101 ключевая идея: Физика - [21]

См. также статьи «Векторы», «Сила и движение».

РАДИОАКТИВНОСТЬ 1 — РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Радиоактивный изотоп распадается в результате одного из следующих процессов трансформации:

• α-излучение наблюдается, когда большие нестабильные ядра испускают два протона и два нейтрона в виде единой частицы, называемой α-частицей:

• β-излучение наблюдается, когда нейтрон ядра с избытком нейтронов превращается в протон:

• γ-излучение наблюдается, когда γ-фотон испускается из ядра с избытком энергии, который возникает после испускания ядром α— или β-частицы.

Теория радиоактивного распада основана на предположении случайности этого процесса, и вероятность того, что ядро распадется в промежуток времени Δt, пропорциональна Δt. Отсюда:

где X — постоянная распада. При преобразовании уравнения получаем N = N₀ e-λt, где N₀ — начальное количество атомов.

Активностью радиоактивного изотопа называется количество ядер, распадающихся в секунду. Отсюда активность где N — количество оставшихся радиоактивных ядер. Поскольку Δ — λN, активность Δ радиоактивного изотопа уменьшается экспоненциально, в соответствии с уравнением Δ = Δ₀ e-λt, где Δ₀ — начальная активность.

Кривая полураспада

Периодом полураспада изотопа называется время, требующееся для сокращения количества ядер изотопа на 50 %. Оно равно времени, за которое активность также уменьшается на 50 %. Так как после первого периода полураспада N = 0,5N₀, то 0,5N₀ = N₀ e-λt, что дает λΤ 1/2 = ln2.

См. также статьи «Радиоактивность 2», «Ядерная модель атома».

РАДИОАКТИВНОСТЬ 2 — СВОЙСТВА α-, β — и γ- ИЗЛУЧЕНИЯ

Распространение при атмосферном давлении:

α-излучение; α-частицы, испускаемые определенным изотопом, имеют одну и ту же кинетическую энергию, которая отличается от энергии α-частиц других изотопов. Поэтому расстояние, на которое распространяются α-частицы, легко определить; оно составляет до 10 см.

β-излучение; β — частицы, испускаемые определенным изотопом, обладают широким спектром кинетической энергии вплоть до максимума, определяемого этим изотопом. Расстояние, на какое они распространяются, бывает разным в пределах приблизительно 1 м.

γ-излучение; γ-фотоны распространяются из точечного источника во все стороны и почти не взаимодействуют с молекулами воздуха. Расстояние, на которое они распространяются, безгранично, хотя интенсивность γ-излучения из точечного источника подчиняется закону обратных квадратов, так как они распространяются во все стороны равномерно и без поглощения.

Поглощение веществом:

α-излучение; α-частицы поглощаются бумагой, тонким картоном или металлической фольгой.

β-излучение; β-частицы проникают сквозь бумагу, тонкий картон и тонкую металлическую фольгу. Алюминиевая пластина толщиной более 5 мм поглощает в-частицы.

γ-излучение; γ-фотоны поглощаются свинцовыми пластинами толщиной около 50 мм.

Ионизация:

α-частицы образуют порядка 10 000 ионов на 1 мм 3 воздуха, что гораздо больше, чем ионизация β- частиц и у-излучения.

β-частицы образуют меньше ионов на 1 мм 3, чем α-частицы, потому что они гораздо быстрее их.

γ-излучение вызывает весьма малую ионизацию воздуха, так как фотоны не имеют заряда. Следует отметить, что рентгеновское излучение также представляет собой поток высокоэнергетических фотонов и, следовательно, вызывает ионизацию. Рентгеновские лучи образуются в рентгеновской трубке.

См. также статьи «Законы обратные квадратов», «Ионизация», «Радиоактивность 1».

РАДИАКТИВНОСТЬ 3 — РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ

Радиоактивные отходы делятся на отходы низкого, среднего и высокого уровня радиоактивности.

• Отходы низкого уровня (оборудование и спецодежда), которые использовали рабочие, имеющие отношение к радиоактивным веществам, хранятся в запечатанных контейнерах в контролируемых местах. Охлаждающая вода в теплообменниках лишь слегка радиоактивна, и ее сливают в море.

• Отходы среднего уровня (теплоноситель ядерного реактора) делают густыми и хранят в запечатанных контейнерах под землей в контролируемых районах захоронений.

• Отходы высокого уровня радиоактивности (замедлители, тепловыделяющие элементы — твэлы и отработанное топливо, подвергнутое процессу переработки) хранятся в течение многих лет так же в запечатанных контейнерах под землей в контролируемых районах захоронений.

Отработанные твэлы ядерного реактора содержат неиспользованный уран-235, уран-238 и плутоний-239, образующийся в результате поглощения ураном-238 нейтронов и осколков с большим содержанием последних. Таким образом, различные изотопы в отработанном топливе содержат источники α-, β- и γ-излучения с различными периодами полураспада. Самый короткий период полураспада у изотопов, имеющих самую большую активность на единицу массы, поэтому отработанные твэлы реактора в высшей степени радиоактивны. Их удаляют из реактора и перерабатывают с помощью устройств с дистанционным управлением.

Далее твэлы помещают в бассейн выдержки приблизительно на год, пока не распадутся изотопы с коротким сроком жизни. Затем контейнер с топливом открывают; отработанное топливо вынимают и подвергают химической обработке; неиспользованные уран и плутоний выделяют для последующего применения. Все другие материалы хранят в запечатанных контейнерах для отходов с высоким уровнем радиоактивности. Коррозия контейнеров может стать источником потенциальной опасности, но ее можно избежать путем витрификации (застекловывания) отходов. Материал смешивают с расплавленным стеклом и остужают, в результате чего получаются стеклянные блоки с материалом, предохраняющие от коррозии. При этом следует соблюдать осторожность и не располагать рядом большие порции урана и плутония. В противном случае может начаться цепная реакция и последовать взрыв.