Công nghiệp hạt nhân

Cần nhớ

• ✦Phân hạch: hạt nhân nặng như ${}_{92}^{235}\text{U}$ hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình, kèm 2–3 neutron mới và khoảng 200 MeV (≈ 3,2·10⁻¹¹ J) mỗi lần.
• ✦Ví dụ: ${}_{92}^{235}\text{U}$ + ${}_0^1\text{n}$ → ${}_{56}^{141}\text{Ba}$ + ${}_{36}^{92}\text{Kr}$ + 3${}_0^1\text{n}$ (A: 236 = 141 + 92 + 3; Z: 92 = 56 + 36). Năng lượng lấy từ độ hụt khối: W = Δm·931,5 MeV.
• ✦Phản ứng dây chuyền: neutron mới lại gây phân hạch các hạt nhân khác. Hệ số nhân k là số neutron thế hệ này chia số neutron thế hệ trước.
• ✦k < 1 (dưới tới hạn): phản ứng tắt dần. k = 1 (tới hạn): ổn định, công suất không đổi — chế độ của lò điện. k > 1 (trên tới hạn): số neutron tăng theo hàm mũ, công suất tăng nhanh; k lớn và không kiểm soát là nguyên lí của bom.
• ✦Sau n thế hệ số neutron là N = N₀·kⁿ. Neutron phải được làm chậm (nước, than chì) thì mới dễ bị U-235 hấp thụ.

Cần nhớ

• ✦Lò phản ứng: thanh nhiên liệu (urani làm giàu, vài % U-235), chất làm chậm neutron (nước, than chì), thanh điều khiển (cadimi, bo) hấp thụ neutron, chất tải nhiệt chạy qua lò để lấy nhiệt.
• ✦Rút thanh điều khiển ra ⇒ ít neutron bị hấp thụ ⇒ k tăng. Cắm vào ⇒ k giảm. Muốn dừng khẩn cấp thì cắm hết thanh điều khiển.
• ✦Nhà máy điện hạt nhân: nhiệt từ lò đun nước ở bình sinh hơi, hơi nước quay tuabin, tuabin quay máy phát điện; hơi ra được làm ngưng nhờ tháp làm mát.
• ✦Hiệu suất cỡ 33 %: công suất điện = η · công suất nhiệt. Phần còn lại thải ra môi trường dưới dạng nhiệt.
• ✦Số phân hạch mỗi giây = P_nhiệt / (3,2·10⁻¹¹ J); khối lượng U-235 = N/N_A · 235 g.

Cần nhớ

• ✦Tia phóng xạ ion hoá phân tử trong tế bào, phá ADN: gây bỏng, ung thư, đột biến.
• ✦Liều hấp thụ D = W/m (gray, Gy = J/kg). Liều tương đương H = D·W_R (sievert, Sv): W_R = 1 với γ, β; W_R = 20 với α. Cùng liều hấp thụ, α trong cơ thể nguy hiểm gấp 20 lần.
• ✦Mốc tham khảo: phông tự nhiên 2–3 mSv/năm; chụp X-quang ngực ≈ 0,1 mSv; giới hạn nghề nghiệp 20 mSv/năm; trên 1 Sv một lần gây bệnh nhiễm xạ cấp.
• ✦Ba nguyên tắc: giảm thời gian (liều ∝ t), tăng khoảng cách (suất liều ∝ 1/r²: xa gấp đôi còn ¼), dùng che chắn (α: tờ giấy; β: nhôm vài mm; γ: chì dày hoặc bê tông).
• ✦Chì làm suất liều giảm một nửa sau mỗi "lớp giảm một nửa" (với tia γ của Co-60 là 1,2 cm): dày 2,4 cm còn ¼, 3,6 cm còn ⅛.

Cần nhớ

• ✦Xạ trị: dùng chùm tia γ (từ Co-60 hoặc máy gia tốc) tiêu diệt tế bào ung thư. Để không hại mô lành, người ta bắn nhiều chùm từ nhiều hướng hội tụ vào khối u: khối u nhận tổng các chùm, mỗi vùng mô lành chỉ nhận một chùm.
• ✦PET (chụp cắt lớp positron): gắn đồng vị phát β⁺ (F-18, T ≈ 110 phút) vào glucose; khối u hấp thụ nhiều glucose nên tụ nhiều F-18.
• ✦Positron gặp electron thì huỷ cặp thành hai photon γ bay ngược hướng nhau, mỗi photon có năng lượng m_e·c² ≈ 0,511 MeV. Vòng đầu dò bắt hai photon cùng lúc, nối được đường thẳng đi qua điểm huỷ.
• ✦Nhiều đường như vậy cắt nhau tại vị trí khối u. Đồng vị dùng trong y học phải có T ngắn (giờ) để bệnh nhân nhanh hết phóng xạ.

Phương pháp chung của chương IV

• ✦Cân A và Z ở hai vế (neutron có A = 1, Z = 0; α là ⁴₂He; β⁻ là ⁰₋₁e).
• ✦Năng lượng: Δm = tổng khối lượng trước − sau (u); W = Δm·931,5 MeV; Δm > 0 thì toả năng lượng.
• ✦Số hạt: N = m·N_A/A. Năng lượng tổng = N · W (đổi MeV ra J: nhân 1,6·10⁻¹³).
• ✦Phóng xạ: N = N₀·2^(−t/T), H = λN, λ = ln 2/T. Liên kết: ε = W_lk/A, ε lớn thì bền.
• ✦Trên mỗi nucleon, nhiệt hạch toả nhiều nhất (17,55 = 3,5 MeV/nucleon), phân hạch ít hơn (173235 ≈ 0,74), phóng xạ α ít nhất (5,4210 ≈ 0,03).

• ✦💡 Một nhà máy điện hạt nhân 1000 MW dùng cỡ 3 kg U-235 phân hạch mỗi ngày, trong khi nhà máy than cùng công suất đốt hàng nghìn tấn than.
• ✦🩻 Chụp X-quang ngực chỉ cho khoảng 0,1 mSv, nhỏ hơn nhiều so với 2–3 mSv phông tự nhiên mỗi năm; người làm nghề bức xạ đeo liều kế và có giới hạn 20 mSv/năm.
• ✦🚢 Tàu ngầm và tàu phá băng chạy bằng lò phản ứng nhỏ, có thể đi nhiều năm mà không phải tiếp nhiên liệu.
• ✦🧬 Chụp PET giúp bác sĩ tìm ổ ung thư nhỏ vì khối u ngốn glucose gắn F-18 rất mạnh; F-18 chỉ có T ≈ 110 phút nên bệnh nhân nhanh hết phóng xạ.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

• ✦Một phân hạch cỡ 200 MeV ≈ 3,2·10⁻¹¹ J; 1 g urani cho cỡ 10¹⁰ J. Ra 10²³ J hay 10⁻³ J là sai đổi MeV hoặc thiếu N.
• ✦Nhà máy điện hạt nhân thường dùng vài kg U-235 mỗi ngày; ra hàng tấn là quên đổi g sang kg hoặc nhầm 10³.
• ✦Liều nhận trong ngày làm việc thường cỡ µSv đến mSv; ra hàng Sv thì phải nghĩ lại.
• ✦Hệ số nhân k gần 1 (0,98 đến 1,05); k = 1,5 hay 2 là bom, không phải lò; k không thể quá khoảng 2,5 vì mỗi phân hạch chỉ cho 2–3 neutron.