Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ CHƯƠNG 1. CÁC TIA PHÓNG XẠ 1.1. Tính chất các tia phóng xạ Các chất phóng xạ đặc biệt nguy hiểm vì giác quan ta không sao nhận ra được,vì các tia bức xạ không có mùi vị, không nhìn thấy, không sờ được và cũng không phát nhiệt. Đối với một liều làm chết người cũng vậy, chỉ dùng máy mới phát hiện và đo đạc được. Mặt khác, không có trường hợp nào quen với tia phóng xạ và cũng không có phương pháp điều trị đặc hiệu. 1.1.1. Cấu tạo vật chất Vật chất dù ở thể đặc, lỏng, hoặc hơi đều có cấu tạo là phân tử hoặc nguyên tử và các hạt cơ bản: proton, nơtron và điện tử mang điện âm. Proton có thể biến đổi thành nơtron và ngược lại, để phát sinh điện tử (+) và (-). Mỗi gam phân tử hay nguyên tử là vật chất cực kỳ nhỏ, không nhìn thấy được: Vật chất nhìn thấy được bao gồm một số cực kỳ lớn các phân tử: 1 microgam nước gồm 3.1016 phân tử. Một hồng cầu người gồm 265.106 phân tử hemoglobin (bằng 30.10- 12g). Số các phân tử cấu tạo nên vật chất nhìn thấy được, được minh hoạ bằng số Avogadro. Người ta định nghĩa số Avogadro là số phân tử có trong 16g oxy (hay trong 12g C) K = 6,02.1023 K là số phân tử thật sự có trong một mol (hay một phân tử gam) a. Cấu tạo nguyên tử: Một nguyên tử gồm một hạt nhân, quay xung quanh là các điện tử. Cấu tạo mỗi hạt nhân là những proton và nơtron. Proton là hạt có khối lượng, mang điện tích dương. Nơtron là hạt có khối lượng, mang điện tích âm. Một nguyên tử trung hoà về điện vì gồm một hạt nhân mang điện tích dương (điện tích của các proton) và xung quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm (bằng số điện tích của proton, nhưng trái dấu). Toàn khối lượng nguyên tử tập trung vào hạt nhân nên hạt nhân có tỷ trọng cực lớn (trên 100 triệu tấn trong 1 cm3). Đường kính một nguyên tử (khoảng bằng 1 A0 = 10-8cm) lớn hơn đường kính hạt nhân khoảng 10.000 lần (khoảng 10-12cm) nên khoảng không trong cấu trúc nguyên tử có tỷ lệ cực lớn. b. Cấu tạo hạt nhân: Trang 1 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ Có rất nhiều loại hạt nhân khác nhau (các nuclêit). Có khoảng 1.500 loại, trong đó số ổn định là 274 đều là tự nhiên, còn số không ổn định và có tính phóng xạ là 51 tự nhiên và trên 1.200 nhân tạo. Như đã nêu trên, nguyên tử lượng tập trung vào hạt nhân hay vào các proton và nơtron. Do đó, ta có nguyên tử lượng một nguyên tử bằng: Nguyên tử lượng = số proton + số nơtron Số lượng proton chỉ số điện tử quay quanh hạt nhân (nguyên tử trung hoà về điện) và bằng số thứ tự của nguyên tố (nguyên tử số) theo bảng tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleev. c. Nguyên tố đồng vị (isotopes) và nguyên tố đồng lượng Nguyên tố đồng vị là những nguyên tố ở cùng một ô trong bảng tuần hoàn các nguyên tố (cùng nguyên tử số), thuộc cùng một nguyên tố hoá học, có cùng số điện tử, cùng số proton, nhưng khác nhau về nguyên tử lượng, nghĩa là khác nhau về số nơtron. Các nguyên tố đồng vị giống nhau cả về tính chất hoá học. Nguyên tố đồng lượng lại là những nguyên tử cùng nguyên tử lượng nhưng khác nhau về nguyên tử số. d. Phóng xạ: Phóng xạ là tính chất của một số nguyên tử phát sinh tia bức xạ rồi thoát biến thành một nguyên tố khác. Ví dụ như coban 60 biến thành nikel 60. Các hạt nhân không ổn định hay các radionucleit có thể lúc nào cũng là nơi biến đổi cấu trúc, là nơi phân giải. Hiện tượng biến đổi của các hạt nhân không ổn định thành ổn định là hiện tượng phóng xạ. Phóng xạ là một hiện tượng thuần tuý hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử hoàn toàn không thể đụng tới được. Không gì có thể ảnh hưởng đến hiện tượng phân giải hạt nhân hoặc làm thay đổi tính chất; người ta có thể đốt cháy, nghiền nát, tác động về mặt hoá học đến một nguồn phóng xạ, nhưng những cái đó không ảnh hưởng gì đến hạt nhân không ổn định mang tính chất phóng xạ đó được. Một nguồn phóng xạ không thể bị phá huỷ, ngoài việc tự nó phân giải, tự phá huỷ. Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về phóng xạ. Becquerel, Pierre và Marie Curie đã phát hiện ra radi tự nhiên còn Irene và Fédéric Joliot Curie phát minh ra radi nhân tạo. 1.1.2. Các tia phóng xạ Trang 2 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ Các chất phóng xạ phát ra các tia bức xạ. Các tia bức xạ có khả năng đâm xuyên qua vật chất và gây hiện tượng ion hoá. Do đó, ta còn gọi các tia phóng xạ là bức xạ ion hoá. Có hai loại bức xạ ion hoá : - Các tia bức xạ hạt (α, β, nơtron). - Các tia bức xạ điện tử (tia X và tia γ ). a. Tia anpha (α ) Đối với một nguyên tử nặng, hạt nhân không ổn định và phóng ra một lúc 2 proton và 2 nơtron, dưới dạng hạt nhân hêli. Như vậy, hạt anpha là hạt nhân của nguyên tử hêli thoát ra từ một nhân nguyên tử nặng trong quá trình biến đổi hạt nhân. Thí dụ radi biến thành radon và phát ra các hạt anpha: 226Ra88 → 222Rn86 + 4He 2 Hạt anpha mang điện dương. Các hạt α có cùng năng lượng, năng lượng này mất đi nhanh chóng khi đi qua vật chất, nhưng chỉ đi được rất gần. Sở dĩ như vậy vì các hạt α va chạm vào các hạt nhân và các điện tử của những nguyên tử vật chất. Những va chạm liên tiếp đó làm cho hạt α đi chậm lại, cuối cùng, các hạt này nhường lại toàn bộ năng lượng đủ để lấy các điện tử ra khỏi quỹ đạo, tạo ra các ion: tia α có tác dụng ion hoá rất mạnh (30.000 cặp ion trong 1 cm không khí mà tia đi qua) nhưng rất ít đâm xuyên (vài centimet không khí hay da là đủ để chặn lại). b. Tia bêta (β) Tia bêta gặp ở trường hợp hạt nhân không ổn định và tuy không quá nặng nhưng lại có nhiều proton hay nơtron. Khi có nhiều nơtron, sự biến đổi nơtron thành protron phát sinh một điện tử (-), tốc độ cao, hạt β. Khi có nhiều protron, sự biến đổi ngược lại và phát sinh một điện tử (+) hay một positron hoặc hạt β (+). Như vậy, tia β là chùm điện tử, phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo hiện tượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) hoặc ngược lại, và có tia β (-) (khi P32 biến thành S32) và tia β (+) (khi Na22 biến thành Ne22). Trong y học và công nghiệp, những người sử dụng các nguyên tố phóng xạ hay phải tiếp xúc với các loại tia này. Trang 3 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ Nói chung, năng lượng của các hạt β kém các hạt α, khả năng ion hoá cũng thấp hơn nhiều (150 cặp ion qua 1 cm không khí ). Nhưng tia β đâm xuyên mạnh hơn. Cũng cần phải nhớ là năng lượng của tia bức xạ β có thể biến thành tia α hay tia X khi các hạt β chậm lại lúc đi gần một hạt nhân của chất bị đâm xuyên (bức xạ hãm). c. Tia gamma (γ) Một số hạt nhân, sau khi phóng tia α, β+ hay β-, sẽ có quá nhiều năng lượng và ở trạng thái kích thích. Sự trở lại trạng thái ổn định sẽ phát ra photon gamma. Như vậy, tia gamma là chùm hạt photon phóng ra từ hạt nhân nguyên tử. Các tia γ không bị lệch hướng bởi từ trường khả năng ion hoá rất kém: chỉ sinh vài cặp ion khi đi qua một centimet không khí. Trái lại, khả năng đâm xuyên lại rất mạnh so với các tia α và β. Phải dùng những tấm chỉ dày hàng centimet mới làm giảm được rõ rệt số tia đi qua. Không bao giờ tia gamma bị hấp thụ hoàn toàn hoặc bị chặn hẳn lại. Bản chất tia gamma là điện tử; như ánh sáng, tia X, tốc độ của tia gamma là 300.00 km/giây. d. Nơtron Nơtron là những hạt không mang điện của hạt nhân nguyên tử, được giải phóng trong quá trình phá vỡ hạt nhân nguyên tử nặng uran (lò phản ứng nguyên tử). Nơtron chỉ bị giữ lại khi va chạm vào các hạt nhân khác, do đó, nó có khả năng đâm xuyên rất lớn, các nguyên tố có hạt nhân bị va chạm trở thành có tính phóng xạ. Tuy nhiên, những “nơtron nhanh” trên đây đi chậm lại trong nước hay parafin và biến thành “nơtron nhiệt” dễ bị các vật liệu đặc biệt như bore và cadmi hấp thụ. Bê tông cũng rất hay được dùng để ngăn nơtron ở xung quanh các lò phản ứng nguyên tử. e. Tia X Giống như tia gamma, tia X cũng là bức xạ điện tử nhưng có bước sóng dài hơn. Các tính chất của tia X cũng tương tự tia gamma. Sự đổi chỗ của các điện tử từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác phát ra tia X. Trong các bóng X quang, tia X phát ra một luồng điện tử động năng lớn đập vào đối âm cực. 1.2. Đơn vị đo lường và liều lượng tối đa cho phép Trang 4 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ 1.2.1. Curi (Ci) Là đơn vị hoạt tính phóng xạ. Curi là hoạt tính của một nguyên tố phóng xạ nào đó mà cứ mỗi giây có 3,7.1010 nguyên tử bị phân rã. Một Curi xấp xỉ bằng hoạt tính của 1 gam Ra226. 1 Ci = 103 mCi (milliCuri) = 106 μCi (microCuri) = 109 nCi (nanoCuri) = 1012 pCi (picoCuri) 1.2.2. Rơnghen (R) Rơnghen là đơn vị liều tiếp xúc, nghĩa là sự truyền năng lượng dưới hình thức tia bức xạ. R là liều tia X hay hay tia γ khi chiếu vào 1 cm3 không khí ở điều kiện chuẩn sẽ tạo ra ở đó 2,09.109 cặp ion tương đương với một đơn vị tĩnh điện C.G.S cho mỗi dấu (1cm3 không khí, ở điều kiện chuẩn tương đương với 0,001293 gam không khí). R là đơn vị đo số lượng photon toả lan trong không khí ở một điểm đã cho sẵn. 1.2.3. Rad Rad là đơn vị liều hấp thụ. Đơn vị này đo số năng lượng do các tia để lại khi đi qua tổ chức. Cụ thể Rad là liều bức xạ ion hoá giải phóng trong một gam vật chất một năng lượng tương đương với 100 erg hoặc 10-5 jun. Một renghen trong một gam không khí giải phóng một năng lượng bằng 87,8 erg tương đương với 0,878 rad và trong một gam trong tổ chức mềm hoặc nước, giải phóng một năng lượng bằng 97,4 erg tương ứng vớI 0,974 rad. 1.2.4. Rem (Roentgen equivalent man) Rem là đơn vị liều tương đương, là liều lượng của tia được hấp thụ không kể đến bản chất của tia, tạo ra hiệu lực bằng 1 Rad của tia X. Như vậy theo định nghĩa đối với tia X và gamma, ta có: 1 rem = 1 rad Đối với những tia hạt nhân, ta có: 1 rem = 1 rad x E.B.R E.B.R là hệ số hiệu lực sinh học tương đương. Do các tia không được các tổ chức hấp thụ như nhau, nên cùng một liều lượng được giải phóng vào cùng một tổ chức trong cùng một thời gian lại có một hiệu lực sinh học khác nhau, tuỳ theo đó là tia anpha, bêta, nơtron hay photon … Bảng hệ số sinh vật học tương Trang 5 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ đương: - Tia X, gamma, điện tử, bêta : 1 - Tia anpha và photon : 10 - Nơtron nhanh và photon : 10 - Nơtron nhiệt (chậm) : 5 - Những ion nhiều điện tích : 20 Thí dụ: 10 rad của tia X hay một rad của tia photon có thể giải phóng 10 rem. 1.2.5. Đơn vị liều lượng Tác dụng sinh học còn phụ thuộc vào thời gian hấp thụ liều bức xạ. Một liều 150 rad gây những rối loạn rõ rệt nếu nhận một lần. Vẫn liều đó nhận rải ra trong 30 năm lại không có tác hại rõ rệt. Do đó, người ta dùng các đơn vị R/giờ, rad/giờ, rem/giờ, hoặc R/ngày, R/năm Năng lượng của tia bức xạ lại đo bằng electron-volt (eV) với các bội số 1 eV = 10-3 keV (kiloelectronvolt) = 10-6 MeV (megaelectronvolt) = 10-9 GeV (gigaelectronvolt) = 10-12 TeV (teraelectronvolt). 1.2.6. Liều lượng tối đa cho phép Đây là liều tia bức xạ mà cơ thể người chịu đựng được không có tổn thương đáng kể. Đối với những người làm việc ở nơi phải tiếp xúc với phóng xạ, áp dụng công thức sau đây: D = 5 ( N – 18 ) D : liều tối đa cho phép tính bằng R. N : tuổi đời. Thí dụ : đối với một người 40 tuổi (N = 40) tổng liều D không được vượt quá là: D = 5 (40 – 18). D = 110 R. Như vậy, một công nhân có thể hấp thụ trung bình 5R hàng năm hay 100 mR hàng tuần, hoặc 2,5 mR mỗi giờ lao động. Người dưới 18 tuổi không được làm việc ở nơi có phóng xạ. Đối với phụ nữ ở thời kỳ sinh đẻ, vẫn có thể áp dụng công thức trên nhưng không được hấp thụ trên 1,3R trong thời gian 3 tháng liên tục. Trang 6 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ Đối với người làm việc trong vùng không trực tiếp tiếp xúc với phóng xạ, liều hàng năm không vượt quá 1,5 R. Đối với nhân dân sống trong vùng gần nơi có nguồn phóng xạ, liều hàng năm không được vượt quá là 0,5 R. 1.2.7. Các đơn vị hệ thống quốc tế (SI units) Các đơn vị hệ thống quốc tế còn gọi là đơn vị SI, đang dần dần thay thế cho các đơn vị đặc biệt (Special Units) - Culong trên kg(C.kg-1) là đơn vị SI của lượng chiếu thay thế cho R. 1 R = 2,58x 10-1 C.kg-1 không khí do đó, 1 C.kg-1 = 3876 R. - Gray (Gy): là đơn vị SI của liều hấp thụ bức xạ bằng 1 Joule trên kg. Gray thay thế cho rad. 1 rad = 10-2 J.kg-1 = 10-2 Gy 1 Gy = 100 rad. - Becquerel (Bq) : là đơn vị SI của hoạt tính phóng xạ. Nó thay thế Curi (Ci). 1 Bq = 1 phân rã x s-1 = 2,703 x 1011 Ci. = 27,03 pCi = 3,7 x 1010 Bq - Sievert (Sv) : là đơn vị SI của liều tương đương. Sievert thay thế cho rem. 1 Sv = 100 rem - Culong trên kilogam giây (C.kg-1.s-1) là đơn vị SI của suất lượng chiếu. - Gay trên giây (Gy.s-1) là đơn vị SI của suất tiêu thụ. - Sievert trên giây (Sv.s-1) là đơn vị SI của suất liều tương đương. CHƯƠNG 2. CÁC NGUỒN PHÁT SINH CHẤT THẢI PHÓNG XẠ 2.1 Các nguồn tự nhiên phát sinh chất thải phóng xạ : 2.1.1 Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Năm 1896 nhà bác học người Pháp Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết các chất phóng xạ trên trái đất gồm các nguyên tố uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng một số nguyên tố phóng xạ khác. Uranium, thorium và con cháu của chúng tạo nên 3 họ phóng xạ cơ bản là họ Trang 7 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ thorium (Th 232 ), uranium (U 238 ) và actinium (U 235 ) (các bảng 3.1,3.3 và 3.4 tương ứng). Tất cả các thành viên của các họ này, trừ thành viên cuối cùng đều là các đồng vị phóng xạ. Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là U 238 , khoảng 0,7% là U 235 và khoảng 5.10 -3 % là U 234 . U 238 và U 234 thuộc cùng một họ, gọi là họ uranium, còn U 235 là thành viên đầu tiên của một họ khác, gọi là actinium. Th 232 là thành viên đầu tiên của họ thorium. Họ phóng xạ thứ tư là họ phóng xạ nhân tạo, được gọi là học neptunium (bảng 3.2). Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Lý do dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của trái đất. Điều này được minh họa bằng họ phóng xạ nhân tạo neptunium, trong đó thành viên thứ nhất là nguyên tố siêu uranium Pu 241 , được sinh ra khi chiếu Pu 239 trong trường neutron. Thời gian bán rã của Pu 341 là 13 năm, do đó một thế kỷ cũng đủ để đồng vị này rã hết. Ngay cả thành viên sống dài nhất, là Np 237 với thời gian bán rã 2,2.10 6 năm, cũng là đủ ngắn để nó phân rã hết nếu nó được sinh ra cùng thời với các nguyên tố khác của trái đất. Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon. Trong trường hợp họ uranium, khí 86 Rn 222 được gọi là radon, trong họ thorium, khí 86 Rn 220 được gọi là thoron, còn trong họ actinium khí 86 Rn 219 được gọi là actinon. Chú ý rằng trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ . Sự có mặt của các khí phóng xạ trong ba họ phóng xạ tự nhiên là một trong các lý do chính gây nên phông phóng xạ tự nhiên của môi trường. Trong ba loại khí phóng xạ thì radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian bán rã của thoron (52s) và actinon (3,92s). khí radon khuếch tán từ trái đất vào không khí và các con cháu radon phóng xạ, thường ở dạng rắn trong các điều kiện thông thường, bám vào các hạt bụi khí quyển. Đứng về phương diện an toàn bức xạ, sự chiếu ngoài cùa radon và con cháu nó lên người không tác hại Trang 8 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ bằng sự chiếu trong cơ thể khi con người hít thở bụi có các nhân phóng xạ bám vào vì chúng là các nhân phát hạt alpha. Hàm lượng radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng uranium trong đất, do đó ở các vùng mỏ quặng uranium cần phải lưu ý ành hưởng của bụi khí phóng xạ lên sức khỏe con người. Ngoài ra, trong điều kiện tự nhiên hàm lượng radon trong nhà cao hơn ngoài trời vài ba lần, do đó cần kiểm tra liều bức xạ trong nhà do radon gây ra. Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alpha a Beta Gamma b 90 Th 232 1,39.10 10 năm 3,98 88 Ra 228 (MsTh1) 6,7 năm 0,01 89 Ac 228 (MsTh2) 6,13 h Sơ đồ phân rã phức tạp Nhóm beta cường độ cao nhất là 1,11 MeV 1,59(0,03) 0,966(0,2) 0,908(0,25) 90 Th 228 (RdTh) 1,91 năm 5,421 88 Ra 224 (ThX) 3,64 ngày 5,681 0,084 (0,016) 36 Rn 220 (Tn) 52 s 6,278 0,241 (0,038) 84 Po 216 (ThA) 0,158 s 6,774 0,542 (0,0002) 82 Pb 212 (ThB) 10,64 h 0,35; 0,59 0,239 (0,40) 83 Bi 212 (ThC) 60,5 phút 6,086 (33,7%) c 2,25 (66,3%) c 0,04 nhánh 0,034) 84 Po 212 (ThC’) 3,04.10 -7 s 8,776 81 Tl 208 (ThC”) 3,1 phút 1,80; 1,29; 1,52 2,615 (0,997) Trang 9 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ 82 Pb 208 (ThD) Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Bảng 3.2: Họ neptunium (4n + 1) a Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alpha b Beta Gamma c 94 Th 228 13,2 năm 0,02 95 Am 241 462 năm 5,496 0,060 (0,4) 93 Np 237 2,2.10 6 năm 4,77 91 Pa 233 27,4 ngày 0,26; 0,15; 0,57 0,31 (rất mạnh) 92 U 233 1,62.10 5 năm 4,823 0,09 (0,02) 0,056 (0,02) 0,042 (0,15) 90 Th 229 7,34.10 3 năm 5,02 90 Ra 225 14,8 ngày 0,32 89 Ac 225 10,0 ngày 5,80 89 Fr 221 4,8 phút 6,30 0,216 (1) 85 At 217 0,018 s 7,02 83 Bi 213 47 phút 5,86 (2%) d 1,39 (98%) d 84 Po 213 4,2.10 -6 s 8,336 81 Tl 209 2,2 phút 2,3 0,12 (yếu) e 82 Pb 209 3,32 h 0,635 83 Bi 209 Bền Chú thích: a. Họ này không tồn tại trong tự nhiên mà được sản xuất nhân tạo; b. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; c. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; Trang 10 . Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ CHƯƠNG 1. CÁC TIA PHÓNG XẠ 1.1. Tính chất các tia phóng xạ Các chất phóng xạ đặc biệt nguy hiểm vì giác quan ta không sao. nhân tạo. 1.1.2. Các tia phóng xạ Trang 2 Tiểu Luận: Ô nhiễm phóng xạ Các chất phóng xạ phát ra các tia bức xạ. Các tia bức xạ có khả năng đâm xuyên qua