КОНКУРС «Я ИДУ НА УРОК»

Радиационная безопасность

Урок-семинар, 2 ч. 11-й класс. Углубленный курс

Основа современной энергетики – органическое топливо. Связанный с использованием этого топлива недостаток заключается, главным образом, в неизбежном образовании отходов – твердых и жидких шлаков, вызывающих загрязнение окружающей среды, а также газов, обуславливающих парниковый эффект и выпадение кислотных дождей. Поскольку энергетика многих стран (в том числе и России) базируется на ТЭС, то, с одной стороны, указанные экологические неприятности постепенно нарастают, а с другой – истощаются запасы ископаемого топлива.

Наиболее реальный выход из создавшегося положения видится в поиске альтернативных источников энергии. Главными требованиями к таким источникам являются их экологическая чистота, значительная мощность и относительная дешевизна. В настоящее время специалисты признают, что наиболее полно удовлетворяет этим требованиям ядерная энергетика. Так что, хотим мы этого или нет, в настоящее время и, очевидно, в ближайшем будущем только использование ядерного топлива может обеспечить человечество необходимой энергией и сохранить достаточно чистой биосферу.

Естественно, при любом разговоре о ядерной энергетике встает тень Чернобыля. После Чернобыльской катастрофы перспективы развития этой энергетической отрасли и связанные с этим экологические последствия были пересмотрены и глубоко осмыслены. Результатом острых научных споров и дискуссий стало не отрицание ядерной энергетики, а убеждение в необходимости и возможности сделать ее практически безопасной. Отметим, что вопрос строительства АЭС на Урале и в Поволжье не снят. В апреле 2001 г. на уровне федерального правительства и правительства Республики Башкортостан было принято решение о возобновлении строительства Башкирской АЭС с пуском первого ядерного реактора в 2010 г. Становится очевидным, что основные понятия и проблемы современной ядерной физики и энергетики, их экологические аспекты должны быть ясны учащейся молодежи – будущей опоре страны.

В связи с этим считаем, что таким важнейшим понятиям ядерной физики, как «радиация», «радиоактивность», особенно их количественным характеристикам, следует уделять большее внимание. Тем более учитывая повышенный интерес населения ко всему, что связано с радиацией. Нетрудно догадаться, что неправильное толкование этих понятий, отсутствие сопоставления численных значений радиационных величин с известными физическими величинами, характеризующими живую и неживую природу, может привести к нежелательным последствиям – искажению информации, радиофобии и т.д.).

Важно то, что многие вопросы ядерной энергетики, в том числе и радиационной экологии, поддаются оценке; на семинарских занятиях, решая соответствующим образом составленные задачи, их можно разрешить. Для этого фактический материал по теме необходимо собрать и осмыслить.

Наиболее подходящими формами проведения обобщающих уроков в выпускных классах общеобразовательных школ, в особенности в классах с углубленным изучением предмета, являются семинарские занятия, которые предполагают систематизацию большого объема знаний, объединенных одной достаточно крупной проблемой. Предлагаем сценарий семинарского занятия, проведенного с учащимися 11-го физико-математического класса; занятия проводятся по парам (по 2 ч) в режиме педагогического института, на физику отводится 4 ч в неделю. Все обсуждавшиеся на семинаре вопросы были сгруппированы вокруг одной физической задачи экологического содержания.

Цель семинара: повторить и обобщить темы «Радиоактивность», «Закон радиоактивного распада», «Строение атомного ядра. Энергия связи атомных ядер», «Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор. Применение ядерной энергии», «Биологическое действие радиоактивных излучений»; ввести понятие радиоактивность и единицы радиоактивности.

Подготовка к семинару. Занятие проводят сами учащиеся. За полторы-две недели до семинара учащиеся-«специалисты» получают задания и необходимую литературу. За два дня учитель встречается со «специалистами», обсуждает подготовленные материалы и дает последние инструкции. Утверждается окончательный вариант сценария семинарского занятия. Большое внимание уделяется оформлению – изготовлению плакатов, иллюстраций и других наглядных пособий.

Ход семинара

Учитель. 26 апреля 1986 г. «Чернобыль», до сих пор практически никому неизвестное слово, стал синонимом чего-то страшного, связанного со словами «Хиросима», «атомная бомба», «радиация», «белокровие», «мутации» и др.

• В результате аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду было выброшено около 10 ЭБк (или 10 • 10¹⁸ Бк  = 270 МКи) радиоактивности [1–3].

Почему произошло значительное (в миллионы раз!) увеличение активности ядерного топлива после трехгодичной работы реактора по мощности? Попробуем разобраться в физике этого явления, сформулированного в виде предложенной выше задачи. Дадим слово специалистам.

Руслан Г. Решение этой задачи разделим на несколько частей.

По определению, активность – величина положительная:

где или – количество радиоактивных ядер через промежуток времени t от произвольно выбранного начального момента времени t = 0, N₀ – количество радиоактивных ядер при – постоянная распада, T – период полураспада радиоактивного материала. Из курса молекулярной физики известно, что где m – масса вещества, m – его молярная масса, N_A – число Авогадро.

Основная единица активности в СИ – 1 превращение/с = 1 Бк, а внесистемная единица – 1 Ки = 3,7 • 10¹⁰ Бк, это активность 1 г радия в равновесии с дочерними продуктами распада:

• Задача 1. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов:

– уран-238 (²³⁸U) – содержание 99,2745%, период полураспада T » 4,468 млрд лет;
– уран-235 (²³⁵U) – 0,714%, T » 0,7038 млрд лет;
– уран-234 (²³⁴U) – 0,0055%, T » 0,245 млрд лет.

Таким образом, в природном уране изотопа ²³⁸U в 140 раз больше, чем ²³⁵U. Найти процентную долю радиоактивности, вносимую каждым изотопом в общую активность природного урана.

Ответ. Доля изотопа ²³⁴U в общей активности менее 0,01%, ²³⁵U – 4,3% и ²³⁸U – 95,7%, т.е. активность природного урана в основном определяется активностью ²³⁸U. Однако при обогащении смеси урана до 14% по изотопу ²³⁵U активности ²³⁵U и ²³⁸U становятся равными.

Азамат С. Современная атомная энергетика в основном строится на базе реакторов на медленных нейтронах. Реакторы этого типа к настоящему времени в мире технически и технологически наиболее тщательно разработаны и соответственно получили широкое распространение. Например, в России работают в основном два типа энергетических реакторов: 1) реакторы на замедлении нейтронов водой – водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР); 2) реакторы на замедлении нейтронов графитом – реакторы большой мощности, канальные (РБМК) [3].

• Задача 2. Реактор типа ВВЭР-1000 имеет тепловую мощность 3200 МВт и электрическую мощность 1000 МВт; в него загружается 30 т урана (точнее, окиси-закиси урана U₃O₈, обогащенного до 4,4% по ²³⁵U). Какова активность топлива?

Ответ. 12 Ки; из них 10 Ки – активность 29,1 т ²³⁸U и 2 Ки – активность 900 кг ²³⁵U. Здесь долей кислорода в общей массе ядерного топлива можно пренебречь из-за малости молярной массы кислорода в сравнении с молярной массой урана.

• Задача 3. Ядерный реактор типа РБМК-1000 (Чернобыльский реактор) имеет тепловую мощность 3200 МВт и электрическую мощность 1000 МВт; загружается 192 т уранового топлива, обогащенного до 1,8% по урану ²³⁵U (на 2 года). Какова активность топлива?

Ответ. Активность топлива реактора РБМК-1000 в момент загрузки составляет около 75 Ки; общая активность топлива в основном определяется активностью урана-238.

Учитель. В результате аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду было выброшено около 10 ЭБк радиоактивности. Почему активность топлива после «сгорания в реакторе», т.е. радиоактивных отходов (РАО), возрастает в миллионы раз?

Алексей М. Ответ на этот вопрос может быть дан после выяснения нескольких моментов.

Современной физике известно большое количество существующих в природе и полученных искусственным путем нуклидов – ядер с различными числами протонов Z и нейтронов N. Всего известно (к середине 1995 г.) 2822 нуклида. Отсюда следует, что ядерный парк значительно богаче парка химических элементов.

Все известные ядра можно разделить по степени их относительной стабильности на две группы: на стабильные или относительно стабильные (период полураспада T>2•10⁵ лет; их число 283) и короткоживущие, или, как говорят, радиоактивные (их более 2500). Заметим, что число известных ядер с каждым годом становится все больше. Например, в последние годы группой европейских ученых, в составе которых были и российские ядерщики (проект Дубна–Дарм-штадт), были синтезированы новые сверхтяжелые ядра элементов 113 и 114.

Рис. 1

Интерес представляет анализ экспериментально полученной так называемой Z-N (протонно-нейтронной) зависимости (рис. 1) [4–5]. (График заранее выполнен одним из учеников по заданию учителя, на нем изображены несколько изобар с конкретным числом A и несколько изотопов с конкретным числом Z. Данные можно найти в [6]). Из рисунка видно, что при малых числах Z стабильные ядра содержат примерно одинаковые числа протонов и нейтронов Z » N (например).

Однако в дальнейшем с ростом Z процентное содержание нейтронов в стабильных и долгоживущих ядрах возрастает (в число нейтронов составляет 61% от общего числа нуклонов). Z–N-зависимость для стабильных и долгоживущих ядер представлена на рисунке черными квадратами.

Изотопы до Z = 83 (висмут) около линии стабильности претерпевают b⁺-, b^–, p^-, n-распады, причем ядра выше линии стабильности перегружены протонами и соответственно испытывают b⁺-, p-распады, а ниже этой линии (перегружены нейтронами) – испытывают b^–-, n-распады. Ядра же выше Z = 83 обычно претерпевают другие типы превращений – a-распад и спонтанное f-деление. На рисунке область известных в настоящее время нуклидов ограничена замкнутой линией. Также показана область ядер, которые еще не обнаружены, но могут быть обнаружены (предположительно общее число возможных в природе ядер должно составлять около 6000 + 2822). Все эти ядра располагаются в области между двумя линиями B_n = 0 и B_p = 0 (где B_n и B_p – энергии отделения нейтрона и протона от ядра). B_n = 0 и B_p = 0 отвечает ситуация, когда добавляемый к ядру нуклон не захватывается ядром, т.е. вне этой области ядра не могут существовать.

Азамат З. Из выступления предыдущего «специалиста» становится ясным установленный к марту 1939 г. (сразу четырьмя группами исследователей: группой Фредерика Жолио-Кюри во Франции, Г.Н.Флерова и Л.И.Русинова в России, группой Э.Ферми и группой л.Сциларда в США) факт, что при каждом акте деления 235U после поглощения нейтрона испускаются примерно 2–3 вторичных нейтрона (со средней энергией 1,3 МэВ). Более точные исследования показали, что число вылетевших нейтронов в каждом акте распада подчиняется закону случайных чисел. Вероятность возникновения K вторичных нейтронов при делении ²³⁵U тепловыми нейтронами показана в табл. 1.

Таким образом, среднее число вылетевших нейтронов при одном акте деления составляет n = 2,42.

Вспомним также (рис. 2 – рис. 183 из [7]), что удельная энергия связи нуклонов в ядре возрастает от E_св = 0 при A = Z + N = 1, проходит при A » 60 (около ядер железа, никеля) через максимум E_св » 8,6 МэВ/нуклон и постепенно убывает до E_cв » 7,8 МэВ/нуклон для последнего природного ядра – урана-238.

Из этого следует, что возбужденным тяжелым ядрам энергетически выгоднее делиться на большие куски, нежели испускать легкие частицы. Этот эффект был обнаружен немецкими учеными О.Ганом и Ф.Штрассманом. 6 января 1939 г. они опубликовали статью (направили в печать 22 декабря 1938 г.), где сообщали, что после бомбардировки урана нейтронами образуется новый изотоп урана, который в дальнейшем разваливается на осколки (одним из осколков в их опыте оказался барий, Z = 56; тогда это казалось совершенно неожиданным результатом).

Исследования показали, что деление ядер урана-235 после его бомбардировки нейтронами может происходить различными способами [8]. Всего образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2 : 3 (рис. 3). Если образование осколков с A, равными 95 и 140 (отношение масс 2 : 3) наблюдается в 7% случаев, то деление ядер на две равные по массе части наблюдается только в 10–2% случаев. В качестве примера запишем следующие реакции:

и т.д.

Следует заметить, что осколки деления перенасыщены нейтронами и освобождаются от них: сначала прямым испусканием так называемых мгновенных нейтронов (за время ~ 10–15 с), а затем посредством превращения нейтронов внутри ядра в протоны, т.е. путем b^–-распада. Таким образом, осколки деления ядер урана b^–-радиоактивны; их распад не сопровождается b⁺-радиоактивностью.

Ильгиз К. Нетрудно представить число возможных ядер даже с одинаковыми A, но разными Z и N. Например, известны 12 изобар с A = 137 [6]:

Кроме того, осколки деления ядер урана чаще всего оказываются радиоактивными с весьма широким диапазоном времен полураспада. Например, осколки деления в вышеприведенных реакциях претерпевают следующие превращения ([6]):

        Рис. 3

Учитель. Теперь вернемся к задаче, предложенной в начале семинара.

Андрей К. Четвертый блок ЧАЭС начал свою работу в декабре 1983 г. и к 26 апреля 1986 г. проработал 865 календарных дней. Его ядерное топливо – обогащенный диоксид урана (U₂O) – размещалось в 1658 ТВС (тепловыделяющих сборках, в каждой из которой содержится 18 твэлов – тепловыделяющих элементов, ядерного топлива в каждой сборке 114,7 кг). Полная загрузка собственно урана составляла 190,2 т. Более чем три четверти кассет выработали свой ресурс, и именно они определили значительное содержание в активной зоне долгоживущих, биологически опасных радионуклидов. К моменту аварии в активной зоне среднее накопление продуктов деления составляло 10,3 кг/т. На основании данных о глубине выгорания кассет с топливом были определены количества наработанных изотопов в сборке. Данные о содержании в активной зоне важнейших долгоживущих радионуклидов приведены в табл. 2 [3].

Таблица 2.
Содержание в активной зоне важнейших долгоживущих радионуклидов [3]

В результате аварии из реактора было выброшено около 25% графита (замедлителя) и 3–4% топлива. Поступило в окружающую среду радиоактивных веществ общей активностью около 10 ЭБк (270 МКи), в том числе 6,3 ЭБк (170 МКи) радиоактивных благородных газов.

Примерный радионуклидный состав выбросов реактора ЧАЭС [3]

*От всего количества в реакторе.

В общем, при Чернобыльской аварии в окружающую среду было выброшено около 450 типов радионуклидов.

Общая активность смеси выброшенных элементов-изотопов определяется активностью выброшенного неиспользованного топлива, выработанного в реакторе плутония ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs и др. нуклидов. Следует также отметить, что в настоящее время радиоактивная опасность в Чернобыльской зоне определяется активностью радионуклидов ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, т.к. активность ¹³¹I и других короткоживущих изотопов практически стала равной нулю.

Максим Б. Главную опасность после Чернобыльской аварии представляют радионуклиды, которые попадают различными путями в организм человека. Самым распространенным путем является пищевая цепочка. Радионуклиды из почвы переходят в кормовые растения, овощи и фрукты. В конечном счете радиоактивная пища попадает на наш стол с молоком, мясом и пр.

Природа так распорядилась, что если в организме живого существа не хватает какого-нибудь элемента, то происходит компенсация его за счет другого химического аналога: радиоактивные или нерадиоактивные изотопы элементов химически совершенно одинаковы (например изотопы йода), b- и g-радиоактивный стронций-90 схож по химическим свойствам с кальцием, b- и g-радиоактивный цезий-137 – с калием, a-радиоактивный плутоний-239 – с железом и т.д.

В первые недели после аварии основными (с медико-биологической точки зрения) радионуклидами были изотопы йода. Йод-131 активно включается в биологическую цепь (путем ингаляционного поступления или в виде солей йода по цепочке: растение–молочно-продуктивный скот–человек). Известно, что йод накапливается в щитовидной железе, и поэтому радиоактивный йод прежде всего поражает щитовидную железу. Попав в щитовидную железу, йод облучает окружающие клетки и может нарушить функцию жизненно важных органов, что приводит к замедлению роста, рождению недоношенных детей, развитию рака щитовидной железы. Именно йод-131 обусловил дозовые нагрузки на щитовидную железу людей и животных в течение около 2 месяцев после аварии.

После прекращения активных выбросов из реактора основное значение приобрели внешнее облучение и попадание в пищевые продукты радионуклидов цезия ¹³⁷Cs и стронция ⁹⁰Sr. При недостатке калия и кальция в рационе происходит повышенное накопление в организме их аналогов – радиоактивных цезия и стронция. В ряде мест были введены ограничения на использование сельхозугодий и продуктов сельского хозяйства. Сегодня основным источником облучения населения в зоне, пострадавшей от Чернобыльской аварии, является цезий-137, который определяет около 90% суммарной дозы.

Алексей К. В организм животных и человека цезий-137 проникает в основном либо с вдыхаемым воздухом, либо с продуктами питания животного и растительного происхождения. Радиационное действие цезия-137 обусловлено b- и g-активностью нуклида и при внутреннем, и при внешнем облучении организма.

Химически активный и растворимый цезий-137 в кишечнике и в легких всасывается практически полностью, однако у жвачных животных этому препятствуют содержащиеся в корме клетчатка и калий. Хорошей защитой для человека и животных служит кожа: через неповрежденную поверхность проникает всего 0,007% нанесенного количества нуклида, а через обожженную – 20%; через рану в течение первых 10 мин всасывается 50%, а через три часа – более 90% нанесенного количества. Независимо от пути поступления около 80% ¹³⁷Cs накапливается в мышцах, 8% – в скелете, и остальная часть относительно равномерно распределяется в других тканях.

Из организма матери цезий-137 проникает через плаценту в плод, причем чем старше эмбрион, тем в больших количествах нуклид накапливается в его органах и тканях.

В условиях постоянного поступления цезий накапливается в органах и тканях до определенного предела. Вначале процесс протекает интенсивно, затем постепенно затухает, и наступает равновесное состояние, когда, несмотря на присутствие нуклида в окружающей среде, его содержание в организме остается постоянным. Время достижения такой стабилизации зависит от вида животных и их возраста. При этом чем старше животное, тем в меньших количествах радиоцезий накапливается в органах и тканях. Равновесное состояние у коров наступает примерно к концу месяца, у овец и коз – через 10 дней. У человека равновесное состояние устанавливается через 430 суток.

Из-за большой подвижности изотопа цезия в тканях человека этот элемент может быть выведен из организма при обогащении рациона питания калием. Например, много калия содержится в кураге и в урюке – около 2 г, в грибах сушеных (белые, подберезовики) – около 4 г, в бобовых – около 1 г соответственно на 100 г продукта. Для сравнения: калия всего около 0,15 г в 100 г ржаного хлеба. Время, в течение которого выводится половина поступившего в организм радионуклида цезия, зависит от возраста человека: у детей до 1 года – за 9 суток, до 9 лет – за 38 суток, у взрослого 30-летнего человека – за 70 суток, 70-летнего – за 90 суток.

Антон К. Стронций-90 попадает в организм человека в основном через молоко или сыр, где в конце концов, будучи химическим аналогом кальция, накапливается в костной системе и медленно выводится. Стронций быстрее всего накапливается в костной системе молодого организма, чем взрослого. В результате возможны негативные последствия, связанные с деятельностью костного мозга.

Основными поставщиками кальция в организм человека являются следующие продукты (приведено содержание кальция на 100 г продукта):

– капуста морская – около 2 г;
– сыры твердые, молоко сухое цельное – около 1 г;
– молоко сгущенное – 0,3 г; молочные продукты (молоко коровье, творог, кефир) – около 0,15.

Остальные продукты содержат меньше 0,1 г кальция на 100 г продукта.

Самое большое содержание йода отмечается у морской капусты: в 100 г сухой капусты содержится около 0,3 г йода, а все известные продукты йода содержат в значительно меньших количествах – менее 200 мкг (!). Ежедневная норма для потребления йода – 150 мг.

Железо является важнейшим кроветворным микроэлементом, особенно для образования эритроцитов. Железо содержится в зеленых овощах: луке, салате, укропе, щавеле, капусте, бобовых культурах; в мясных продуктах: мясе, почках, печени; крупах, фруктах: яблоках, сливах, абрикосах. Суточная норма железа для человека около 20 мг. 100 г проса содержит 6,8 мг железа, морской капусты – 20 мг, семян подсолнечника – 7 мг.

Заключение

Учитель. Итак, подведем итог занятия. Мы с вами вспомнили основные моменты из раздела «Физика атомного ядра» и, самое главное, сумели полученные знания систематизировать. Объединили в единую схему набор разрозненных, на первый взгляд, сведений и фактов из школьного курса ядерной физики. Надеемся, что проведенный сегодня анализ позволит вам осознанно подойти к вопросам, связанным с ядерной физикой, энергетикой и радиационной экологией. Всем спасибо! Занятие окончено.

Литература

1. Савенко В.С. Радиоэкология. – Минск: Дизайн ПРО, 1997.
2. Орфеев Ю.В. Чернобыль: кто виноват и что делать? – Энергия, 1997, № 5.
3. Матвеев Л.В., Рудик А.П. Почти все о ядерном реакторе. – М.: Энергоиздат, 1990.
4. Пенионжкевич Ю.Э. Физика экзотических ядер. – Соросовский образовательный журнал, 1995, № 1.
5. Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты. /Под ред. Б.С.Ишханова. – М.: МГУ, 1994.
6. Физические величины: Справочник./Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
7. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика-11. – М.: Просвещение, 2001.
8. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3. – М.: Наука, 1987.

.