Проникающая радиация

Поражающее действие ядерного оружия обусловлено внутриядерной энергией, выделяющейся в результате взрывных процессов деления или синтеза ядер. Ядерная энергия - это энергия, освобождающаяся при различных превращениях ядер. Процесс быстрого освобождения большого количества внутриядерной энергии в ограниченном объеме называется ядерным взрывом. В зависимости от задач, решаемых путем применения ядерного оружия, от вида и места нахождения объектов (целей) ядерные взрывы могут быть произведены в воздухе на различной высоте (в том числе в космическом пространстве), у поверхности земли и под землей (под водой). Космический взрыв применяется на высоте более 65 километров для поражения космических целей. Высотный взрыв - на высотах от 10 до 65 километров для поражения воздушных целей. Для наземных целей он представляет опасность только путем воздействия на электро- и радиоприборы. Основными поражающими факторами такого взрыва являются проникающая радиация, рентгеновское излучение, газовый поток, ионизация среды, электромагнитный импульс, световое излучение, слабое радиоактивное заражение среды. Высотные взрывы создают области повышенной ионизации, которые влияют на распространение радиоволн КВ-диапазона, на средства связи (кроме УКВ). Они применяются для уничтожения головных частей ракет, самолетов и других летательных аппаратов, со­здания помех радиосвязи и управлению.

Воздушный взрыв происходит на высотах от нескольких сотен метров до нескольких километров. Радиоактивное заражение местности при этом практически отсутствует. Светящаяся область взрыва не касается поверхности земли. Внешние признаки его - сферическая (шаровая) светящаяся область при высоком взрыве и деформированная снизу - при более низком. Образуется грибовидное облако. Основные поражающие факторы: ударная волна, световое излучение, электромагнитный импульс, проникающая радиация, незначительное заражение местности в районе взрыва. Ядерные взрывы такого вида применяются для уничтожения населения, личного состава войск, техники, расположенной открыто или в сооружениях простого типа, воздушных целей, а также не особо прочных наземных сооружений. Наземный взрыв осуществляется на поверхности земли или на такой высоте, когда светящаяся область касается грунта. Последняя внешне имеет форму усеченного шара или полусферы у поверхности земли. Возникает грибовидное облако темных тонов. Характерная особенность этого вида взрыва - сильное радиоактивное заражение местности.

Основные поражающие факторы, кроме названного - ударная волна, световое излучение, электромагнитный импульс, проникающая радиация, сейсмовзрывные волны. Наземные взрывы применяются для уничтожения населения и личного состава войск, расположенных в защитных сооружениях и находящихся открыто, в зонах сильного радиоактивного заражения, укрытой техники, а также для разрушения сооружений большой прочности. Поражающими факторами ядерного взрыва являются: воздушная ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение территории, электромагнитный импульс. Ударной волной называется резкое и значительное по величине сжатие среды (воздуха, грунта, воды), распространяющееся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью (1 километр - за 2 секунды, 2 километра - за 5 секунд, 8 километров - за 8 секунд). От наземного взрыва ударная волна распространяется вдоль поверхности земли. Она обладает способностью «затекать» в сооружения (открытые защитные двери убежищ, котлованы).

Поражения людей происходят в результате непосредственного и косвенного воздействия ударной волны. У людей могут быть также различные нервно-психические нарушения. Непосредственное поражение человека ударной волной определяется в основном избыточным давлением во фронте ударной волны и скоростным напором (метательное действие). В итоге у людей могут возникнуть травмы различной степени тяжести. Косвенное воздействие проявляется в виде травм человеку в результате его ударов о землю при отбросе скоростным напором, ударов обломками различных предметов (фрагментами зданий, камнями, падающими деревьями и т.д.).

Ударная волна поражает также открыто расположенную технику - как действием избыточного давления, так и вследствие отбрасывания объекта скоростным напором и удара его о землю. Различают слабые, средние и сильные повреждения и полное разрушение техники. Для защиты населения от ударной волны следует использовать защитные свойства местности и техники, возводить инженерные сооружения коллективного типа. Основные из них - убежища 4-го класса, которые уменьшают радиус зоны поражения людей по сравнению с открытым их расположением при наземном взрыве - в 3-5 раз, при воздушном - в 6-8 раз (перекрытые щели - только в 1,5-2 раза). Световое излучение ядерного взрыва представляет собой электромагнитное излучение оптического диапазона, включающее ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную область спектра. Источники этого излучения - светящаяся область взрыва в воздухе. По своей природе оно преимущественно тепловое. Попадая на поверхность объекта, оно частично отражается, частично поглощается, а если объект пропускает излучение, то частично проходит сквозь него. Так, стекло пропускает до 90% энергии, а черная поверхность поглощает до 95% ее. Светлые поверхности большую часть энергии отражают и, следовательно, меньше нагреваются. У людей световое излучение может вызвать ожоги открытых участков тела, да и под одеждой, ожоговые поражения глаз и временное ослепление, которое, как правило, проходит без каких-либо последствий. Днем оно длится 1-5 минут, ночью - до 30 минут и более.

Световое излучение может вызвать также возгорание и обугливание деревянных частей вооружения и техники, резиновых деталей у автомобилей, чехлов и т.д. Любая преграда, способная создать тень, защищает от прямого действия светового излучения и исключает ожоги. Чем быстрее человек укроется в тени какой-либо преграды, тем меньше он получит ожогов. В туман, дождь, снегопад действие такого излучения значительно слабее, чем в ясную погоду. Проникающая радиация - это поток гамма-лучей и нейтронов, испускаемых при ядерном взрыве в течение 15-25 секунд.

Доза гамма-излучений измеряется в рентгенах (Р), суммарная поглощенная доза гамма - нейтронного излучения - в радах (рад). Поражающее действие ионизирующего излучения определяется количеством энергии, поглощаемой биологической тканью (поглощенная доза). Единица поглощенной дозы -рад. 1 рад - это доза, при которой в 1 грамме вещества поглощается количество энергии, равное 100 эрг или 10 Дж/кг. А единица мощности поглощенной дозы - рад/сек, рад/ч.

Приведем значения всех существующих единиц измерения доз ..ионизирующего излучения. 1 рад = 1,06 бэр = 0,01 Гр = 1,14 Р = 0,01 Дж/кг = 100 эрг/ч; 1 бэр = 0,943 рад = 1,07 Р = 100 эрг/ч = 110 Дж/кг = 0,01 Гр = 0,01 Зв; 1 Р = 0,93 бэр = 0,877 рад = 0, 009 Зв; 1 Зв = 100 бэр = 107 Р = 0,943 Гр; 1 Гр= 100 рад = 1 Дж/кг = 114 Р = 106 бэр = 1,06 Зв.

Грэй - это поглощенная доза излучения, соответствующая энергии 1 Дж ионизирующего излучения любого вида, переданной облученному веществу массой 1 килограмм.

Зиверт - эквивалентная доза излучения любого вида, поглощенная в 1 килограмме биологической ткани и создающая такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фонового излучения.

Мощность поглощенной дозы (Гр/сек) - приращение дозы в единицу времени. Характеризует скорость накопления дозы и может увеличиваться или уменьшаться со временем. Число ядер, распадающихся в 1 секунду, называется активностью радиоактивного вещества (РВ). Беккерель (Бк) = 1 распад в секунду.

Плотность радиоактивного заражения (загрязнения) - 1 Ки/м2 - количество распадов в секунду на единицу поверхности (на единицу объема - Ки/л, Ки/м3; на единицу веса - Ки/кг). Загрязнение плотностью 1 Ки/м2 эквивалентно мощности дозы 10 Р/ч или 1 Р/ч =10 мКи/см2.

Для оценки радиационной обстановки на местности, в рабочем или жилом помещении, обусловленной воздействием рентгеновского или гамма-излучения, используют экспозиционную дозу облучения. Единица ее - кулон на килограмм, но на практике чаще используют внесистемную единицу - рентген. Поглощенной дозе 1 рад соответствует экспозиционная доза примерно в 1 Р.

При облучении живых организмов возникают различные биологические эффекты, разница между которыми при одной и той же поглощенной дозе объясняется разными видами облучения. Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, с эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, т.е. вводится понятие об эквивалентной дозе. Единица ее - зиверт (Зв).

Существует также внесистемная - бэр. Естественно, доза ионизирующего излучения тем больше, чем больше время облучения, т.е. доза накапливается со временем. Сущность поражающего действия проникающей радиации на человека состоит в ионизации атомов и молекул его организма, а также в поражении костного мозга, что вызывает специфическое заболевание - лучевую болезнь. Работоспособность людей не снизится, если доза облучения за 4 суток составит не более 50 рад (рентген), многократная в течение 10-30 суток- 100 рад, а в течение года - 300 рад.

Под действием проникающей радиации на элементы техники могут изменяться параметры элементов радиоэлектронной аппаратуры (полупроводники), что нарушает работу радиостанций, радиолокаторов, приборов ночного видения и т.п. или выводит их из строя. Светочувствительные материалы засвечиваются, стекла оптических приборов темнеют. В грунте, технике под действием нейтронов образуются искусственные радиоактивные изотопы, возникает так называемая наведенная радиация.

Поток гамма-лучей при прохождении через различные материалы ослабляется. Степень ослабления тем больше, чем плотнее материал и толще слой. Нейтронный поток сильнее всего ослабляется веществами, содержащими легкие элементы (водород, углерод и т.п.). Электромагнитный импульс возникает при всех видах ядерных взрывов. Он обусловлен тем, что в момент взрыва в окружающем пространстве образуется система свободных электрических зарядов. В результате ионизации среды мгновенными гамма - квантами за счет вторичной ионизации в пространстве происходит кратковременный раздел положительных и отрицательных зарядов, что приводит к появлению электрических и магнитных полей. В итоге на металлических объектах индуцируются высокие электрические потенциалы относительно земли, на воздушных и подземных проводных и кабельных линиях связи создаются электрические напряжения как относительно земли, так и между проводами. Поэтому пробивается изоляция проводов, трансформаторов, конденсаторов, сопротивлений, перегорают предохранители.

Радиоактивное заражение местности и воздушного пространства происходит вследствие выпадения РВ из облака ядерного взрыва. Источниками такого заражения являются радиоактивные вещества, которые образуются при делении ядерного горючего, а также в результате неполного его вовлечения в ядерную реакцию. Кроме того, они возникают под действием нейтронного потока и наведенной активности почвы в районе взрыва. РВ могут вызывать поражение людей путем внешнего облучения и при попадании внутрь организма и на кожу. При воздействии больших доз возможно заболевание лучевой болезнью.

При ядерном взрыве РВ поднимаются вверх, образуя радиоактивное облако. Под воздействием высотных ветров оно перемещается на большие расстояния, заражая местность и образуя по пути движения так называемый след. Условно он делится на четыре зоны: А - умеренного заражения (она составляет 70-80% площади следа), Б - сильного заражения (примерно 10% площади следа), В - опасного заражения (8-10% площади следа) и Г - чрезвычайно опасного заражения (2-3% площади следа).

Радиоактивные вещества, попавшие на кожу или слизистые оболочки глаз, носа, рта, если их быстро не удалить, могут вызвать местные радиационные ожоги (воспаления, язвы). Поэтому мероприятия на местности, зараженной РВ, необходимо выполнять в средствах индивидуальной защиты. Степень радиоактивного заражения поверхностей объектов (производственные и жилые здания, оборудование, автомобили, одежда, кожные покровы человека, животных и т.д.) принято характеризовать также мощностью дозы в миллирентгенах в час (мР/ч). При действиях на зараженной местности следует принять все меры защиты, прежде всего от внешнего гамма-излучения. Наиболее надежную защиту людей от него обеспечивают убежища (в том числе быстровозводимые), противорадиационные и простейшие укрытия. Разновидностью ядерного оружия является нейтронное. Оно предназначено в основном для массового поражения людей.

Нейтронные ядерные заряды - это термоядерные заряды типа «деление-синтез» малой и сверхмалой мощности, устройство которых обеспечивает перераспределение энергии взрыва в пользу проникающей радиации, а точнее - потока нейтронов (до 80% общей энергии взрыва). Поток нейтронов обладает большой проникающей способностью. Взаимодействие нейтронов с живыми клетками приводит к их гибели и в целом к радиационному поражению организма. Этот поток вызывает поражение людей на площади, которая в два раза превышает площадь поражения ударной волной при взрыве обычного ядерного заряда той же мощности. Защита от нейтронного потока сложнее, чем от проникающей радиации обычного ядерного взрыва. Защитный слой укрытия должен быть по возможности комбинированным, чтобы обеспечить не только замедление, но и поглощение нейтронов.

Хорошие защитные свойства имеют бетон, дерево, грунт. Например, слой грунта в 11 сантиметров уменьшает поток нейтронов в два раза. Мерой опасности ионизирующего излучения для человека служит эквивалентная (или биологически значимая) поглощенная доза - 1 бэр. Для характеристики гамма - и рентгеновского излучения используется рентген. 1 бэр примерно равен 1 Р.

В заключение приведем некоторые практические величины, получаемые человеком в том или ином случае. В частности, ежедневный в течение года трехчасовой просмотр телевизора дает 0,5 мбэр; облучение при флюорографии - 370 мбэр; полет на самолете в течение 3 часов - 1 мбэр; фоновое облучение за год -100 мбэр; облучение при рентгенографии зубов - 3 бэр; облучение при рентгеноскопии желудка (местное) - 30 бэр; кратковременные незначительные изменения состава крови вызывают 75 бэр; нижний уровень развития лучевой болезни - 100 бэр; тяжелая степень лучевой болезни - 450 бэр. Как видно, не столь уж безобидны для человека иные процедуры и жизненные блага. Хотя и ничего особо опасного при пользовании ими нет. Просто во всем, как говорится, надо знать меру.

Особенности аварии на радиационно-опасном объекте

К основным источникам загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами (РВ) относятся производственные предприятия, добывающие и перерабатывающие сырье, содержащее РВ, атомные электростанции (АЭС), радиохимические заводы, научно-исследовательские институты и др. объекты. В настоящее время правоохранительными органами Рос­сийской Федерации обобщается практика исполнения законодательства, направлен­ного на предупреждение незаконного вво­за, вывоза, захоронения, утилизации отра­ботавшего ядерного топлива, радиоактив­ных, токсичных, химических и иных вред­ных для окружающей природной среды и здоровья населения зарубежных и отече­ственных промышленных отходов.

Цель данной лекции в том, что бы наиболее полно раскрыть радиоактивный фон и проблемы его снижения. Задачи лекции: − аварии и катастрофы на АЭС и других ядерных энергетических установках (ЯЭУ); − утилизация радиоактивных отходов; − радиационная безопасность; − перспективы автономной энергетики − проблемы снижения радиоактивного фона.

1. Аварии и катастрофы на АЭС и других ядерных энергетических установках (ЯЭУ) АЭС являются составной частью довольно сложной совокупности ядерного производства, называемой ядерно-топливным комплексом или циклом (ЯТЦ). Он включает в себя: - добычу и переработку урановой руды с получением химических концентратов урана (рудодобывающие и рудоперерабатывающие заводы); - получение чистых соединений урана из концентратов (аффинажные заводы); - производство гексафторида урана и разделение его изотопов (заводы по получению гексафторида и разделению его изотопов); - изготовление топлива для получения энергии на АЭС; - переработку отработавшего (облученного) на АЭС ядерного топлива (радиохимические заводы или заводы по регенерации топлива); -отработку отходов, хранение или захоронение средне- и высокотоксичных отходов и транспортировку ядерных продуктов между предприятиями ЯЦП. При работе предприятий ЯЦП образуются пылегазообразные, жидкие и твердые отходы, содержащие радиоактивные и обычные химические вещества.

Под радиоактивными отходами понимают непригодные к использованию в настоящее время и в обозримом будущем жидкие и твердые материалы и предметы, содержащие радионуклиды в концентрации, превышающей ПДК или ПДУ (предельно допустимые концентрации и уровни).

Характеристика ионизирующих излучений

При распаде радионуклиды испускают - и - частицы, - кванты, нейтроны и др.- частицы представляют собой поток ядер атомов гелия (Не). Вследствие большой ионизирующей способности пробег частиц очень мал. В воздухе он составляет не более 10 см. В биоткани (живой клетке) до 0.1 мм частицы полностью поглощаются листом бумаги и не представляют опасности для человека, за исключением случаев непосредственного контакта с кожей. Частицы - электроны и позитроны, обладают в сотни раз меньшей ионизирующей способностью, чем частицы. Вследствие этого они распространяются в воздухе до 10 ... 20 м, в биоткани - на глубину 5 ... 7 мм, в дереве - до 2.5 мм, в алюминии - до 1 мм. Одежда человека почти наполовину ослабляет действие частиц. Они практически полностью поглощаются оконными стеклами и любым металлическим экраном толщиной в несколько миллиметров. Но при контакте с кожей они также опасны, как и a-частицы. Излучение представляет собой поток квантов высокочастотного электромагнитного поля, распространяющихся со скоростью света. Оно свободно проникает сквозь одежду, тело человека и через значительные толщи материалов.

Все рассмотренные излучения опасны для организма человека, поэтому необходимо строгое соблюдение установленных норм радиационной безопасности (НРБ - 99) и основных санитарных правил работы с РВ. Радиационная безопасность - комплекс мероприятий (административных, технических, санитарно-гигиенических и др.), ограничивающих облучение населения и окружающей среды до наиболее низких значений, достигаемых средствами приемлемыми для общества.

Эффективная эквивалентная доза - сумма средних эквивалентных доз в различных органах; она учитывает разную чувствительность к ионизирующим излучениям тканей организма. Для характеристики потенциальной опасности излучения используется понятие “мощность дозы излучения”: - поглощенная - Гр/с; рад/ч; - эквивалентная - Зв/с; бэр/ч. Степень загрязнения РВ местности и различных объектов на ней характеризуется поверхностной активностью (плотностью загрязнения), т. е. кол-вом РВ, приходящимся на единицу поверхности (Бк/м2 или Ки/км2).

Степень загрязнения РВ продуктов питания и воды характеризуют объемной или удельной активностью (концентрацией РВ), т. е. количеством РВ в единице объема или веса (Бк/м3, Бк/кг или Ки/л, Ки/кг). Основными принципами радиационной безопасности являются: - непревышение установленного дозового предела; - исключение всякого необоснованного облучения; - снижение дозы до возможно низкого предела. В зависимости от степени контакта с источниками ионизирующих излучений и чувствительности организма, установлены 3 категории облучаемых лиц:

КАТЕГОРИЯ А - профессиональные работники, постоянно или временно работающие с источниками ионизирующих излучений (ИИ);

КАТЕГОРИЯ Б – лица, находящиеся по условиям работы в сфере воздействия источников ионизирующего излучения;

КАТЕГОРИЯ В – население. Эффективная доза облучения в год: группа А – 20 мЗв; группа Б – 5 мЗв; население – 1 мЗв.

Характеристика аварий на АЭС

Основными и наиболее опасными источниками ионизирующих излучений и радиоактивного заражения окружающей среды являются аварии на АЭС. Радиационными аварии на АЭС - нарушение их безопасной эксплуатации, при котором произошел выход радиоактивных продуктов и (или) ионизирующего излучения за предусмотренные проектом для нормальной эксплуатации границы в количествах, превышающих установленные значения. Радиационные аварии характеризуются исходным событием, характером протекания и радиационными последствиями. В соответствии с решением МАГАТЭ (Международным агентством по атомной энергетике) установлены 7 баллов (степеней опасности) аварийных ситуаций на АЭС:

1) незначительные происшествия;

2) происшествия средней тяжести;

3) серьезные происшествия;

4) аварии в пределах АЭС;

5) аварии с риском для окружающей среды;

6) тяжелые аварии;

7) Глобальные (крупные) аварии. Радиоактивное заражение при аварии АЭС может происходить за счет выброса парогазовой фазы (авария без разрушения активной зоны) − высота выброса Нв=150-200 м, время выброса – 20-30 мин.

Состав радиоактивных изотопов: ксенон, криптон, йод. Более серьезной аварией является выброс продуктов деления из реактора (авария с разрушением активной зоны). При этом радиоактивные продукты выбрасываются на высоту Нв=2-3 км, продолжительность выброса - несколько суток до окончания герметизации реактора. Характер радиоактивного заражения при авариях на АЭС имеют ряд особенностей (по сравнению с взрывом ядерного боеприпаса):

1) длительность радиоактивного заражения окружающей среды: уран - 235, Т1/2 = 700 млн. лет; стронций - 90, Т1/2 – 28,6 года; цезий - 137, Т1/2 = 30 лет и так далее);

2) Распространение РВ составляет 3-12 часов; 3) “Очаговое” заражение в дальней (более 1000 км) зоне.

Характеристика районов РЗМ при авариях на АЭС

При авариях на АЭС с выбросом радиоактивных веществ (РВ) возникают районы радиоактивного заражения (загрязнения) местности (РЗМ) в форме окружности (в р-не аварии) и вытянутого эллипса (по следу облака) - правильной формы при т. н. нормальных топо- и метео- условиях и неправильной - при ненормальных (сложных) топо- и метеоусловиях (пересеченная местность, изменение направления и скорости ветра и др.). Воздействие РЗМ на людей осуществляется в виде облучения: - внутреннего - с воздухом, пищей, водой; - внешнего - от проходящего облака и РВ, выпавших на подстилающую поверхность; - контактного - от РВ на кожных покровах, одежде. Основными параметрами, характеризующими районы РЭМ, являются экспозиционные и поглощенные дозы облучений до полного распада (Д, Р(рад)) и мощности этих доз - уровни радиации на определенное время (Р, Р/ч, рад/ч). Уровни радиации с течением времени, вследствии распада РВ, уменьшаются.

В практических расчетах часто используется т. н. эталонный уровень радиации - уровень радиации, приведенный к 1 ч после аварии - Р1 . Между дозой облучения до полного распада и уровнем радиации Р1 при авариях на АЭС существует связь: Д = 400Р1. В зависимости от величин Д, районы РЗМ (для организации и проведения защитных мероприятий) подразделяют на зоны:

1. Внешнего облучения: А - умеренного, Б - сильного, В - опасного, Г - чрезвычайно опасного

2. Внутреннего облучения: Д’ - опасного и Д - чрезвычайно опасного.

Проблемы снижения радиоактивного фона

Радиоактивные отходы появляются на АЭС из двух источников: главным является основной технологический контур АЭС, другим источником является вспомогательные установки, например, газовый контур, контур охлаждения. Источники радиоактивных отходов активационного происхождения, например, радиоактивные продукты коррозии или образующийся в процессах деления тритий (сверхтяжелый изотоп водорода), имеют активность, строго меняющуюся во времени по известному закону. Случайным источником являются продукты деления, попадающие в теплоноситель. Их активность в теплоносителе в каждый момент времени зависит от того, сколько негерметичных ТВЭЛов в этот момент эксплуатируется в активной зоне, какова степень их негерметичности. Поскольку этот процесс случаен, данный факт учитывается на АЭС при организации постоянного радиационного контроля за состоянием теплоносителя, количеством и темпом образования радиоактивных отходов. Атомная электростанция - такое же производство, как и другие, поэтому во время основного технологического процесса - отвода тепла от активной зоны реактора для выработки электроэнергии, образуются и радиоактивные отходы. Поскольку из теплоносителя постоянно нужно удалять разнообразные примеси, при очистке теплоносителя выделяются радиоактивные газы. Захватывая микрочастицы жидкости и твердые микрочастицы, газы переходят в аэрозольную форму. Радиоактивные отходы также могут быть и жидкими, и твердыми.

Проблема обращения с радиоактивными отходами на предприятиях России

В 1998 г. радиационная обстановка на территории Российской Федерации, как и в предыдущие годы, определялась главным образом: естественным радиационным фоном, формируемым космическим излучением и природными радионуклидами как естественно распределенными, так и привнесенными в окружающую среду деятельностью человека; глобальным радиоактивным загрязнением, связанным с проведенными ранее ядерными взрывами и крупными радиационными авариями в прошлом; радиоактивным загрязнением территорий, оказавшихся в зонах распространения радиоактивных облаков выбросов при радиационной аварии на Чернобыльской АЭС.

На территории России вклад природных источников в коллективную дозу облучения населения составляет приблизительно 70-80%. В ходе различных проверок выявляются многочислен­ные нарушения законов Российской Федерации "Об охране окружающей природной среды", "О радиационной безопасности на­селения", "О санитарно-эпидемиологическом благополучие населения". Практичес­ки не выполняются федеральные целевые программы "Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными ма­териалами, их утилизация и захоронение на 1996-2005 годы", "Отходы". Анализ имеющихся материалов свиде­тельствует, что наиболее острый характер приобрела проблема хранения и перера­ботки отработавшего ядерного топлива, образующегося нa объектах Министерства по атомной энергии и Министерства обо­роны Российской Федерации. Ни на одной атомной электростанции России не имеется полного комплекса ус­тановок для кондиционирования радиоак­тивных отходов, в связи с чем усугубляет­ся проблема переработки и утилизации отработавшего ядерного топлива. На про­изводственном объединении "Маяк", Си­бирском химическом комбинате и Красно­ярском горнохимическом комбинате Ми­натома России около 400 млн. куб. м отхо­дов находится в открытых водоемах и специальных бассейнах. В последнее время обострилась обста­новка с приемом, переработкой и хране­нием отработавшего ядерного топлива на единственном в России специализирован­ном ПО "Маяк", технические возможности которого явно недостаточны. Непосредственно на предприятиях Ми­натома России радиоактивные твердые от­ходы производства размещаются в могиль­никах, что не соответствует установленным требованиям. Между тем модульные храни­лища для надлежащего захоронения таких отходов не создаются.

Несмотря на важ­ность и первоочередность, эти мероприя­тия не финансируются. Выявлены многочисленные нарушения порядка обращения с радиоактивными от­ходами в части превышения предельного двухлетнего срока их хранения в жидком состоянии. Повсеместно инженерно-технические средства защиты и контроля не от­вечают элементарным требованиям под­держания безопасного функционирования важнейших производств. Значительное накопление радиоактив­ных отходов, отсутствие необходимых тех­нических средств и технологических воз­можностей для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработав­шим ядерным топливом создают реальную угрозу возникновения радиационных ава­рий. Так, в Читинской области г.г. Болей и Краснокаменск в результате освоения ура­нового месторождения оказались в про­мышленной зоне предприятий. В данной местности сложилась тяжелая экологическая обстановка, растет заболеваемость населения от загрязнения окружающей среды. Однако до настоящего времени Правительством Рос­сии, администрацией Читинской облаете меры к дезактивации так и не приняты.

Проблема утилизации устаревших ядерных объектов

Проблема утилизации отходов атомных реакторов электрических станций довольно подробно обсуждается ми­ровой прессой. За перемещением таких грузов следит прес­са и широкая общественность. Еще большей тайной окружены выводя­щиеся из эксплуатации подвижные источники радиации и, прежде всего, атомные подводные лодки (АПЛ). Утилизация устаревших ядерных объектов и, в час­тности, выведенных из эксплуатации АПЛ, технически очень сложна и дорога. Сегодня в отстое или эксплуатации находятся 475 подводных атомных лодок, в т.ч. 245 российских. Их замена должна произойти в ближай­шие 5 - 10 лет. Отсутствие средств в бюджете России на решение многих насущных задач вызывает дополнительные волнения людей, живущих в опасных зонах и, прежде всего, на Коль­ском полуострове и Севере России. Так же до настоящего времени не выполнено решение Правительства СССР, принятое в 1985 г., о строительстве спецхранилищ на Северном и Тихоокеанском флотах для за­хоронения реакторных отсеков атомных подводных лодок. Не решен вопрос с ути­лизацией компонентов ракетного топлива старых систем. Итак возникают проблемы, связанные с прекращением экс­плуатации ядерных энергетических устано­вок (ЯЭУ), созданных в 60 — 70-х гг. для ста­ционарных (АЭС, промышленные и исследо­вательские реакторы) и транспортных (атом­ные подводные лодки и ледоколы, крейсеры и авианосцы, и др.) объектов.

Захоронение и обезвреживание радиоак­тивных отходов (РАО), а также утилизация устаревших ядерных объектов ВМФ и ядер­но-топливного цикла по своей сложности, до­роговизне, социальной и экологической значимости — одни из наиболее серьезных и актуальных проблем, бурно обсуждаемых специалистами и экологами всех стран мира. Выведенные из боевого состава ВМФ и утилизируемые АПЛ являются потенциаль­ными источниками как ядерной, так и радиа­ционной опасности. Сложность решения проблемы утилиза­ции АПЛ и обезвреживания РАО связана не только с ее огромными масштабами, но и с необходимостью комплексного учета раз­нородных факторов, определяющих ее со­держание — политических, экономических, экологических, социальных, инженерно-технических, организационно-правовых. О масштабах и состоянии проблемы утили­зации АПЛ свидетельствуют следующие дан­ные.

В России к началу 1996 г. выведено из эксплуатации свыше 150 АПЛ, к 2000 г. ожида­ется увеличение их числа до 170—180 еди­ниц, частично утилизирована только 21 еди­ница. Хотя данная проблема затрагивает и другие государства (США, Китай, Францию), но в наиболее сложном положении при ре­шении данной проблемы оказалась Россия, которой к 2000 г. предстоит вывести из экс­плуатации и утилизировать в 3 раза больше АПЛ и в 5 раз больше судовых ЯЭУ, чем в США. Срок службы большинства выведен­ных из эксплуатации АПЛ 25 — 30 лет, а 35 % находящихся в отстое лодок были в эксплуатации более 30 лет. До 40 % списанных АПЛ более 10 лет не ремонтировались. Из выведенных в отстой АПЛ активные зоны выгружены только из 30 % лодок. Ос­тальные АПЛ фактически превратились в хранилища отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Их неудовлетворительное техническое состояние и трудности, связанные с поддер­жанием на плаву, создают серьезную опас­ность ядерных и радиационных аварий. Массовый, технически не подготовленный вывод АПЛ из эксплуатации вызвал резкое обострение проблемы обеспечения радиационно-экологической безопасности на этих ко­раблях и в регионах их базирования.

Основными задачами являются: − обеспечение радиационно-экологической безопасности вынужденного длительного (в течение 15 — 20 лет) нахождения на пла­ву списанных АПЛ; − выгрузка и транспортировка на пере­работку большого количества отработавших тепловыделяющих сборок; − необходимость безопасного хранения и переработки значительных объемов жидких РАО; − создание инфраструктуры для дли­тельного (не менее 70 — 100 лет) хранения вырезанных реакторных отсеков в специаль­но оборудованных местах; − разделка корпусов утилизируемых АПЛ с применением перспективных и эколо­гически безопасных технологий. Существующие технические средства хранения и обращения с РАО, в частности береговые и плавучие емкости, переполнены и находятся в аварийном состоянии.

Ряд строящихся современных технических средств (например, танкеры), находящихся в высокой степени готовности, не может быть принят в эксплуатацию из-за отсутствия финансирования. Вопреки принятым прави­тельством России постановлениям финанси­рование НИОКР по указанным проблемам практически не производится. Привлекаемые для утилизации АПЛ про­мышленные предприятия и ВМФ могут в на­стоящее время по своим производственным возможностям разделывать в трехотсечные блоки не более пяти-шести единиц в год. При таких темпах разделки происходит об­вальное накопление выведенных из эксплуа­тации АПЛ. Содержание одной АПЛ, выве­денной из боевого состава ВМФ, обходилось государству в 1993 г. в 2,5 млрд руб. Отсутствие плавучих технических баз и перегрузочного оборудования, 100 %-ная за­полненность хранилищ ОЯТ береговых тех­нических баз, дефицит и дороговизна специ­альных транспортных средств для его пере­возки практически парализовали процесс выгрузки ОЯТ из реакторов АПЛ, находя­щихся в отстое. Активные зоны не выгруже­ны из более чем 60 % выведенных из экс­плуатации АПЛ. Общий радиационный по­тенциал ядерного топлива реакторов этих АПЛ оценивается 250 — 3W млн. Ки.

В настоящее время на объектах ВМФ скопилось более 300 активных зон или более 70 тыс. тепловыделяющих сборок. Примерно половина этого количества продолжает на­ходиться в заглушенных реакторах выве­денных из эксплуатации АПЛ. Такое поло­жение сложилось с 1989 г. вследствие ус­тойчивого дисбаланса вывоза ОЯТ на ПО "Маяк" и его поступления с кораблей флота. Неготовность технических баз флота к прие­му и загрузке эшелона из-за недостаточнос­ти грузоподъемных средств и изношенности спецоборудования, неприспособленность бе­реговых сооружений ОЯТ для длительного хранения высокоактивных материалов усу­губляют тяжесть сложившегося положения. Поэтому изготовление дополнительных ком­плектов перегрузочного оборудования и соз­дание временных оперативных хранилищ ОЯТ являются задачами первостепенной важности.

Одной из наиболее сложных проблем ути­лизации АПЛ является обращение с выре­занными реакторными отсеками, поскольку требуется строгое выполнение особых техно­логических приемов, обеспечивающих ра­диационную безопасность человека и окру­жающей среды. Для утилизации реакторные отсеки раз­резают на куски размером 12х18 м и массой - 1000 т, содержащие около 105 Ки радиоак­тивных веществ осколочного и наведенного происхождения. Осколочной активностью обладают внут­ренние поверхности коммуникаций. Наве­денная активность образуется в конструк­тивных материалах, находящихся под воз­действием нейтронных потоков работающе­го реактора. В реакторном отсеке накопленная актив­ность наведенного происхождения в основ­ном приходится на кобальт-60. Последний испускает достаточно жесткое гамма-из­лучение и практически полностью определя­ет радиационную обстановку вблизи радио­активных конструкций и оборудования в течение первых 50 лет после расхолажива­ния реактора. Следующим по накопленной активности стоит никель-63, который, испуская бета-излучение, не оказывает существенного влияния на радиационную обстановку в от­секе, но играет решающую роль в оценке от­сека как твердого радиоактивного отхода (ТРО).

Бета-активный изотоп представляет большую опасность при попадании в орга­низм человека. Учет технических факторов при выборе длительности хранения РО обусловлен со­стоянием оборудования, систем корпусных конструкций. Важнейшим требованием яв­ляется исключение сквозных коррозионных повреждений корпуса реакторного отсека и сохранение его в состоянии, пригодном для разделки. Для обеспечению защиты окружающей среды и населения при консервации или уничтожении выводимых из эксплуатации атомных подводных лодок необходимо учитывать множество сложных, специфических, требующих пристального внимания факторов и конечно профессионализма в решении этой проблемы.

Несмотря на проделываемую работу при­родоохранных органов (Госатомнадзора, Госкомэкологии, Госкомзема, Минздрава России и др.), необхо­димо констатировать, что принимаемые ими меры явно не соответствуют степени обще­ственной опасности и распространенности экологических правонарушений. Располагая конкретной информацией о нарушениях законодательства, контролиру­ющие органы не принимают действенных мер к их устранению. Проверки соблюдения правил обращения с отходами проводятся нерегулярно, их эффективность крайне низ­ка, отсутствует надлежащий контроль за ус­транением выявленных нарушений, винов­ные юридические и должностные лица не привлекаются к установленной ответствен­ности, штрафные санкции принудительно не взыскиваются, а меры к возмещению ущер­ба не принимаются. Материалы о преступ­ных нарушениях природоохранительного за­конодательства в правоохранительные орга­ны не направляются. Зачастую сами органы контроля санкционируют незаконные дей­ствия, нарушают порядок привлечения ви­новных к установленной законом ответствен­ности. Редко используется и такая мера пре­сечения правонарушений, как закрытие или приостановка деятельности предприятий. Вместе с тем имеются существенные не­достатки и в работе правоохранительных органов. Многие из них на местах также заняли примиренческую позицию в отно­шении нарушений природоохранительного законодательства, неэффективно использу­ют свои полномочия для привлечения зло­стных нарушителей к установленной зако­ном ответственности.

Таким образом, нарушения законности приобрели массовый характер. Наносится огромный экономический ущерб стране, невосполнимый урон окружающей природ­ной среде, ставится под угрозу существо­вание будущего поколения россиян. Без срочного принятия кардинальных мер не­возможно предотвратить экологические и техногенные катастрофы. Но работа ведется, и в связи с этим разрабатываются мероприятий, направленных на укрепление правопоряд­ка и усиление надзора в этой сфере.

Например, при разработке федерального бюджета, ежегодно рекомендуются предусматривать выделение необходимых средств на финансирование федеральных целевых программ "Обраще­ние с радиоактивными отходами и отрабо­тавшими ядерными материалами, их ути­лизация и захоронение на 1996-2005 годы", "Отходы", а также Федеральной целевой программы развития таможенной службы Российской Федерации на 1996-1997 годы и период до 2000 года; Так же рекомендуется предусмотреть комплекс мер, направлен­ных на предотвращение незаконного выво­за и ввоза радиоактивных, химических, ток­сичных и иных вредных отходов производ­ства, а также механизм государственного принуждения к возврату иностранному по­ставщику отходов, ввезенных на террито­рию России незаконным, в том числе кон­трабандным, путем. Далее, проработать и утвердить механизм госу­дарственного экологического контроля за транзитом через территорию страны радио­активных отходов. Рекомендуется такое мероприятие, как ведение порядка обязательного государ­ственного страхования радиоактивных, хи­мических, токсичных и других опасных от­ходов при перемещении их через государ­ственную границу.

Тема 5. Понятие ядерного оружия

1. Ядерное оружие

2.Термоядерное оружие

3. Последовательность событий при ядерном взрыве

Понятие ядерное оружиеобъединяет взрывные устройства, в которых энергия взрыва образуется при делении или слиянии ядер. В узком смысле под ядерным оружием понимают взрывные устройства, использующие энергию, выделяемую при делении тяжелых ядер. Устройства, использующее энергию, выделяющуюся при синтезе легких ядер, называются термоядерными.

Ядерное оружие

Ядерная реакция, энергия которой используется в ядерных взрывных устройствах, заключается в делении ядра в результате захвата этим ядром нейтрона. Поглощение нейтрона способно привести к делению практически любого ядра, однако для подавляющего большинства элементов реакция деления возможна только в случае если нейтрон до поглощения его ядром обладал энергией, превышающей некоторое пороговое значение. Возможность практического использования ядерной энергии в ядерных взрывных устройствах или в ядерных реакторах обусловлена существованием элементов, ядра которых делятся под воздействием нейтронов любой энергии, в том числе сколь угодно малой. Вещества, обладающие подобным свойством называются делящимися веществами.

Единственным встречающимся в природе в заметных количествах делящимся веществом является изотоп урана с массой ядра 235 атомных единиц массы (уран-235). Содержание этого изотопа в природном уране составляет всего 0.7%. Оставшаяся часть приходится на уран-238. Поскольку химические свойства изотопов абсолютно одинаковы, для выделения урана-235 из природного урана необходимо осуществление достаточно сложного процесса разделения изотопов. В результате может быть получен высокообогащенный уран, содержащий около 94% урана-235, который пригоден для использования в ядерном оружии.

Делящиеся вещества могут быть получены искусственно, причем наименее сложным с практической точки зрения является получение плутония-239, образующегося в результате захвата нейтрона ядром урана-238 (и последующей цепочки радиоактивных распадов промежуточных ядер). Подобный процесс можно осуществить в ядерном реакторе, работающем на природном или слабообогащенном уране. В дальнейшем, плутоний может быть выделен из отработавшего топлива реактора в процессе химической переработки топлива, что заметно проще осуществляемого при получении оружейного урана процесса разделения изотопов.

Для создания ядерных взрывных устройств могут быть использованы и другие делящиеся вещества, например уран-233, получаемый при облучении в ядерном реакторе тория-232. Однако, практическое применение нашли только уран-235 и плутоний-239, прежде всего из-за относительной простоты получения этих материалов.

Возможность практического использования выделяющейся при делении ядер энергии обусловлена тем, что реакция деления может иметь цепной, самоподдерживающийся характер. В каждом акте деления образуется примерно два вторичных нейтрона, которые, будучи захвачены ядрами делящегося вещества, могут вызвать их деление, в свою очередь приводящее к образованию еще большего количества нейтронов. При создании специальных условий, количество нейтронов, а следовательно и актов деления, растет от поколения к поколению.

Зависимость количества актов деления от времени может быть описана с помощью так называемого коэффициента размножения нейтронов k, равного разности количества нейтронов образующихся в одном акте деления и количества нейтронов, потерянных за счет поглощения, не приводящего к делению, или за счет ухода за пределы массы делящегося вещества. Параметр k, таким образом, соответствует количеству актов деления которое вызывает распад одного ядра. Если параметр k меньше единицы, то реакция деления не имеет цепного характера, так как количество нейтронов, способных вызвать деление оказывается меньшим, чем их начальное количество. При достижении значения k=1 количество нейтронов, вызывающих деление, а значит и актов распада, не меняется от поколения к поколению. Реакция деления приобретает цепной самоподдерживающийся характер. Состояние вещества, в котором реализуется цепная реакция деления с k=1, называется критическим. При k>1 говорят о сверхкритическом состоянии.

Зависимость количества актов деления от времени может быть представлена следующим образом:

где
N-полное число актов деления, произошедших за время t с начала реакции,
N₀-число ядер, претерпевших деление в первом поколении, k-коэффициент размножения нейтронов, -время "смены поколений," т.е. среднее время между последовательными актами деления, характерное значение которого составляет 10^-8 сек.

Если предположить, что цепная реакция начинается с одного акта деления и значение коэффициента размножения составляет 2, то несложно оценить количество поколений, необходимое для выделения энергии, эквивалентной взрыву 1 килотонны тринитротолуола (10¹² калорий или 4.1910¹² Дж). Поскольку в каждом акте деления выделяется энергия равная примерно 180 МэВ (2.910^-11 Дж), должно произойти 1.4510²³ актов распада (что соответствует делению примерно 57 г делящегося вещества). Подобное количество распадов произойдет в течение примерно 53 поколений делящихся ядер. Весь процесс займет около 0.5 микросекунд, причем основная доля энергии выделится в течение последних нескольких поколений. Продление процесса всего на несколько поколений приведет к значительному росту выделенной энергии. Так, для увеличения энергии взрыва в 10 раз (до 100 кт) необходимо всего пять дополнительных поколений.

Основным параметром, определяющим возможность осуществления цепной реакции деления и скорость выделения энергии в ходе этой реакции является коэффициент размножения нейтронов. Этот коэффициент зависит как от свойств делящихся ядер, таких как количество вторичных нейтронов, сечения реакций деления и захвата, так и от внешних факторов, определяющих потери нейтронов вызванные их уходом за пределы массы делящегося вещества. Вероятность ухода нейтронов зависит от геометрической формы образца и увеличивается с увеличением площади его поверхности. Вероятность же захвата нейтрона пропорциональна концентрации ядер делящегося вещества и длине пути, который нейтрон проходит в образце. Если взять образец, имеющий форму шара, то при увеличении массы образца вероятность приводящего к делению захвата нейтрона растет быстрее, чем вероятность его ухода, что приводит к увеличению коэффициента размножения. Массу, при которой подобный образец достигает критического состояния (k=1), называют критической массой делящегося вещества. Для высокообогащенного урана значение критической массы составляет около 52 кг, для оружейного плутония-11 кг. Критическую массу можно уменьшить примерно вдвое окружив образец делящегося вещества слоем материала, отражающего нейтроны, например, бериллия или природного урана.

Цепная реакция возможна и при наличии меньшего количества делящегося вещества. Поскольку вероятность захвата пропорциональна концентрации ядер, увеличение плотности образца, например в результате его сжатия, способно привести к возникновению в образце критического состояния. Именно этот способ и применяется в ядерных взрывных устройствах, в которых масса делящегося вещества, находящаяся в подкритическом состоянии переводится в сверхкритическое с помощью направленного взрыва, подвергающего заряд сильной степени сжатия. Минимальное количество делящегося вещества, необходимого для осуществления цепной реакции, зависит в основном от достижимой на практике степени сжатия.

Степень и скорость сжатия массы делящегося вещества определяют не только количество расщепляющегося материала, необходимого для создания взрывного устройства, но и мощность взрыва. Причиной этого служит тот факт, что энергия, выделяющаяся в ходе цепной реакции приводит к быстрому разогреву массы делящегося вещества и, как результат, к разлету этой массы. Через некоторое время заряд теряет критичность и цепная реакция останавливается. Поскольку полная энергия взрыва зависит от количества ядер, успевших претерпеть деление за время в течение которого заряд находился в критическом состоянии, для получения достаточно большой мощности взрыва необходимо удерживать массу делящегося вещества в критическом состоянии как можно дольше. На практике это достигается путем быстрого сжатия заряда с помощью направленного взрыва, так что в момент начала цепной реакции, масса делящегося вещества обладает очень большим запасом критичности.

Поскольку в процессе сжатия заряд находится в критическом состоянии, необходимо устранить посторонние источники нейтронов, которые могут дать начало цепной реакции еще до достижения зарядом необходимой степени критичности. Преждевременное начало цепной реакции приведет, во-первых, к уменьшению скорости выделения энергии, а во-вторых, к более раннему разлету заряда и потере им критичности. После того как масса делящегося вещества оказалась в критическом состоянии, начало цепной реакции могут дать акты спонтанного деления ядер урана или плутония. Однако, интенсивность спонтанного деления оказывается недостаточной для того, чтобы обеспечить необходимую степень синхронизации момента начала цепной реакции с процессом сжатия вещества и для обеспечения достаточно большого количества нейтронов в первом поколении. Для решения этой проблемы в ядерных взрывных устройствах применяют специальный источник нейтронов, который обеспечивает "впрыск" нейтронов в массу делящегося вещества. Момент "впрыска" нейтронов должен быть тщательно синхронизован с процессом сжатия, так как слишком раннее начало цепной реакции приведет к быстрому началу разлета делящегося вещества и, следовательно, к значительному уменьшению энергии взрыва.

Взрыв первого ядерного взрывного устройства был произведен США 16 июля 1945 г. в Аламогордо, штат Нью Мексико. Устройство представляло собой плутониевую бомбу, в которой для создания критичности был использован направленный взрыв. Мощность взрыва составила около 20 кт. В СССР взрыв первого ядерного взрывного устройства, аналогичного американскому, был произведен 29 августа 1949 г.