t r o n c ủ a đ n g v ị X e ’ ^^, E f l t i ế t d i ệ n p h â n h c h v ĩ m ô b ằ n g t i ế t d i ệ n p h ả n ứ n g p h â n h c h ( v i m ô ) n h â n v i n n g đ ộ h t n h â n p h â n h c h , v o l t h ô n g lư ợ n g n e u t r o n t r o n g l ò Đ i ề u đ n g c h ú ý t r o n g c ô n g t h ứ c t r ê n l n n g đ ộ đ ộ c t ố 54X e '^ ^ c â n b ằ n g t ă n g l ê n t h e o t h ô n g l ợ n g n e u t r o n t r o n g l ò , h a y c ô n g s u ấ t l ò , n h n g k h ô n g t ă n g t u y ế n t í n h V ì n n g đ ộ 54X e '^ ^ t o n ê n đ ộ p h ả n ứ n g â m n ê n k h i t ă n g c ô n g s u ấ t l ò l ê n g i t r ị d a n h đ ị n h n g i ta p h ả i l u ý đ ế n q u y l u ậ t d i ễ n b i ế n n y

S ả n p h ẩ m p h â n h c h 54X 0'^^ c ũ n g đ ó n g v a i t r ò đ ặ c b i ệ t q u a n t r ọ n g sa u k h i l ò d n g L ú c n y 54X 0'^^ k h ô n g t r ự c t i ế p s i n h r a t p h â n h c h m à c ũ n g k h ô n g b ị m ấ t đ i d o h ấ p t h ụ n e u t r o n n h i ệ t N ó c h ì đ ợ c s i n h r a từ

53!'^^ v m ấ t đ i d o t ự n ó p h â n r ã p h ó n g x P h n g t r ì n h đ ộ n g h ọ c lú c n y s ẽ c ó d n g đ n g i ả n

d N v

Chuong NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 189

V ì 53!'^ ^ p h â n r ã n h a n h h n 54X 0'^^ n ê n 54X6*"*^ s ẽ t ă n g l ê n t r o n g t h i g i a n đ ầ u r i đ t đ ế n c ự c đ i k h i h a i s ố h n g t r o n g v ế p h ả i c ủ a c ô n g t h ứ c t r ê n c â n b ằ n g n h a u ( k h o ả n g - 1 h ) T h ô n g l ợ n g n e u t r o n t r c k h i h l ò c n g l n , l ợ n g 53!'^ ^ c n g n h i ề u v n n g đ ộ c ự c đ i c u ả 54X6*^^ c n g c a o S a u k h i d n g l ò , t ố c đ ộ s i n h r a b é h n t ố c đ ộ m ấ t đ i , n ê n n n g đ ộ 54X6*^^ s ẽ g i ả m d ầ n v t r i ệ t t i ê u s a u m ộ t k h o ả n g t h i g i a n đ ủ l n s o v i c h u k ỳ b n r ã c ủ a n ó

H ình Diễn biến độ phản ứng âm sản phẩm phân hạch

5 4X6*^* sau dừng lò.

N h ữ n g đ i ề u v a n ó i đ ợ c m i n h h ọ a t r ê n h ì n h Đ ộ p h ả n ứ n g â m t r ê n t r ụ c t u n g đ ợ c đ o b ằ n g đ n v ị ô k / k ỏ n h ữ n g l ò n ă n g l ợ n g t h ô n g d ụ n g , t h ô n g l ợ n g n e u t r o n c ô n g s u ấ t d a n h đ ị n h v o k h o ả n g 10'^ n /c m ^ s , đ ộ p h ả n ứ n g â m c â n b ằ n g t í n h t c n g t h ứ c v o k h o ả n g 0 , ô k / k , s a u k h i d n g l ị n ó t ă n g l ê n c h ú t í t , đ t đ ế n c ự c đ i r i g i ả m d ầ n v t r i ệ t t i ê u s a u v i c h ụ c g i

190 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN

N g o i X e ' ^ ^ t r o n g s ố c c s ả n p h ẩ m p h â n h c h c ò n c ó S m c ũ n g c ó thể l m c h o l ò p h ả n ứ n g b ị n h i ễ m đ ộ c d o c ó t i ế t d i ệ n h â p t h ụ n e u t r o n n h iệt r ấ t c a o , , E b a r a s T u y n h i ê n , m ứ c n h i ễ m đ ộ c d o í t h n X e ‘^ l

4.4 TẢI NHIỆT NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

4.4.1 Chính sách phát triển loại lò phản ứng lượng

N h ữ n g h i ể u b i ế t k h t h ấ u đ o v ề c c h ế p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n , đ ộ n g h ọc v a n t o n l ò p h ả n ứ n g đ ã g i ú p c h ế t o r a n h i ề u k i ể u l ò p h ả n ứ n g n ă n g l ợ n g k h c n h a u t r ê n t h ế g i i S ự k h c n h a u v ề c ấ u t r ú c l ò v g i ả i p háp k ỹ t h u ậ t t r o n g t ả i n h i ệ t l ú c b ì n h t h n g c ũ n g n h k h i x ả y r a s ự c ố p hản á n h t ầ m n h ì n c ủ a c c h ã n g c h ế t o t r o n g s d ụ n g n ă n g l ợ n g h t n hân m h ọ s ẽ t h e o đ u ổ i đ ể m i n h c h ứ n g c h o n h ữ n g đ ầ u t l n b a n đ ầ u v b ảo đ ả m l ợ i t h ế c n h t r a n h t r o n g t n g l a i C ô n g t h ứ c c c l ò p h ả n ứ n g n ă n g l ợ n g x o a y q u a n h b a y ế u t ố c b ả n : đ ộ g i u u r a n i u m t r o n g n h i ê n liệ u , c h ấ t l m c h ậ m n e u t r o n v v ậ t l i ệ u t ả i n h i ệ t

V i ệ c c h ọ n c ô n g t h ứ c n o n h i ề u k h i c ò n x u ấ t p h t t t h ự c l ự c c ô n g n g h ệ c ủ a t n g n c C h ẳ n g h n , C a n a d a c h ọ n l o i l ò n c n ặ n g C A N D Ư để t r n h k h â u l m g i u u r a n i u m , đ n g t h i c ũ n g t r n h k h ó k h ă n k h i ch ế t o n h ữ n g t h ù n g l ò v v ỏ l ò l n c h ị u p s u ấ t c a o , n h c ô n g t h ứ c lò n c n é n ( P W R ) v n c s ô i ( B W R )

C ô n g t h ứ c t h i ế t k ế n h i ề u k h i c ò n t h ế h i ệ n c h í n h s c h q u ố c g i a , đ ặ c b iệl t r o n g v ấ n đ ề a n n i n h n ă n g l ợ n g v n h i ê n l i ệ u C h ẳ n g h n , v i p h ả i th e c đ u ổ i c h í n h s c h h t n h â n l ỡ n g d ụ n g n ê n L i ê n X ô ( c ũ ) t r c đ â y đ í p h t t r i ể n c ô n g t h ứ c đ ộ g i u u r a n i u m t h ấ p + g r a p h i t l m c h ậ m n e u tr o r + n c t h n g t ả i n h i ệ t , c ô n g t h ứ c n y t h ể h i ệ n l ò R B M K N hưriỄ b ê n c n h đ ó , p h n g n c h í n h v ẫ n l l ò n c n é n W W E R đ ẻ g i a i q u y ế n h u c â u đ i ệ n n ă n g

v ũ k h í h t n h â n S a u k h i n h ậ p m ộ t n h m y đ i ệ n h t n h â n t h e o c ô n g t h ứ c n c n é n từ M ỹ , Á n Đ ộ t h e o đ u ổ i c o n đ n g r i ê n g c ủ a m ì n h d ù n g u r a n i u m t h i ê n n h i ê n + n c n ặ n g t ả i n h i ệ t , n ộ i đ ị a h ó a c ô n g n g h ệ l ò C A N D U c ủ a C a n a d a N h t h e o c ô n g t h ứ c n y , Ấ n Đ ộ đ ã t í c h l ũ y đ ợ c P u đ ể l m v ũ k h í N h n g c c l ò C A N D U n ộ i đ ị a h ó a c ủ a Ấ n Đ ộ c ó c ô n g s u ấ t b é , k h ô n g q u 0 M W e , n ê n c h n g t r ì n h đ i ệ n h t n h â n d ự a t r ê n n ộ i l ự c k h ô n g đ p ứ n g đ ợ c y ê u c ầ u p h t t r i ể n k i n h t ế C u ố i c ù n g , Ấ n Đ ộ p h ả i c h u y ể n s a n g m u a c c l ò n c n é n c ủ a N g a , M ỹ v P h p v ó i c ô n g s u ấ t h n g n g h ì n M W e  n Đ ộ l i c ò n k i ê n t r ì p h t t r i ê n l ò n e u t r o n n h a n h , v t r t h n h n c t h ứ h a i , s a u N g a , t h e o đ u ổ i k h t h n h c ô n g p h n g h n g n y Ắ n Đ ộ c ũ n g đ ợ c x e m n h t i ế n k h x a t r o n g p h n g h n g s d ụ n g t h o r i u m r ấ t d i d o t r o n g t h i ê n n h i ê n đ ể c h ế t o n h i ê n l i ệ u h t n h â n

T r u n g Q u ố c c ũ n g l n c đ i s a u , n h n g g ầ n đ â y đ ã n h a n h c h ó n g t i ế n l ê n v ị t r í h n g đ ầ u t r o n g đ ầ u t x â y d ự n g đ i ệ n h t n h â n s a u k h i đ ã n ộ i đ ị a h ó a t h n h c ô n g c c l ò n c n é n n h ậ p t N g a , P h p v M ỹ

B ấ t l u ậ n t h e o c ô n g t h ứ c n o , b ê n c n h n h ữ n g l ợ i t h ế đ ề u c ó n h ữ n g b ấ t l ợ i k è m t h e o c i g i p h ả i t r ả , n h ấ t l v ề l â u d i N c A n h p h t t r i ể n r ấ t s m l o i l ị k h í n h i ệ t đ ộ c a o n h ằ m m ụ c đ í c h n â n g c a o h i ệ u s u ấ t s d ụ n g n h i ệ t n ă n g t p h ả n ứ n g d â y c h u y ề n s o v i c c l ò t ả i n h i ệ t b ằ n g n c N h n g p h n g n n y đ ã c h ấ m d ứ t n g a y t r o n g t h ậ p k ỷ , rir đ ó A n h q u ố c k h ô n g x â y t h ê m l ò n o c h o đ ế n t ậ n g ầ n đ â y m i q u y ế t đ ị n h n h ậ p l ò n c n é n t c c c n g q u ố c h t n h â n k h c đ ể t h ự c h i ệ n c a m k ế t g i ả m p h t t h ả i k h í n h k í n h , L i ê n X ô ( c ũ ) l ị R B M K k h n g t h ê t i ế p t ụ c p h t t r i ể n s a u t a i n n C h e m o b y l ( )

C h o đ ế n n a y , h a i l o i l ò n c n é n v n c s ô i đ a n g c h i ế m p h ầ n p đ a o t r ê n t h ế g i i N h n g s a u t a i n n F u k u s h i m a n ă m 1 V Ớ I c c l ò n c s ô i d o G E v H i t a c h i c h ế t o , n h ữ n g đ n đ ặ t h n g m i t r o n g v i n ă m g ầ n đ â y đ ề u c h u y ê n s a n g l ò n c n é n

C c t h ô n g s ố c b ả n c ủ a h a i l o i l ò n c n é n v l ò n c s ô i đ i ê n hinh. c ô n g s u ấ t 0 M W e , đ ợ c t r ì n h b y t r ê n b ả n g Q u y m ô v các t h ô n g s ố c b ả n c ủ a h a i l o i l ò k h g ầ n n h a u , s o n g đ i v o c h i t i ê t cũ n g d ễ t h ấ y n h ữ n g k h c b i ệ t k h r õ N g a y d i đ â y s ẽ g i i t h i ệ u b ố trí các h ệ t h ố n g t ả i n h i ệ t l ò n c n é n v n c s ô i d ự a t r ê n c c t i l i ệ u huấn l u y ệ n c ủ a U S N R C C h i t i ế t v ề c ấ u t r ú c c c h ệ k ỳ t h u ậ t h a i l o i lị có t h ể x e m t h ê m h a i c h n g v ề t a i n n đ i ệ n h t n h â n T h r e e M i l e Isla n d ( P W R ) v F u k u s h i m a ( B W R )

4.4.2 Tải nhiệt lò nước nén lò hoạt động bình thường

N h m y đ i ệ n h t n h â n d ù n g l ò n c n é n c ó h a i v ò n g t ả i n h i ệ t tuần h o n N c t r o n g v ò n g t ả i n h i ệ t s c ấ p p s u ấ t c a o , k h o ả n g M P a , đ ợ c b o T n t u ầ n h o n v o l ò p h ả n ứ n g , n ó n g l ê n s a u k h i đ i q u a v ù n g h o t đ ế n k h o ả n g 324°c, n h i ệ t đ ộ n y t h ấ p h n n h i ệ t đ ộ h i b ã o h ò a nên n c k h ô n g s ô i Á p s u ấ t n c t r o n g h ệ t ả i n h i ệ t s c ấ p đ ợ c t o và đ i ề u k h i ể n b ằ n g h ệ đ i ề u p

B ì n h đ i ề u p c h ẳ n g n h ữ n g t o r a p s u ấ t c a o đ ể b ọ t n c k h ô n g thê h ì n h t h n h b ê n t r o n g h ệ s c ấ p m c ò n l p h n g t i ệ n đ i ề u k h i ể n áp s u ấ t n c b ê n t r o n g h ệ t h ố n g s c ấ p q u a c c h ế p h n h i g i ữ a n ó vớ i n c t r o n g t h ù n g l ò Á p s u ấ t c a o c ó đ ợ c d o n c đ ợ c đ u n n ó n g b ằ n g l ò đ i ệ n đ ặ t c h i m b ê n t r o n g b ì n h Á p s u ấ t đ ợ c đ i ề u k h i ể n q u a d ò n g đ iệ n đ u n n c v c c v ò i x ả K h i c ó t í n h i ệ u p s u ấ t g i a m , m y đ u n n c b ằ n g đ i ệ n s ẽ đ ợ c k í c h h o t m n h l ê n v b m n h i ề u n c n ó n g v o làm c h o p s u ấ t n c t ả i n h i ệ t t ă n g l ê n N e u p s u ấ t g i ả m x u ố n g d i m ứ c c h o p h é p , h ệ t h ố n g b ả o v ệ s ẽ n h ậ n đ ợ c t í n h i ệ u d ậ p l ò k h ả n c ấ p N c t r o n g b ì n h đ i ề u p t n t i h a i p h a c â n b ằ n g , n c v h i N ế u á p s u ấ t n c t r o n g h ệ t ả i n h i ệ t s c ấ p h x u ố n g , l ệ c h k h o i t r ị s ố m o n g m u ố n d o n h i ệ t đ ộ v ù n g h o t t ă n g l ê n , t ỷ t r ọ n g n c s ẽ e i a m n c cân n h i ề u k h ô n g g i a n h n đ ê g i ã n n , n ó s ẽ g i ã n n v o p h ầ n t r ê n m y đ iê u á p l m c h o p h a h i t r o n g đ ó c o l i v p s u ấ t t ă n g l ê n Ọ u t r i n h n g ợ c l i s ẽ x ả y r a k h i n h i ệ t đ ộ t r o n g v ù n g h o t g i m

Chưong NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 193

H ình 4 Hệ thống điều áp lò nước nén

(Nguồn: U.S NRC Technical Training Center 0603).

N e u Cơ c h ế t ự p h ả n h i t r ê n đ â y c h a đ ủ h i p h ụ c p s u ấ t , c c h ệ t h ố n g h t r ợ g ắ n v o m y đ i ề u p s è k í c h h o t đ a p s u ấ t t r l i b ì n h t h i i s C h ẳ n g h n , n ế u p s u ấ t t ă n g v ợ t q u m ứ c c h o p h é p , n c n g u ộ i s ẽ đ ợ c t i v o v ù n g c h ứ a h i l m c h o h i n g n g t ụ , t h ể t í c h p h a h i s è g i m ( d o p h a h i c h i ế m t h ể t í c h s u l ầ n l n h n p h a n c c ù n í ĩ k h ố i l ọ n g ) N ế u k h i ấ y , p s u ấ t v ẫ n c ò n c a o , v a n c ứ u t r ợ h o ặ c \ a n a n t o n s ẽ k í c h h o t x h i n c t r o n g b ì n h đ i ề u p r a b ề n c c ứ u t r ợ V a n c ir i i t r ợ v v a n x ả a n t o n n ằ m b ê n t r ê n b ì n h đ i ề u p ( h ì n h ) V a n c ứ u i r ọ đ ợ c đ i ề u k h i ê n b ằ n g đ i ệ n t v t h n g đ ợ c k ý h i ệ u l P O R \ ' ( P i l o t - O p e r a t e d R e l i e f V a l v e ) V a n x ả a n t o n t ự đ ộ n g m k h i p s u ấ t t r o n g h ệ SO’ c ấ p q u c a o , P O R V t ự đ ộ n g m p s u ấ t t h ấ p h o n

V ò n g t u ầ n h o n s c ấ p đ ẩ y n c đ ế n b ì n h s i n h h i , t i đ â y n c tro n g v ò n g s c ấ p t r u y ề n n h i ệ t c h o n c v ò n g t h ứ c â p q u a d n ô n g t r a o đ ôi n h i ệ t , s a u đ ó đ ợ c b m q u a y l i v ù n g h o t , ỏ l ố i v o v ò i n g h o t , n c n g u ộ i đ i n h i ề u , c ò n k h o ả n g 290°c V ì v ậ y , l ố i v o v ò i n g h o t c ò n đ ợ c g ọ i l c h â n l n h , c ò n l ố i r a đ ợ c g ọ i l c h â n n ó n g T h i ế t b ị đ i ề u p đ ợ c n ố i v i c h â n n ó n g

T ù y t h e o c ô n g s u ấ t n h m y , h ệ s c ấ p c ó t h ể g m , , h o ặ c n h n h t ả i n h i ệ t v ù n g h o t , m ỗ i n h n h c ó b ì n h s i n h h i r i ê n g N c t r o n g h ệ sơ c ấ p c ó đ ộ t i n h k h i ế t k h c a o , t u y n h i ê n v ẫ n b ị n h i ễ m x d o b ị k í c h h o t n e u t r o n , n ê n t h n g x u y ê n c ó m ộ t p h ầ n n c h ệ s c ấ p đ ợ c t r í c h đ ể k h k h o n g v k h p h ó n g x ( b ố t r í t r o n g n h p h ụ b ê n t r i n h lị, h ì n h ) , s a u đ ó c h o q u a y l i h ò a c h u n g v o h ệ T o n b ộ h ệ s c ấ p b a o g m t h ù n g l ò c h ứ a v ù n g h o t , m y đ i ề u p , b ì n h s i n h h i , b m n c và h ệ đ n g ố n g v ò n g s c ấ p đ ợ c đ ặ t t r o n g b o o n g k e n h l ò d i p su ấ t â m N h l ò p h ả i r ấ t k í n , v đ â y l t i ê u c h u ẩ n q u a n t r ọ n g b ả o đ ả m an t o n l ò p h ả n ứ n g

ở v ò n g t ả i n h i ệ t t h ứ c ấ p , n c c ấ p đ ợ c b m v o b ì n h s i n h h i , t i đ â y q u a h ệ t h ố n g ố n g t r a o đ ổ i n h i ệ t v i h ệ t ả i n h i ệ t s c ấ p , n c s ẽ h ó a h i, h i n c đ ợ c đ a v o m y t u a b i n k ế t n ố i v i m y p h t đ i ệ n L ợ n g h i v o m y t u a b i n c n g n h i ề u k h i c ô n g s u ấ t l ò c n g l n B ì n h s i n h h i c ó h n 0 ố n g t r a o đ ổ i n h i ệ t , m ỗ i ố n g c ó đ n g k í n h m m , m b ằ n g v ậ t l i ệ u c h ố n g c h ị u ă n m ò n v b o m ò n n h h ợ p k i m 0 M A h o ặ c t h é p k h ô n g g ỉ

S a u k h i r a k h ỏ i b ì n h s i n h h i , h i đ i v o t u a b i n c a o p , t r ê n đ n g đ i c ó đ ặ t m ộ t s ố v a n a n t o n v v a n c ứ u t r ợ T r o n g t r n g h ợ p p s u ấ t h i q u c a o , v a n c ứ u t r ợ s ẽ m r a x ả h i v o k h n g k h í P h ầ n h i c ò n lạ i s a u k h i q u a t u a b i n c a o p c ó đ ộ ẩ m c a o đ ợ c đ a v o b ộ p h ậ n t c h ẩ m v s ấ y M ộ t p h ầ n h i t r í c h r a t t u a b i n c a o p đ ợ c s d ụ n a n h n g u n n h i ệ t c h o t h i ế t b ị s ấ y , c c h l m n y t i ế t k i ệ m h i , g ó p p h ầ n n â n g c a o h i ệ u s u ấ t n h m y S a u đ ó , h i t i ế p t ụ c đ i v o t u a b i n t h ấ p p

Chưong NHA MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 195

■ y m

— % — I J

Hình 4.5 Sơ đồ hệ tải nhiệt sơ cấp thứ cấp õ lị nưóc nén

1 - lị vùng hoạt - bình điều áp - bình sinh hoi - van xã an tồn. 5 - tu a b ÌD chinh 6 - ngưng - đun nóng nước ỡ áp suất cao. 8 - đun nước áp suất thấp - sấỵ hoi 10 - khừ khoáng 11 - phát điện.

(Nợuồn: u s \ R C Technical Training Center 0ị03ì

S a u k h i q u a t u a b i n t h ấ p p h i n c đ ợ c n s i m g t ụ t h i ế t b ị n s n s n h c ó n c l m m t t a i n h i ệ t r a m i trư Ị T iơ t a n n h i ệ t n h s ô n g , b i è n h o ặ c t h p l m n g u ộ i N c n s n s a u đ ó đ ợ c b m q u a h ệ l m s c h đ è l o i b o c c c h ấ t b n c h ú n c ó t h è l ắ n s đ ọ n a v ă n m ò n c c ố n s t r a o đ ô i n h i ệ t l m h h ỏ n s t h i ế t b ị s i n h h i N c n a i r n s s a u đ ó đ ợ c b o m q u a h ệ g i a n h i ệ t p s u ấ t t h ấ p , t i đ â y n h i ệ t đ ộ n ó c n g n g t ă n s l è n n h ờ đ ợ c đ u n n ó n g b n s h i t r í c h r a rir t u a b i n t h ấ p p T đ y n c n g n g được máy boTn nước cấp chinh cua ^•ịns thứ cấp hút \'ào làm cho áp s u ấ t t ă n s l è n đ u m ứ c c ó t h è c h o q u a y t r l i b ì n h s i n h h i s a u k h i đ ọ c g i a n h i ệ t m ộ t l ầ n n ữ a

196 AN TOAN ĐIỆN HẠT NHÂl

đ ợ c đ ặ t t r o n g c ù n g n h v i m y t u a b i n k h ô n g c ó y ê u c â u đ ặ c b i ệ t vé b ả o v ệ p h ó n g x , k í n v c h ị u ứ n g l ự c c a o n h n h l ò

T r o n g b ì n h s i n h h i , đ ê n h i ệ t t r u y ề n đ ợ c rir v ò n g s c â p s a n g v ò n g th ú c ấ p , c h ê n h l ệ c h n h i ệ t đ ộ g i ữ a n c v ò n g s c ấ p v n c s ô i v ò n g thứ c ấ p p h ả i đ ủ l n Đ ể n c v ò n g s c ấ p k h ô n g s ô i , p s u ấ t đ â y p h ả i c a o h n n h i ề u s o v i v ò n g t h ứ c ấ p H ệ q u ả l , p s u ấ t v n h i ệ t đ ộ h i v o t u a b i n k h ô n g t h ể đ a l ê n q u c a o , k h o ả n g k g / m " v 280°c ( b ả n g ) c h o n ê n n h m y đ i ệ n h t n h â n d ù n g l ò n c n é n v i h a i v ò n g t ả i n h iệ t c ó h i ệ u s u ấ t n h i ệ t t h ấ p L ợ n g h i đ a v o t u a b i n d o đ ó p h ả i l n h n n h i ề u l ầ n s o v i n h m y n h i ệ t đ i ệ n d ù n g n h i ê n l i ệ u h ó a t h c h v i c ù n g c ô n g s u ấ t S ố v ò n g q u a y t u a b i n c ũ n g b é h n , k h o a n g 0 v ò n g / p h ú t l o i H z , v 0 v ò n g / p h ú t l o i H z

B àn g Các thơng số cùa lị PW R BWTỈ

M ục T h ô n g s ố Đ n vị đ o P W R B W R

1 C õ n g s u ấ t tổ m y

C ông su ất nhiệt MW 3 0 0 3 000

C ông su ất điện MW 0 0

H iệu su ấ t % 3 ,5 34,4

2 N c tải n h iệ t s c ấ p

1

Ị

N h iệ t độ lối o vùng hoạt ° c 289 279

N h iệ t độ lối vùng hoạt 3 286

Á p suất MPa 1 5,7 7,07

Số m áy bơm 4 2

N ăng su ấ t m áy bơm m^/h 2 100 9 700

3 Vùng hoạt

C hiều cao m 3 ,6 3,71

Chưong NHA MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 197

Mục Thông số Đơn vị đo PW R BW R

Lưu lư ợ ng n c qua vùng hoạt

tíh 60 0 48 300

Khối lư ợ ng nhiên liệu MTU 132

Đ ộ giàu % ,3 /3 ,5 /3

Số bó nhiên liệu 193 764

Số th a n h nhiên liệu tro n g bó 264 60 i

C hiều dài th a n h nhiên liệu m 3.9 4.2

Đ n g kính ngồi th anh nhiên liệu

mm 9,5

i

12.3 1 i Đ iều k h iển lò p h ả n ứ n g

Số th a n h điều khiển

1 53 185

i

1

V ật liệu th a n h điều khiển A g - ln - C d B4C (Hf)

i

i Đ iề u khiển n ồng độ

axit bo tro n g n c tải nhiệt

1

1

' ; T h ù n g lò

1 Đ n g kính m 4,39 6,4

C hiều cao

i m 12,9 2

T rọng lư ọ’ng Tấn 400 740

' * ' '

' Áp su ấ t chịu đự ng * k g 'c m ' 175 87.9

í B m tu ầ n h o n tải n h iệt

L Số lư ợ ng

■

1Lưu lưọ'ng m^'h 20 100 9 70 0

http://w w w vinatom gov.vn http://w w w fissilem aterials.ora) http://www.