Документ Microsoft Word. 1. Физические основы радиоактивности Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле

• Название: 1. Физические основы радиоактивности Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле
• Дата: 27.02.2023
• Размер: 330.84 Kb.
• Имя файла: Документ Microsoft Word.docx
• Тип: Документы; #958654
• страница: 5 из 11

2. Антропогенные источники

Искусственные (антропогенные) источники ионизирующих излучений – это совокупность ИИ и радиоактивных веществ (РВ), образующихся в результате ядерных взрывов, деятельности атомных электростанций, извлечения полезных ископаемых из недр Земли, применения ИИ и РВ в медицине, науке, в других отраслях хозяйственной деятельности человека. Совокупность этих источников составляет искусственный радиационный фон, который в настоящее время в целом по земному шар добавляет к естественному радиационному фону лишь 1-3%. Индивидуальные дозы, полученные людьми от искусственных источников ионизирующего излучения, сильно различаются. Иногда облучение за счет техногенных источников ионизирующих излучений оказывается намного сильнее, чем за счет естественной радиации.

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, в настоящее время вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением ионизирующих излучений. Ориентировочные дозы, которые получают люди при проведении некоторых медицинских процедур, следующие:

Медицинская процедура	Поглощенная доза, мЗв
Дентальная рентгенография / цифровая Флюорография / цифровая Рентгенография органов грудной полости Рентгенография желудка Лучевая терапия	0,1-0,3 / 0,02-0,03 0,3 / 0,03-0,06 0,15-0,4 8 50 000

 

Коллективная эффективная доза в год для всего населения Земли оценивается в этом случае величиной 1,6 млн чел.-Зв или около 1/5 дозы от естественного фона. Эта доза по-разному распределяется среди жителей разных стран. Наибольший вклад в коллективную дозу от источников медицинского предназначения вносят диагностические обследования, которым ежегодно подвергаются сотни миллионов людей. В среднем при медицинских обследованиях на одного жителя Земли в год приходится доза облучения, эквивалентная 0,4 мЗв.

Наиболее распространенным видом излучения, применяемым в диагностической практике, являются рентгеновские лучи. Согласно данным по развитым странам, на каждую 1 000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год. И это не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии. Внедрение технических усовершенствований (компьютерной томографии, использование более чувствительных пленок, электрографии, рационального экранирования и пр.) позволяет резко снизить дозы облучения без уменьшения диагностической и лечебной эффективности процедур.

Радиоизотопы применяются для исследования различных процессов, протекающих в организме, и для локализации опухолей. За последние годы их применение сильно возросло, но все же, они используются реже, чем рентгенологические исследования: в промышленно развитых странах на 1000 населения приходится около 10-40 радиоизотопных исследований.

Радиоактивное излучение используют для лечения многих опухолевых заболеваний. Как это не парадоксально звучит, но лучевая терапия является одним из наиболее эффективных методов их лечения. Под воздействием строго локального облучения частей тела или внутренних органов в первую очередь гибнут раковые клетки, а затем уже обычные.

Значительно  меньше  по  сравнению  с  влиянием  естественного фона доза, получаемая от радиоактивных выпадений в результате испытаний ядерного оружия.

2 декабря 1942 года на спортивной площадке Чикагского университета группой физиков-атомщиков под руководством великого итальянского ученого Энрико Ферми был запущен первый атомный котел, в котором происходила самоподдерживающаяся управляемая атомная реакция. Этому успеху предшествовали почти полувековые исследования в области теоретической и экспериментальной физики, проводимые под руководством выдающихся ученых-атомщиков Пьера Кюри, Марии Склодовской-Кюри, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора, Альберта Эйнштейна и других. Результаты осуществленной группой Ферми цепной реакции были с самого начала поставлены на военные рельсы, а именно – на срочное создание в США атомного оружия с целью опередить Гитлера, физики которого работали в этом же направлении.

В 1944 году в США под руководством Э. Ферми была создана и испытана атомная бомба, а в августе 1945 г. атомной бомбардировке подверглись японские города Хиросима и Нагасаки. Тогда погибла третья часть населения этих городов. В последующие годы многие умирали от лучевой болезни, лейкозов и других недугов, связанных с радиоактивным облучением.

25 декабря 1946 г. под руководством Игоря Васильевича Курчатова был осуществлен запуск первого советского управляемого уран-графитового реактора, в котором в дальнейшем производился оружейный плутоний, использующийся в качестве ядерного заряда вместо урана-235 при производстве атомного оружия. Первая советская атомная бомба РДС-1 была испытана 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне.При атомном взрыве образуются продукты деления, и остается часть неразделившихся атомов урана-235 или плутония-239, которые при наземном взрыве выбрасываются в атмосферу.
Впоследствии в СССР была создана и испытана в 1953 г. водородная бомба, действие которой основано на термоядерной реакции взаимодействия дейтерия и трития:



Эта реакция протекает мгновенно, но для ее начала необходима очень высокая температура, которую возможно получить лишь при атомном взрыве. Вследствие этого в водородной бомбе, содержащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонатора служит атомный плутониевый заряд.

Деление урана-235, плутония-239 и особенно термоядерная реакция, выделяют большое количество нейтронов. Нейтроны бомбардируют окружающие вещества, превращая их в радиоактивные (наведенная радиоактивность). Кроме того, в атмосферу выбрасывается большое количество продуктов деления. Наиболее важные из них – цезий-137 и стронций-90.

Загрязнение окружающей среды зависит от характера взрывов, мощности зарядов, атмосферных условий, географических зон и широт. При воздушном взрыве РВ распыляются на большой площади, но под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе.

Взрывы средней и малой мощности (до нескольких килотонн тротилового эквивалента) загрязняют в основном тропосферу. Мелкие и крупные частицы выпадают на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра, образуя локальные радиоактивные загрязнения. Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют, главным образом, стратосферу. Воздушными течениями продукты ядерного деления (ПЯД) способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, образуя в результате выпадения глобальные загрязнения.Следует отметить, что продукты взрывов распределяются следующим образом: при воздушном взрыве 99% задерживается в стратосфере; при наземном взрыве 20% попадает в стратосферу, а 80% выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70% выпадает локально. ПЯД могут находиться в тропосфере 2-3 месяца, в стратосфере – 3-9 лет.

Официально известны четыре ядерных полигона, принадлежащих сверхдержавам: полигон в штате Невада (США и Великобритания, использующая американский полигон по контракту), Новая Земля (Россия), полигон Тихоокеанского экспериментального центра на коралловых атоллах Моруроа и Фангатауфа в Полинезии (Франция), полигон Лобнор (Китай), называемый еще Синьцзянским полигоном. Кроме того, в СССР интенсивно использовался Семипалатинский полигон, который в настоящее время не функционирует. Именно в этих пунктах с 1945 по 1996 гг. была проведена основная масса ядерных взрывов. Однако ядерные державы проводили подводные, надводные, подземные, наземные и атмосферные испытания ядерных зарядов в более чем 20-ти районах Земного шара за пределами ядерных полигонов. Только после заключения в 1963 московского Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (в космосе, под водой и в атмосфере) ядерные взрывы были локализованы на пяти этих полигонах. Всего ядерными державами произведено 2077 ядерных испытаний, из которых более половины (1056) принадлежит США, 715 – СССР, 210 – Франции, по 45 – Великобритании и Китаю.

Полигон на Новой Земле был открыт для испытаний атомного оружия в 1954 году. 



Первое испытание бомбы под водой было проведено в губе Черной 25 сентября 1955 года. Пик испытаний пришелся на 1962-63 годы. Всего было проведено 132 испытания (87 атмосферных, 3 подводных, 42 подземных). Последнее ядерное испытание на Новоземельском полигоне было произведено 24 октября 1990. В настоящее время в рамках не запрещённой Договором о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний деятельности на полигоне проводятся неядерно-взрывные эксперименты в целях поддержания надёжности и безопасности ядерного арсенала.

Семипалатинский полигон расположен в 130 км от г. Семипалатинска (ныне Республика Казахстан) на левом берегу реки Иртыш. 



Строительство Семипалатинского полигона началось в августе 1947. Здесь было проведено первое испытание плутониевой бомбы 29 августа 1949 года, а первая термоядерная бомба была испытана в октябре 1955. Не считая мирных взрывов, СССР произвел здесь почти 90 процентов своих подземных взрывов в военных целях. Только с 1961 по 1989 на Семипалатинском полигоне проведено 348 ядерных взрывов, из которых 5 - по программе отработки применения ядерно-взрывных технологий в промышленных целях. Последнее испытание на полигоне проведено 19 октября 1989. За время действия полигона в реки Иртыш и Ишим попало несколько миллионов кюри активности. При наземных и воздушных взрывах продукты распада через атмосферу перемещались на огромные расстояния и выпадали на поверхность Земли в виде радиоактивных осадков. Значительная часть ядерных материалов поднялась в стратосферу на высоту до 50 км и оттуда постепенно в течение ряда лет осаждалась на континенты и океаны всей планеты.

Трагедия ядерных полигонов заключается не только в том, что обширные территории превращены атомными взрывами в «мертвые зоны», которые в обозримом будущем не могут быть обустроены человеком. Площади полигонов часто используются как пункты захоронения радиоактивных отходов. Особенно это касается архипелага Новая Земля, который вместе с прилегающими акваториями Северного Ледовитого океана превращен в гигантский могильник отработанных реакторов и других частей атомных кораблей. У Новой Земли затоплены многие тысячи контейнеров с жидкими и твердыми радиоактивными отходами и компонентами отработанных ядерных устройств.

Ядерные взрывы в мирных целях. Ядерные взрывы производились не только на всем известных полигонах. Существовало более сотни других испытательных пунктов. В СССР существовала секретная Программа «Ядерные взрывы для народного хозяйства». Начало ее реализации относится к 1965 году. В рамках этой программы в СССР с 1965 по 1988 годы было проведено 124 промышленных ядерных взрыва. Из общего количества мирных ядерных взрывов 80 были проведены на территории Российской Федерации, 39 – на территории Казахстана, по 2 взрыва – на Украине и в Узбекистане и один – в Туркменистане. Многие из этих испытательных пунктов использовались многократно, являясь, по сути дела, испытательными полигонами. Из общего числа подземных ядерных взрывов 119 были камуфлетными (т.е. без выброса радиоактивных веществ в атмосферу) и 5 – экскавационными (т.е. с выбросом грунта, а, следовательно, и части радионуклидов). Камуфлетные взрывы преследовали разные цели. Большинство взрывов имело целью образование подземных емкостей и хранилищ для создания запаса полезных ископаемых - 42 взрыва, глубинное сейсмическое зондирование земной коры для выявления залежей полезных ископаемых - 39 взрывов, интенсификацию добычи газа и нефти - 21 взрыв.

При производстве камуфлетных взрывов выброса радионуклидов на земную поверхность и в атмосферу не происходило. При экскавационных взрывах и взрывах для рыхления грунта происходил выход значительного количества радиоактивных продуктов в атмосферу с образованием радиоактивного облака и последующим разносом радионуклидов на большие расстояния. Так, при проведении экскавационного взрыва на объекте «Тайга» в Пермской области образовался радиоактивный след длиной 25 км, а радиоактивные продукты фиксировались в скандинавских странах и даже на территории США. Большинство из объектов подземных ядерных взрывов в настоящее время в России практически бесхозны.

Мирные ядерные взрывы производились и другими странами, но в гораздо меньших масштабах. Например, США в период с 1961 по 1973 годы осуществили 27 промышленных ядерных взрывов.

В Иркутской области в советские годы также были произведены подземные ядерные взрывы. Первый подземный ядерный взрыв – «Метеорит-4» – был произведен в 1977 году в 120 км к востоку от Усть-Кута на глубине 540 м. Второй – «Рифт-3» – в Осинском районе на глубине 860 м в 1982 году. Оба с целью сейсмозондирования. 

В атомной бомбе происходит неуправляемый процесс деления ядер. Для мирных же целей важен управляемый процесс цепной реакции. Он осуществляется в ядерных реакторах, подобных тому, который был сооружен в 1942 году Э. Ферми. В 1946 году был запущен первый советский атомный реактор. Впоследствии были построены атомные котлы различных конструкций для выработки электроэнергии, в исследовательских целях, а также для получения плутония-239 и урана-233.

Атомная энергетика. Вторая половина XX столетия характеризуется постепенным и неуклонным нарастанием роли электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях. Причем отношение к ядерной энергетике в промышленно развитых странах неодинаково и определяется целиком наличием природных ресурсов горючих полезных ископаемых.

Сейчас в 31 стране мира насчитывается 191 атомная электростанция с 451 энергоблоком; 55 энергоблоков находятся на стадии сооружения. По количеству атомных электростанций первое место занимают США, однако ядерная энергетика составляет лишь 20% в общем балансе этой страны. Мировым лидером по доле в общей выработке является Франция (она занимает второе место по установленной мощности). Тут ядерная энергетика является национальным приоритетом – 74%. Доля электроэнергии, вырабатываемой на АЭС в Бельгии и Словакии, составляет по 51%, Украине - 46%, Венгрии – 42%, в России – 18%. В среднем доля ядерной энергетики в мировом электроснабжении составляет около 20%.

В России работает 11 атомных электростанций с 38 промышленными реакторами суммарной мощностью 26 142 МВт. Для обеспечения этих АЭС ядерным топливом необходимо ежегодно 3800 тонн природного урана.

Атомная энергетика включает в себя урановые рудники, металлургические предприятия по получению обогащенного ядерного топлива, заводы по очистке урановых концентратов и изготовлению тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ-ов), предприятия по утилизации ядерных отходов.

Ядерный топливный цикл включает в себя производство ядерного топлива, подготовку его к использованию в ядерных реакторах и утилизацию отработанного ядерного топлива.

В ядерной энергетике существует два принципиально разных топливных цикла: разомкнутый (открытый) и замкнутый (закрытый). Открытый ядерный цикл, которого придерживаются в США, Канаде, Швеции, подразумевает окончательное захоронение отработанного ядерного топлива в специальных подземных хранилищах без какой-либо перспективы его дальнейшего использования. 

В замкнутом топливном цикле отработанное ядерное топливо сначала выдерживается в хранилищах для снижения его радиоактивности, а затем может быть переработано для получения из него нового свежего ядерного топлива.

Закрытый топливный цикл


Для фиксации радионуклидов в неподвижном состоянии в нерастворимой, стабильной матрице, готовой для захоронения, производится остекловывание - отверждение жидких или порошкообразных радиоактивных отходов путем смешения их со стеклообразующими материалами, нагрева смеси до 1000 ^oC и розлива образующегося стекловидного продукта в толстостенные контейнеры из нержавеющей стали.

Замкнутый топливный цикл является более эффективной системой с максимальным использованием добываемого природного урана. Путь закрытого топливного цикла выбрали Россия, Великобритания, Франция и Япония.

Принципиальная схема уран-графитового атомного реактора для получения электроэнергии состоит в следующем.



1 – ядерное горючее с замедлителем; 2 – аварийные стержни; 3 – регулирующие стержни; 4 – отражатель нейтронов; 5 – бетонная защита от радиации; 6 – теплоноситель; 7 – парогенератор; 8 – паровая турбина; 9 – генератор тока; 10 – конденсатор пара

В герметическом цилиндрическом стальном корпусе помещен графит в виде кирпичной кладки. Промежутки кладки заполнены газом гелием для того, чтобы графит во время работы реактора не выгорал. В центральной части графитовой кладки размещены каналы, куда помещается ядерное горючее в виде ТВЭЛ-ов. Они представляют собой трубки из циркониевого сплава, в которые помещены таблетки из окиси урана (UO₂). ТВЭЛ-ы помещаются в виде сборок по 18 трубок в каждой сборке.

Урановые стержни омываются теплоносителем –проточной водой или жидким натрием, циркулирующим по каналам (радиаторам). Теплоноситель передает тепло в парогенератор (7).Пар из парогенератора под высоким давлением поступает в турбину (8), которая связана с генератором тока (9). Отработанный пар собирается в конденсаторе (10) и снова направляется в парогенератор (7).

Реактор размещается на бетонном основании и окружен для защиты от ядерных излучений метровым слоем воды и бетонной стеной толщиной 3 метра. Объем активной зоны реактора около 700 кубических метров.

Управление процессом деления происходит с помощью регулирующих стержней (3), сделанных из материалов, хорошо поглощающих нейтроны (кадмий, бор). Когда такой стержень введен в активную зону реактора, цепной процесс деления замедляется, так как избыток нейтронов поглощается этими элементами. При выдвигании стержня из реактора цепная реакция усиливается вследствие увеличения количества действующих нейтронов.

При делении ядер урана образуются быстрые нейтроны. Большинство же функционирующих в настоящее время атомных котлов работают на медленных нейтронах. Замедление нейтронов происходит за счет графитовой кладки реактора.

На АЭС с водяным теплоносителем основной источник радиации – это вода первого контура. Расход воды на охлаждение реактора достигает 70-90 м³/с, поэтому система охлаждения представляет собой замкнутый цикл. Тем не менее, периодически из системы реактора приходится отводить радиоактивные сточные воды и газы. Они предварительно направляются в систему очистки, где выдерживаются до распада короткоживущих радионуклидов, и только после этого выбрасываются в окружающую среду.

Основную дозу в выбросах составляют продукты деления ядерного горючего: радиоизотопы йода, цезия, стронция, церия, циркония, марганца, железа, а также тритий и радиоактивные газы – радон, ксенон и криптон. Система очистки сточных вод такова, что в водоемы поступает вода с содержанием радиоизотопов, не превышающим допустимый уровень для питьевой воды. При этом радиационное состояние воздушной и водной среды контролируется сетью постов службы дозиметрии. На этих постах производят также отбор проб почвы и растительности. Таким образом, при отсутствии аварий и хорошей радиационной защите такое производство заметного влияния на окружающую среду не оказывает.

Среди множества проблем, связанных с эксплуатацией атомных реакторов, одна из главных – проблема выемки отработанного ядерного топлива. По мере работы реактора масса ядерного горючего в нем уменьшается. Одновременно с этим растет количество осколков деления ядер урана или плутония, которые начинают мешать нормальному процессу цепной реакции, так как ядра осколков захватывают необходимые для этого нейтроны. По мере «выгорания» ядерного топлива его необходимо заменять новым. Процедура выемки отработанного ядерного горючего из активной зоны реактора непростая. В отличие от безобидных материнских ядер урана и плутония, осколки деления сильно радиоактивны, так как претерпевают бета-распад, сопровождающийся мощным гамма-излучением.

При нормальной работе реакторов постоянно накапливаются радиоактивные отходы. Источником жидких отходов может быть вода или растворы, применяемые для охлаждения реактора, а также растворы, образующиеся при дезактивации оборудования и помещений. Кроме того, при работе реактора могут накапливаться и газообразные, и твердые радиоактивные вещества. Все эти отходы после концентрирования подвергаются захоронению в специальных могильниках, а вода, сливаемая в канализацию, – предварительной очистке в отстойниках и специальных очистных сооружениях.

Несмотря на то, что радиационная опасность эксплуатации объектов атомной энергетики существенно преувеличивается, благодаря разработке всесторонней системы обеспечения радиационной безопасности атомная промышленность и энергетика во всем мире относятся к отраслям деятельности человека с малой опасностью для жизни. Так, риск смерти при воздействии искусственных источников ИИ (в основном связанного с применением радиации в медицинской практике) составляет (3-6) ^. 10^-6 на человека в год, что на один-два порядка больше риска смерти, связанного с выбросами и отходами АЭС, равного 5 ^. 10^-8 – 3 ^. 10^-7 на человека в год. 

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми.

Радиоизотопы используются на различных производствах, а также при научных исследованиях. Промышленное использование включает дефектоскопию и процессы контроля в металлургической (литейной), бумажной, химической промышленности и в дорожном строительстве.

Методы дефектоскопии основаны на эффектах ослабления радиоактивных частиц и гамма-квантов при просвечивании веществ. Для этих целей уже давно применяют рентгеновские лучи. Однако более высокую точность измерений дает дефектоскопия, основанная на использовании гамма-излучения. Методом гамма-дефектоскопии производится контроль качества металлических изделий, а также кирпичных, бетонных и иных сооружений. Дефектоскопы особенно часто применяются также для проверки качества швов трубопроводов.

В различных отраслях промышленности используется измерительная аппаратура, работающая на основе источников ионизирующего излучения. Такие приборы позволяют контролировать при изготовлении толщину бумаги, ткани, фольги, стального проката, с большой точностью замерять уровень жидкости в закрытых резервуарах, проверять скорость движения газов по трубопроводам и т.д.

Радионуклиды довольно легко определяются гамма-спектрометрами по энергии излучаемых ими гамма-квантов. Благодаря этому свойству их широко применяют в науке для слежения за ходом химических, физических и биологических процессов. Для этого к стабильным изотопам, участвующим в экспериментах, добавляют небольшое количество радионуклидов этих же или других элементов, которые называют мечеными атомами. С помощью меченых атомов можно проследить весь путь, который проделывает вещество в исследуемой системе, определить, с какой скоростью оно движется и т.д. Хронические дозы радиоактивных веществ позволяют прослеживать движение различных элементов в растительных и животных организмах, картировать площади распространения популяций животных, пути их перемещения, а также изучать пищевые цепи. При выборе радионуклидов для меток обычно избегают изотопов с очень большими периодами полураспада во избежание загрязнения окружающей среды.

1. Радиоактивное загрязнение биосферы