Пособие для граждан "Осторожно! Радиация"
Деление ядер атомов
Деление ядер атомов - это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части, на два "осколка".
Осколки - это два радиоактивных изотопа элементов центральной части таблицы Д. И. Менделеева, примерно от меди до средины элементов-лантаноидов (самария, европия).
При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде. Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8?10 гамма-квантов! Кроме того разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.
Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.
Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.
Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию ("атомную энергию") можно использовать либо для отопления, либо для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.
Если же позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв. Это уже - ядерное оружие.
В природе имеется только один химический элемент - уран, у которого есть только один делящийся изотоп - уран-235. Это оружейный уран. И этого изотопа в природном уране 0,7%, то есть всего 7 кг в тонне! Остальные 99,3% (993 кг в тонне) - неделящийся изотоп - уран-238. Есть, правда, ещё один изотоп - уран-234, но его всего 0,006% (60 граммов в тонне).
Но в обычном урановом атомном реакторе из неделящегося ("неоружейного") урана-238 под действием нейтронов (нейтронная активация!) образуется новый изотоп урана - уран-239, а из него (путём двойного бета-минус распада) - новый, искусственный, не имеющийся в природе элемент плутоний. При этом сразу образуется делящийся изотоп плутония - плутоний-239. Это оружейный плутоний.
Деление ядер атомов - это суть, основа атомного оружия и атомной энергетики.
Критическая масса - это такое количество оружейного изотопа, при котором нейтроны, выделяющиеся при самопроизвольном делении ядер, не вылетают наружу, а попадают в соседние ядра и вызывают их искусственное деление.
Критическая масса металлического урана-235 - 52 кг. Это шар диаметром 18 см.
Критическая масса металлического плутония-239 - 11 кг (а по некоторым публикациям - 9 и даже 6 кг). Это шар диаметром около 9-10 см.
Неуправляемая цепная реакция - ядерный взрыв
Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию ("атомную энергию") можно использовать либо для отопления, либо для получения электроэнергии
Таким образом, сейчас у человечества имеется два делящихся, оружейных изотопа: уран-235 и плутоний-239. Разница между ними только в том, что уран, во-первых, более пригоден для использования в атомной энергетике: он позволяет управлять своей цепной реакцией, а во-вторых, он менее эффективен для осуществления неуправляемой цепной реакции - атомного взрыва: у него меньшая скорость самопроизвольного деления ядер и больше критическая масса. А оружейный плутоний, наоборот, более пригоден для ядерного оружия: у него большая скорость самопроизвольного деления ядер и гораздо меньше критическая масса. Плутоний-239 не позволяет надёжно управлять своей цепной реакцией и поэтому пока ещё не нашёл широкого применения в атомной энергетике, в атомных реакторах.
Именно поэтому все проблемы с оружейным ураном были решены в считанные годы, а попытки использовать плутоний в атомной энергетике продолжаются до сих пор - уже более 60 лет.
Так, через два года после открытия деления ядер урана был запущен первый в мире урановый атомный реактор (декабрь 1942 года, Энрико Ферми, США), а ещё через два с половиной года (в 1945 году) американцы взорвали первую урановую бомбу.
А с плутонием... Первая плутониевая бомба была взорвана в 1945 году, то есть примерно через четыре года после его открытия как химического элемента и открытия его деления. Причём, для этого потребовалось сначала построить урановый атомный реактор, наработать плутоний в этом реакторе из урана-238, затем выделить его из облучённого урана, хорошо изучить его свойства, изготовить бомбу. Наработали, выделили, изготовили. А вот разговоры о возможности использования плутония в качестве ядерного горючего в плутониевых атомных реакторах так и остались разговорами, и остаются таковыми вот уже более 60 лет.
Процесс деления можно характеризовать "периодом полуделения".
Впервые периоды полуделения оценили К. А. Петржак и Г. И. Флёров в 1940 г.
И у урана, и у плутония они крайне велики. Так по разным оценкам, у урана-235 период полуделения составляет примерно 10^17 (или 10^18 лет (Физический энциклопедический словарь); по другим данным - 1,8·10^17 лет. А у плутония-239 (по данным того же словаря) существенно меньше - примерно 10^15,5 лет; по другим данным - 4·10^15 лет.
Для сравнения напомним периоды полураспада (Т1/2). Так у U-235 он "всего" 7,038·10^8 лет, а у Pu-239 и того меньше - 2,4·10^4 лет
Вообще, делиться могут ядра многих тяжёлых атомов, начиная с урана. Но мы ведём речь о двух основных, которые вот уже более 60 лет имеют огромное практическое значение. Другие представляют, скорее, чисто научный интерес.
 
Откуда берутся радионуклиды
Радионуклиды получают из трёх источников (тремя способами).
Первый источник - это природа. Это естественные радионуклиды, которые сохранились, дожили до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни. Естественно, что их осталось гораздо меньше, чем было вначале. Их извлекают из природного сырья.
Второй и третий источники - искусственные.
Искусственные радионуклиды образуются двумя способами.
Первые - радионуклиды осколочного происхождения, которые образуются в результате деления ядер атомов. Это - "осколки деления". Естественно, что основная их масса образуется в ядерных реакторах различного назначения, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция). Они находятся в облучённом уране, извлекаемом из реакторов военного назначения (из "промышленных реакторов"), и в огромных количествах в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), извлекаемом из энергетических реакторов АЭС.
Ранее в природную среду они попадали при проведении ядерных испытаний и переработке облучённого урана. Сейчас продолжают попадать при переработке (регенерации) ОЯТ, а также при авариях на АЭС, на реакторах. При необходимости извлекали их из облучённого урана, а сейчас из ОЯТ.
Вторые - это радионуклиды активационного происхождения. Они образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома какой-либо субатомной частицы, в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. В подавляющем большинстве случаев такой частицей-снарядом является нейтрон. Поэтому для получения искусственных радионуклидов обычно используют метод нейтронной активации. Он состоит в том, что стабильный изотоп любого химического элемента в любом виде (металл, соль, химическое соединение) помещают в активную зону реактора на определённое время. А так как в активной зоне реактора каждую секунду образуется колоссальное количество нейтронов, то поэтому все химические элементы, которые находятся в активной зоне или вблизи неё постепенно становятся радиоактивными. Активируются и те элементы, которые растворены в охлаждающей реактор воде.
Реже используется метод бомбардировки стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.
Радионуклиды бывают естественные - природного происхождения и искусственные - осколочного и активационного происхождения. Ничтожное количество радионуклидов осколочного происхождения всегда имелось в природной среде, ибо они образуются в результате самопроизвольного деления ядер урана-235. Но их так мало, что не удаётся обнаружить современными средствами анализа.
Количество нейтронов в активной зоне различных типов реакторов таково, что через любое сечение в 1см^2 в любой точке активной зоны за 1 секунду пролетает порядка 10^14 нейтронов.
 
Измерение ионизирующих излучений. Определения
Характеризовать только сами источники ионизирующего излучения (ИИИ) и только их активностью (количеством актов распада) не всегда удобно и целесообразно. И дело не только в том, что измерять активность можно, как правило, только в стационарных условиях на весьма сложных установках. Главное в том, что при единичном акте распада разных изотопов могут образовываться различные по своей природе частицы, могут одновременно образовываться несколько частиц и гамма-квантов. При этом энергия, а следовательно, и ионизирующая способность разных частиц будут различными. Поэтому основным показателем для характеристики ИИИ является оценка их ионизирующей способности, то есть (в итоге) той энергии, которую они теряют при прохождении через вещество (среду) и которая оказывается поглощённой этим веществом.
При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты поправочные коэффициенты. Назовём их, приведём ряд определений.
Доза, поглощённая доза (от греческого - доля, порция) - энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощённая облучаемым веществом и часто рассчитанная на единицу его массы (см. "рад", "Грэй"). То есть доза измеряется в единицах энергии, которая выделяется в веществе (поглощается веществом) при прохождении через него ионизирующего излучения.
Есть несколько разновидностей доз.
Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) - определяется по ионизации воздуха. Единицей измерения в системе СИ является "кулон на кг" (Кл/кг), что соответствует образованию в 1 кг воздуха такого количества ионов, суммарный заряд которых равен 1 Кл (каждого знака). Внесистемной единицей измерения является "рентген" (см. "Кл/кг" и "рентген").
Для оценки влияния ИИ на человека используются поправочные коэффициенты.
До недавнего времени при расчёте "эквивалентной дозы" использовались "коэффициенты качества излучения" (К) - поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Используются при расчёте "эквивалентной дозы". Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали очень "по-научному" - "Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR)".
Эти коэффициенты равны соответственно:
рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны - 1
протоны с Е более 2 Мэв - 5
нейтроны с Е менее 10 кэв) - 5
нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв - 10
альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра - 20
и так далее.
Эквивалентная доза - доза, рассчитанная для биологических объектов (человека) с учётом коэффициента качества излучения; равна произведению поглощённой дозы на К. Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощённая (см. "бэр" и "Зиверт").
Эффективная эквивалентная доза - эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на соответствующий "коэффициент радиационного риска". Сейчас эти коэффициенты тоже очень "по-научному" в тех же Нормах НРБ-99 назвали "Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчёте эффективной дозы (W- множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации".
Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1, а для некоторых органов имеет следующие значения:
костный мозг (красный) - 0,12
щитовидная железа - 0,05
лёгкие, желудок, толстый кишечник - 0,12
гонады (яичники, семенники) - 0,20
кожа - 0,01
и так далее.
Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.
Мощность дозы - доза, полученная за единицу времени (сек., час).
Фон - мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.
Естественный фон - мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ (см. "Радиационный фон").
 
Публикация материалов возможна при ссылке на http://gochs.info
© Сергей Кульпинов 2003
Яндекс.Метрика