Страница 3 из 19
По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) на конец 2002 г. в 31 стране мира действовали 438 атомных реакторов общей мощностью 359 млн кВт с годовой выработкой 2665 млрд кВт • ч электроэнергии, что составляет 17 % от выработки электроэнергии в мире.
В ряде стран доля электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, гораздо выше среднемировой, %: Франция – 78; Литва – 81; Бельгия – 58; Украина – 45; Южная Корея – 41; Швейцария – 40; Япония – 34; Швеция – 47; Германия – 28; Великобритания – 22; США -19,8. В России в 2002 г. 30 блоков АЭС произвели 139,8 млрд кВт • ч электроэнергии, дополнительно 1,5 млрд кВт • ч получено на атомных реакторах Сибирского химического комбината (г. Северск) и Горно-химического комбината (г. Железногорск), итого 141,3 млрд кВт•ч, что составляет 16 % от общего производства электроэнергии в России.
Необходимое увеличение доли АЭС в электроэнергетике связано с рядом весомых преимуществ АЭС перед тепловыми электростанциями (ТЭС), работающими на природном газе, нефти, мазуте, угле. Главными стимулами являются экономические и экологические преимущества. Цена электроэнергии на АЭС в странах Западной Европы ниже цены электроэнергии на ТЭС, работающей на газе, в 2,5 раза, на мазуте – в 2 раза и угле – в 1,5 раза.
В 1999 г. цена 1 кВт • ч электроэнергии на АЭС США составила 1,83 цента, что значительно ниже, чем на ТЭС, работающих на угле (2,07 цента), нефти (3,18 цента) и газе (3,52 цента).
Об экономичности и экологической чистоте АЭС убедительно говорит опыт Франции. По словам представителя французской энергетической компании в Москве, «работа в течение 10 лет 34 реакторов мощностью 900 МВт каждый сэкономила для Франции не менее 150 млрд. франков и предотвратила выбросы в атмосферу опасных для здоровья высокотоксичных веществ: 10,3 млн. т оксидов серы, 3,5 млн. т оксидов азота, 0,4 млрд. т углекислого газа и 1 млн. т золы и пыли». На АЭС энергоотдача единицы массы топлива в 105 раз больше, чем на угольных ТЭС. Блок АЭС мощностью 1 млн кВт потребляет в год 30 т ядерного топлива со средним содержанием урана-235 3,33 %. Для работы ТЭС такой же мощности требуется 3 млн. т/год угля, т. е. 60 тыс. вагонов/год. В России примерно 40 % всех перевозок железнодорожного транспорта приходится на транспортировку угля.
1.2. Предмет радиохимии. Ранние и современные определения радиохимии. Основные этапы развития радиохимии и их характеристика
В 1910 году английский химик А. Камерон в комплексной проблеме, получившей общее название «радиоактивность», выделяет самостоятельное направление, которое он назвал радиохимией. С этого момента радиохимия обрела автономию, хотя до сих пор перечень тем, включаемых в состав этой науки, довольно неоднозначен, и определения радиохимии, формулируемые различными научными школами, отличаются заметным разнообразием.
Авторы предлагаемого конспекта лекций не склонны придавать очень уж серьезной и, тем более, педагогически весомой значимости якобы исчерпывающим определениям научных дисциплин. В конце концов, любой читатель, проштудировавший конспект лекций и усвоивший его содержание, меньше всего будет озабочен знанием именно «формулы определения» предмета.
Вот, например, что писал австрийский физик Пауль Эренфест относительно определения своей науки: «Я всегда полагал и теперь полагаю, что вопрос о ценности того или другого определения понятия «задача физики» выяснился бы лишь в том случае, если бы из этого определения делалось какое-нибудь употребление. Ни об одном из таких определений мне неизвестно, чтобы оно где-нибудь применялось. <…> С точки зрения интересов преподавания <…> все мне известные определения физики должны быть признаны даже вредными или, по крайней мере, опасными».
Не допуская мысли, что определение радиохимии может быть вредным или опасным деянием, мы все-таки из уважения к традиции дадим определение этой дисциплины, принадлежащее основателю кафедры радиохимии Московского государственного университета А. Н. Несмеянову: «Радиохимия – область науки, изучающая химию радиоактивных изотопов, элементов и веществ и их физико-химические свойства, ядерные превращения и сопутствующие им химические процессы. Можно наметить четыре основных раздела радиохимии: общую радиохимию, химию радиоактивных элементов, химию ядерных превращений и прикладную радиохимию».
А вот определение, принадлежащее одному из авторов данного конспекта лекций В. Д. Пузако и разделяемое кафедрой радиохимии УГТУ – УПИ: «Радиохимия – наука о химических и физико-химических особенностях систем, в которых присутствуют или возникают радионуклиды».
В истории развития радиохимии обычно выделяют четыре периода.
Первый период (1898–1913) характеризуется открытием 5 природных радиоактивных элементов – Po, Ra, Rn, Ас, Pa – и ряда их изотопов (это стало ясно после открытия в 1913 Содди явления изотопии). В этот период ведутся интенсивные поиски радиоактивных веществ в природе – радиоактивных минералов и вод.
Второй период (1914–33) связан с установлением ряда закономерностей поведения радиоактивных изотопов в ультраразбавленных системах – растворах и газовой среде, открытием (Д. Хевеши и Ф. Панетом) изотопного обмена. В этот период Панет и Фаянс формулируют правила адсорбции; О. Ган и В. Г. Хлопин проводят систематическое изучение процессов соосаждения и адсорбции. В эти годы Склодовская-Кюри, Панет и др. изучают радиоактивные изотопы в ультраразбавленных растворах, условия образования радиоколлоидов.
Третий период (1934–45) начинается после открытия супругами И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри искусственной радиоактивности. В этот период в результате работ Э. Ферми (по исследованию действия нейтронов на химические элементы), И. В. Курчатова с сотрудниками (открывших и изучивших ядерную изомерию искусственных радиоактивных изотопов), Гана и Ф. Штрасмана (установивших деление ядер урана под действием нейтронов), открытия Сцилларда – Чалмерса эффекта разрабатываются основы методов получения, концентрирования и выделения искусственных радиоактивных изотопов.
Современный, четвёртый период развития радиохимии связан с использованием мощных ускорителей ядерных частиц и ядерных реакторов. Осуществляется синтез и выделение искусственных химических элементов, совершенствуются методы получения ядерного горючего и его переработки, способы безопасного обращения с радиоактивными отходами. При этом на основе возникающих технологических проблем широко развивается химия искусственных (особенно трансурановых) и естественных (особенно U, Th, Pa) радиоактивных элементов, в частности химия их комплексных соединений. Во всех этих областях радиохимии активно работают как учёные России, так и многих зарубежных стран. Развитие радиохимии продолжается, охватывая всё новые области химии радиоактивных веществ.
1.3. Общие свойства атомных ядер. Изотопия. Радиоактивность (α , β , E-захват, изомерный переход). Законы распада
1.3.1. Сведения из элементарной ядерной физики
Для понимания последующего текста вполне достаточно знать те сведения из атомной и ядерной физики и химии, которые содержатся в современных курсах физики и химии, преподаваемых в любом вузе естественнонаучного или технического профиля. Тем не менее авторы предлагают читателю восстановить в памяти содержание и смысл основных определений, терминов и теоретических конструктов, относящихся к физике микромира.
Будем исходить из того, что эмпирические свидетельства в пользу реальности атомов известны читателю и он помнит, что именно химия XIX века установила атомное строение вещества и открыла физикам перспективы микроскопического описания природы на основе статистических методов.
В 1922 г., как уже было указано выше, Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, в соответствии с которой он представляет собой положительно заряженное ядро (размеры атомных ядер характеризуются порядком величины ~10–12см), окруженное электронами, электростатически уравновешивающими заряд ядра. В целом размеры атомов имеют порядок величины – 10–8 см. Масса электронов незначительна, поэтому без большой погрешности принято считать, что массы атомов и их ядер численно совпадают.