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.
По современным представлениям в состав ядер входят протоны и нейтроны (их часто объединяют общим названием нуклоны). Если ядро включает Z протонов и N нейтронов, то общее число нуклонов A называют массовым числом: A = Z + N; оно представляет собой целое число, близкое к значению точной массы ядра, выраженной в атомных единицах массы.
Таким образом, атомное ядро однозначно определяется символом AZ. Принадлежность атома тому или иному химическому элементу задается числом Z, которое будучи равным числу протонов в ядре, совпадает с атомным номером в периодической таблице элементов. В то же время для нейтрального атома Z соответствует числу электронов, входящих в его состав. Недостаток или избыток электронов по сравнению с Z превращает атом соответственно в положительно или отрицательно заряженный ион.
Z принимает значения натурального ряда чисел и для естественных (природных) элементов находится в пределах 1<Z<92 (от водорода до урана), что соответствует 92-м клеткам таблицы Менделеева. Ядра с одинаковым значением Z могут включать различное число нейтронов N. В связи с этим одному и тому же элементу (который задается числом Z) может соответствовать некий «набор» атомов, масса которых в известной степени различна из-за несовпадения чисел N. Эти разновидности атомов называют изотопами. Таким образом, любой элемент как некое единство атомов, которым соответствует одно и то же число Z, на самом деле характеризуется «ассортиментом» изотопов. Доля каждого из них в составе того или иного природного элемента постоянна и не зависит от места нахождения этого элемента в природе 2 (по крайней мере в изученных пределах). Впрочем существуют элементы (их среди всех природных насчитывается 18, т.е. 20% всего элементного разнообразия), атомы которых представлены единственным изотопом. Это, например, золото, иод, иттрий, марганец, фтор, фосфор. В это же время олово имеет самое большое число природных изотопов, десять; у самария их – девять и т.д.
Атомы, ядра которых имеют одинаковое массовое число A, называют изобарами. Для существующих в природе ядер число A имеет значения, заключенные в интервале 1<A<238. Левая граница соответствует ядру “легкого” изотопа водорода, каковым является протон, а правая соответствует “тяжелому” природному изотопу урана.
Наряду с понятиями элемент, изотоп и изобар в ядерной физике и смежных науках широко используется термин нуклид*. Это общее название атомных ядер, которые характеризуются определенным числом нейтронов и протонов. Таким образом, все существующее многообразие ядер Э (Z< N) называется нуклидами, среди которых следует различать изотопы (нуклиды с одинаковым значением Z) и изобары (нуклиды с одинаковым значением суммы Z + N); несколько реже используется понятие изотоны (нуклиды с одинаковым значением N). При этом надо иметь в виду следующее:
(1) общее количество известных нуклидов превышает число изотопов, изотонов и изобар вместе взятых;
(2) общее количество известных нуклидов гораздо больше числа элементов, включаемых в современную периодическую таблицу;
(3) некоторые нуклиды являются радиоактивными; в общем случае их называют радионуклидами; если необходимо подчеркнуть, что данный радионуклид является ядром атома конкретного элемента, то его называют радиоактивным изотопом (радиоизотопом) этого элемента; элемент, все естественные (природные) изотопы которого радиоактивны, называется радиоактивным элементом (радиоэлементом).
Таким образом, к радиоактивным элементам, строго говоря, следует относить только элементы конца периодической системы, начиная с полония (№ 84). При этом элементы от полония до урана встречаются в природных условиях, а все трансурановые, начиная с 1940 года, синтезированы искусственно с помощью ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов (читатель может пока не вдаваться в суть функционирования упомянутых устройств, это будет обсуждено позже).
Кроме этого нужно сделать еще три дополнительных разъяснения:
(1) некоторые элементы имеют в своем составе как стабильные, так и природные радиоактивные изотопы, например, калий, который наряду со стабильными изотопами 39K и 41K, содержит радиоактивный 40K, или рубидий, являющийся смесью стабильного 85Rb и радиоактивного 87Rb;
(2) искусственные радионуклиды, синтезированные ядерно-физическими методами (иногда их называют ядерно-химическими), известны у всех элементов; но, если, например, доля 40K, в природном калии составляет 0,0119% по массе, то она постоянна и не зависит от места нахождения калия как элемента в природе (опять-таки в исследованной части вселенной);
искусственные радионуклиды всегда возникают в ограниченном объеме биосферы (завод, лаборатория), но, несмотря на возможное рассеяние, их доля в общей массе соответствующего элемента никогда не достигает значения некоей глобальной константы (как у 40K);
(3) искусственным же образом были получены радионуклиды, заполнившие две вакансии в периодической системе – технеций и прометий; эти элементы не имеют ни стабильных, ни природных радиоактивных изотопов и представлены только искусственными (у прометия известны 14 изотопов, у технеция – 15).
Итак, общим свойством радионуклидов является нестабильность, проявлением которой и служит радиоактивный распад. В свою очередь распад (который представляет собой превращение определенного радионуклида в другой) обязательно обнаруживает себя излучением ядерного происхождения.
Существуют две разновидности распада, которые связаны с возникновением трех видов излучения. Это – альфа-распад, сопровождающийся вылетом α-частиц (которые являются ядрами изотопа гелия 42He) и бета-распад, реализующийся тремя способами: а) собственно бета-распад, сопровождающийся излучением β – частиц, т.е. электронов ядерного происхождения; б) позитронный распад, когда ядро излучает β+-частицы, т.е. положительно заряженные электроны; в) электронный захват (чаще всего K-захват), когда некий радионуклид превращается в другой нуклид путем «захвата» ядром одного из орбитальных электронов.
Вылет из ядра α– или β-частиц представляет собой корпускулярное излучение, т.к. его формируют либо сами элементарные частицы (электрон, позитрон), либо некоторая их устойчивая комбинация (α-частица, представляющая собой «квартет» нуклонов: два протона и два нейтрона).
Наряду с корпускулярным излучением радиоактивные ядра при распаде в подавляющем большинстве случаев испускают гамма-кванты. Это – поток фотонов электромагнитного излучения, как правило, более «жесткого», чем рентгеновского. Но γ-излучение иногда не сопутствует α– или β-распаду. Есть несколько примеров распада, когда γ-излучение отсутствует. Так, радионуклиды тритий (31H), радиоуглерод (14C), стронций-90 и некоторые другие, являются «чистыми» бета-излучателями, у них нет сопутствующего γ-излучения.
1.3.2. Общие сведения о радиоактивном распаде
В общем случае радиоактивный распад можно описать следующим образом: И1 → И2 + x + ΔE.
То есть: «материнский» радионуклид → «дочерний» нуклид + испущенная частица (α или β) + выделившаяся энергия. Здесь под «энергией» понимается кинетическая энергия испускаемых частиц (α и β) и излучаемых гамма-квантов. Помимо этого можно вычислить суммарную энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, на основании закона, связывающего энергию и массу E=mc2. Эта энергия определяется разностью масс распадающегося (материнского) радионуклида и продуктов, образующихся вследствие распада, в основном состоянии: