Строение атома

     Открытие рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.), радиоактивности (Беккерель, 1896 г.), электрона (Том-сон, 1897 г.), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898 г.) положили начало изучению атомной и ядерной физики. В 1899 г. Э. Резерфорд выступил с большой статьей о радиоактивности, показав, что излучение урана и тория имеет сложный состав, разделяясь на лучи.

    Это указывало на сложный характер радиоактивного излучения. В 1900 г., изучая давно известное человечеству тепловое излучение, Макс Планк открыл его атомный характер.

    Вскоре после открытия полония и радия, Резерфордом было установлено, что радиоактивное излучение неоднородно по своему составу. Одна часть излучения поглощается тонкой алюминиевой фольгой, а другая проходила без изменения. Анализ состава излучения проводился по отклонению его в магнитном поле. Было обнаружено, что излучение содержит три вида лучей — альфа, бета, гамма.

 

  Альфа-лучи — тяжелые частицы с малой проникающей способностью.

  Бета-лучи — легкие частицы с большой проникающей способностью. Бета-лучи представляют собой поток быстро летящих электронов. Их скорость близка к скорости света.

   Гамма-лучи обладают относительно малой ионизирующей способностью, в тоже время они имеют большие частоты, чем рентгеновские лучи. Это свойство гамма-лучей привело к широкому использованию их в медицине, для лечения злокачественных опухолей, диагностике заболеваний и т.д.

 

    Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию. Кстати, наше Солнце - один из естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту.

Следует различать радиоактивность  и радиацию. Источники радиации - радиоактивные вещества или ядерно-технические  установки (реакторы, ускорители, рентгеновское  оборудование и т.п.) – могут       существовать значительное время, а  радиация существует лишь до момента  своего поглощения в каком-либо веществе.

Воздействие радиации на человека называют облучением. Основу этого  воздействия составляет передача энергии  радиации клеткам организма.

 Облучение может вызвать  нарушения обмена веществ, инфекционные  осложнения, лейкоз и злокачественные  опухоли, лучевое бесплодие, лучевую  катаракту, лучевой ожог, лучевую  болезнь.

Последствия облучения сильнее  сказываются на делящихся клетках, и поэтому для детей облучение  гораздо опаснее, чем для взрослых.

Мерой радиоактивности служит активность. Измеряется в Беккерелях (Бк), что соответствует 1 распаду  в секунду. Содержание активности в  веществе часто оценивают на единицу  веса вещества (Бк/кг) или объема (Бк/куб.м).

 Также встречается  еще такая единица активности, как Кюри (Ки). Это - огромная величина: 1 Ки = 37000000000 Бк.

 Активность радиоактивного  источника характеризует его  мощность. Так, в источнике активностью  1 Кюри происходит 37000000000 распадов  в секунду.

Естественное  радиоактивное излучение - существует миллиарды лет, оно присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87, причем не существует способа от них избавиться.

Техногенное радиоактивное излучение - возникает вследствие человеческой деятельности. Осознанная хозяйственная деятельность, в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование естественных радионуклидов, приводит к заметным изменениям естественного радиационного фона. Сюда относится добыча и сжигание каменного угля, нефти, газа, других горючих ископаемых, использование фосфатных удобрений, добыча и переработка руд. Такой вид транспорта, как гражданская авиация, подвергает своих пассажиров повышенному воздействию космического излучения. И конечно, свой вклад дают испытания ядерного оружия, предприятия атомной энергетики и промышленности.

 

 

                                    Атомный реактор

 

Основным прикладным результатом  фундаментальных исследований в  ядерной физике явилось становление  атомной энергетики. Производимая в  ядерных реакторах энергия составляет около 6% всего мирового производства энергии. В некоторых странах  ( Франция, Швеция ) атомные электростанции дают более половины всей электроэнергии.

Ядерным (или атомным) реактором  называется устройство, в котором  осуществляется управляемая реакция  деления ядер.

Самоподдерживающаяся управляемая  ядерная цепная реакция была осуществлена в декабре 1942 года. Физики Чикагского университета, возглавляемые Э. Ферми, построили первый в мире ядерный реактор, названный СР-1. Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урона и его двуокиси. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер урана, замедлялись графитом, а затем вызывали новые деления ядер.

            

    Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ураном.

    В Советском Союзе теоретические и экспериментальные исследования особенностей пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова. Первый советский реактор Ф-1 был построен в Лаборатории № 2 АН СССР (Москва). Этот реактор выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 года. Реактор Ф-1 был набран из графитовых блоков и имел форму шара диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Реактор Ф-1, как и реактор CP-1, не имел системы охлаждения, поэтому работал на очень малых уровнях мощности (доли ватта, редко — единицы ватт). Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1948 году введён в действие реактор И-1 по производству плутония, а 27 июня 1954 года вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске.

 

       

 

 

Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядер с освобождением ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя размещенных в защитном корпусе. Активная зона содержит ядерное топливо в виде топливной композиции в защитном покрытии и замедлитель. Топливные элементы обычно имеют вид тонких стержней. Они собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие сборные композиции называются сборками или кассетами.

Вдоль топливных элементов  двигается теплоноситель, который воспри- нимает тепло ядерных превращений. Нагретый в активной зоне теплоноситель, двигается по контуру циркуляции, за счет работы насосов, либо под действием сил Архимеда, (Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости или газа (называемая силой Архимеда) Fa = pgV,  где  — плотность жидкости (газа),  — ускорение свободного падения, а — объём погружённого тела или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности. Если тело плавает на поверхности или равномерно движется вверх или вниз, то выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма) и проходя через теплообменник, либо парогенератор, отдает тепло теплоносителю внешнего контура.

                                                     

Перенос тепла и движения его носителей можно представить  в виде схемы:

 

             1.Реактор

             2.Теплообменник, парогенератор

             3.Паротурбинная установка

             4.Генератор

             5.Конденсатор

             6.Насос

 

                                      

 

    При делении тяжелых ядер образуется несколько свободных нейтронов. Это позволяет организовать так называемую цепную реакцию деления, когда нейтроны, распространяясь в среде, содержащей тяжелые элементы, могут вызвать их деление с испусканием новых свободных нейтронов. Если среда такова, что число вновь рождающихся нейтронов увеличивается, то процесс деления лавинообразно нарастает. В случае, когда число нейтронов при последующих делениях уменьшается, цепная ядерная реакция затухает.

Достижение критического состояния представляет наибольший интерес с точки зрения получения  контролируемого источника энергии. В критическом состоянии число  нейтронов не меняется во времени. Следовательно, число актов деления в единицу  времени, а значит, и энерговыделение  постоянны.

 

В концепцию реактора как  теплотехничнского аппарата положены два принципа:

1 освободить ядерный реактор  от всех технологических процессов  регенерации ядерного горючего  и оставить ему единственную  функцию генератора тепловой  энергии;

2 максимально локализовать  в реакторе область, занятую  делящимися материалами и продуктами  деления.

 

Такой подход к строительству  реакторов дал возможность на первом этапе развития ядерной энергетики наиболее быстро создать атомные  энергоустановки, поскольку в них  удалось свести к минимуму количество принципиально новых элементов  конструкции, а вопросы регенерации  горючего по существу были отложены до лучших времен. Эта концепция воплощена  во всех современных реакторах. Эта  же концепция лежит в основе разрабатываемых  жидкометаллических реакторах на быстрых  нейтронах, газоохлаждаемых высокотемпературных  реакторах и др.

Недостатком теплотехнической концепции является неполное использование  тех потенциальных возможностей, которые заложены в самом феномене деления ядер тяжелых металлов.