5. (2) Радиактивность и закон радиоактивного распада. Изотопы. Технологии утилизации радиоактивных отходов и материалов.

Радиоактивность, радиоактивный распад — явление спонтанного превращения атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино, альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Радиоактивность – явление, присущее большей части нуклидов (ядер), суть которого состоит в том, что ядро распадается, испуская какую-либо частицу. Ядра характеризуются периодом полураспада – N=N0e-lt, где l – постоянная радиоактивного распада. Т.е. это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного элемента в изотоп другого, при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (альфачастиц). Изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отлич числом нейтронов в составе ядра.

Закон радиоактивного распада. Радиоактивность(Р)-это самопроизвольное испускание ядрами нек-х эл-в разразличных частиц (альфа-ч-ц, электронов и др-е), сопровождающееся переходом ядра в др-е состояние и измен-е его параметров. Активность-число распадов в единицу времени. Виды РИ:1.Альфа-распад-изл-ние α-частиц высокой энергии(ядер гелия). Масса ядра уменьш-ся на 4 единицы, а заряд (№эл-та в таблице Менделеева) –на 2 ед-ы.

2.β-распад-самопроизвольное превращение нейтрона с протоном с испусканием электрона и антинейтрино:n-p+e+v.

Массовое число не изменяется, а заряд возрастает на единицу. Различают 3 вида β-распада:1. Один из нейтронов в ядре превращается в протон, при этом излуч-ся электрон и антинейтрино.2. протон, входящий в состав ядра, распадается на нейтрон, позитрон и элект-е нейтрино с образованием ядра А(z-1;n+1).. 3. Ядро может захватить ближайший из атомных электронов и превратиться в другое ядро с зарядом на 1 меньше; β-ч-ца(электрон или позитрон) при этом не изл-ся.

1) γ-изл-ние-испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра не изменяется, ядро переходит в состояние с меньшей энергией. Закон радиоа-го распада Nt=Noe , где лямбда –постоян-я радиоа-го распада; Nt-число нераспавшихсяядер в момент времени t; No-начальное число нераспавшихся ядер t=0. Период полураспада –время, через к-е распадается половина ядер.

Изотопы— разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Название связано с тем, что изотопы находятся в одном и том же месте (в одной клетке) таблицы Менделеева. Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn).

Технологии утилизации радиоактивных отходов.

Витрификация. Долговременное хранение РАО требует консервации отходов в форме, которая не будет вступать в реакции. Одним из способов достижения подобного состояния является витрификация (или остеклование). В настоящее время РАО смешивают с сахаром и затем кальцинируют. Кальцинирование подразумевает прохождение отходов через нагретую вращающуюся трубу и ставит целью испарение воды и деазотирование продуктов деления.

В полученное вещество, находящееся в индукционной печи, постоянно добавляют измельченное стекло. В результате получается новая субстанция, в которой при затвердении отходы связываются со стеклянной матрицей. Это вещество в расплавленном состоянии вливается в цилиндры из легированной стали. Охлаждаясь, жидкость затвердевает, превращаясь в стекло, которое является крайне устойчивым к воздействию воды. После заполнения цилиндр заваривают, затем моют. После обследования на предмет внешнего загрязнения стальные цилиндры отправляют в подземные хранилища.

Синрок. Более сложным методом нейтрализации высокоактивных РАО является использование материалов типа СИНРОК (синтетическая порода). СИНРОК состоит из таких минералов, как пирохлор и криптомелан. Главными составляющими этого вещества являются голландит (BaAl₂Ti₆O₁₆), цирконолит (CaZrTi₂O₇) и перовскит (CaTiO₃). Цирконолит и перовскит связывают актиноиды, перовскит нейтрализует стронций и барий, голландит — цезий.

Геологическое захоронение. Существуют проекты захоронения РАО в океанах, но они заморожены положениями морского права. В 1990-х годах было разработано несколько вариантов конвейерного захоронения в недра радиоактивных отходов. Но было доказано, что это приведет к загрязнению атмосферы. Более реальным выглядит проект, суть которого состоит в том, что высокоактивные РАО, смешанные с отходами из урановых рудников и обогатительных фабрик до первоначального уровня радиоактивности урановой руды, будут затем помещены в пустые урановые рудники.

Трансмутация. Существуют разработки реакторов, потребляющих в качестве топлива РАО, превращая их в менее вредные отходы. Проект был заморожен правительством США на стадии крупномасштабных испытаний. Другим предложением, более безопасным, но требующим дополнительных исследований, является переработка подкритическими реакторами трансурановых РАО.

Повторное использование РАО. Ещё одним применением изотопам, содержащимся в РАО, является их повторное использование. Уже сейчас цезий-137, стронций-90, технеций-99 и некоторые другие изотопы используются для облучения пищевых продуктов и обеспечивают работу радиоизотопных термоэлектрических генераторов.

Отправка РАО в космос является заманчивой идеей, однако у подобных проектов есть значительные недостатки, один из самых важных — возможность аварии ракеты-носителя. Кроме того, значительное число запусков и большая их стоимость делает это предложение непрактичным.