§ 146. Об использовании ядерной энергии

За последние годы в области практического использования ядерной энергии сформировались два основных направления: во-первых, развитие ядерной энергетики и, во-вторых, применение радиоактивных изотопов.

Ядерной энергетикой называется осуществляемое в промышленных масштабах преобразование ядерной энергии в другие виды энергии (механическую, электрическую и др.), используемые затем для производственных и бытовых нужд. Преобразование совершается обычно по следующей схеме (рис. 390). Теплота, отводимая теплоносителем из активной зоны ядерного реактора У, передается воде, находящейся в парогенераторе 2, и превращает эту воду в пар. Пар приводит в действие паровую турбину 3, которая в свою очередь приводит в действие электромашинный генератор тока 4.

Возникновение ядерной энергетики следует датировать июлем 1954 г., когда в СССР была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция мощностью

Рис. 390

Сейчас в СССР, США и Англии построены более мощные АЗС. Согласно имеющимся программам Международного агентства по использованию атомной энергии общая мощность атомных электростанций во всем мире будет быстро возрастать.

Ядерная энергия используется также в атомных двигателях. В этой связи следует упомянуть ледокол «Ленин» с атомным двигателем мощностью построенный в СССР в 1957-1959 гг.

Эксплуатация атомных электростанций пока что наиболее целесообразна в тех районах, которые удалены от месторождения обычных видов топлива (угля, нефти, газа) и бедны гидроресурсами. Основным преимуществом атомных двигателей транспортного типа является то, что они могут длительное время работать без пополнения горючим; это особенно важно для кораблей полярного плавания и подводных лодок.

В последние десятилетия благодаря быстрому развитию промышленности и росту городов во многих странах ощущается недостаток технической воды. В этой связи сейчас решается проблема опреснения морской воды в промышленных масштабах с широким использованием для этой цели атомной энергии.

Исключительно многообразным является применение ядерной энергии, излучаемой искусственными радиоактивными изотопами. Радиоактивные излучения используются для автоматического контроля и управления некоторыми технологическими процессами (например, для измерения и регулирования толщины проката пластмассовых, металлических, резиновых и других лент и пленок), для стерилизации лекарственных препаратов (в фармацевтической промышленности) и пищевых продуктов в консервном производстве), для лечения от некоторых кожных и внутренних заболеваний (например,

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

терапевтическое -облучение злокачественных опухолей) и т. д. Посредством радиоактивных изотопов проводится облучение семян сельскохозяйственных культур и самих растений с целью вызвать изменение (в нужном направлении) некоторых наследственных свойств растения (скороспелости, морозоустойчивости, устойчивости к болезням и т. п.).

Особенно широкое распространение во всех областях научной и практической деятельности человека получил метод меченых атомов, основанный на использовании радиоактивных изотопов. Сущность этого метода состоит в следующем.

Микроскопическую дозу радиоактивного изотопа (обычно с небольшим периодом полураспада) вводят в один из участков исследуемой системы, например в почву около корней растения, в струю водного или воздушного потока, в ткань живого организма, в смазку двигателя и т. п. Затем с помощью счетчика или иного регистратора радиоактивных излучений (см. § 140) наблюдают за перемещением введенного изотопа в данной системе. Анализируя результаты этих наблюдений, можно получить весьма ценные сведения о процессах, совершающихся в исследуемой системе (и не поддающихся изучению посредством каких-либо других современных методов).

Поясним применение метода меченых атомов на примере исследования процесса питания сельскохозяйственных растений фосфором.

В почву под исследуемые растения вносят фосфорное удобрение с примесью изотопа фосфора . После этого растения подвергают периодическому обследованию о помощью счетчиков радиоактивного излучения. При этом выясняется (по интенсивности излучения, исходящего от различных частей растения): когда фосфор поступает в корневую систему, с какой скоростью он перемещается внутри растения, как распределяется в растении, как участвует в обмене вещества и т. п. Эти исследования обычно дополняют радиоавтоерафированием (авторадиографированием): растение срезают, высушивают и накладывают на фотографическую пластинку (экспонирование производится в темноте в течение 20-30 ч). Благодаря действию радиоактивного излучения меченых атомов на фотопластинке после ее проявления получается отпечаток растения (радиоавтограф). По степени почернения различных участков радиоавтографа можно судить о распределении фосфора внутри данного растения. Такие радиоавтографы получают от нескольких растений, срезанных в различное время. Анализ серии радиоавтографов и значений интенсивности радиоактивного излучения, измеренных счетчиком, позволяет получить достаточно полное представление о процессе питания растений фосфором.

На рис. 391 изображен радиоавтограф томата, срезанного в двухнедельном возрасте через 36 ч после корневой подкормки меченым фосфором Этот радиоавтограф показывает, в частности, что

молодые листья (1 и 2) поглощают фосфор сильнее, чем старые (3 и 4).

С помощью метода меченых атомов успешно изучаются такие важные для сельскохозяйственного производства проблемы и вопросы, как фотосинтез, рациональное применение удобрений, усвоение различных элементов растениями, внекорневая подкормка растений, питание сельскохозяйственных животных, синтез молочного жира и мышечных белков, передвижение воды и водяного пара в почве, миграция насекомых, действие инсектицидов, износ трущихся деталей автотракторных двигателей и многие другие.

Рис. 391

В заключение отметим, что даже те весьма краткие сведения о ядерной энергетике и применении радиоактивных изотопов, которые оказалось возможным привести в данной главе, указывают на очень важную роль ядерной энергии в народном хозяйстве. Можно с уверенностью сказать, что эта роль будет с каждым годом возрастать.

Задача 73. В агробиологических исследованиях методом меченых атомов зачастую используют радиоактивный изотоп фосфора с периодом полураспада дня. При распаде этого изотопа из ядра его атома выбрасывается электрон и нейтрино.

Написать ядерную реакцию распада изотопа фосфора и определить числа атомов, распадающихся за промежутки времени дням и Первоначальное число атомов изотопа

Решение. Применяя правило записи ядерных реакций (см. § 141) и учитывая, что при испускании электрона ядро атома теряет один отрицательный элементарный заряд, практически не теряя массы, а также то обстоятельство, что нейтрино не обладает ни зарядом, ни (практически) массой, можем на писать:

По периодической системе элементов Менделеева найдем, что элементом с атомным номером 16 и массовым числом 32 является сера Следовательно,

т. е. при распаде изотопа фосфора образуется стабильный изотоп серы.

Согласно закону радиоактивного распада (7),

где X — постоянная распада, число атомов данного радиоактивного изотопа, оставшееся по истечении времени

Так как согласно формуле (8), то можем написать

Учитывая, что получим

В принципе таким же образом рассчитывается число Однако при этом встретится трудность в вычислении величины В самом деле, невозможно вычислить даже по семизначным таблицам логарифмов. Поэтому в данном случае (и вообще в случаях, следует делать приближенный расчет по формуле (6), переходя в ней от дифференциалов к конечным малым приращениям и полагая

Задача 74. При бомбардировке дейтроном ядро бериллия выбрасывает нейтрон Записать эту ядерную реакцию и вычислить выделяющуюся в ее ходе энергию

Решение. Произведя предварительную запись реакции в виде

найдем по периодической системе элементов, что есть изотоп бора — Следовательно,

Выделяющуюся при реакции энергию определим по закону пропорциональности массы и энергии (10):

где с — скорость света в вакууме, изменение массы при реакции, т. е. разность между массой частиц, образующихся в результате реакции, и массой частиц, вступающих в реакцию:

В физических таблицах найдем: Тогда, произведя расчет, получим

Задача 75. Вычислить энергию связи 8 и дефект массы ядра изотопа углерода

Решение. Согласно общей формуле выражающей энергию связи ядра, имеем

где соответственно массы протона, нейтрона и ядра выраженные в атомных единицах массы, атомный номер данного изотопа, массовое число изотопа.

Так как (см. § 138), а то

Дефект массы определим по закону пропорциональности массы и энергии

Задача 76. Атомная электростанция мощностью работающая на уране имеет коэффициент полезного действия Тепловая электростанция той же мощности, работающая на каменном угле, имеет коэффициент полезного действия

Определить годовой расход (массу) горючего атомной электростанции и тепловой электростанции если за каждый акт деления выделяется энергия а теплотворная способность каменного угля

Решение. Введем обозначения: масса атома число атомов урана, распавшихся за один год работы электростанции. Тогда, учитывая, что где — молярная масса постоянная Авогадро, можем написать

Энергия, выделяемая всеми атомами урана, распавшимися за время году, равна Часть этой энергии, идущая на совершение полезной работы и обусловливающая данную полезную мощность атомной электростанции, будет равна

С другой стороны, очевидно, что

Приравнивая между собой правые части двух последних равенств, найдем

Подставив это выражение в выражение получим

Энергия, выделяемая за год каменным углем, сжигаемым на тепловой электростанции, равна Часть этой энергии, идущая на совершение полезной работы, будет равна

откуда

Таким образом, из отношения следует, что по массе расход ядерного горючего почти в миллион раз меньше, чем расход каменного угля.

Приложение 1. Некоторые физические постоянные

(см. скан)

Приложение II. Единицы измерения физических величин (Обозначения основных единиц помещены в рамки)

(см. скан)

(см. скан)

Основные единицы Международной системы (СИ)

Основными величинами СИ служат длина, масса, время, термодинамическая температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. Ниже даются определения основных единиц этой системы.

Метр длина, равная длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями и атома криптона-86.

Килограмм масса Международного прототипа килограмма.

Секунда время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Кельвин часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Ампер сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную «а каждый метр длины.

Кандела сила света, испускаемого с поверхности площадью полого излучателя, в перпендикулярном этому излучателю направлении, при температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па.

Моль (моль) — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде массой 0,012.

Приложение III. Некоторые формулы электростатики и электромагнетизма, записанные в рационализованном и нерационализованном видах

(см. скан)

Продолжение приложения III (см. скан)

Сопоставляя между собой соответственные рационализованные и нерационализованные формулы электричества, приведенные в таблице, нетрудно установить следующее правило преобразования рационализованных формул в нерационализованные (правило дерационализации): в рационализованных формулах, содержащих электрическую постоянную или электрическую индукцию или напряженность магнитного поля надо эти величины делить на а в формулах, содержащих магнитную постоянную надо эту величину . В формулах, не содержащих различия между рационализованным и нерационализованным видами нет. Такие формулы не включены в данную таблицу.

Нерационализованные формулы применяют только при использовании системы единиц СГС.