Ядерные явления и преобразователи. Радиоактивность. Рентгеновское излучение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ядерные явления и преобразователи. Радиоактивность. Рентгеновское излучение. Его практическое использование

 

Содержание

 

Введение

В настоящее  время все более применение в  жизни современного общества и государства  занимает использование ядерной  энергии. Согласно планам, поставленным руководством страны перед госкорпорацией «Росатом», необходимо увеличить производство электроэнергии за счет ввода в строй новых ядерных реакторов. Однако по-прежнему данный вид получения энергии вызывает большие опасения у многих людей. Получение ядерной энергии, несмотря на свою уже более чем полувековую историю, окружено большим количеством слухов и домыслов. Рассмотрим физические основы, лежащие в процессе получения ядерной энергии.

 

Радиоактивность. Ядерные явления и преобразователи

Явление радиоактивности  состоит в самопроизвольном превращении одного ядра в другое с испусканием одной или нескольких частиц. В процессе радиоактивного распада у ядра изменяется как зарядовое число, так и массовое. Ядра, подверженные такому распаду, называются радиоактивными. Ядра, не испытывающие радиоактивного распада, называются стабильными. На практике радиоактивными считаются ядра, времена жизни которых могут быть измерены современными физическими методами. Сейчас удается измерять времена от 10^-9 с до 10²² лет [8].

Радиоактивность открыта  в 1896 г. А. Беккерелем, который обнаружил  проникающее излучение солей  урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель установил, что интенсивность  излучения определяется только количеством  урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу — урану [4].

В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.

В 1999 г. Э. Резерфорд экспериментально установил, что соли урана испускают  лучи трёх типов, которые по-разному  отклоняются в магнитном поле:

• лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
• лучи второго типа отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц (в противоположную сторону), их назвали β-лучами;
• лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Последующие исследования [8] показали, что для очень тяжелых ядер характерна α-активность. Это объясняется тем, что ядрам энергетически выгодно испускать α-частицы. При этом поскольку энергия связи α-частицы составляет 28 МэВ, а на отрыв каждого нуклона в отдельности необходимо затратить, например, 6 МэВ, то ядру энергетически выгоднее испускать именно α-частицу, а не отдельные нуклоны.

Помимо α-распада очень тяжелые ядра могут испытывать спонтанное деление на два сравнимых по массам осколка. Этот процесс ограничивает возможности получения новых тяжелых ядер.

В процессе радиоактивного распада ядро может испускать  не только частицы, входящие в его  состав, но и новые частицы, рождающиеся в самом процессе распада. Радиоактивными процессами такого рода являются β-распады. К процессам β-распада относятся спонтанные превращения протона в нейтрон и нейтрона в протон внутри атомного ядра (а также превращение свободного нейтрона в протон), сопровождающиеся испусканием электрона или позитрона и электронных нейтрино или антинейтрино. К β-распаду относится также процесс поглощения ядром атома одного из электронов внутренней оболочки (электронный, или К-захват) с испусканием электронного нейтрино.

Избежать облучения  ионизирующим излучением невозможно. Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов [2]:

1. Космическое  излучение;

2. Излучение  от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах  внешней среды природных радионуклидов;

3. Излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

Облучение по критерию месторасположения источников излучения  делится на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение обусловлено  источниками, расположенными вне тела человека. Источниками внешнего облучения  являются космическое излучение и наземные источники. Источником внутреннего облучения являются радионуклиды, находящиеся в организме человека.

В результате деятельности человека во внешней среде появились  искусственные радионуклиды и источники  излучения. В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами. Сюда относятся геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4*10¹⁴ Бк изотопа ²²²Rn на 1 ГВт выработанной электроэнергии; фосфорные удобрения, содержащие ²²⁶ Ra и ²³⁸U (до 70 Бк/кг в Кольском апатите и 400 Бк/кг в фосфорите); уголь, сжигаемый в жилых домах и электростанциях, содержит естественные радионуклиды ⁴⁰К ²³²U и ²³⁸U в равновесии с их продуктами распада. Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона иллюстрируется в табл.1.

Табл.1

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного  радиационного  
фона и различных искусственных источников излучения

Источник излучения.	Доза, мбэр/год
Природный радиационный фон	200
Стройматериалы	140
Атомная энергетика	0.2
Медицинские исследования	140
Ядерные испытания	2.5
Полеты в  самолетах	0.5
Бытовые предметы	4
Телевизоры  и мониторы ЭВМ	0.1
Общая доза	500

 

В настоящее  время наибольшее применение эффекта  ядерного распада получило в ядерной  энергетике.

Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор. построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В Европе первый ядерный реактор пущен в декабре 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3*10¹⁶ актов деления в 1 сек [7].

Во всем мире сегодня эксплуатируются более 1000 ядерных реакторов [9]:

• приблизительно 280 малых реакторов используются для научных исследований и производства изотопов для медицины и промышленности;
• более 400 реакторов приводят в движение морские суда, главным образом, атомные подводные лодки;
• более 430 мощных реакторов используются для производства электроэнергии.

Фактически  весь уран, производимый сегодня, идет на производство электроэнергии (хотя незначительное его количество используется для создания радиоизотопов). Его  использование в этих целях уже  конкурирует с углем и с  природным газом.

Более чем за 40 последних лет ядерная энергия  стала одним из главным источников электроэнергии в мире. Сейчас вклад  ядерной энергетики в мировое  производство электроэнергии составляет 16%, что эквивалентно полному производству электроэнергии "тринадцатью Австралиями" или "пятью Каналами". Ядерная энергия может внести вклад и намного больший, особенно если по экологическим соображениям она будет признана экономически более выгодной и этически желательной. А природный уран будет необходим для того, чтобы снабжать топливом часть этого мирового производства электроэнергии.

Конструкция

Любой ядерный  реактор состоит из следующих  частей (рис.1):

• активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
• отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
• теплоноситель;
• система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;
• радиационная защита;
• система дистанционного управления.

 

Рис.1. Схематическое  устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах

1 — управляющий  стержень; 2 — биологическая защита;

3 — теплоизоляция; 4 — замедлитель; 
5 — ядерное топливо;6 — теплоноситель.

 

Существует  несколько классификаций ядерных  реакторов [7]:

по характеру использования ядерные реакторы делятся на:

• экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает несколько кВт.
• исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.
• изотопные (оружейные, промышленные) реакторы, используемые для наработки изотопов, используемых в ядерных вооружениях, например 239Pu.
• энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, при опреснении воды, для привода силовых установок кораблей, самолётов и космических аппаратов, в производстве водорода и металлургии и т. д. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт.

По спектру нейтронов  ядерные реакторы подразделяются на:

• реактор на тепловых (медленных) нейтронах («тепловой реактор»);
• реактор на быстрых нейтронах («быстрый реактор»);
• реактор на промежуточных нейтронах;
• реактор со смешанным спектром.

 

По размещению топлива ядерные реакторы подразделяются на:

• гетерогенные реакторы, где топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;
• гомогенные реакторы, где топливо и замедлитель представляют однородную смесь (гомогенную систему).

В гетерогенном реакторе топливо и замедлитель могут быть пространственно разнесены, в частности, в полостном реакторе замедлитель-отражатель окружает полость с топливом, не содержащим замедлителя. С ядерно-физической точки зрения критерием гомогенности/гетерогенности является не конструктивное исполнение, а размещение блоков топлива на расстоянии, превышающем длину замедления нейтронов в данном замедлителе. Так, реакторы с так называемой «тесной решёткой» рассчитываются, как гомогенные, хотя в них топливо обычно отделено от замедлителя.

Блоки ядерного топлива в гетерогенном реакторе называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ’ами), которые размещаются  в активной зоне в узлах правильной решётки, образуя ячейки. В Российской Федерации производством ТВЭЛов занимается корпорация ТВЭЛ, входящая в структуру ГК РОСАТОМ. На топливе с маркой «ТВЭЛ» работают 74 энергетических (17% мирового рынка) и 30 исследовательских реакторов в 17 странах мира. На ядерном топливе, произведенном корпорацией «ТВЭЛ», сегодня работают АЭС Германии, Швейцарии, Швеции и Нидерландов. На предприятиях Корпорации производится топливо для атомных станций Китая, Индии и Ирана [3].

По виду топлива ядерные реакторы подразделяются на использующие:

• изотопы урана 235 и 233 (²³⁵U и ²³³U)
• изотоп плутония 239 (²³⁹Pu)
• изотоп тория 232 (²³²Th) (посредством преобразования в ²³³U) .

 

По виду теплоносителя ядерные реакторы делятся на:

• использующие воду H₂O (применяется в водо-водяном реакторе);
• использующие газ (применяется в графито-газовом реакторе);
• использующие тяжёлую воду D₂O ( применяется в Тяжеловодный ядерный реактор CANDU);
• реактор с органическим теплоносителем;
• реактор с жидкометаллическим теплоносителем;
• реактор на расплавах солей;
• реактор с твердым теплоносителем;