LUẬN văn sư PHẠM vật lý xử lý AN TOÀN bức xạ ION hóa, góp PHẦN bảo vệ môi TRƯỜNG và sức KHỎE CON NGƯỜI

Các nguồn phóng xạ bao gồm nguồn phóng xạ và các thiết bị bức xạ đang được sử dụng rộng rãi trong y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu đào tạo… Nó có thể làm suy giảm bạch cầu, vô

TRƯỜNG ĐAI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

XỬ LÝ AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA, GÓP PHẦN BẢO VỆ

MÔI TRƯỜNG VÀ SỨC KHỎE CON NGƯỜI

Luận văn Tốt Nghiệp Ngành: Sư phạm vật lý

ThS Dương Quốc Chánh Tín Nguyễn Thị Hồng Loan

Lớp: Sư phạm vật lý k35 MSSV: 1090209

CẦN THƠ – 05/2013

LỜI CẢM ƠN

Bốn năm đại học là khoảng thời gian khá ngắn để tìm đến tri thức khoa học Cũng trong khoảng thời gian này, các thầy cô đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức của mình cho không chỉ riêng em mà còn nhiều sinh viên khác Kiến thức mà các thầy cô truyền đạt không chỉ trong chuyên nghành vật lý mà còn có những kỹ năng sống giúp chúng em vững bước sau này Để có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp thì việc vận dụng những kiến thức ấy vô cùng quan trọng Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lời chúc sức khỏe đến toàn thể quý thầy cô vì đã cho em những hành trang quý giá để hoàn thành tốt đề tài

và phục vụ cho công việc sau này

Để giúp cho em thực hiện được đề tài này thầy Dương Quốc Chánh Tín đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉnh sữa cũng như góp ý, giúp em có hương đi đúng và thực hiện xong đề tài của mình một cách nhanh chóng Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy, chúc thầy luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong công tác giảng dạy

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn những tác giả của các tài liệu đã cung cấp những thông tin chính xác giúp em hoàn thành tốt luận văn

Gia đình và bạn bè là những người luôn động viên, khích lệ em về mặt tinh thần Em xin gửi lời cảm ơn đến mọi người

Đề tài tuy được chuẩn bị và thực hiện một cách chu đáo, nghiêm túc nhưng vẫn không thể tránh khỏi thiếu sót Một phần do hạn chế về thời gian, một phần do hạn chế trong kinh nghiệm và kiến thức Em mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô

và các bạn để có thể tìm cách khắc phục kịp thời

Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn và lời chúc sức khỏe đến tất cả mọi người

Xin chân thành cảm ơn!!!!!!

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thị Hồng Loan

Trang

Phần 1: MỞ ĐẦU………1

1 Lý do chọn đề tài……….1

2 Mục đích của đề tài……… 1

3 Mục tiêu của đề tài……… 1

4 Các bước thực hiện đề tài………1

5 Các phương pháp và phương tiện nghiên cứu……….2

6 Cơ sở lý thuyết.………2

7 Giới hạn của đề tài.……… 2

Phần 2: NỘI DUNG……….3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ ION HÓA……… 3

1.1 Các nguồn phóng xạ tự nhiên……… 3

1.1.1 Các nguồn phóng xạ trong vỏ trái đất……… 3

1.1.2 Bức xạ vũ trụ………3

1.1.3 Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người………3

1.2 Các nguồn phóng xạ nhân tạo……….4

1.2.1 Các nguồn electron……… 4

1.2.2 Các nguồn hạt nặng mang điện………5

1.2.3 Các nguồn bức xạ điện từ……….5

1.2.4 Nguồn nơtron ……… 5

1.3 Các thiết bị bức xạ……… 6

1.3.1 Máy phát tia X (X-ray generation)……… 6

1.3.2 Lò phản ứng hạt nhân……… 6

1.3.3 Máy gia tốc các hạt tích điện (Charged particle accelerator)……… 7

1.4 Ứng dụng của các nguồn bức xạ……… 8

1.4.1 Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong y tế……… 8

1.4.2 Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong công nghiệp………8

1.4.3 Các ứng dụng khác của nguồn bức xạ……… 9

Chương 2: TÁC ĐỘNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG VÀ CƠ

THỂ SỐNG……… 10

2.1 Bức xạ ion hóa với vấn đề môi trường ….……… ……….10

2.2 Bức xạ ion hóa trong môi trường … ………… ……… 10

2.1.1 Bức xạ ion hóa trong môi trường tự nhiên……….10

2.1.2 Môi trường với các vụ sử dụng và thử vũ khí hạt nhân……….11

2.1.3 Môi trường và các tai nạn hạt nhân………11

2.3 Đường trao đổi chất phóng xạ từ môi trường vào cơ thể sống ….………13

2.4 Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa……….13

2.4.1 Cơ thể con người… ………14

2.4.2 Các hiệu ứng bức xạ ở mức phân tử… ……… 17

2.4.3 Các hiệu ứng bức xạ ở mức tế bào……… ……….17

2.4.4 Các hiệu ứng bức xạ ở mức cơ thể… ……….19

Chương 3: XỬ LÝ AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA………20

3.1 Xử lý an toàn bức xạ lượng tử……….20

3.1.1 Một số đại lượng thường gặp trong xử lý an toàn bức xạ gamma……….20

3.1.2 Các phương pháp tính và thiết kế xử lý an toàn bức xạ gamma…………20

3.2 Xử lý an toàn bức xạ nơtron ………23

3.2.1 Tính phân bố nơtron trong không gian theo phương pháp độ dài lũy

biến……….23

3.2.2 Tính bảo vệ theo phương pháp tiết diện loại……….24

3.2.3 Thành phần liều nơtron trong vật liệu bảo vệ ………28

3.2.4 Tính và thiết kế bảo vệ đối với nguồn nơtron loại (,n)……… 30

3.3 Xử lý an toàn bức xạ từ các nguồn electron………33

3.3.1 Suất liều gây bởi chùm electron……….33

3.3.2 Liều gây bởi nguồn điểm phóng xạ beta………36

3.3.3 Liều gây bởi đồng vị phóng xạ xâm nhập vào cơ thể………37

3.4 Xử lý an toàn phóng xạ alpha… ………40

3.5 Vùng xử lý an toàn bức xạ……… ………41

3.5.1 Vùng kiểm soát…… ………41

3.5.2 Vùng giám sát………… ……… 43

3.6 Yêu cầu chung đối với mỗi cơ sở bức xạ………….………43

Phần 3 KẾT LUẬN……… ………44

TÀI LIỆU THAM KHẢO…….………45

Phần 1: MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ở nước ta hiện nay ngành khoa học nói chung, ngành hạt nhân nói riêng đang phát triển mạnh lĩnh vực ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình Kỹ thuật hạt nhân và bức xạ ion hóa ngày càng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: nghiên cứu, y tế, công nghiệp, nông nghiệp… Số thiết bị hạt nhân sử dụng trong các nhà máy cán thép, xi măng, giấy, khai thác dầu khí, nước giải khát… lên đến con số hàng ngàn (theo Cục An toàn bức xạ, hạt nhân), thiết bị chuẩn đoán bệnh trong y tế: X- quang thông thường, tăng sóng truyền hình, chụp răng, xạ trị, Nhiều thiết bị bức xạ, hạt nhân đã trở nên quen thuộc với người dân, không thể thay thế và đã trở thành công cụ, phương pháp hữu hiệu trong việc chuẩn đoán và điều trị bệnh, chiếu xạ khử trùng, bảo quản thực phẩm, thăm

dò và khai thác tài nguyên…

Như chúng ta đã biết bức xạ ion hóa rất nguy hiểm tới sức khỏe con người Các nguồn phóng xạ bao gồm (nguồn phóng xạ và các thiết bị bức xạ) đang được sử dụng rộng rãi trong y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu đào tạo… Nó có thể làm suy giảm bạch cầu, vô sinh, ung thư, di truyền… Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đối với cơ thể sống và đối với môi trường có ý nghĩa tích cực hay tiêu cực, ở mức không đáng kể hay đáng kể, điều phụ thuộc vào nhiều yếu tố, mà những yếu tố chủ quan – trong đó có nhận thức và thái độ của chúng ta – luôn luôn có ý nghĩa rất quan trọng Vì vậy cần phải

có một sự hiểu biết về vấn đề bức xạ ion hóa cũng như cách xử lý an toàn để bảo vệ sức khỏe và môi trường sống Và cũng chính vì thế mà em chọn đề tài này nhằm tìm hiểu rõ

về vấn đề bức xạ ion hóa, cách xử lý cũng như cách phòng chống để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người và môi trường hiện nay

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu các phương pháp xử lý an toàn bức xạ ion hóa cũng như cách phòng tránh

để đảm bảo an toàn sức khỏe con người và môi trường

3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu về những tác động của bức xạ đối với cơ thể con người và môi trường nhằm tìm ra những giải pháp và những tiêu chí an toàn nhất trong khi vẫn khai thác được những lợi ích tiềm tàng và đa dạng của năng lượng hạt nhân và nguyên tử

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Nhận đề tài luận văn tốt nghiệp từ GVHD, định hướng công việc

Bước 2: Nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài, nghiên cứu cơ sở lý thuyết của đề tài từ những tài liệu tham khảo được

Bước 3: Tiến hành viết đề cương và trao đổi với GVHD

Bước 4: Thực hiện đề tài

Bước 5: Đưa GVHD nhận xét và chỉnh sữa

Bước 6: Hoàn tất và báo cáo luận văn

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

5 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

 Sưu tầm, phân tích các dữ liệu có trong sách tham khảo, các phương tiện thông tin đại chúng

 Tìm tài liệu trên mạng Internet

 Trao đổi với GVHD, với các bạn cùng lóp về vấn đề khó hiểu

 Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu, các thông tin có được, sau

đó sắp xếp chúng lại thành bài luận văn hoàn chỉnh

6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, các nguồn bức xạ ion hóa được sử dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, xây dựng, y tế,… Việc sử dụng các nguồn bức xạ ion hóa ngày trở nên phổ biến hơn và thường xuyên hơn Trong khi đó cơ thể không đủ nhạy cảm để cảm nhận tức thời được hết tác động của các loại bức xạ ion hóa Song, những hiểu biết về liều lượng học bức xạ

có thể bổ sung cho chúng ta thêm một giác quan mới để xác định chúng Vì vậy các phương pháp xác định liều lượng bức xạ và bảo vệ an toàn bức xạ phải được áp dụng ở bất kỳ nơi nào có sử dụng nguồn bức xạ ion hóa

7 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Khi thực hiện đề tài em vẫn là một sinh viên ngồi trên ghế nhà trường, sự hiểu biết

về vấn đề xử lý an toàn bức xạ còn hạn chế Các kiến thức thực hiện đề tài chỉ nằm trong phần tổng hợp các kiến thức đã học và trên các phương tiện truyền thông Chứ chưa có những phát kiến cho bản thân để tìm đề tài Cho nên đề tài chỉ nghiên cứu dưới góc nhìn của sinh viên chứ chưa thực sự ở góc nhìn nhà nghiên cứu nên có nhiều điều thiếu sót cũng như đề tài chỉ dừng lại ở mức độ hiểu biết của bản thân

Phần II: NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ ION HÓA

Bức xạ là sự phát năng lượng vào môi trường dưới dạng tia (tia bức xạ) Bức xạ ion hóa là bức xạ gây ra sự ion hóa trong vật chất mà nó đi qua, gồm: Bức xạ dạng hạt như anpha, bêta, nơtron… và bức xạ dạng sóng điện từ như tia gamma, tia X Các bức xạ bao gồm các nguồn phóng xạ và các thiết bị bức xạ Các nguồn phóng xạ là các chất phát các hạt bức xạ như alpha, beta, gamma và neutron Các thiết bị bức xạ gồm các lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hạt tích điện, máy phát neutron, máy phát tia X, v.v Sau đây chúng ta sẽ xem xét các nguồn phóng xạ thường gặp

1.1 CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại, gồm nguồn phóng xạ tự nhiên (natural radioactive source) và nguồn phóng xạ nhân tạo (nartificial radioactive source) Nguồn phóng xạ tự nhiên, mà người ta thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên, là các chất đồng

vị phóng xạ có mặt trên mặt trên trái đất, trong nước hay trong bầu khí quyển Còn nguồn phóng xạ nhân tạo do người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc

1.1.1 Các nguồn 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 Trong tự nhiên có nhiều đồng vị phóng xạ, chẳng hạn một loạt các đồng vị phóng xạ xuất hiện trong ba họ phóng xạ tự nhiên: Thorium (Th232

), Uranium (U238), Actinium (U235) Tuy nhiên các nhân phóng xạ phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất thường là các đồng vị sống lâu như: U235, U238, Th232, Ra226, Rn222, K40 Các nhân phóng

xạ này tồn tại chủ yếu trong đất, trong nước biển và trong một số vật liệu xây dựng nhà

ở như: Cát sỏi, xi măng, tường khô, phụ gia thạch cao, gỗ, gạch đất nung, …

1.1.2 Bức xạ vũ trụ

Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi các tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người Tia vũ trụ đến Trái Đất có nguồn gốc từ Mặt Trời và từ khoảng không giữa các vì sao Nó bao gồm các tia bức xạ rất đa dạng, có sức xuyên lớn, gây ra các phản ứng hạt nhân khác nhau với các nguyên tố chúng gặp trong các tầng khí quyển Có thể nói khí quyển Trái Đất giống như một tấm lá chắn làm giảm đi rất nhiều tác động của tia vũ trụ Chẳng hạn, suất liều trung bình mặt biển khoảng 0,2 mSv/y thì suất liều ở độ cao 3000m là 1 mSv/y

1.1.3 Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người

Cơ thể con người được cấu tạo nên từ các nguyên tố hóa học, vì vậy trong cơ thể người có các nhân phóng xạ Một số nhân phóng xạ vào cơ thể do ăn thực phẩm và uống nước cũng như do hít thở hằng ngày Suất liều của các nhân phóng xạ trong cơ thể con người phụ thuộc rất nhiều vào nơi sinh sống, chế độ và thói quen ăn uống của các cá thể Bảng bên dưới trình bày một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người lớn, nặng 70kg

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

Bảng 1 Một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người

1.2 CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ NHÂN TẠO

Cùng với nguồn phóng xạ tự nhiên, trong một thế kỷ nay, con người đã đưa thêm vào cuộc sống của mình nhiều chất phóng xạ nhân tạo

b) Eletron biến hoán nội

Sau quá trình phân rã ,  hoặc bắt electron (EC), hạt nhân thường ở trạng thái kích thích, khi trở về trạng thái cơ bản hạt nhân có thể phát xạ trực tiếp photon gamma Tuy nhiên ở một số trường hợp, sự phát xạ này bị cấm, khi đó năng lượng kích thích của hạt nhân Eex được chuyển trực tiếp cho mỗi electron quỹ đạo nào đó và làm cho nó bắn ra khỏi quỹ đạo, trong quá trình này điện tích của hạt nhân không thay đổi và được gọi là quá trình biến hoán nội Các nguồn electron biến hoán thông dụng là: 113Sn, 137Cs,

109Cd,…

c) Electron Auger

Electron Auger cũng gần tương tự như electron biến hoán nội, nhưng chúng bắt

nguồn từ các kích thích của nguyên tử chứ không phải từ hạt nhân Chẳng hạn khi diễn

ra một quá trình chiếm đoạt electron bởi hạt nhân, điện tích của hạt nhân giảm đi một đơn vị, đồng thời tạo ra một lỗ trống Vị trí này sau đó được một electron ở lớp ngoài chiếm, kèm theo sự phát xạ photon tia X đặc trưng Năng lượng của tia X có thể bị hấp thụ bởi một electron ngoài cùng và làm cho nó bật ra khỏi nguyên tử Electron đó được gọi là electron Auger

1.2.2 Các nguồn hạt nặng mang điện

a) Phân rã apha

Hạt alpha do những đồng vị phóng xạ nhất định phát ra khi chúng phân hủy thành

một nguyên tố bền Nó gồm hai proton và hai neutron; nó mang điện dương Nguyên tố trải qua “phân rã alpha” biến thành một nguyên tố mới có số nguyên tử giảm hai và số khối giảm bốn so với nguyên tố ban đầu Phân rã alpha xảy ra khi một hạt nhân có quá nhiều proton nên lực hạt nhân mạnh không có khả năng cân bằng với lực đẩy mạnh của lực điện giữa các proton Quá trình phân rã như sau:

+ 

b) Phân hạch tự phát

Tất cả các hạt nhân nặng thường không bền vững về phương diện phân hạch tự phát

thành hai mảnh phân hạch với khối lượng nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu và

có năng lượng phản ứng khá lớn Nguồn phân hạch điển hình là 252Cf, phân rã alpha với suất lượng 1,92x107 hạt /s và có chu kỳ bán rã là 2,65 năm

1.2.3 Các nguồn bức xạ điện từ

a) Nguồn gamma dựa trên quá trình phân rã bêta

Tia gamma thường phát ra bởi những hạt nhân kích thích ngay sau quá trình phân rã

 của hạt nhân nhẹ Bốn quá trình phân rã  sau đây thường được sử dụng trong các nguồn gamma chuẩn: bắt e ( EC), phân rã + và EC, phân rã - với 2 chuyển mức gamma và phân rã - với 1 chuyển mức gamma

b) Nguồn gamma phát ra sau phản ứng hạt nhân

Sau phản ứng, hạt nhân được tạo ra có thể ở trạng thái kích thích, sau đó phát ra tia

gamma Ví dụ 12C sau phản ứng phát ra tia gamma năng lượng 4,44 MeV Tuy nhiên, do quá trình phát ra tia gamma thường xảy ra ở trạng thái chuyển động của hạt nhân, nên năng lượng của nó thường mở rộng theo hiệu ứng Doppler Phản ứng trên cũng có thể sử

dụng để tạo nguồn nơtron

1.2.4 Nguồn nơtron

a) Nguồn nơtron phân hạch tự phát

Nhiều nguyên tố vượt Urani có khả năng phân hạch tự phát, phát ra vài nơtron

nhanh trong mỗi sự kiện phân hạch Nguồn nơtron phân hạch thông dụng nhất là Cf với chu kỳ bán rã 2,65 năm Cường độ phát xạ theo năng lượng dN/dE Ngoài phân hạch tự phát, đồng vị này còn phân rã alpha với tốc độ lớn gấp 32 lần phân hạch tự phát

b) Nguồn nơtron dựa trên phản ứng (,n)

Các nguồn nơtron đồng vị (,n) thường dựa trên phản ứng:

 + 9Be 12

C + n Phản ứng này có giá trị năng lượng Q = 5,71 MeV Ngoài 9Be, Người ta còn sử dụng các đồng vị khác như 10B, B11, 19F, 13C, 7Li để phát nơtron trong phản ứng (,n)

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

Tuy nhiên, hiệu suất phát nơtron của các nguồn đồng vị này thường thấp hơn so với phản ứng 9Be(,n)

1.3 CÁC THIẾT BỊ BỨC XẠ

Các thiết bị bức xạ (Radiation equipment) là các máy do người chế tạo để phát các

tia bức xạ Các thiết bị thường dùng là máy phát tia X, lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc các hạt tích điện

1.3.1 Máy phát tia X (X-ray generation)

Máy phát tia X gồm ống phóng tia X và nguồn cao thế Ống phát tia X là ống tia

katot ở áp suất cỡ 10-3 mmHg có 3 cực Gồm cathodde C hình chỏm cầu, electron được cung cấp bằng dây kim loại (wolfram, constantan…) nung nóng với bộ nguồn riêng; Đối cực nằm giữa anot A và katot C bằng kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy (platin, wolfram…) để chắn dòng tia katot Đối âm cực thường được nối với anot A; Và anot

Hoạt động của ống phát tia x: Hiệu điện thế giữa A và C khoảng vài vạn vôn thì dòng electron được tăng tốc đập vào đối âm cực làm phát ra tia X Đối âm cực hình chỏm cầu để hội tụ dòng electron Chỉ có 1% electron đập vào đối cathode làm phát ra tia X còn 99% e khi đập vào đối cathode làm nó tỏa nhiệt rất mạnh nên cần có bộ phận giải nhiệt

Cơ chế phát tia X: Electron của tia âm cực được tăng tốc trong điện trường mạnh

nên có động năng rất lớn Khi gặp các nguyên tử của đối âm cực, các electron này xuyên sâu vào vỏ nguyên tử, tương tác với hạt nhân và các electron lớp trong cùng của nguyên

tử và dừng lại đột ngột làm phát ra sóng điện từ có bước sóng rất ngắn gọi là bức xạ hãm hay tia X

1.3.2 Lò phản ứng hạt nhân

a) Nguyên tắc hoạt động

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị để khởi động, kiểm soát, và duy trì một chuỗi

các phản ứng phân hạch hạt nhân Đó là các phản ứng của hạt neutron với các hạt nhân nặng như U235, Pu239, trong đó hạt nhân ban đầu bị phân thành hai mảnh và nhiều hạt bức

xạ như neutron, gamma, v.v được phát ra Chính việc phát ra các neutron sau phản ứng làm cho phản ứng này tự nó có thể duy trì, người ta gọi đó là phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền (chain fission reaction) Lò phản ứng hạt nhân được xây dựng trên cơ

sở phản ứng hạt nhân dây chuyền này Và thường được sử dụng để tạo ra điện và cung cấp năng lượng cho một số tàu ngầm Phản ứng phân hạch hạt nhân có hai đặc điểm quan trọng là phát ra nhiều tia bức xạ như neutron, gamma, v.v và giải phóng năng

lượng rất lớn, gấp khoảng 2 triệu lần nhiệt lượng sinh ra do đốt cháy nhiên liệu thông thường Do đó lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng bằng cách khai thác một trong hai đặt tính trên, và ta có hai ứng dụng cơ bản của lò phản ứng Lò phản ứng dùng để sản xuất điện gọi là lò phản ứng năng lượng (energetic reator) Các lò phản ứng sử dụng các bức xạ neutron và gamma trong các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật, chiếu xạ các vật liệu hạt nhân, thuộc loại lò phản ứng nghiên cứu (research reator) Người ta sử dụng lò phản ứng nghiên cứu để chiếu xạ vật liệu, sản xuất các chất đồng vị phóng xạ

1.3.3 Máy gia tốc các hạt tích điện (Charged particle accelerator)

Máy gia tốc các hạt tích điện là thiết bị để tạo ra những chùm hạt (điện tử, proton, anpha và hạt nhân nguyên tử nhẹ) định hướng, có năng lượng cao từ hàng trăm KeV đến hàng trăm GeV Nguyên lí hoạt động: trong máy, các hạt cần gia tốc được nhận thêm năng lượng khi chuyển động trong trường tĩnh điện, trường điện cảm ứng hay trường điện từ xoay chiều cao tần Tuỳ theo dạng quỹ đạo chuyển động của hạt khi gia tốc, chia ra: máy gia tốc thẳng [chẳng hạn máy tại Xtanfơt (Stanford) Hoa Kì, dài 3.350 m, có thể tạo chùm điện tử có năng lượng đến 24 GeV]; máy gia tốc vòng - trong đó hạt chuyển động dưới tác dụng của một từ trường ngang, theo qũy đạo tròn hoặc đường xoắn ốc mở rộng và đi qua thiết bị gia tốc nhiều lần, tuỳ theo tính chất của từ trường và điện trường

mà có tên gọi khác nhau: xiclotron, phazotron, xincrotron Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Loại năng lượng thấp và trung bình (30 - 40 MeV) được dùng để chế tạo các đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt, nghiên cứu vật lí hạt nhân, xử lí vật liệu, ứng dụng trong y học, vv Loại năng lượng cao (76 – 1.000 GeV) chủ yếu để nghiên cứu vật

lí hạt nhân và hạt cơ bản

Máy gia tốc CYCLOTRON 30 MEV

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

1.4 ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUỒN BỨC XẠ

Các nguồn bức xạ được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, y tế, địa chất, nông ngiệp, giao thông, xây dựng, v.v Ở đây trình bày tóm lược các ứng dụng trong y tế, công nghiệp và một vài nghành khác

1.4.1 Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong y tế

Trong y tế thường dùng các máy phát tia X, các nguồn phóng xạ kín và hở để chuẩn đoán và điều trị bệnh Các ứng dụng chính như bức xạ trị bệnh, chuẩn đoán sớm, xạ trị

a) Bức xạ trị bệnh

Trong lĩnh vực y tế, các ứng dụng bức xạ hầu hết được dựa vào khả năng của chất bức xạ cho phép nhìn xuyên qua và khả năng diệt các tế bào của các bức xạ mạnh Ở nhiều nước, phụ nữ trung niên được kiểm tra bằng thiết bị chụp để theo dõi bệnh ung thư

vú Nha sĩ dùng thiết bị chụp hàm để phát hiện các dị thường của xương hàm Xương được chụp để phát hiện các hiện tượng sai khớp hay gẫy xương Có khi điều trị cần phải chẩn đoán bằng cách tiêm chất phóng xạ vào cơ thể Bức xạ có thể được dùng riêng để chữa ung thư hay được sử dụng hỗ trợ cho điều trị bằng phẫu thuật hoặc hoá chất

b) Chuẩn đoán sớm

Nhiều căn bệnh được phát hiện sớm bằng chụp X quang còn có thể chữa được Khi tia X vào cơ thể, nó tạo một hình ảnh có những vùng tối hơn và có những vùng sáng hơn, cho phép chụp các cơ quan nội tạng để chẩn đoán bệnh Xương được tạo hình ảnh rất rõ trên phim nhưng để kiểm tra ruột hoặc sụn, bệnh nhân thường được tiêm, uống hoặc đưa vào cơ thể một chất tương phản, chất đó sẽ đọng lại ở nơi sẽ chụp và do tính dễ hấp thu bức xạ đó sẽ cho hình ảnh rất rõ về bộ phận được chụp trên phim X quang

c) Xạ trị

Khi cần nguồn xạ năng lượng lớn hơn X quang như trong xạ trị, thì người ta dùng thiết bị Telecobalt, hay gần đây hơn là dùng máy gia tốc tuyến tính Máy gia tốc tuyến tính truyền chùm electron năng lượng cao vào sâu trong khối tế bào cần điều trị như các khối u Vì chùm tia electron rất dễ căn chuẩn, nó chiếu thẳng vào các khối u và phá huỷ khối u trong thời gian vài tuần mà không gây tổn hại gì nhiều cho tế bào xung quanh hoặc cho da Các tế bào xung quanh nếu bị ảnh hưởng sẽ có thời gian hồi phục giữa các đợt điều trị Khi cần thiết, máy gia tốc tuyến tính có thể chụp ảnh các cơ quan nội tạng với hình ảnh rõ hơn nhiều so với chụp X quang

Một hình thức khác nữa của xạ trị là điều trị hoocmôn tuyến giáp và một số dạng u giáp trạng Bệnh nhân được uống một dung dịch có chứa iôt 131, chất này đi vào tuyến giáp và tạo ra nội xạ trị Trong trường hợp đặc biệt, một nguồn xạ nhỏ liên tục được đưa vào trong cơ thể bên cạnh vùng cần điều trị để thực hiện vùng điều trị ngắn tại chỗ

1.4.2 Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong công nghiệp

Nhiều người phải tiếp xúc hàng ngày với các vật liệu phóng xạ trong rất nhiều ngành công nghiệp Con mắt bức xạ nhìn được mọi thứ được sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau, thường để bảo đảm an toàn cho con người Tia X được dùng để soi hành

lý tại các sân bay, kiểm tra các khuyết tật mối hàn và các vết hàn hoặc các vết nứt các

trong công trình xây dựng, các đường ống và các cấu trúc khác Trong quá trình kiểm tra, nó có thể giúp theo dõi những bất thường trong độ dày của sản phẩm giấy, của phim nhựa và các lá kim loại Bức xạ được dùng đo mức độ chất lỏng trong các bồn chứa lớn

1.4.3 Các ứng dụng khác của nguồn bức xạ

a) Sản phẩm tiêu dùng

Một số sản phẩm tiêu dùng cũng có chứa chất phóng xạ Các ngôi nhà thường được trang bị các thiết bị phát hiện khói có chứa nguồn phóng xạ alpha nhỏ, sơn dạ quang đồng hồ và các dụng cụ cũng có chất phóng xạ tác động vào chất phôtpho làm nó sáng lên

b) Nông nghiệp

Bức xạ mạnh đã được sử dụng thành công trong việc phát triển 1500 giống cây lương thực và cây trồng khác cho sản lượng cao hơn, chống chịu tốt hơn với điều kiện thiên nhiên và sâu bệnh Bức xạ được dùng để kiểm soát ruồi Tsetse ở Zambia, ruồi hại hoa quả ở Mexico và sâu cuốn lá ở Nam Mỹ và Bắc Phi Trong kỹ thuật vô sinh côn trùng, côn trùng đực được đem chiếu xạ làm cho chúng bị mất khả năng sinh sản trước khi thả chung với côn trùng cái, thế hệ sau sẽ không được sinh ra Không giống các hoá chất diệt côn trùng, biện pháp này không gây ô nhiễm và có mức tác dụng chọn lọc cao

c) Chiếu xạ khử trùng và bảo quản thực phẩm

Nguồn phóng xạ rất mạnh có thể được sử dụng để khử trùng các dụng cụ như dụng

cụ phẫu thuật, găng tay, những dụng cụ không thể khử trùng bằng nhiệt độ cao Một số loại thuốc cũng được khử trùng bằng chiếu xạ; thực phẩm cũng có thể chiếu xạ để bảo quản được lâu hơn Hiện nay khoảng 20% thực phẩm bị hỏng trước khi đến được với người tiêu dùng trong khi thực phẩm chiếu xạ cũng có thể bảo quản nhiều tháng Chiếu

xạ thực phẩm còn loại trừ được các ký sinh trùng và khuẩn có hại Thực phẩm đã được chiếu xạ không mang tính phóng xạ và không nguy hại đối với người tiêu dùng

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

CHƯƠNG II: TÁC ĐỘNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA ĐỐI VỚI MÔI

TRƯỜNG VÀ CƠ THỂ SỐNG

2.1 Bức xạ ion hóa với vấn đề môi trường

Môi trường – đó là nhà ta ở, là nơi là ta làm việc, là nẻo đường dẫn tới mọi nơi, là không khí ta hít thở, là đồ ăn thức uống ta dùng… Không một ai có thể tồn tại ở ngoài môi trường Và chúng ta đang sống, làm việc trong một môi trường khổng lồ ngập tràn bức xạ ion hóa với nhiều thành phần khác nhau như: bức xạ từ vũ trụ, bức xạ của các đồng vị phóng xạ có trong lòng đất, trong không khí, trong đồ ăn thức uống hằng ngày, vật liệu xây dựng, bức xạ của các đồng vị phóng xạ có ở ngay trong cơ thể của mỗi người, và bức xạ của các nguồn phóng xạ do chính bàn tay con người tạo nên Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đối với cơ thể sống rất phức tạp, nhưng tất cả đều bắt đầu bằng một quá trình vật lý thuần túy Đó là quá trình hấp thụ năng lượng của bức xạ Quá trình này chỉ xảy ra trong khoảng 10-12  10-16, nhưng có thể để lại trong cơ thể sống những mầm mống của các biến đổi sinh học sâu sắc Mức độ tác động của bức xạ đối với cơ thể phụ thuộc vào liều lượng bức xạ được hấp thụ, loại bức xạ, điều kiện chiếu

xạ, đặc điểm riêng của cơ thể bị chiếu xạ, và điều kiện tồn tại của cơ thể sau khi bị chiếu

 Từ mức hoàn toàn không gây nên một biến đổi bất lợi nào cho cơ thể, tới mức gây tử vong cho cơ thể, hoặc thậm chí có thể gây tử vong và tổn thương nặng nề cho rất nhiều cá thể trong khoảng thời gian có khi kéo dài tới hàng chục năm

 Từ mức hoàn toàn không tạo nên một biến đổi có lợi nào cho môi trường, tới mức tạo nên những biến đổi quan trọng rất lợi cho việc xử lý chất thải, xử lý vật liệu hoặc loài sinh học để bảo vệ môi trường

 Từ mức hoàn toàn không gây nên một biến đổi bất lợi nào cho môi trường, tới mức có thể gây nên những hậu quả nghiêm trọng khôn lường cho cả một vùng sinh thái rộng lớn có khi bao trùm cả mấy châu lục trong khoảng thời gian không ngắn

Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đối với cơ thể sống và đối với môi trường có ý nghĩa tích cực hay tiêu cực, ở mức này hay mức khác, điều phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, mà những yếu tố chủ quan – trong đó có nhận thức và thái độ của chúng ta – luôn luôn có ý nghĩa vô cùng quan trọng

2.2 Bức xạ ion hóa trong môi trường

2.2.1 Bức xạ ion hóa trong môi trường tự nhiên

Các nguồn bức xạ ion hóa trong môi trường tự nhiên (môi trường chưa bị ảnh hưởng

do hoạt động hạt nhân của con người) có thể có nguồn gốc khác nhau như: tia vũ trụ, hạt

nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ, hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc ở trái đất Các nguồn bức xạ này làm cho cơ thể bị chiếu xạ từ bên ngoài vào hoặc từ bên trong ra (khi

chúng lọt vào được cơ thể qua đường hô hấp hoặc tiêu hóa)

Trong số các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc ở trái đất, nhất là đồng vị 40K, các đồng

vị thuộc dãy 238U và dãy 232Th Đồng vị 40K phát bức xạ beta và gamma, có chu kỳ bán

rã rất dài (1,25 tỷ năm), chiếm 0,0118% hàm lượng của nguyên tố kali trong tự nhiên (kali có hàm lượng rất cao trong vỏ trái đất là 2,35% và trong thạch quyển là 2,60%)

40K và các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ gây nên những liều bức xạ trung bình tương đối ổn định và đồng đều trên trái đất Liều bức xạ gây bởi các thành phần khác có thể thay đổi rất mạnh tùy thuộc vào vị trí và độ cao địa lý của khu vực, vào điều kiện sống và làm việc của con người, đặc biệt là vào vật liệu xây dựng, vào thiết kế và độ thoáng khí của nhà ở Nồng độ của khí radon và thoron cùng các sản phẩm phân rã của chúng (thuộc các dãy 238U và 232Th) trong không khí có ý nghĩa quyết định đối với liều bức xạ bên trong khi chúng lọt vào cơ thể qua đường hô hấp

2.2.2 Môi trường với các vụ sử dụng và thử vũ khí hạt nhân

Từ năm 1945 đến năm 1980 đã liên tiếp xảy ra các vụ sử dụng và thử vũ khí hạt nhân trong không khí Theo đánh giá, tổng hiệu suất phân hạch của các vụ nổ hạt nhân này lên tới 155Mt (1Mt = 1 triệu tấn thuốc nổ TNT) Trong khi đó, chỉ cần một vụ nổ hạt nhân với hiệu suất phân hạch là 1 Mt đã đủ để tạo nên và tung vào môi trường một lượng lớn đồng vị phóng xạ như 131I, 90Sr và 137Cs

Công suất của vụ nổ hạt nhân trong không khí không những ảnh hưởng tới lượng chất phóng xạ được tung vào môi trường mà còn ảnh hưởng tới phân bố chất phóng xạ trong môi trường Đối với những vụ nổ hạt nhân công suất nhỏ, các chất phóng xạ chỉ được cuốn lên tới tầng đối lưu rồi sau đó lại rơi xuống trái đất trong vòng vài ngày hoặc vài tuần Những vụ nổ hạt nhân công suất lớn cuốn phần lớn chất phóng xạ lên tầng bình lưu Các chất phóng xạ này được lưu lại ở tầng bình lưu trong một thời gian trung bình khoảng từ 1÷5 năm, tùy thuộc vào vĩ độ và độ cao mà chúng được cuốn lên; sau đó chúng lại dần dần được rơi trở lại trái đất

2.2.3 Môi trường và các tai nạn hạt nhân

Có rất nhiều nguyên nhân khác nhau có thể dẫn tới hậu quả là các đồng vị phóng xạ nhân tạo bị thải vào môi trường Có những tai nạn hạt nhân chỉ gây nhiễm bẩn phóng xạ trong một phạm vi hẹp và chỉ làm một ít người bị chiếu xạ Cũng có những tai nạn hạt nhân dẫn tới hậu quả nghiêm trọng trong phạm vi lãnh thổ rộng lớn và làm cho một bộ phận đông đảo dân cư bị chiếu xạ Dưới đây là một số tai nạn gây ảnh hưởng đến môi trường

a) Tai nạn Chernobyl

Tai nạn xảy ra ngày 26-4-1986 trên lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân ở Chernobyl (thuộc Ucraina, Liên Xô cũ) là một thảm họa khủng khiếp nhất trong lịch sử ứng dụng năng lượng hạt nhân vào mục đích hòa bình Tai nạn này đã hủy hoại lò phản ứng và trong vòng chục ngày đã thải vào môi trường một lượng đồng vị phóng xạ lớn

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

khoảng 1,2.104

PBq, trong đó khoảng (6÷7)x103PBq là các khí trơ, khoảng (3÷4)% của

số nhiên liệu hạt nhân đang được sử dụng ở trong lò phản ứng tại thời điểm xảy ra tai nạn đã lọt ra khỏi vỏ lò và cùng với khoảng 100% các khí trơ và (20-60)% các đồng vị phóng xạ dễ bay hơi khác đã bị ném tung vào môi trường Đồng vị phóng xạ 134Cs cùng các đồng vị 137Cs, 131I, 14C, 222Rn là những đồng vị phóng xạ chủ yếu đã bị thải vào môi trường

Theo đánh giá của Hội thảo Quốc tế “Mười năm sau thảm họa Chernobyl: Tổng kết hậu quả” (ngày 8-12 tháng 4-1996) do Ủy ban Châu Âu cuàng Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế và Tổ chức Y tế Thế giới phối hợp tổ chức, thì tai nạn đã dẫn đến những hậu quả sau:

 116 nghìn người di tản

 Độ phóng xạ của 137Cs vượt quá mức 185 kBq/km2 chiếm một vùng lãnh thổ rộng của Belarus (16,5 nghìn km2), của Nga (4,6 nghìn km2) và của Ucraina (8,1 nghìn

km2)

 Để khắc phục hậu quả tai nạn, đã huy động tới 0,6÷0,8 triệu lượt người

 Ở Liên bang Nga năm 1991, vùng lãnh thổ có đất bị nhiễm bẩn chiếm diện tích hơn 57 nghìn km2 với 2,5 triệu cư dân Bụi phóng xạ chủ yếu rơi xuống lãnh thổ Liên Xô

cũ tuy nhiên nó đã gây nhiễm xạ một vùng lãnh thổ Châu Âu rộng lớn cách Chernobyl trong vòng bán kính khoảng 2 nghìn km Riêng đói với vùng lân cận nằm cách lò phản ứng trong vòng 10 km , liều bức xạ cao tới mức gây tử vong trong một số hệ sinh thái nhạy phóng xạ ở địa phương, đặc biệt là các cây thuộc loài tùng bách và loài động vật

nỏ có vú

 Đối với con người, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào điều kiện bị chiếu xạ Nguyên nhân chủ yếu là do bẩn phóng xạ trên bề mặt (gây chiếu xạ từ bên ngoài), không khí và đồ ăn thức uống bị nhiễm xạ (gây chiếu xạ từ bên trong cơ thể) Trong vài tuần đầu sau khi khi xảy ra tai nạn,, đồng vị 131I có ảnh hưởng sinh học lớn nhất Từ năm

1987, phần lớn liều bức xạ là do hai đồng vị 134Cs và 137Cs gây nên

 Đến năm 1996, ở một số địa phương mức phóng xạ vẫn cao hơn nền bức xạ tự nhiên và do đó một số thực phẩm vẫn cho thấy mức Csvuowtj quá qui định của Tổ chức

Y tế thế giới (WTO) và tổ chức Nông lương thế giới (FAO)

b) Tai nạn Kyshtym

Tai nạn xảy ra ngày 29-9-1957 ở vùng nam Uran của Liên Xô cũ Các muối nitrat

và axetat khô bị nổ trong một thùng chứa chất thải có phóng xạ cao Nguyên nhân của

vụ nổ hóa chất dẫn đến tai nạn Kyshtym là do hệ thống làm mát bị hỏng đã làm cho các muối dễ nổ chứa trong thùng bị nóng lên Vụ nổ đã tung vào môi trường khoảng 74PBq sản phảm ứng phân chia hạt nhân, trong đó 144

Ce và 95Zr chiếm 91% Phần lớn bụi phóng xạ rơi xuống một vùng rộng 300kmx50km

c) Tai nạn Windscale

Tai nạn xảy ra ngày 10-101957 trong một nhà máy chế tạo nhiên liệu ở sellafield (thuộc nước Anh) làm cho lò grafit bị cháy và thải vào môi trường một số đồng vị phóng

xạ như 131I (0,74 PBq), 137Cs (0,022PBq), 106Ru (0,003 PBq), 133Xe (1,2 PBq) và 210Po (0,0088PBq) Ảnh hưởng nghiêm trọng nhất là đồng cỏ chăn nuôi bị nhiễm bẩn 131I Quyết định cấm sữa đã được thi hành kịp thời đã làm giảm đáng kể thành phần liều chiếu trong theo đường trao đổi chất phóng xạ Cỏ→Bò→Sữa→Người

Ngoài những tai nạn kể trên, còn có một số tai nạn xảy ra do máy bay chở vũ khí hạt nhân bị hỏng như tai nạn ở Palomares (Tây Ban Nha năm 1966) và ở Thule (Greenland năm 1968) làm môi trường bị nhiễm bởi 239Pu và 240Pu (trong phạm vi hẹp) v.v…

2.3 Đường trao đổi chất phóng xạ từ môi trường vào cơ thể sống

Những hoạt động hạt nhân của con người có thể dẫn đến sự thải chất phóng xạ vào

môi trường dưới nhiều dạng: thải rắn, thải lỏng, thải khí và son khí, thải ở dạng bụi Thải phóng xạ ở dạng khí và son khí theo đường hô hấp lọt vào cơ thể và gây nên

liều chiếu trong Nguy hại nhất là khi các khí và son khí này bị phân rã alpha Một phần khí phóng xạ có thể được thực vật hấp thụ trong quá trình trao đổi khí trực tiếp với môi trường, một phần có thể bị hòa tan trong nước rồi được rễ cây hút lên, hoặc được các loài thủy sản hấp thụ Như vậy, cuối cùng một phần khí thải phóng xạ cũng có thể xâm

nhập vào cơ thể con người qua đường tiêu hóa và gây nên liều chiếu trong

Thải lỏng có thể hòa vào môi trường nước hoặc thấm vào đất trồng trọt, tiếp đó,

theo hệ sinh thái đi vào các loại lương thực, thực phẩm rồi theo đường tiêu hóa gây nên

liều chiếu trong

Thải ở dạng bụi theo nước mưa rơi xuống hoặc rơi lắng dần xuống làm nhiễm bẩn

bề mặt Nó có thể trực tiếp gây nên liều chiếu ngoài Nó cũng có thể thấm vào đất rồi theo dòng nước ngầm dịch chuyển dần, khi gặp môi trường dễ hòa tan, nó sẽ hoàn tan rồi sau đó có thể gây nên liều chiếu trong giống như các chất thải phóng xạ ở dạng lỏng Thải phóng xạ ở dạng rắn có thể gây liều chiếu ngoài Tuy nhiên khi nằm trong vùng có đủ điều kiện cho nó hòa tan, nó sẽ bị hòa tan dần, tạo nên thải phóng xạ lỏng để rồi cuối cùng cũng có thể gây nên liều chiếu trong

Một phần chất thải phóng xạ, sau khi lọt vào cơ thể sống, có thể thoát ra môi trường sau đó một khoảng thời gian nào đó lại có thể lọt vào cơ thể theo đường thích hợp Sự

am hiểu đường trao đổi chất phóng xạ từ môi trường vào cơ thể sống giúp ta nhanh chóng tìm được biện pháp ứng phó đúng đắn, hoặc tìm được cách lựa chọn tốt nhất Nhờ vậy có thể làm giảm đáng kể thành phần này hoặc thành phần khác của liều bức xạ, làm bớt hậu quả ô nhiễm môi trường

2.4 Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa

Sự khác nhau cơ bản giữa bức xạ hạt nhân và các bức xạ thông thường là ở chổ bức

xạ hạt nhân có năng lượng đủ lớn để gây ion hóa Sự ion hóa những phân tử nước có thể dẫn đến những thay đổi bên trong phân tử và tạo ra các hợp chất gây hại cho các nhiễm sắc thể Sự hủy hoại này thể hiện ở sự biến đổi về cấu trúc và chức năng của phân tử

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

Trong cơ thể người, sự biến đổi này thể hiện qua các triệu trứng bệnh lý như ốm mệt do phóng xạ, đục thủy tinh thể hoặc về lâu dài là ung thư Dưới tác dụng của bức xạ ion

hóa, tổ chức sống trải qua hai giai đoạn biến đổi: giai đoạn hóa lý và giai đoạn sinh học

 Giai đoạn hóa lý thường xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn trong giai đoạn này các phân tử sinh học cấu tạo tổ chức sống chịu tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp của bức xạ ion hóa

 Giai đoạn vật lý: bức xạ ion hóa trực tiếp truyền năng lượng và gây nên quá trình kích thích và ion hóa các phân tử sinh học dẫn đến tổn thương các phân tử đó, kéo dài chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn (10-6 s), và được mô tả bằng phương trình:

A→ A+ + e

-H2O → H2O+ + e

- Giai đoạn hóa – lý: Kéo dài khoảng 10-6 s, trong đó các e- được tạo ra có thể bị bắt bởi một nguyên tử khác để tạo ra ion âm Trong giai đoạn này các ion tương tác với các phân tử nước tạo thành một số sản phẩm mới Ví dụ, một ion dương sẽ bị tách rời ra

H2O+ → H+ + OH Còn ion âm, là electron sẽ gắn vào một phân tử nước trung hòa rồi lại phân tách tiếp thành:

H2O + e- → H2O

-H2O- → H + HO Trong cơ thể động vật, 75% trọng lượng của các cơ quan tổ chức là H2O Các gốc tự

-do tạo thành -do ion hóa các phân tử nước có khả năng tham gia phản ứng với các chất khác như một chất oxy hóa (thu electron) hoặc khử mạnh (cho electron) Quá trình xạ phân đã tạo ra các ion (H+, OH-), các gốc tự do (OH, H) vì chúng có một electron không kết cặp và có hoạt tính hóa học cao

Ngoài ra còn có các hợp chất có khả năng ion hóa cao (HO2; H2O2) được tạo thành Những gốc trên được tạo thành như sau:

H+

-e- H2O+ OH Bức xạ ion hóa H2O

 Giai đoạn sinh học: kéo dài từ vài giây đến hàng chục năm sau chiếu xạ Những tổn thương hóa sinh ở giai đoạn đầu nếu không được hồi phục sẽ dẫn đến những rối loạn

về chuyển hóa

2.4.1 Cơ thể con người

Cơ thể con người là đối tượng quan trọng nhất khi nghiên cứu các hiệu ứng sinh học của bức xạ Việc hiểu biết cấu trúc và chức năng các cơ quan trong cơ thể và số phận các chất phóng xạ xâm nhập vào cơ thể giúp ích trong việc xác định liều bức xạ của các chất phóng xạ trong cơ thể và tính toán được giới hạn an toàn các chất phóng xạ được phép xâm nhập vào cơ thể Cơ thể con người dựa trên một bộ xương Bao phủ bên ngoài là một lớp da làm nhiệm vụ bảo vệ, trao đổi nhiệt và cân bằng thể dịch Bên trong là những

cơ quan chức năng như hô hấp, tiêu hóa, tuần hoàn, tiết niệu,… Các cơ quan này có nhiệm vụ thu nhận không khí, thức ăn, nước, vận chuyển vật chất và thải chất ra ngoài

Về phương diện an toàn bức xạ, các cơ quan đó cũng là các phương tiện nhờ đó các nhân phóng xạ xâm nhập vào cơ thể, vận chuyển bên trong đó và cuối cùng bị thải ra ngoài

mô, cơ quan phụ thuộc vào tính chất hóa học của nhân phóng xạ Ví dụ, calcium,barium, radium bị xương hấp thụ nhiều Iodine tập trung ở tuyến giáp trạng vùng cổ Trên cơ sở khả năng hấp thụ đặc thù của cơ quan bị bệnh, người ta chế tạo các dược chất phóng xạ thích hợp để điều trị hay chuẩn đoán y học

đến 200 m2 Về mặt an toàn bức xạ, hệ thống hô hấp là đường xâm nhập vào cơ thể của các chất phóng xạ thể khí, đặc biệt là bụi phóng xạ Các hạt bụi

có kích thước lớn hơn 10 µm thường bị ngăn cản ở phần ngoài đường hô hấp nhờ các long mũi dày đặc những hạt bụi nhỏ hơn có thể xâm nhập sâu hơn, nằm tại hệ thống hô hấp và chỉ bị đẩy ra nhờ chuyển động quét của các nhung mao lót thành phế quản (kết

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

hợp hành động ho) hoặc bằng đường hóa học và sau đó là hành động nuốt Như vậy vật chất xâm nhập vào qua đường hô hấp sẽ đi đến hệ thống tiêu hóa Những hạt bụi hòa tan được ở phế nang sẽ xâm nhập vào máu và đi khắp cơ thể Những hạt bụi không hòa tan

sẽ bị các tế bào limpho trong phổi “ăn” và tiêu diệt bụi phóng xạ qua đường hô hấp vào phổ sẽ gây nên sự chiếu xạ trong cơ thể Liều chiếu xạ phụ thuộc vào các tính chất hóa

lý của vật liệu, mà nói riêng, phụ thuộc vào kích thước hạt bụi và tính chất hòa tan của

nó

c) Hệ thống tiêu hóa

Hệ thống tiêu hóa có nhiệm vụ dẫn nước thực phẩm vào cơ thể và chế biến chúng thành các chất dinh dưỡng để nuôi sống tế bào Hệ thống tiêu hóa là một cái ống dài gồm nhiều đoạn chức năng như miệng, thực quản, dạ dày, ruột non, ruột già Ngoài ra con có các bộ phận phụ trợ như các tuyến nước bọt ở miệng, tuyến tụy ở gần dạ dày, gan

và túi mật Trong hệ tiêu hóa, thực phẩm được biến thành các thành phần hóa học đơn giản và được hấp thụ từ ruột non vào máu và được khuếch tán tới các tế bào và cơ quan Thực phẩm không được cơ thể hấp thụ sẽ tới ruột già, được cô đặc lại và đẩy ra ngoài thành chất thải gọi la phân Hệ thống tiêu hóa cũng là một trong các cửa ngõ chính bị các chất phóng xạ xâm nhập vào cơ thể cùng với thực phẩm và nước uống Nếu chất phóng

xạ hòa tan được thì chúng theo hệ tuần hoàn đi khấp cơ thể Nếu không hòa tan được, chúng sẽ bị đẩy ra ngoài cùng với phân

d) Da

Da tạo nên lớp bao mặt ngoài cơ thể với diện tích trung bình 1,8 m2 Da gồm hai lớp, lớp ngoài gọi là biểu bì và lớp trong gọi là chân bì, giữa chúng là màng nền ở độ sâu

70 µm từ bề mặt da Cấu trúc của chân bì khác hoàn toàn với biểu bì Chân bì cấu tạo từ

mô liên kết các sợi đàn hồi, nước và chất béo Gắn trên chân bì là các tuyến mồ hôi, tuyến nhờn, nang long, mạch máu và dây thần kinh Da có chức năng bảo vệ cơ thể khỏi các chất có hại như vi trùng và hóa chất, bài tiết các chất thải của cơ thể, sấy ấm hoặc làm lạnh cơ thể và điều chỉnh sự lưu thong máu Khi lớp da bị thương tổn thì đây là cửa ngõ chất phóng xạ có thể xâm nhập vào các bộ phận khác trong cơ thể

e) Hệ thống tiết niệu

Là con đường bài tiết chủ yếu các dịch thể dư thừa bao gồm cả các chất phóng xạ dạng hòa tan từ cơ thể ra ngoài Hệ thống tiết niệu gồm các thận, các niệu quản, bàng quang và ống nước tiểu Nguồn nước thải từ đường tiết niệu là một trong các thành phần dùng để đánh giá lượng chất phóng xạ xâm nhập vào cơ thể Vì vậy nguồn nước thải này

là đối tượng cần được xử lý vì chứa một lượng lớn chất thải phóng xạ từ cơ thể ra

f) Hệ thống bạch huyết

Là một bộ phận của hệ thống tuần hoàn Nó gồm có dịch bạch huyết nằm xen kẽ giữa các mô, các bể bạch huyết và các tuyến bạch huyết nằm rải rác trên thành ống tiêu hóa, đường hô hấp hoặc dưới da vùng cổ, nách, hang Hệ thống bạch huyết có chức năng vận chuyển nguyên vật liệu giữa các tế bào với hệ tuần hoàn Nó còn giữ vai trò bảo vệ, ngăn chặn, tiêu diệt các vi trùng, dị tật và độc tố xâm nhập vào hệ thống tuần hoàn Khi

da bị tổn thương, chất phóng xạ sẽ xâm nhập qua hệ bạch huyết tới các vùng khác nhau của cơ thể

g) Các hệ thống khác

Ngoài các hệ thống có liên quan trực tiếp đến quá trình xâm nhập, vận chuyển và bài tiết các chất phóng xạ, trong cơ thể còn các hệ thống khác không trực tiếp tham gia các quá trình trên Đó là hệ thống thần kinh, hệ thống nội tiết, hệ thống sinh sản, hệ thống xương, hệ thống cơ bắp, hệ thống thị giác, hệ thống thính giác, v.v Dưới tác dụng

cử bức xạ các hệ thống này bị tổn thương và mức độ tổn thương phụ thuộc vào liều chiếu cũng như cấu trúc của chúng Ví dụ hệ thống xương chứa nhiều calcium, do đó các ion hóa trị hai radium, strontium và chì có thể trao đổi với calcium làm cho xương trở thành một tổ chức dễ hấp thụ các nguyên tố này, kể cả khi chúng là các đòng vị phóng

xạ chính các nhân phóng xạ gây ra ung thư xương, chủ yếu là các tế bào trên bề mặt xương và các tế bào tạo máu trong tủy xương

cơ quan và các hệ thống trong cơ thể Tác dụng bức xạ lên phân tử được phân thành hai loại, là tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp Tác dụng trực tiếp xảy ra khi bức xạ kích thích hay ion hóa các phân tử hữu cơ còn tác dụng gián tiếp xảy ra khi bức xạ kích thích hay ion hóa các phân tử nước, sau đó các sản phẩm độc hại của các phân tử nước tác dụng lên phân tử hữu cơ

2.4.3 Các hiệu ứng bức xạ ở mức tế bào

Các bộ phận trong cơ thể người được cấu trúc từ những phần tử cực nhỏ gọi là tế bào Các tế bào cùng với một số chức năng tập hợp với nhau tạo thành các mô Các mô khác nhau tập hợp thành các cơ quan Các cơ quan hợp lại với nhau tạo các hệ thống cơ thể Tế bào gồm có 3 phần chính là màng tế bào, nhân tế bào và tế bào chất Sự thay đổi đặc tính của tế bào có thể xảy ra trong nhân và nguyên sinh chất của chúng sau khi bị chiếu xạ Trong nhiều trường hợp người ta thấy thể tích tế bào tăng lên do có sự hình thành các khoảng trống trong nhân và trong nguyên sinh chất của chúng sau chiếu xạ Nếu bị chiếu xạ liều cao tế bào có thể bị phá hủy hoàn toàn Các tổn thương phóng xạ lên tế bào có thể làm cho:

 Tế bào chết do bị tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất

 Tế bào không chết nhưng không phân chia được

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

 Tế không phân chia được nhưng nhiễm sắc thể tăng lên gấp đôi và trở

2.4.4 Các hiệu ứng bức xạ ở mức cơ thể

a) Các hiệu ứng sớm

Khoảng một thời gian ngắn từ vài giờ đến một vài tuần sau khi bị chiếu xạ cấp diễn tức là sau khi chịu liều chiếu xạ lớn trong một vài giờ thì trên cơ thể bị chiếu xạ có thể xuất hiện các triệu chứng sinh học gọi là hiệu ứng sớm Các hiệu ứng này xảy ra do sự suy giảm nhanh chóng số lượng tế bào trong một số cơ quan của cơ thể, vì nhiều tế bào

đã bị hủy diệt hoặc quá trình phân chia tế bào bị cản trở hoặc chậm lại Các hiệu ứng xảy

ra chủ yếu do tổn thương trên da, tủy xương, bộ máy tiêu hóa, hoặc các cơ thần kinh tùy thuộc vào các liều chiếu đã nhận

 Máu và cơ quan tạo máu: Mô limpho và tủy xương là những tổ chức nhạy cảm cao với bức xạ Sau khi bị chiếu xạ liều cao chúng có thể ngừng hoạt động và số lượng

tế bào trong máu ngoại vi giảm xuống nhanh chóng Mức độ tổn thương phụ thuộc vào liều chiếu và thời gian chiếu Biểu hiện lâm sàng ở đây là các triệu chứng xuất huyết, phù, thiếu máu Trong y học gọi là triệu chứng huyết học

 Hệ tiêu hóa: Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ống vị tràng gây ảnh hưởng đến việc tiết dịch của các tuyến tiêu hóa với các triệu chứng như: tiêu chảy, sút cân, nhiễm độc máu, giảm sức đề kháng của cơ thể Những thay đổi trong hệ thống tiêu hóa thường quyết định hậu quả của bệnh phóng xạ

 Da: Một hiệu ứng sớm xuất hiện trên da sau khi bị chiếu xạ với liều cao là hiệu ứng ban đỏ xuất hiện trên da Các tổn thương này có thể dẫn tới viêm da, xạm da Nó còn có thể dẫn đến viêm loét, thoái hóa, hoại tử da hoặc phát triển các khối u ác tính ở

da

 Sự phát triển phôi thai: Những bất thường có thể xuất hiện trong quá trình phát triển phôi thai và thai nhi khi người mẹ bị chiếu xạ trong thời gian mang thai, đặc biệt trong giai đoạn đầu, với các biểu hiện như xảy thai, thai chết lưu hoặc sinh ra những đứa trẻ bị dị tật bẩm sinh Một bào thai đang phát triển, tất cả các tế bào phân chia rất nhanh

và do vậy chịu nguy hiểm lớn nhất

 Ngoài ra các bộ phận khác như: Hệ thống tạo máu, hệ thần kinh trung ương, đường ruột, mắt, cơ quan sinh dục,…cũng bị ảnh hưởng bởi các liều chiếu xạ

b) Các hiệu ứng muộn

Với liều chiếu thấp hoặc sức đề kháng của cơ thể mạnh thì một thời gian sau khi chiếu xạ các hậu quả của sự tác hại mới xuất hiện và được gọi là hiệu ứng muộn, và được chia làm hai loại:

 Hiệu ứng sinh thể:

 Già sớm, giảm tuổi thọ

 Tần số xuất hiện ung thư, bệnh bạch cầu, da là những ung thư thường gặp trên các đối tượng bị chiếu xạ cao hơn bình thường Ung thư là sự phát triển áp đảo của một số loại tế bào nhất định trong cơ thể Người ta cho rằng ung thư có thể là kết quả của các tổn thương trong hệ thống điều khiển của tế bào, làm cho nó phân chia nhanh hơn các tế bào bình thường Sự sai lệch này được truyền sang các tế bào con vì vậy số lượng vượt trội của tế bào bất thường sẽ gây tổn hại cho các tế bào bình thường trong cơ quan đó

 Đục nhãn cầu mắt: Xuất hiện sau nhiều tháng hay nhiều năm Bệnh đục thủy tinh thể là hiện tượng mất độ trong suốt của mắt Thủy tinh thể của mắt đặc biệt ở chỗ nó không có hệ thống thay thế tế bào, vì vậy nó sẽ trở nên bị đục khi các tế bào của nó bị tổn thương

 Hiệu ứng di truyền:

Nhân tế bào chứa các nhiễm sắc thể mà số lượng, cấu trúc, kích thước của chúng

là đặc trưng cho từng loài và mang chất liệu di truyền, chịu trách nhiệm truyền các đặc tính di truyền những thay đổi về số lượng, hình thái và cấu trúc nhiễm sắc thể của tể bào sinh dục sẽ dẫn đến những di truyền mà ta gọi là đột biến xuất hiện một cách ngẩu nhiên với tần số thấp và ổn định

Bức xạ ion hóa gây đột biến gây ra những đột biến trong nhân tế bào mà dưới tác dụng của liều chiếu xạ sẽ xuất hiện những biến đổi hóa lý trong các gen riêng biệt Những đột biến phát sinh, có thể là đột biến trội hoặc đột biến ẩn Đột biến trội về tính di truyền còn đột biến ẩn – thể hiện ở một số thế hệ sau trong di truyền thể hiện khi một gen biến đổi với một gen có cùng sự phá hủy như vậy

Nhiệm vụ chủ yếu của y học bức xạ là trên cơ sở các hiệu ứng sinh học bức xạ đưa ra những liều lượng được phép cho các loại bức xạ khác nhau Người ta đưa ra một kiểu phân loại các mức nguy hiểm y học có thể xem xét đến các hiệu ứng bức xạ có thể xảy ra phụ thuộc vào liều lượng và các điều kiện của bức xạ ion hóa

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan

CHƯƠNG III: XỬ LÝ AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA

3.1 Xử lý an toàn bức xạ lượng tử

3.1.1 Một số đại lượng thường gặp trong xử lý an toàn bức xạ gamma

a) Hoạt độ phóng xạ

Hoạt độ phóng xạ (độ phóng xạ) là số biến đổi hạt nhân xảy ra ngẫu nhiên trong một

đơn vị thời gian trong một lượng vật chất xác định của nguồn phóng xạ Được xác định theo công thức:

A =

Với N là số hạt nhân phóng xạ có trong lượng vật chất của nguồn tại thời điểm t

Trong hệ đơn vị SI, độ phóng xạ có đơn vị là becquerel (Bq) 1 Bq là độ phóng xạ của một nguồn mà cứ mỗi giây là có phân rã phóng xạ xảy ra trong lượng vật chất của nguồn đó, tức là 1Bq = 1(phân rã)/s Ngoài đơn vị là Bq, vẫn còn sử dụng rộng rãi một đơn vị ngoại hệ là currie (Ci) 1 Ci là độ phóng xạ của nguồn, mà trong lượng vật chất

đó xảy ra 3,7.1010

phân rã trong mỗi giây, tức là 1Ci=3,7.1010 (phân rã)/s = 3,7.1010 Bq

b) Tương đương  gamma của nguồn phóng xạ

Để so sánh các nguồn phóng xạ gamma với nhau theo khả năng ion hóa của chúng, thì còn sử dụng một đại lượng gọi là tương đương  gamma của nguồn Các nguồn phóng xạ gamma mà gây nên một suất liều chiếu xạ như nhau trong những điều kiện đo đạc giống hệt nhau, thì có cùng một tương đương  gamma

c) Hằng số  gamma năng lượng và hằng số  gamma ion hóa của nguồn

 Suất liều chiếu xạ tính cho 1 đơn vị độ phóng xạ được gọi là hằng số  gamma ion hóa (toàn phần) của nguồn phóng xạ đó

3.1.2 Các phương pháp tính và thiết kế xử lý an toàn bức xạ gamma

a) Nguyên tắc quan trọng nhất trong bảo vệ an toàn bức xạ

Nguyên tắc quan trọng nhất trong tính toán và thiết kế bảo vệ an toàn bức xạ là đồng

thời đảm bảo sao cho liều lượng bức xạ mà cơ thể phải chịu đựng là:

– Không vượt quá giới hạn cho phép;

– Thấp nhất mà có thể đạt được một cách hợp lý

Mọi tính toán và thiết kế bảo vệ an toàn bức xạ chỉ được coi là đạt yêu cầu nếu đồng thời thỏa mãn được cả hai yêu cầu trên của nguyên tắc này

b) Ba nguyên tắc bảo vệ an toàn:

* Nguyên tắc đầu tiên trong bảo vệ an toàn bức xạ là đảm bảo sao cho nguồn bức

xạ được sử dụng là nguồn yếu nhất mà có thể đạt được một cách hợp lý Ở đây “hợp lý” được hiểu là nguồn bức xạ phải đáp ứng mọi yêu cầu (về kỹ thuật, chất lượng sản phẩm, nâng suất lao động, hiệu quả kinh tế - xã hội…) của công việc Và có “thể đạt được” được hiểu là phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể về phương tiện cũng như khả năng

kỹ thuật và tài chính để giải quyết vấn đề mà cơ sở sử dụng nguồn bức xạ đặt ra

* Nguyên tắc thứ hai là đảm bảo sao cho người làm việc ở vị trí cách xa nguồn nhất

Theo định nghĩa, suất liều bức xạ chính là liều bức xạ tính trên một đơn vị thời gian

Do vậy, có thể áp dụng biểu thức trên cho độ thay đổi của suất liều bằng cách cho k t = 1

và thay kD bằng kP:

Trong đó các hệ số hiệu chỉnh kY được xác định như sau: