5.9.1. Определение возраста образцов с помощью радиоуглерода

Небольшая часть того углекислого газа, который содержится в атмосфере, содержит радиоактивный изотоп ¹⁴₆С. Растения поглощают этот изотоп в процессе фотосинтеза. Поэтому ткани всех растений и животных также содержат этот изотоп. Живые ткани обладают постоянным уровнем радиоактивности, поэтому его убывание из-за радиоактивного распада компенсируется постоянным поступлением радиоуглерода из атмосферы. Однако, как только наступает смерть растения или животного, прекращается поступление радиоуглерода в его ткани. Это приводит к постоянному снижению уровня радиоактивности мертвых тканей.

Радиоактивность изотопа ¹⁴₆С обусловлена бета-распадом:

¹⁴₆С  ¹⁴₇N + ⁰_-1е

Период полураспада ¹⁴₆С составляет 5700 лет.

Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 году. Этот метод используется в настоящее время археологами, антропологами, геологами для датировки образцов, имеющих возраст вплоть до 35000 лет. Точность этого метода приблизительно 300 лет. Наилучшие результаты получаются при определении возраста шерсти, семян, ракушек, костей.

Для определения возраста образца измеряют активность -излучения (число распадов в минуту)в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет установить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада для изотопа ¹⁴₆С, если известна начальная активность образца (активность живой ткани).

5.10. Практическое использование ядерной энергии

Ядерные реакторы

Первые ядерные реакторы были разработаны во время второй мировой войны. Они производили плутоний-239 для атомной бомбы.

Использование ядерных реакторов для выработки электроэнергии на атомных электростанциях началось с 1950-х годов и с тех пор получило большое развитие. Первая в мире АЭС мощностью 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 года в городе Обнинске.

Большинство электростанций производит тепло для испарения воды, а полученный пар вращает турбины гигантских электрических генераторов. Атомные электростанции не являются исключением. Но если электростанции, работающие на угле, нефти или природном газе, используют тепло сгорания топлива, то в ядерных электростанциях используется тепло реакции деления ядер (главным образом, реакции расщепления урана-235).

Типичный реактор состоит из пяти основных частей.

Ядерное топливо находится в топливных стержнях. Топливо в реакторах находится в виде небольших топливных элементов, по размеру и форме напоминающих небольшой кусочек мела. В реакторе может быть до 10 миллионов таких топливных элементов. Они расположены в металлических (чаще в циркониевой или алюминиевой оболочке) цилиндрах длиной несколько метров, называемых топливными стержнями. Цепная реакция происходит внутри этих стержней.

Топливные элементы содержат диоксид урана UO₂, причем большая часть урана – это неспособный расщепляться уран-238 и лишь 1-3 % являются расщепляемым изотопом урана-235. Этого достаточно, чтобы поддерживать цепную реакцию, но мало для взрыва.

Замедлитель. Так называется инертное вещество, например вода или графит, которым окружают ядерное топливо. Замедлитель предназначается для того, чтобы уменьшить скорость нейтронов, которые высвобождаются в процессе радиоактивного расщепления. Благодаря этому нейтроны, сталкивающиеся с другими ядрами урана-235, могут захватываться ими и тем самым поддерживать ядерную реакцию.

Теплоноситель отводит тепло, выделяющееся при реакции ядерного деления. В качестве теплоносителей используются вода, жидкий натрий, воздух или углекислый газ.

Регулирующие стержни – замедлители ядерной реакции - используются для контроля за скоростью протекания реакции ядерного деления. Их роль заключается в том, чтобы поглощать избыточные нейтроны. Регулирующие стержни сделаны из материала, хорошо поглощающего нейтроны, например кадмия или бора. Скорость цепной реакции регулируется подниманием или опусканием этих стержней между топливными.

Защита. Поскольку ядерный реактор имеет высокую радиоактивность, его необходимо экранировать во избежание утечки радиации. Внутренняя часть реактора окружена бетонной стеной толщиной 2-4 метра во избежание выброса радиоактивных материалов, даже в случае каких-либо неисправностей. Кроме того, реактор располагается в здании из железобетона со стенами метровой толщины, устойчивыми к химическим воздействиям и землетрясениям.

В настоящее время большая часть реакторов относятся к так называемым тепловым реакторам, работающим на топливе уран-235. По имеющимся оценкам запасов этого топлива может хватить не более чем на 50 лет.

В быстрых реакторах в качестве ядерного топлива используется плутоний-239. Этот радиоактивный изотоп можно получать из отработанного урана и плутония, проводя следующую реакцию:

²³⁸₉₂U + ¹₀n  ²³⁹₉₂U  ²³⁹₉₃Np + ⁰_-1e (-излучение)

²³⁹₉₃Np  ²³⁹₉₄Pu + ⁰_-1e (-излучение)

В быстром реакторе (реакторе-размножителе) на плутонии-239 контролируемая ядерная реакция поддерживается с помощью быстрых нейтронов, поэтому он не нуждается в замедлителе для уменьшения скорости нейтронов.

Число быстрых реакторов пока незначительно по сравнению с тепловыми реакторами.

Сравнительные данные по выработке электроэнергии мощностью 1 кВт

на следующих видах топлива

1 кг угля – в течение 2 часов

1 кг нефти – в течение 3 часов

1 кг урана в тепловых реакторах – в течение 5 лет

1 кг урана в быстрых реакторах – в течение 300 лет.