Урок-конференция "Ядерная энергетика. Действия радиоактивных излучений на живые организмы"

Мини проект «Экологические проблемы использования АЭС»

§§ 61- 62 (повторить)

1. А ВЕДЬ БЫЛИ И ПРИРОДНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ…

Эти идеи были сформулированы более чем шестьдесят лет назад, вместе с требованиями к физическим и геологическим условиям, необходимым для протекания цепной реакции ядерного деления в естественной среде. Но только в 1975 году изотопный анализ образцов урана, добытого на нескольких площадках месторождения Окло (Габон, Африка), обнаружил такую аномалию —  вместо обычных

0,71% содержание урана-235 в этих образцах составило лишь 0,44%! Попытки обнаружить ее на других урановых месторождениях нигде в мире успехом не увенчались. Почему? Ответ на этот вопрос мы получаем в ходе совместного рассмотрения особенностей месторождения Окло и упомянутых ранее требований к площадке природного реактора. Что очень важно, эти требования должны выполняться одновременно.

Итак, во-первых, уран в таких урановых месторождениях должен залегать в водопроницаемых породах. Мы знаем: вода —   хороший замедлитель, ее наличие в контакте с ураном создает отличные условия для протекания цепной реакции ядерного деления. С другой стороны, также известное нам огромное тепловыделение при делении приводит, вследствие относительно низкой температуры кипения воды, к ее интенсивному выпариванию из породы при нагреве. Природный реактор лишается замедлителя, реакция деления прекращается, а с ней — и тепловыделение. Водопроницаемая ураносодержащая порода остывает. Но если локализация урана в ней имеет прямой физический контакт со значительным количеством воды за ее пределами, то по мере остывания порода снова заполняется водой. Замедлитель снова на месте, и цикл повторяется. В Окло это так и было: там уран и миллиарды лет назад, и в наши дни залегал и залегает в водопроницаемых песчаниках, лежащих очень близко к горизонтам подземных вод.

Второе обязательное условие: относительное содержание урана в руде должно быть весьма высоким. Иначе вторичные нейтроны, не-обходимые для развития цепной реакции деления, будут безо всякой пользы потеряны в «паразитных» ядерных реакциях с материалами сопутствующей породы. В Окло это условие выполнялось —   в силу ряда обстоятельств содержание урана в руде было, по нынешним меркам, почти нереально высоким — 50% по массе и выше.

Наконец, третье обязательное условие: руды (соответственно, и урана) при ее компактном залегании должно было быть довольно много по массе и объему, чтобы как можно больше вторичных нейтронов делали свое дело по поддержанию цепной реакции деления ядер урана-235. Выполнение и этого условия мать-природа в Окло обеспечила.

Вот и заработал около двух миллиардов лет на этом месторождении

уникальный природный ядерный реактор. Работал он, понятно, в циклическом режиме: цепная реакция деления протекала в нем приблизительно в течение получаса, до нагрева породы на сотни градусов и выкипания воды в ней. Дальше он самостоятельно «заглушался», и следующие два с половиной часа  уходили на охлаждение породы и ее заполнение новой порцией воды. И все повторялось —  вновь и вновь, на протяжении примерно полумиллиарда лет, при этом выгорело около пяти тонн урана-235. А дальше это выгорание, высокий, в сравнении с ураном-238, темп радиоактивного распада урана-235 и возможное, вследствие геотектонических процессов на месторождении, уменьшение поступления в пласт воды сделали свое дело: однажды реактор остановился, чтобы не запуститься уже никогда.

Ни на одном урановом месторождении в мире, кроме Окло, следов работы природных ядерных реакторов не нашли —   хотя и искали. Не исключено, что их нигде и не было:  все-таки сочетание всех необходимых для этого условий, которое сложилось в Окло, можно смело назвать уникальным. А может, и были, но изменения на поверхности нашей планеты и в ее недрах, произошедшие за миллиарды лет ее истории, навсегда скрыли от нас эти следы —  память об удивительных событиях, которые, увы, никогда больше не повторятся.

Задание. 1. Начертите схему работы природного реактора Окло.

2. ЯДЕРНЫЙ ЭНЕРГОБЛОК: ЧТО ТАМ ВНУТРИ?

Как работает энергетический ядерный реактор, мы теперь знаем. А теперь давайте посмотрим, как происходит на АЭС то, ради чего она, собственно, и создавалась, —   генерация горячего пара высокого давления. Именно он нужен, чтобы заработала уже известная нам сладкая парочка — паровая турбина, вращающая электрогенератор. Таким образом, на АЭС происходит три последовательных изменения форм энергии: ядерная энергия переходит в тепловую, тепловая —   в механическую (турбина), механическая — в электрическую (генератор).

Чрезвычайно важно, что между первым и вторым контурами такого реактора отсутствует материальная связь —  контакт между ними ограничен лишь передачей тепла, и вода первого контура ни при каких обстоятельствах не может попасть во второй. Это очень существенно для радиационной безопасности АЭС. Дело в том, что, хотя вода первого контура и проходит перед заливкой в реактор процедуру обессоливания, при прохождении активной зоны в ней начинают образовываться радиоактивные вещества (о радиоактивности расскажем ниже). Но во второй контур эти вещества не попадают. Поэтому ни малейшей угрозы внешней среде при штатной работе АЭС ни пруд-отстойник, ни градирня нанести не могут.

Радиоактивность внешней среды в современной атомной энергетике очень жестко контролируется —   и не только на самих АЭС в ходе всего производственного цикла, но и в регионах, где они расположены. Мы коснулись здесь лишь самых основных, наиболее общих аспектов ядерной физики и техники. При этом нельзя забывать, что атомная энергетика —  это, конечно, не только собственно АЭС. Это огромный обслуживающий комплекс, включающий подготовку сырья, производство топлива, обеспечение логистических и технологических цепочек, обращение с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами и многое, многое другое. В этом комплексе заняты сотни тысяч высококвалифицированных специалистов —  цвет отечественной научной, технической и рабочей интеллигенции. При этом характерной чертой атомной отрасли является высочайший уровень технологической, производственной и исполнительской дисциплины. Это обеспечило атомной отрасли один из самых низких уровней несчастных случаев и производственного травматизма во всей стране.

Задание 2. Напишите + и – АЭС.

3. РАДОН И ВОКРУГ НЕГО

Однако более всего в  табл.  обращает на  себя внимание значительный вклад, вносимый в  фоновую дозу воздействием радона-222,  —  почти половина! И  хотя радон непосредственного отношения к атомной энергетике не имеет, о нем следует поговорить уже только поэтому.

Что представляет из себя радон как таковой? Это тяжелый (почти в восемь раз тяжелее воздуха), не имеющий цвета и запаха инертный газ, шестой и  последний в  нулевой группе таблицы Менделеева. Стабильных изотопов радон не имеет. С точки зрения радиационного воздействия на человека особый интерес представляет его наиболее долгоживущий изотоп —  радон-222 (его период полураспада —  3,8 часа).

Как продукт распада радия-226, он входит в радиоактивный ряд урана-238, являясь по генезису природным радионуклидом. Другими словами, он непременно есть везде, где есть естественный уран, который, как мы знаем, на 99,3% и состоит из урана-238. А  уран в  больших или меньших концентрациях всегда содержится почти во всех объектах внешней среды, как естественных, так и техногенных. Для нас же здесь важнее всего, что его измеримые количества содержатся и в почве, и в минеральных стройматериалах. Что такое кирпич, цемент, бетон? Это, в  общем-то, песок и глина —  продукты разрушения гранитных пород. А где гранит —  там всегда и уран, и в количествах иногда немаленьких.

Возникает вопрос: почему радон так опасен? Он  же инертный газ и, естественно, ни в каких биохимических процессах участвовать не  может. Вдохнул  —  выдохнул… Дело, однако, в  том, что, во-первых, некоторая его часть растворяется в крови и разносится по всему организму. Кроме того, он сорбируется на любых пылевых, аэрозольных и смолистых отложениях в дыхательных путях; именно поэтому радоновая опасность резко повышается для шахтеров, у которых запыленность легких, увы, нередкое явление, и для курящих —  из-за смолистых отложений, обусловленных табачным дымом. А во-вторых, это еще полбеды. У радона сравнительно малый период полураспада, и его собственное излучение не создало бы и десятой доли возникающих от него проблем. Даже с учетом того, что он, как и любой α-излучатель, достаточно опасен при внутреннем облучении. Однако по-настоящему страшны радиоактивные продукты его распада, в особенности изотопы полония, в  первую очередь полоний-210. Вот они-то, в  отличие от  собственно радона, химически активны, достаточно прочно удерживаются организмом и  эффективно воздействуют на  живые ткани (в том числе на жизненно важные) опаснейшим при внутреннем воздействии α-излучением. Таким образом, собственно радон играет сравнительно скромную, но  зловредную роль переносчика, как грызун при распространении чумы.

Самой простой и  самой эффективной мерой снижения радоновой опасности является вентиляция. Главный источник (около 90%) поступления радона в помещения первого этажа —  почва, а главные пути —  трещины и щели в полу.

Задание 3 Начертить таблицу и график Вывод.