О. М. Басманов, В.С. Сердюк
Оценка радиационной обстановки
при авариях
на атомных электростанциях.
Учебное пособие
Омск 2006
ББК 20.1
С 32
УДК 621.311.25:621.039.586
Рецензенты
М.В. Чернов, В.И. Кошманов
О. М. Басманов, В.С. Сердюк
Оценка радиационной обстановки
при авариях
на атомных электростанциях.
Учебное пособие
Омск 2006
ВВЕДЕНИЕ.
Научно-технический прогресс, повышение благосостояния народов невозможен без значительного увеличения энергетических ресурсов, без опережающего роста энергетически. Почти неисчерпаемым источником энергии является внутриядерная энергия, с использованием которой в мирных целях связывают решение энергетических проблем человечества. Не прост и не легок путь к раскрытию тайн атома, еще более сложным и драматичным он сказался при решении практических вопросов использования атомной энергии. Трагедия Хиросимы и Нагасаки, Южноуральская и Чернобыльская катастрофы, сотни могильников радиоактивных веществ и десятки тысяч квадратных километров зараженных территорий – все это печальные страницы летописи освоения внутриядерной энергии. Однако альтернативы ей нет, если человечество хочет развиваться и дальше. Поэтому главной задачей при дальнейшем развитии атомной энергии должно стать полное запрещение ее использования в военных целях и достижение максимальной безопасности эксплуатации мирных атомных энергетических установок.
Раскрытие, вопросов истории освоения энергии атома, некоторые технические сведения, касающиеся получения этой энергии и ее практического применения, а такие, опросы безопасности являются целью данной работы.
Перспективные источники энергии.
Атом является наименьшей частицей данного химического элемента, обладающий всеми его химическими свойствами. Он состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц – электронов.
Ядро в десятки тысяч раз меньше атома и, в свою очередь, состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Масса их почти одинакова, но протон обладает электрическим зарядом, а нейтрон – частица электрически нейтральная, не имеет заряда. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.
Электроны находятся на строго определенном расстоянии от ядра, образуя вокруг него электронную оболочку. Электроны в оболочке атома расположены слоями. Таких слоев может быть семь, количество электронов в одном слое может быть различное. Не возбужденный атом нейтрален, т.е. количество электронов (заряженных отрицательно) в оболочке атома равно числу протонов ядра или, что одно и тоже, атомному номеру элемента.
Так как число электронов в атоме сравнительно невелико (равно атомному номеру) и массы наиболее легкого атома – атома водорода (1/12 массы атома углерода, атомной единицы массы «а.е.м.») в 1840 раз, практически вся масса сосредоточена в его ядре.
Масса ядра равна сумме масс протонов и нейтронов. Электрический заряд ядра численно равен порядковому номеру данного элемента периодической таблицы Д.И. Менделеева. Поэтому, чтобы узнать число протонов ядра атома данного элемента, достаточно знать его порядковый номер в таблице. Общее число нуклонов ядра можно определить по массовому числу. Массовое число – это округленный до целых единиц атомный вес элемента, обозначаемый буквой «А». Если от массового числа отнять число протонов, соответствующее порядковому номеру элемента, то разность двух этих чисел даст число «N» или количество нейтронов в Ядре атома. Таким образом, место элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева даст возможность вскрыть структуру атома и его ядра для каждого элемента таблицы. Например, «4Ве9» - бериллий имеет 4 протона и пять нейтронов, а в оболочке – 4 электрона; «92И238» имеет 92 протона, 146 нейтронов и 92 электрона. Почти каждый элемент таблицы Д.И. Менделеева фактически состоит из нескольких разновидностей, имеющих одинаковое количество протонов (заряд ядра), но различное число нейтронов в ядре (массу). Эти разновидности химического элемента называются изотопами. Большинство изотопов являются радиоактивными, т.е. атомы распадаются в атомы других, более устойчивых химических элементов с выделением α (ядра гелия), β (электроны), γ (электромагнитные) излучения.
Устойчивость или неустойчивость элемента к радиоактивному распаду зависит от соотношений в ядрах его атомов протонов и нейтронов. Если соотношение составляет для нейтронов 50% и менее, такое ядро будет неустойчивым. Наиболее же стабильными будут ядра, в которых имеется некоторое преобладание нейтронов над протонами. Это объясняется действием закона Кулона. Однако силам отталкивания между одинаково заряженными частицами противостоят более мощные ядерные силы, что обеспечивает стабильность ядер.
В 1905 г. В журнале «Анналы физики» была опубликована статья скромного служащего, патентного бюро Швейцарского города Верна Альберта Эйнштейна, которая называлась «Зависит ли инертность тела от содержания в нем энергии?». Статья явилась продолжением работ Эйнштейна над теорией относительности и содержала очень важный вывод: масса и энергия взаимосвязаны. Эйнштейн сформулировал эту зависимость в виде Е = Мс2. Именно эта формула сводит законы сохранения массы и энергии в один общий закон. Она указывает на возможность как полного превращения массы в энергию, так и возникновения массы при исчезновении эквивалентного количества энергии. Поскольку с2 = 9 ∙ 1016 м2/с (300000 м/с), то согласно закону Эйнштейна, коэффициент эквивалентности массы энергии равен 9 ∙ 1013 Дж (220 млн. ккал) или 2,5 ∙107 кВт (25 млн.кВт). Эта энергия называется внутриядерной энергией. Огромное значение этого «переводного» коэффициента указывает на исключительно малую величину изменения массы, вызванного затратами энергии, с которыми мы сталкиваемся в практике. Изменение массы становится заметным лишь тогда, когда достаточно велико изменение энергии (например, изменение массы воды на 1г. требует затраты энергии 25 млн. кВт). С другой стороны, электроэнергия, вырабатываемая в настоящее время всеми электростанциями мира, эквивалентна энергии, содержащейся всего в нескольких десятках килограммов вещества. Научиться использовать эту колоссальную внутриатомную энергию – такова была дальнейшая задача физики.
Многочисленными опытами было установлено, что масса ядра атома, состоящего из определенного количества протонов и нейтронов, всегда меньше суммы масс этих протонов и нейтронов, находящихся в свободном состоянии. Эта разность между суммой свободных частиц и массой ядра атома, состоящего из тех же частиц, называются дефектом массы, и является мерой энергии, которая выделяется при соединении свободных частиц в ядро. Дефект массы наблюдается не только при соединении протонов и нейтронов в ядро атома, но и в тех случаях, когда ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра.
Количество энергии, высвобожденной при перестройке элементарных частиц в ядрах атомов, эквивалентно дефекту массы и называется энергией связи. «Живущие» отдельно (сами по себе) нейтроны и протоны не обладают энергией связи, но при их объединении в ядро какого-то атома она выделяется. Например, при объединении двух протонов и двух нейтронов в ядро гелия выделяется энергия связи, равная 28,2 МэВ (2Не4).
Ядра тяжелых элементов делятся при бомбардировке их нейтронами, протонами и другими ядерными частицами или самопроизвольно. Распад ядра на несколько (обычно два, реже три и четыре) сравнимых по массе ядер-осколков деления сопровождается вылетом вторичных нейтронов деления, гамма-лучей и выделением значительного количества энергии. Основная часть энергии деления в виде кинетической энергии осколков, разлетающихся под действием сил электростатического отталкивания.
С помощью формулы взаимосвязи энергии и массы А.Эйнштейна и величины дефекта массы можно вычислить количества энергии, выделяющейся при ядерных реакциях деления тяжелых – элементов, например, урана-235.
При воздействии нейтрона уран-235 делится на два осколка и, кроме того, выделяется при делении от одного до трех нейтронов и не менее 6 бета-частиц. При этом новым продуктом, деления является дефект массы, соответствующий по формуле А.Эйнштейна энергии ≈ 200 МэВ. А если бы произошел распад ядер всех атомов одного килограмма урана, то выделилось бы количество энергии эквивалентной сгоранию 200 тыс. тонн угля или взрыва 20000 т тринитротолуола. Отсюда и выводится понятие о тротиловом эквиваленте как о величине, характеризующей мощность ядерного взрыва. Тротиловый эквивалент – это вес тротилового заряда, при взрыве которого выделяется такое же количество энергии, как и при взрыве ядерного заряда.
В термоядерных реакциях происходит соединение легких ядер атомов в более тяжелые ядра. Например, при соединении ядер атомов дейтерия и трития образуется ядро гелия (1Д2 + 1Т3 → 2Не4 + on1). Выделившаяся при этом энергия равна 17,5 МэВ.
Если взять одинаковые весовые количества реагирующих элементов, то в термоядерных реакциях синтеза выделяется, по крайней мере, в 4 раза больше энергии, чем при ядерной реакции деления тяжелых элементов. Это объясняется тем, что масса ядра урана (235 а.е.м.) тяжелее массы двух реагирующих элементов (1Д2 и 1Т3), равной 5 а.е.м., в 48 раз и, следовательно, при равном весовом количестве атомов урана будет в 48 раз меньше. При делении, каждого ядра урана выделится в 200 МэВ, а при синтезе ядра гелия – 17,5 МэВ. Умножив количество атомов в заданном весовом объеме того и другого элемента на количество выделяемой энергии, мы и получаем приведенное выше отношение.
Однако при всем изобилии энергии атом отдает ее крайне скупо. Чтобы преодолеть силы, связывающие частицы в ядре и препятствующие его перестройке, нужно сначала затратить какое-то количество энергии. Только тогда распадающееся или перестраивающееся ядро атома выделит связанную с уменьшением его массы энергию. Однако не во всех случаях энергия, выделяющаяся при распаде или перестройке ядра, превышает энергию, затрачиваемую на разрушение или перестройку. Следовательно, для получения энергии выгодно разрушать или перестраивать ядра атомов только тех элементов, у которых «затраты» меньше «прибыли». Это относится к очень ограниченному числу атомов: к самым легким – водороду, дейтерию, тритию, гелию, литию и самым тяжелым – урану, плутонию. Все элементы середины таблицы Д.И. Менделеева никаких выгод в этой связи не представляют. По этой причине гранит, железо, серебро, золото, ртуть, и другие вещества до скончания веков останутся тем, чем они есть сейчас. Вот почему взрыв атомной или водородной бомбы не вызывает детонации и взрыва всех окружающих нас веществ: воды, воздуха, почвы, всей планеты, хотя вокруг этого вопроса в свое время велась оживленная дискуссия.
Наиболее успешно работы по практическому использованию ядерной энергий в 30-40-х годах велись в США, Германии и Советском Союзе.