Ядерная энергия и ядерные энергетические установки
ые мировые запасы нефти и газа, казалось бы,
ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако
использование ядерной энергии дает человечеству возможность избежать
этого, так как результаты фундаментальных исследований физики атомного
ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования
энергии, выделяемой при некоторых реакциях атомных ядер.
АТОМНОЕ ЯДРО
Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, массой М, спином J,
магнитным и электрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом
R, изотопическим спином Т и состоит из нуклонов - протонов и нейтронов.
Число нуклонов А в ядре называется массовым числом. Число Z называют
зарядовым числом ядра или атомным номером. Поскольку Z определяет число
протонов, а А - число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-
Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В
среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов.
Например, 28Si, 29Si, 30Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме
стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы,
для которых характерно ограниченное время жизни.
Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с
одинаковым числом нейтронов—изотонами.
Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства
стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго. Нестабильные же
ядра испытывают различного рода превращения.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР
Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой
точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих
его нуклонов.
Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы
разделить ядро на составляющие его нуклоны. Энергия связи, отнесенная к
массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре
(энергия связи на один нуклон). Энергия связи приблизительно постоянна для
всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением является область
легких ядер, где средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для
ядра 12С. Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию
связи ядра относительно других составных его частей. В отличие от средней
энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона
изменяется от ядра к ядру. Часто вместо энергии связи используют величину,
называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа
атомного ядра.
РАДИОАКТИВНОСТЬ
1 Общие сведения.
Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта
французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его
соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные
тела и способные засвечивать фотопластинку, Беккерель установил, что
интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не
зависит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли
уран в каких-либо химических соединениях.
Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано,
что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения
атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения,
сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало,
что оно разделяется на ( - частицы (ядра гелия), (- частицы (электроны) и
(- лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).
Атомное ядро, испускающее (-кванты, (-, (- или другие частицы,
называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных
ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.
2 Влияние радиации на человека
Влияние радиации на человека определяется как искусственной, так и
естественной радиоактивностью окружающей среды, а именно, радиоактивностью
атмосферы, вод и горных пород, составляющих почву.
1 Радиоактивность атмосферы.
Радиоактивность атмосферы обусловлена присутствием в атмосфере
радиоактивных газов и аэрозолей, попадающих в неё в результате процессов,
происходящих в природе, и деятельности человека. Соответственно различают
естественную и искусственную радиоактивность атмосферы.
1 Естественная радиоактивность атмосферы.
Естественные радиоактивные газы являются изотопами радона: 222Rn — радон,
220Rn — торон, 219Rn — актинон, и образуются вследствие радиоактивного
распада 238U, 232Th и 235U. Они поступают в атмосферу с почвенным воздухом
при обмене его с атмосферным (эксхаляция) или путём диффузии. При
радиоактивном распаде изотопов Rn образуются аэрозольные продукты их
распада, так как возникающие при этом химические элементы относятся к
металлам и не летучи при обычных условиях (полоний, висмут и другие). При
этом 222Rn распространяется в пределах тропосферы, а его долгоживущие
продукты распада 210Pb(RaD), 210Bi(RaE), 210Po(RaF) обнаружены в
стратосфере. Содержание 222Rn в воздухе над океанами на два порядка ниже,
чем над материками, а концентрация над земной поверхностью уменьшается
примерно вдвое на каждый километр высоты. Торон и актинон вследствие малого
значения периода полураспада (в пределах одной минуты) присутствуют только
у земной поверхности. Продукт распада торона 212Pb обнаруживается в нижней
тропосфере. В воздухе над океанами 220Rn, 219Rn и их продукты распада
практически отсутствуют.
Основная масса естественных радиоактивных изотопов (7Be, 10Be, 35S, 32P,
33P,22Na, 14C,3H), возникающих при взаимодействии космического излучения с
ядрами атомов химических элементов, входящих в состав воздуха, образуется в
стратосфере, где и отмечаются наибольшие их концентрации.
2 Искусственная радиоактивность атмосферы.
Искусственные радиоактивные аэрозоли образуются при ядерных взрывах, а
также при технологических или аварийных выбросах на предприятиях атомной
промышленности. Через несколько десятков секунд после взрыва они содержат
около 100 различных радиоактивных изотопов; наиболее токсичными из них
считаются 90Sr, 137Cs, 14C, 131I. Высота заброса в атмосферу радиоактивных
аэрозолей зависит от мощности и высоты ядерного взрыва, а характер
распространения — от размеров частиц и от высоты заброса их в атмосферу.
Основной механизм очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей — выпадение
осадков. Среднее время ( пребывания радиоактивного аэрозоля в нижней
тропосфере (до момента его выпадения на земную поверхность) порядка
несколько суток, а в верхней тропосфере 20-40 суток. Радиоактивные
аэрозоли, попавшие в нижние слои стратосферы, имеют ( около года и выше.
Радиоактивное загрязнение атмосферы от предприятий атомной промышленности
имеет чаще всего локальный характер; однако, 85Kr распределён по всей
тропосфере.
Изучение распространения естественных радиоактивных аэрозолей, а также
продуктов ядерных взрывов позволило получить некоторые характеристики
физики атмосферы, например, скорости обмена между атмосферами полушарий, а
также между стратосферой и тропосферой.
2 Радиоактивность вод.
Радиоактивность вод обусловлена присутствием в водах радиоактивных
веществ, поступающих из атмосферы и вымываемых из почв и горных пород. В
водах присутствуют как естественные природные изотопы (40K, 222Rn, 226Ra,
238U и другие), так и искусственные (в основном 90Sr, 90Y и 137Cs),
возникшие вследствие ядерных взрывов и ядерных аварий. Как видно из таблицы
1, содержание естественных радиоактивных веществ в водах в зависимости от
их происхождения колеблется в значительной степени.
Таблица 1.
|Происхождение воды |Концентрация в 10-12 кюри/л |
| |40К |226Ra |222Rn |238U |
|Подземные воды |0 |4(до 26) |до 200|2.4 (до |
| | | | |40) |
|Источники и ручьи |0 |до 140 |до |до 4 |
| | | |3(104 | |
|Речные воды |8 |0.2 (до |0.2-0.|0.2 (до |
| | |0.8) |3 |20) |
|Озёрные воды |13 |1 (до 8) |0 |3 |
|Морская вода |300 |0.08 (до |0 |0.7 |
| | |45) | | |
Искусственные радиоактивные вещества в воды поступают вместе с осадками
из атмосферы. Так, в результате активных испытаний ядерного оружия
концентрация 90Sr в природных водах до 1968 непрерывно возрастала, достигая
в отдельных случаях 1(10-11 кюри/л. Другой основной источник попадания
искусственных радиоактивных веществ в водоёмы — сбросные воды предприятий
по производству ядерного топлива.
3 Радиоактивность горных пород.
Радиоактивность горных пород определяется содержанием в них радиоактивных
элементов 238U, 235U, 232Th и 40K. Содержание других радиоактивных изотопов
(87Rb, 150Nd и другие) существенно не влияет на общую радиоактивность, так
как скорость их радиоактивного распада крайне мала. Среднее содержание
изотопов урана в земной коре (до глубины 16 километров) составляет около
2,5*10-4 %, тория 1,3*10-3%, радиоактивного изотопа калия 0,029%. Кроме
того, в горных породах присутствуют продукты распада радиоактивных
элементов, которые иногда мигрируют в окружающие породы и образуют в земной
коре струи подземных газов (гелий, аргон и т.д.). В почвах накапливается
радон, имеющий радиогенное происхождение.
Среди извержённых горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые
(U—3.5*10-4; Th—1.8*10-3), наименьшей — ультраосновные породы (U—3*10-7;
Th—5*10-7). В кристаллических горных породах радиоактивные элементы
частично входят в состав ортита, циркона, монацита, апатита, сфена и
других, а также частично присутствуют в форме окислов, химически не
связанных с определёнными минералами.
Содержание радиоактивных элементов в осадочных горных породах
определяется
| |  скачать работу |
Ядерная энергия и ядерные энергетические установки |
