Fizika - V. F. Dmitriyeva

кількостях пов'язане з певними труднощами. У звичайній воді на 6000 молекул Н 2 0 є лише одна молекула 0 2 0 , тому в реакторах використовують такі сповільнювачі, як звичайна вода або графіт.

Активна зона реактора, в якій відбувається самопідтримуюча ланцюгова реакція, - це графітовий циліндр.

Щоб зменшити витікання нейтронів, активну зону оточено шаром відбивача, роль якого виконують стінки графітового циліндра. Ядерне пальне (уран) вводять в активну зону, як правило, у вигляді стрижнів, між якими розміщений сповільнювач нейтронів. У процесі ланцюгової реакції температура в активній зоні досягає 800-900 К. Для відведення теплоти через активну зону реактора по трубах пропускають теплоносій, наприклад звичайну воду або рідкий металічний натрій. Керують ланцюговою реакцією за допомогою регулюючих стрижнів, виготовлених з бору або кадмію, які добре поглинають теплові нейтрони. Ланцюгова реакція, яка розвивається, призводить до того, що кількість ядер, які діляться, неперервно зростає, тобто збільшується потужність реактора. Щоб ланцюговий процес не набув лавинного характеру, потрібно, щоб коефіцієнт розмноження нейтронів весь час дорівнював одиниці; цього досягають за допомогою регулюючих стрижнів. Якщо регулюючі стрижні будуть вийняті з активної зони, то к > 1, а коли вони повністю знаходяться в зоні, то к < 1. За допомогою стрижнів у будь-який момент часу можна припинити розвиток ланцюгової реакції.

Критична маса

Самопідтримуюча ланцюгова реакція може відбуватися в активній зоні (к > 1) тоді, коли об'єм її не менший від деякого критичного

значення. Мінімальний об'єм активної зони, при якому можливе здійснення ланцюгової реакції, називають критичним об'ємом. Масу подільної речовини, внесену в критичний об'єм, називають критичною. Залежно від будови установок і типу пального критична маса може змінюватися від кількох сотень грамів до кількох десятків тонн ядерного пального.

601

Відтворення. • ядерного пального

У реакторі, який працює на природному урані, частина вторинних нейтронів захоплюється, ядром урану-238, перетворюючись в уран-239:

* * 1 Л ^ И - ^ ін-у.

Ізотоп урану-239 радіоактивний з періодом піврозпаду 23,5 хв. Внаслідок р -розпаду він перетворюється в ізотоп, нептунію:

У свою чергу, зазнаючи р-розпад, ядро нептунію перетворюється в ядро плутонію-239:

^ Н р - ^ Р и + ^е + у .

Нуклід тіутонію-239 має період піврозпаду Т~24 тис. років і за своєю здатністю до поділу не поступається, урану-235. Його можна використати в ядерних реакторах як пальне. Отже, витрачання урану-235 супроводиться утворенням не менш цінного ядерного пального - плутонію-239.

При поділі одного ядра урану-235 в середньому вивільняється 2,5 нейтрона» На підтримання ланцюгової реакції витрачається один нейтрон; отже, 1,5 нейтрона йде на утворення ядер плутонію. Таким чином, у процесі поділу ядер урану-235 реактор одночасно відтворює ядерне пальне в кількості, яка перевищує витрачену.

Звжшст від радіації

Під час ланцюгової ядерної реакції утворюються радіоактивні ядрачюколки, які є джерелами нейтронів, р- і у -випромінювання, Отже, урановий реактор с джерелом різних випромінювань, особливо небезпечні з них нейтрони і у «випромінювання, оскільки вони мають велику проникну здатність. Обслуговуючий персонал від опромінення, захищають, як правило, шаром води завтовшки порядку 1 м, шаром бетону до 3 м і товстим шаром чавуну»

Тепер створено різні ТИШІ реакторів, які відрізняються один від одного енергіями нейтронів, що спричинюють поділ ядерного пального (реактор на теплових нейтронах, реактор на швидких нейтронах), характером подільної речовини (на природному урані, збагаченому урані, на чистому подільному продукті), призначенням (для наукових досліджень, виробництва плутонію, вироблення електроенергії),

ті

Атомну бомбу можна розглядати як реактор, в якому відбувається некерований ланцюговий процес поділу (к > і). Як ядерне пальне для неї

використовують в основному уран-235 або плутоній-239. Ланцюговий процес, що призводить до вибуху, можливий тільки при певних критичних розмірах або критичній масі ядерного пального. Критична маса для урану-235 і плутонію-239 становить до 10—20 кг.

До вибуху ядерний заряд поділено звичайно на дві частини, маса кожної з них менша від критичної, тому ланцюгова ядерна реакція не відбувається. Як тільки частини ядерного заряду, що є півкулями радіусом 4-6 см, з'єднуються разом, їх маса стає більшою від критичної, миттю починається некерований ланцюговий ядерний процес - ядерний вибух. Ядерне пальне з'єднують за допомогою звичайної вибухової речовини (димного пороху). Ядерний вибух супроводиться випусканням у -випромі- нювання й нейтронів, різким підвищенням температури і тиску, Основними факторами ураження є ударна хвиля, яка поширюється від центра вибуху в усі боки з надзвуковою швидкістю, і радіоактивне випромінювання, яке заражує навколишню місцевість.

§ 259. Добування радіоактивних ізотопів та їх застосування

Дослідження штучної радіоактивності, проведені Ірен і Фредеріком Жоліо-Кюрі, Е. Фермі, відкрили можливість створення штучних радіоактивних елементів. Промислове виробництво радіоактивних ізотопів стало можливим після пуску першого радянського атомного реактора в 1946 р.

Першим елементом, створеним штучно, був технецій 43 Тс. Його добуто в 1937 р. внаслідок бомбардування молібдену дейтерієм:

Тільки в 1961 р. його сліди було виявлено в земних мінералах. Відкриття технецію стало початком заповнення клітинок 43, 61, 85, 87 періодичної системи Менделєєва, які раніше були порожні. На сьогодні за допомогою ядерних реакцій і штучної радіоактивності добуто ізотопи з номерами від 93 до 105 (див, періодичну систему Менделєєва).

Застосування штучних радіоактивних ізотопів ґрунтується на великій проникній та іонізуючій здатності радіоактивного випромінювання, яке виникає внаслідок радіоактивного розпаду.

Радіоактивні ізотопи і ядерні випромінювання дедалі ширше застосовують у наукових дослідженнях, промисловості, сільському господарстві і медицині.

603

Ізотопи і випромінювання мають численні галузі застосування. Вони дають можливість визначати якість виливків і зварних швів, витрату і швидкість руху рідин, газів і сипких матеріалів, а також фіксувати рівень заповнення закритих місткостей. За їх допомогою визначають місця течі в підземних трубопроводах, якість змішування різних матеріалів, товщину і надійність лакових покриттів.

Ізотопи використовують для вивчення міграції риби і якості добрив, розвитку живого організму і руху мулу в гирлах річок. Включені в металеві підшипники або поршневі кільця двигунів, вони дають можливість визначати динаміку їх спрацювання.

На основі використання ядерних випромінювань побудовано прилади, які автоматично вимірюють товщину і густину різних середовищ, тиск газу, в'язкість рідин і цілий ряд інших параметрів, потрібних для регулювання технологічних процесів. Завдяки безконтактності роботи, точності й надійності вимірювань прилади з джерелами випромінювань широко використовують як датчики систем автоматичного регулювання.

Іонізуючі випромінювання застосовують у різних галузях промисловості для видалення електростатичних зарядів, які утворюються на робочих органах машин, заготовках і готовій продукції в паперовій, текстильній, гумовій та інших галузях промисловості.

За допомогою потужних джерел випромінювання виникла можливість стерилізувати в промисловому масштабі медикаменти, деякі ліки і медичне устаткування. Розроблено методи застосування випромінювань для консервування харчових продуктів, прискорення хімічних реакцій, виготовлення нових хімічних сполук, зміни фізико-механічних властивостей різних хматеріалів та виробів з них.

Використання ізотопів і випромінювань у медицині дало можливість зробити значний крок уперед в галузі діагностики і лікування злоякісних пухлин та деяких інших захворювань.

Радіоактивні ізотопи, введені в досліджуваний об'єкт (або добуті після попереднього опромінення досліджуваного матеріалу нейтронами), дають можливість дослідити властивості речовини і хід різних процесів. Це метод мічених атомів, або радіоактивних індикаторів, що не має собі рівних за універсальністю, точністю, швидкістю і надійністю. Тепер майже в усіх областях знань і галузях промисловості застосовують радіоактивні індикатори. Особливо широко їх використовують у сільському господарстві, біології і медицині, а також у металургійній, хімічній і нафтовій промисловості.

Приклади застосування ізотопів у наукових дослідженнях такі численні, що їх не можна перелічити. З того часу як атомна промисловість почала випускати в достатніх кількостях різні "мічені" хімічні сполуки, дослідники найрізноманітніших спеціальностей дістали новий, дуже потужний

604

інструмент, яким дав можливість створити нові методи ведення експериментальних робіт.

Цей далеко не повний перелік галузей застосування радіоактивних ізотопів і ядерних випромінювань показує, як глибоко впроваджується фізика атома в техніку, медицину і сільське господарство.

§ 260. Успіхи і перспективи розвитку атомної енергетики

Після пуску першої в світі атомної електростанції (АЕС) в м. Обнінську в 1954 р. було нагромаджено великий науково-технічний і виробничий досвід проектування, спорудження і експлуатації великих АЕС різного типу. Стан і обсяг робіт щодо спорудження АЕС на теплових і швидких нейтронах з різними сповільнювачами і теплоносіями, розрахованих на різну потужність, показують, що атомна енергетика стала самостійною галуззю електроенергетичного виробництва.

Висока енергомісткість ядерного пального і практично необмежена автономність дають можливість створювати атомні двигуни, які з успіхом використовують у надводних і підводних кораблях. 17 серпня 1977 р. атомний криголам "Арктика" досяг Північного полюса, здійснивши вікову мрію людства. Атомні криголами "Ленин", "Арктика", "Сибирь" довели можливість цілорічної навігації в Арктиці.

Нині особлива увага приділяється створенню нових джерел енергії. До них належать паливні киснево-водневі елементи, термогенератори, сонячні батареї, МГД-генератори. Але всі ці пристрої поки що порівняно малопотужні й дорогі, тому їх можна використовувати лише як допоміжні джерела енергії, наприклад, на космічних кораблях. Розв'язання енергетичної проблеми в найближчому майбутньому належатиме термоядерним електростанціям, проте й досі не вдалося забезпечити стійкої керованої реакції синтезу. Над цією проблемою працюють найвидатніші вчені всього світу, її розв'язання дасть людству невичерпне джерело енергії.

Теоретично вчені передбачили створення ще одного джерела енергії, яке грунтується на анігіляції - реакції з'єднання атомів речовини і антиречовини. Якщо вдасться побудувати анігіляційний реактор, де будуть взаємодіяти, наприклад, водень і антиводень, то він вироблятиме величезний потік світлової енергії. Цю енергію за допомогою сонячних батарей можна перетворити в електричну.

Наявні тепер способи добування електроенергії дуже складні і мають малий коефіцієнт корисної дії. Величезні резерви енергетики - в зменшенні великих втрат у процесі перетворення і передавання енергії. Вико-

605

ристання плазми для безпосереднього перетворення теплоти в електрику, застосування надпровідників різко зменшать ці втрати. Хоч переважну частину енергії дають ще теплові і гідроелектростанції, починає відігравати дедалі відчутнішу роль ядерна енергетика. Ядерна енергетика - яскравий приклад революційного перевороту, спричиненого досягненнями науки, зокрема фізики атомного ядра та елементарних частинок.

§ 261. Біологічна дія радіоактивних випромінювань

В основі біологічної дії випромінювань - процес ; енергії, який проявляється в іонізації і збудженні атомів та молекул.

му ланцюгу біологічної дії радіації. Іонізація живої тканини призводить до розриву молекулярних зв'язків і зміни хімічної структури різних сполук. Зміни в хімічному складі клітини порушують її нормальне функціонування, обмін речовин і клітина гине.

Біологічний ефект або ступінь променевого ураження зростає із збільшенням поглинутої дози випромінювання, тобто кількості енергії, яку поглинає одиниця маси тканини.

Загальна реакція організму на дію випромінювання залежить від дози випромінювання, його виду, розміру опроміненої поверхні, відносної чутливості органів, які зазнали опромінення, індивідуальних особливостей організму.

При тій самій дозі біологічна дія різних типів випромінювань неоднакова через відмінності в густині іонізації (кількість іонів, які утворюються на одиниці шляху іонізуючої частинки). Чим густіша іонізація, тим знач-

Оцінюючи дію випромінювання на організм, треба розрізняти зовнішнє і внутрішнє опромінення. Той самий вид радіації (наприклад, а -про- міння) порівняно безпечний при зовнішньому опроміненні, але може бути дуже шкідливим при локалізації радіоактивності всередині організму.

Отже, в разі зовнішнього опромінення особливу увагу слід приділяти

які мають велику проникну здатність.

никають у шкіру на кілька мікрометрів і затриму- : епідермісу, що не чинить помітної шкоди.

Бета-частинки проникають у тканину на кілька міліметрів і мірою поглинаються шкірою і підшкірною клітковиною.

Малі дози опромінення, хоч і створюють небезпеку небажав тичних змін, проте можуть у ряді випадків стимулювати зростання і роз-

а іноді і тваринних організмів.

606

Стійкість різних організмів проти дії іонізуючих випромінювань коливається в дуже широких межах. При цьому чим більший і складніший організм, тим легше він руйнується під дією випромінювання. Так, наприклад, бактерії в тисячі раз стійкіші проти ядерних випромінювань, ніж людина і високорозвинені тварини.

Найсприйнятливіші до променевої дії клітини, які швидко розвиваються: органи розмноження або клітини пухлин легше руйнуються, ніж нормальна м'язова тканина; зародки тварин, які розвиваються, значно чутливіші, ніж дорослі особи; пророщене насіння сприйнятливіше від насіння, яке перебуває у спокої, а вегетативні форми бактерій незрівнянно чутливіші від бактеріальних спор.

Доза випромінювання

Дія випромінювання на живі організми характеризується дозою випромінювання. Експозиційною дозою випромінювання називають міру іонізації повітря, яка відбувається під дією даного випромінювання.

У СІ дозу випромінювання виражають у кулонах на кілограм (Кл/кг) Якщо сумарний заряд іонів одного знака, утворених випромінюванням в 1 кг повітря, дорівнює І Кл, то доза випромінювання дорівнює 1 Кл/кг.

Дія на організм випромінювань різної природи за тією самою дозою О0 неоднакова. Тому для оцінки небезпеки випромінювання вводять коефіцієнт к відносної біологічної активності. Для рентгенівського проміння, у -проміння та електронів к = 1; для повільних нейтронів к = 5 ; для швидких нейтронів і а -частинок к = 10 і т. д. Практично важливо знати біологічну дозу опромінення /)б , яку визначають за формулою

Дд = Щ).

Природний фон радіації (космічне проміння, радіоактивність навколишнього середовища і тіла людини) становить за рік біологічну дозу близько 2,5 -10"° Кл/кг, Міжнародна комісія з радіаційного захисту встановила для осіб, що працюють з випромінюванням, граничнодопустиму за рік дозу 1,3 Ю"3 Кл/кг. Бі іологічна доза в ОД 5 Кл/кг, одержана за короткий час, смертельна,

Короткі висновки

« У 1896 р. А. Беккерель відкрив явище радіоактивності. Радіоактивність -

спонтанне перетворення ядер нестійких ізотопів у стійкі, що супроводиться випромінюванням частинок і енергії.

ті

Радіоактивні випромінювання - велика небезпека для живих організмів. Під час роботи з ними треба застосовувати спеціальні методи захисту.

Космічне випромінювання, яке надходить із світового простору, ділиться на первинне і вторинне. Первинне випромінювання галактичного походження містить частинки з енергією, яка досягає 10і7 еВ/нуклон. Первинні частинки, стикаючись з ядрами у верхніх шарах атмосфери, утворюють вторинне випромінювання, породжуючи каскадні атомні зливи.

У навколоземному просторі є області, в яких густина заряджених частинок, захоплених магнітним полем Землі, перевищує густину космічного первинного випромінювання в сотні мільйонів разів. Ці області називають

радіаційними поясами.

Елементарними називають такі частинки, які не можна вважати сполуками інших, "простіших" частинок. Взаємодіючи з іншими частинками, вони мають поводити себе як єдине ціле.

Усі елементарні частинки взаємоперетворюються між собою. Більшість з них нестабільна, Винятком є фотон, електрон, нейтрино. Усі частинки мають античастинки, які відрізняються від частинок знаком електричного заряду, напрямом спіну.

Якщо частинка і античастинка стикаються, то вони анігілюють, тобто перетворюються в гамма-кванти. Можливий і зворотний процес. Пару частинок народжує фотон, який взаємодіє з полем ядра. Це є доказом взаємного перетворення речовини і поля.

Розрізняють чотири види взаємодії елементарних частинок між собою: сильну (ядерну), електромагнітну, слабку, гравітаційну . Кожній взаємодії відповідає своє поле.

Найважливішими характеристиками, які визначають властивості елементарних частинок, є їх маса, електричний заряд, спін, час життя. Тепер розроблено гіпотезу, за якою більшість елементарних частинок є комбінацією кварків і антикварків. Проте кварків у вільному стані не виявлено, незважаючи на численні пошуки.

Тепер важко робити висновок про те, чи точна гіпотеза кварків. Важливо те, що закладено початок створення єдиної теорії, яка об'єднує чотири фундаментальні взаємодії.

Запитання для самоконтролю і повторення

1. У чому полягає явище радіоактивності? 2. Яка природа радіоактивного випромінювання? 3. Напишіть закон радіоактивного розпаду. 4 Що називають періодом піврозпаду? 5. Яка будова і дія камери Вільсона і лічильника Гейгера? б. У чому ефект Вавилова - Черепкова? 7. Розкажіть про модель ядра за Іваненком - Гейзенбергом. 8. Що називають масовим числом? 9. Що таке дефект маси і енергія зв'язку ядра? 10. Дайте характеристику ядерним силам. 11. Розкажіть про альфа- І бета-розпад. Сформулюйте правила зміщення. 12. Що таке космічне випромінювання? 13. Які частинки називають елементарними? 14. Розкажіть про взаємне перетворення речовини і поля. 15. Розкажіть про основні властивості елементарних частинок. 16. Що розуміють під штучною радіоактивністю? 17. Яку ядерну реакцію називають ланцюговою? 18. Що таке

609