Ядерная опасность. Семипалатинский полигон

Вскоре после открытия радиоактивности было обнаружено существование нескольких десятков элементов с разными атомными весами, каждый из которых имел характерные свойства - радиоактивные.

Число их значительно превышало число клеток в таблице Менделеева, оставшихся свободными. Содди назвал эти разно­видности изотопами, что в переводе с греческого языка озна­чает "занимающий одно и то же место". Изотопы данного эле­мента представляют собой атомы, ядра которых построены из од­ного и того же числа протонов /обладают одинаковыми физи­ческими и химическими свойствами/, но имеют различное число нейтронов. В настоящее время у 102 элементов известно 274 стабильных и около 700 радиоактивных изотопов. В ядрах радиоактивных изотопов имеется несоответствие между числом нейтронов и протонов, в результате чего ядро находится в энергетически неустойчивом состоянии.

Стабилизация радиоактивного ядра происходит самопроизвольно без какого бы то ни было внешнего воздействия и этот процесс назы­вается радиоактивным распадом. Каждому радиоактивному элементу свойственна различная, но для данного элемента совершенно опреде­ленная вероятность распада. Время, в течение которого распадается половина радиоактивного вещества, носит название периода полураспада.

Искусственная радиоактивность

Э.Резерфорд (1919) сообщил, что путем бомбардировки атомов азота частицами добился превращения их в ядра атомов кислорода, т.е. превращения одного химического элемента в другой.

В 1934г. Ирен и Фредерик Жолио Кюри обнаружили, что после бомбардировки альфа-лучами атомных ядер некоторых нерадиоактивных изотопов химических элементов оли начали испускать проникающие лучи, т.е. становятся радиоактивными. Пер­вый генератор нейтронов, так называемый ускоритель тяжелых зараженных частиц циклотрон, был сконструирован 1930-1936 гг. Лоуренсом. В эти же годы Энрико Ферми со своими сотрудни­ками показал возможность вызывать искусственную радиоактив­ность почта всех химических элементов путем воздействия нейтронов. В 1934 г. супруги Жолио Кюри впервые получили влаборатории искусственные радиоактивные изотопы. В 1939 г. Ган и Штрасман в Германии обнаружили деление урана после бомбардировки его нейтронами, а в 1942 г. под руководством Ферми в Чикаго был построен первый атомный реактор. Этот успех расширил возможности получения радиоактивных изотопов.

Искусственная радиоактивность - распад вещества под воздействием энергии извне с образованием потоков электронов, нейтронов, протонов, тяжелых частиц с выделением огромной энергии.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, представляющих собой элементарные частицы не имеющие электрического заряда. В клинически практике находят применение быстрые нейтроны с энергией от 20 кэв до 200 Мэв. Основными источниками нейтронов, используемых с лечебной целью, являются ускорители и атомные реакторы.

Протонное излучение - это поток элементарных частиц, несущий положительный заряд. Преимущество протонного излучения заключается в том что в конце пробега в тканях они образуют максимум ионизации, именуемых пиком Брегга-Грея. При этом доза в пике превосходит таковую в окружающих тканях в 2,5-3,5 раза.

Пи-мезанное излучение - поток элементарных частиц, имеющих промежуточную массу между электроном и протоном. Пи-мезоны могут быть положительно заряженными частицами, отрицательно и нейтральные. Заряд положительных и отрицательных пи-мезонов равен заряду электрона, а масса составляет 273 массы электрона. Как и у протона плотность ионизации у пи-мезонов растет к концу пробега. Однако в отличие от протонов, отрицательные пи-мезоны захватываются ядрами атомов кислорода, углерода, азота, водорода, а затем расщепляются с высвобождением громадного количества энергии, образуя при этом максимум ионизации. При этом соотношение дозы в пике к дозе окружающих тканей достигает 10:1. Основным источником пи-мезонов являются ядерные реакторы.

Тормозное излучение высокой энергии (выше 1 Мэв) является электромагнитным колебанием, ионизирующее излучение, возникающее при изменении кинетической энергии заряженных частиц с непрерывным спектром.

Генерируется оно в ускорителях /линейный ускоритель или бетатрон/. Основным свойством их является способность проникать в плотные среды и вызывать процессы ионизации. Процесс ионизации лежит в основе биологического действия, относительная биологическая эффективность определяется плотностью ионизации в тканях.

Деление ядер

После открытия нейтрона в 1932 г., а затем искусствен­ной радиоактивности в 1934 г. ученые увлеклись «совре­менной алхимией», т. е. созданием новых радиоактивных элементов под воздействием нейтронов.

Молодой еще в то время Ферми, стремясь получить новый неизвестный миру 93-й элемент, попытался облу­чить нейтронами уран—92-й элемент таблицы Менде­леева. Однако в результате захвата нейтронов ядрами урана образовался не один искусственно радиоактивный элемент, а по крайней мере целый десяток.

Природа задала человеку новую задачу. Можно считать, что с этого момента начался новый этап в развитии ядер­ной физики — возможность использования энергии, таив­шейся в недрах атома, стала реальностью.

Объяснение новому явлению дали Фредерик Жолио-Кюри и Лизе Мейтнер. Они показали, что в процессе облу­чения урана нейтронами происходит новый тип ядерной реакции — деление ядра урана на две примерно равные части (осколки). Энергия, выделяемая при этой реакции, составляет около 200 Мэв, т. е. в десятки раз больше, чем при обычных известных в то время ядерных реакциях.

Теория деления урана была разработана одновременно и независимо друг от друга советским ученым Френкелем и датским ученым Бором.

Особенность реакции деления урана состоит в том, что при каждом акте деления, помимо двух осколков, образу­ются два-три нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер. При каждом из этих процессов освобождаются новые нейтроны, которые в свою очередь вызывают деление последующих ядер (рис). Таким образом один нейтрон может положить начало целой цепочке делений, при этом количество ядер, подвергшихся делению, лавинообразно нарастает, т. е. реакция деления урана развивается как цепная реакция. Например, доли секунды достаточно для того, чтобы разделились все ядра, содержащиеся в 1 кг урана (примерно 3 • 1024 ядер). Энергия, выделяющаяся при этом, равна энергии, освобождаемой при взрыве 20 000 т тротила или при сжигании 2,5 тыс. т каменного угля.

При делении ядер урана примерно 83% энергии преоб­разуется в кинетическую энергию осколков; 3% связано с энергией g-квантов, которые образуются мгновенно при делении, и 3% уносится образующимися при делении нейт­ронами. Остальные 11% энергии выделяются постепенно в виде энергии (b-частиц и g-квантов в процессе радиоактив­ного распада ядер изотопов (осколков), образующихся при делении.

Рис. Цепная реакция деления урана.

На пути практического использования цепной реакции деления урана важное значение имело открытие советских физиков Г. Н. Флёрова и К- А. Петржака, которые в 1940 г. показали, что существует новый вид радиоактивности — самопроизвольное (спонтанное) деление ядер изотопа U235 с периодом полураспада Т— ~1017 лет. Таким образом для использования цепной реакции деления не нужны сто­ронние нейтроны: они образуются в уране вследствие спон­танного деления.