Химия окружающей среды
м тяжелого ятомного ядра. В
биологической ткани основным процессом, приводящим к ионизации, является
взаимодействие нейтронов с водородом. Потеряв энергию в процессе
рассеивания, тепловые нейтроны захватываются ядрами водорода, которые при
этом превращаются в дейтроны (тяжелый водород) и испускают [pic]-лучи.
([pic]). Захват нейтронов ядрами азота (данный процесс преобладает в
воздухе, но частично осуществляется в биологической ткани) приводит к
вылету протона и возникновению радионуклида углерода 14С, и можно записать,
что 14N + n1 = 14C + p1 [14N (n, p) 14C].
Протоны – (обозначают p, H1; атомный вес 1,008; один положительный заряд) –
ядра легкого водорода. Протоны взаимодействуют с веществом (длинна пробега,
механизм ионизации и нарастание ее к концу пробега) аналогично [pic]-лучам.
Пробег в воздухе равен [pic], а в другой среде [pic] (такая же формула
используется для расчета пробега в других веществах [pic]-частиц)
[обозначения см. стр. 3].
Дейтоны или дейтроны – (обозначают d, D или Н2; атомный вес 2,014; один
положительный заряд) – ядра тяжелого водорода – дейтерия, состоящие из 1
протона и 1 нейтрона; имеют сходный с протонами механизм взаимодействия с
веществом. При равных энергиях длинна пробега дейтрона в 2 раза больше, чем
у протона. Дейтроны высоких энергий (около 100 Мэв) при взаимодействии с
атомными ядрами расщепляются на протоны и нейтроны.
Интенсивность радиоактивного распада изотопов сильно варьируется, но
является величиной const для данного вида радиоактивного изотопа т.е. за
равные промежутки времени распадается всегда равная доля атомов данного
изотопа, что можно выразить формулой:
[pic], где
N0 – начальное число атомов;
Nt – число нераспавшихся атомов через интервал времени t;
[pic] - const для данного распада, характеризующая долю распавшихся атомов
за еденицу времени (в сек.-1)
Интенсивность радиоактивного распада выражается периодом полураспада [pic],
т.е. интервалом времени, в течении которого начальное количество
радиоактивного изотопа уменьшается в 2 раза и если [pic], то период
полураспада можно выразить формулой:
[pic].
Средняя продолжительность жизни радиоактивного изотопа считается по
формуле:
[pic]
по истечении которого активность радиоактивного изотопа уменьшиться в [pic]
раз (т.е. до 37%).
Величину полураспада используют для определения доли нераспавшегося
радиоактивного изотопа по отношению к первоначальному через интервал
времени t:
[pic], где [pic].
Пути попадания радионуклидов в окружающую среду
Естественные радионуклиды
Нуклид - это вид атомов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре.
Если ядра атомов нуклида радиоактивны, то его называют радионуклидом.
Многие естественные радионуклиды имеют земное происхождение (их называют
терригенными). В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих
радиоактивных элемента. Физические характеристики некоторых из них
представлены в таблице:
|Радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле. |
|Радионуклид |Весовое |Период |Тип распада: |
| |содержание в |полураспада, | |
| | | | |
| |земной коре |лет: | |
|Уран-238 |3*10-6 |4.5*109 |[pic]-распад |
|Торий-232 |8*10-6 |1.4*1010 |[pic]-распад, |
| | | |[pic]-распад |
|Калий-40 |3*10-16 |1.3*109 |([pic]- распад, |
| | | |[pic]-распад |
|Ванадий-50 |4.5*10-7 |5*1014 |[pic]-распад |
|Рубидий-87 |8.4*10-5 |4.7*1010 |[pic]-распад |
|Индий-115 |1*10-7 |6*1014 |[pic]-распад |
|Лантан-138 |1.6*10-8 |1.1*1011 |[pic]-распад, |
| | | |[pic]-распад |
|Самарий-147 |1.2*10-6 |1.2*1011 |[pic]-распад |
|Лютеций-176 |3*10-8 |2.1*1010 |[pic]-распад, |
| | | |[pic]-распад |
Однако существуют и естественные радионуклиды, образующиеся под действием
постоянно попадающего на Землю космического излучения, поступающего как из
глубин космоса, так и от Солнца. Эти радионуклиды называют космогенными. В
состав первичного космического излучения входят протоны высоких энергий и
ядра некоторых легких элементов. При взаимодействии этого космического
излучения с ядрами атомов, присутствующими в атмосфере Земли, протекает
множество ядерных реакций. Это так называемое вторичное космическое
излучение, достигающее поверхности Земли. Так с участием нейтронов
вторичного космического излучения и ядер N возникают радиоактивные ядра 14С
([pic] = 5730 лет):
14N + n1 = C14 + p1[14N (n, p) 14C] («Вредные вещества в промышленности 2»
стр. 558)
а также тритий 3Н и 32Р: n + 14N [pic] 3H + 12C. Излучение терригенных и
космогенных радионуклидов, а также само космическое излучение постоянно
воздействует на все живое нашей планеты.
Техногенные радионуклиды
В 40-х годах ХХ века в результате освоения энергии атомного ядра были
созданы ядерные реакторы, в которых происходит расщепление ядер 235U или
239Pu на ядра более легких элементов. При работе ядерных реакторов
образуются не существующие в природе радионуклиды более 40 элементов
Периодической системы (эти радионуклиды называют техногенными). С 1945 года
до начала 60-х годов такие страны, как США, СССР, Великобритания, а позже
Франция и Китай, провели большое число испытаний ядерного оружия, что
привело к загрязнению техногенными радионуклидами окружающей среды в
глобальном масштабе. К попаданию радионуклидов в окружающую среду привела и
работа предприятий так называемого ядерного топливного цикла. Эти
предприятия включают добычу урановых руд и извлечение из них урана,
изготовление тепловыделяющих элементов, сами ядерные реакторы, а также
заводы по переработке отработанных тепловыделяющих элементов, извлечению из
них радиоактивных отходов и регенерации ядерного топлива. Одной из главных
задач технологии ядерного горючего является получение урана и тория из руд.
Добытую руду подвергают обогащению после чего производят вскрытие руды т.е.
ее обработку кислотами HNO3 или H2SO4. Чтобы получить металлический уран
необходимо из концентратов руд отобрать пробу и провести ряд реакций:
1. Разваривание
[pic]
2. Экстракция растворителем
[pic]
3. Разложение нитрата
[pic]
4. Получение UF4
[pic]
5. Восстановление
[pic]
(Данная цепь реакций приведена в книге «Прошлое и настоящее радиохимии» А.
Н. Несмеянов. Ленинград «Химия» 1985 с. 166)
Ядерные реакторы конструируют так, чтобы предотвратить попадание
техногенных радионуклидов в окружающую среду. Но даже при безаварийной
работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон
(радионуклид 85Kr), а также небольшие количества 131I, трития и некоторых
других радионуклидов. В результате произошло загрязнение окружающей среды
техногенными радионуклидами, особенно такими, как 90Sr, 137Cs, 131I, 129I,
85Kr, а также радионуклидами некоторых трансурановых элементов.
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, представляющие собой
металлические стержни, в которых находится ядерное топливо (3% 235U),
размещаются в активной зоне реактора АЭС. Возможны различные виды цепных
реакций деления 235U (различие в образующихся осколках деления и числе
испускаемых нейтронов) такие:
235U + 1n [pic] 142Ba + 91Kr + 31n,
235U + 1n [pic] 137Te + 97Zr + 21n,
235U + 1n [pic] 140Xe + 94Sr + 21n.
Тепло, выделяющееся при делении урана, нагревает воду, протекающую через
активную зону и омывающую стержни. Примерно через три года содержание 235U
в тепловыделяющих элементах снижается до 1%, они становятся неэффективными
источниками тепла и требуют замены. Каждый год треть тепловыделяющих
элементов удаляется из активной зоны и заменяется новыми: для типичной АЭС
с мощностью 1000 МВт это означает ежегодное удаление 36 т. тепловыделяющих
элементов.
В ходе ядерных реакций тепловыделяющие элементы обогащаются радионуклидами
– продуктами деления 235U , а также (через серию [pic]-распадов) 239Pu:
238U + 1n [pic] 239U([pic]) [pic] 239Np([pic]) [pic] 239Pu.
Отработанные тепловыделяющие элементы транспортируются из активной зоны по
подводному каналу в хранилища, заполненные водой, где хранятся в стальных
пеналах несколько месяцев, пока большинство высокотоксичных радионуклидов
(в частности, наиболее опасный 131I) не распадется. После этого
тепловыделяющие элементы направляются на заводы по регенерации топлива,
например для получения плутониевых сердечников для ядерных реакторов на
быстрых нейтронах или оружейного плутония.
Жидкие отходы ядерных реакторов (в частности, вода первого контура, которая
должна обновляться) после переработки (выпаривания) помещают в бетонные
хранилища, расположенные на территории АЭС.
Определенное количество радионуклидов при работе АЭС выделяется в воздух.
Радиоактивный 135I (один из главных продуктов распада в работающем
реакторе) не накапливается в отработанном ядерном топливе, поскольку его
период полураспада составляет всего 6,7 ч, но в результате последующих
радиоактивных распадов превращается в радиоактивный газ 135Xe, активно
поглощающий нейтроны и потому препятствующий цепной реакции. Для
пр
| |  скачать работу |
Химия окружающей среды |
