Прикладная химия - Рыскалиева Роза (книги хорошего качества TXT) 📗

Возможна реакция и на быстрых нейтронах. Часть нейтронов захватывается ядрами неделящегося U-238, который составляет основную «начинку» ТВЭЛов. При этом появляется новое ядерное «горючее» – плутоний-239, который в природе не встречается из-за относительно малого периода полураспада: ²³⁸ ₉₂U + n → ²³⁹ ₉₂U → ²³⁹ ₉₃Np → ²³⁹ ₉₄Pu.

Pu-239 является более эффективным ядерным «горючим», чем U-235 и используется для создания ядерного оружия. Вместо U-238 можно использовать торий-232. В этом случае конечным продуктом является U-233: ²³² ₉₀Th + n → ²³³ ₉₀Th –_{23,5 мин.} → Pa –_27,4 мин → ²³³ ₉₂U.

Через три года эксплуатации отработанные ТВЭЛы вынимают из реактора и около трех лет выдерживают на АЭС в спец. бассейнах. За это время полностью распадаются накопившиеся в ТВЭЛах радиоактивные продукты (радионуклиды) с малым периодом полураспада. После этого из ТВЭЛов выделяют Pu-239, а отходы готовят к захоронению. Захоронению подлежат и сами реакторы, срок службы которых составляет 30-40 лет.

Еще большую проблему представляет захоронение различных радиоактивных веществ, накопившихся в ходе многолетней наработки плутония Pu для ядерного топлива на всех АЭС. Именно радиоактивные отходы и возможность аварий на АЭС вызывают всеобщую тревогу. Чтобы оценить опасность ядерной энергетики, надо представить себе, что такое радиоактивные вещества и в чем суть их воздействия на окружающую среду. При делении какого-либо тяжелого элемента, образующиеся легкие атомы представляют собой нестабильные изотопы, которые, переходя в стабильное состояние, испускают элементарные частицы и высокоэнергетическое радиоактивное излучение. Сами же нестабильные изотопы называют радиоактивными веществами. Кроме непосредственных продуктов деления ядерного топлива нестабильными могут стать и другие вещества внутри и вокруг реактора, поглотив испускаемые при ядерной реакции n. Все эти прямые и косвенные продукты расщепления называются радиоактивными отходами АЭС.

Отходы классифицируются по различным признакам:

1. по агрегатному состоянию – твердые – детали реактора на АЭС, инструменты, спец.одежда; жидкие – вода, используемая в технологическом процессе на АЭС и т.п.; газообразные – изотопы криптона, особенно ⁸⁸Kr.

2. по периоду полураспада – короткоживущие t1/2 < 1года; среднего времени жизни 1год< t1/2 < 100 лет; долгоживущие t1/2 > 100 лет.

3. по удельной активности – низкоактивные менее 0,1 Кu/м³; среднеактивные 0,1-1000 Кu/м³; высокоактивные свыше 1000 Кu/м³.

4. по составу излучения – α – излучатели (испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядро атома Не); β – излучатели (испускание атомом электронов); γ – излучатели (выброс электромагнитного излучения); нейтронные излучатели.

До сих пор не решена проблема радиоактивных отходов. Наиболее распространенный способ их уничтожения – захоронение.

Из таких же веществ состоят радиоактивные осадки при ядерном взрыве. Радиоактивные излучения приводят к очень серьезным заболеваниям, так как разрушают молекулы в составе клеток. Облучение тканей организма при ядерном распаде вызывает процессы ионизации и образования радикалов. Мягкие ткани состоят главным образом из воды, и основные реакции протекающие под действием облучения, связаны с ее распадом (радиолизом). В первую очередь молекулы воды дают сольватированные электроны (е_водн.), т.е. электроны, окруженные гидратной оболочкой. При этом образуются два радикала: Н₂О → Н∙ + ОН∙ + е_водн. Продолжительность существования этих продуктов распада около 1мс. В окислительных условиях в живых клетках в дальнейшем образуются новые радикалы. Это ведет к возникновению множества дальнейших реакций, которые отражаются на функциях пораженных тканей организма. Сильная склонность к кровотечению после получения больших доз облучения позволяет сделать вывод о повреждении мембран клеток. Радикалы Н∙ и е_водн. реагируют с основаниями нуклеиновых кислот. Частично измененные основания при синтезе нуклеиновых кислот вступают в реакции с новыми партнерами, что приводит к образованию ложных нуклеотидов и возникновению мутаций. При синтезе нуклеиновых кислот кроме нарушения нормального образования пар оснований происходит и разрыв мостиков в структуре ДНК. В то время как разрыв отдельных мостиков может быть скомпенсирован их восстановлением, массовое разрушение мостиков может привести к выпадению целых сегментов в молекуле ДНК. После получения высоких доз облучения, как и после взаимодействия с определенными веществами мутагенного действия, можно с помощью микроскопа наблюдать полностью разрушенные хромосомы.

Таким образом, использование ископаемого и ядерного топлива противоречит принципу устойчивого развития, так как эти ресурсы невозобновляемы, а применение их загрязняет окружающую среду. Движение к устойчивому обществу требует постепенного устранения зависимости от ископаемого и ядерного топлива и перехода к альтернативным источникам энергии.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

К этой группе источников энергии относятся источники, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. Солнечная энергия – эта кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Так как ее запасы практически неистощимы (подсчитано, что Солнце будет «гореть» еще несколько млрд. лет) ее относят к возобновляемым энергоресурсам. Полная мощность излучения Солнца выражается астрономической цифрой – 4∙10¹⁴ млрд. кВт. На каждый квадратный метр суши приходится около 0,16 кВт. Для всей же поверхности Земли количество падающей солнечной энергии составляет 10⁵ млрд. кВт, что в 20 тыс. раз превышает производство всех известных видов энергии.

В естественных экосистемах лишь 1 % солнечной энергии поглощается листьями и используется для фотосинтеза. Она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органического вещества. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта. Кроме того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Весь вопрос в том, как преобразовывать энергию падающего излучения Солнца в доступную для практического использования электрическую энергию. Также надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение ночью и в пасмурные дни. Сейчас энергия солнечного излучения в основном используется для получения в основном низкопотенциальной тепловой энергии (до 100⁰С) для нужд коммунального хозяйства, в сельском хозяйстве и частично в промышленности. Это различного рода водо- и воздухонагреватели, теплицы, сушилки, опреснители воды и т.д. Световое излучение можно улавливать и использовать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Существует несколько таких методов, доступных в настоящее время.

1. Фотогальванические элементы (ФГ) или фотоэлектрические преобразователи. Поток фотонов от Солнца попадает на верхнюю часть двухслойного полупроводника (например, кремния). Фотоны возбуждают электроны, и они мигрируют к поверхности раздела между кремнием различных типов. При этом создается избыток электронов на верхней поверхности раздела, поэтому здесь образуется разность потенциалов. Такая разность потенциалов составляет около 0,8В. Для того чтобы получить больший потенциал, следует соединить последовательно большее число кремниевых элементов. При увеличении площади кремния элементов можно получить ток желаемой величины. В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния Si (или германия Ge). Полупроводник – вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между значениями электрических изоляторов (диэлектриков) и проводников. Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом. Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в кристаллической решетке «электронные дырки», то есть эффективные положительные заряды. Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык называется n-р-переходом. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнить «дырки» в слое р-типа.