Bài 24. Công nghiệp hạt nhân

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Nhà máy điện hạt nhân

• Nhà máy điện hạt nhân sử dụng năng lượng tỏa ra từ phản ứng phân hạch để phát điện.

Nguyên lí hoạt động

• Phản ứng phân hạch trong lò phản ứng tạo ra nhiệt năng.

• Nhiệt năng làm nước hóa hơi.

• Hơi nước làm quay tua-bin.

• Tua-bin kéo máy phát điện tạo ra điện năng.

Ưu điểm

• Công suất lớn.

• Tiêu thụ ít nhiên liệu.

• Phát thải khí nhà kính rất thấp.

• Hoạt động ổn định trong thời gian dài.

Nhược điểm

• Nguy cơ sự cố phóng xạ.

• Chất thải phóng xạ khó xử lí.

• Chi phí xây dựng và vận hành lớn.

1.2. Y học hạt nhân

• Y học hạt nhân sử dụng đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

Ứng dụng

• Chẩn đoán chức năng và phát hiện tổn thương của các cơ quan trong cơ thể.

• Chụp cắt lớp phát xạ positron (PET).

• Chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT).

• Điều trị ung thư bằng xạ trị.

• Sử dụng dược chất phóng xạ trong điều trị một số bệnh.

1.3. Ứng dụng phóng xạ trong công nghệ sinh học

• Gây đột biến để tạo giống cây trồng, vật nuôi có đặc tính mong muốn.

• Nghiên cứu quá trình trao đổi chất bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ.

• Theo dõi sự hấp thụ và vận chuyển các chất trong cơ thể sinh vật.

1.4. Ứng dụng phóng xạ trong bảo quản thực phẩm và y tế

Bảo quản thực phẩm

• Chiếu xạ thực phẩm để tiêu diệt vi sinh vật gây hại.

• Hạn chế sự nảy mầm của củ, quả.

• Kéo dài thời gian bảo quản.

Y tế

• Tiệt trùng dụng cụ y tế.

• Khử khuẩn vật liệu y sinh.

1.5. An toàn bức xạ hạt nhân

• Tuân thủ các quy định về an toàn phóng xạ.

• Hạn chế thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ.

• Tăng khoảng cách tới nguồn phóng xạ.

• Sử dụng các vật liệu che chắn phù hợp.

2. Hiểu sâu bản chất

💡 Nguồn năng lượng của nhà máy điện hạt nhân là năng lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch.

💡 Một lượng rất nhỏ nhiên liệu hạt nhân có thể tạo ra năng lượng rất lớn.

💡 Đồng vị phóng xạ là công cụ quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh hiện đại.

💡 Chiếu xạ thực phẩm giúp tiêu diệt vi sinh vật nhưng không làm thực phẩm trở thành chất phóng xạ.

💡 Công nghệ hạt nhân mang lại nhiều lợi ích nhưng phải đi kèm các biện pháp an toàn nghiêm ngặt.

3. Ghi nhớ nhanh

• Nhà máy điện hạt nhân: Phân hạch → Nhiệt năng → Hơi nước → Tua-bin → Điện năng.

• Y học hạt nhân: Chẩn đoán bệnh + Điều trị bệnh.

• Công nghệ sinh học: Gây đột biến + Đánh dấu phóng xạ.

• Bảo quản thực phẩm: Chiếu xạ → Diệt vi sinh vật → Kéo dài thời gian bảo quản.

• An toàn bức xạ: Giảm thời gian tiếp xúc – Tăng khoảng cách – Che chắn thích hợp.

4. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm nhà máy điện hạt nhân với vũ khí hạt nhân.

• Nhà máy điện hạt nhân sử dụng phản ứng phân hạch được kiểm soát.

• Chiếu xạ thực phẩm không làm thực phẩm trở thành nguồn phóng xạ.

• Đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng trong y học, nông nghiệp và công nghiệp.

• Công nghệ hạt nhân mang lại lợi ích lớn nhưng luôn phải tuân thủ các nguyên tắc an toàn bức xạ.

• Cần phân biệt:

Phân hạch: hạt nhân nặng → các hạt nhân nhẹ hơn.

Nhiệt hạch: các hạt nhân nhẹ → hạt nhân nặng hơn.

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Phản ứng dây chuyền và trạng thái tới hạn

Hệ số nhân neutron $k$ cho biết tỉ số giữa số neutron có khả năng gây phân hạch ở hai thế hệ liên tiếp.

• $\text{k < 1}$: hệ dưới tới hạn, phản ứng dây chuyền tắt dần.

• $\text{k = 1}$: hệ tới hạn, công suất lò phản ứng ổn định.

• $\text{k > 1}$: hệ trên tới hạn, số phân hạch tăng nhanh.

Trong lò phản ứng công suất, thanh điều khiển hấp thụ neutron và chất làm chậm điều chỉnh phổ năng lượng neutron để duy trì $\text{k ≈ 1}$.

5.2. Cân bằng năng lượng của nhà máy điện hạt nhân

Năng lượng phân hạch trước hết chuyển thành nhiệt, sau đó thành cơ năng của tuabin và cuối cùng thành điện năng.

$$H_{\text{toàn phần}}=\frac{P_{\text{điện}}}{P_{\text{hạt nhân}}}=H_{\text{nhiệt}}{H}_{\text{máy phát}}$$

Do giới hạn nhiệt động lực học và các hao phí, chỉ một phần năng lượng hạt nhân được biến đổi thành điện năng hữu ích.

5.3. Tốc độ phản ứng và lượng nhiên liệu tiêu thụ

Nếu mỗi phân hạch giải phóng năng lượng trung bình $E_f$, số phân hạch trong một giây để tạo công suất nhiệt $P$ là:

$$R_f=\frac{P}{E_f}$$

Khối lượng nhiên liệu thực tế phải lớn hơn khối lượng đã phân hạch vì không phải mọi hạt nhân nhiên liệu đều tham gia phản ứng.

5.4. Liều hấp thụ và liều tương đương

Liều hấp thụ $D$ là năng lượng bức xạ truyền cho một đơn vị khối lượng, đơn vị gray.

$$\text{D =}\frac{E_{\text{hấp thụ}}}{m}$$

Liều tương đương xét thêm mức độ gây tác dụng sinh học của từng loại bức xạ:

$$\text{H =}{w}_{R}D$$

Đơn vị của liều tương đương là sievert. Cùng một liều hấp thụ, bức xạ có hệ số trọng số $w_R$ lớn gây nguy cơ sinh học cao hơn.

5.5. Suy giảm bức xạ và che chắn

Với chùm bức xạ đơn năng truyền qua lớp vật liệu đồng nhất, cường độ giảm gần đúng theo:

$$\text{I =}{I}_0{e}^{\mathrm{-\mu x}}$$

Bề dày làm cường độ giảm còn một nửa:

$$x_{\mathrm{1/2}}=\frac{\mathrm{ln2}}{\mu }$$

Vật liệu che chắn được chọn theo loại bức xạ: hạt alpha cần lớp mỏng; beta cần vật liệu hạn chế bức xạ hãm; gamma cần vật liệu dày, mật độ lớn; neutron cần vật liệu giàu hydrogen kết hợp chất hấp thụ neutron.

5.6. Chu trình nhiên liệu và chất thải phóng xạ

Chu trình nhiên liệu gồm khai thác, làm giàu, chế tạo nhiên liệu, vận hành, lưu giữ nhiên liệu đã qua sử dụng và xử lí chất thải.

Hoạt độ của chất thải giảm theo định luật phóng xạ:

$$\text{A =}{A}_0{2}^{-\frac{t}{T}}$$

Chất thải có chu kì bán rã và mức hoạt độ khác nhau phải được phân loại, che chắn, làm nguội và cô lập trong thời gian phù hợp.

5.7. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao lò phản ứng điện hạt nhân phải duy trì $\text{k ≈ 1}$?

2. Vì sao không thể biến đổi toàn bộ năng lượng phân hạch thành điện năng?

3. Hai nguồn có cùng liều hấp thụ có nhất thiết gây cùng tác dụng sinh học không?

4. Vì sao nước và bê tông thường được dùng trong hệ che chắn neutron?

Gợi ý ngắn: (1) để công suất ổn định; (2) có giới hạn nhiệt động lực học và hao phí; (3) không, còn phụ thuộc loại bức xạ; (4) chứa nhiều hạt nhân nhẹ giúp làm chậm neutron.