Ядролық энергияны пайдалану жолдары
Ядролық реакцияларда өте көп энергия бөлініп шығады,ол кәдімгі экзотермиялық химиялық реакциялардағыдан бірнеше миллион есе артық.Бірақ ол энергияны іске асырып пайдалануға көп кедергілер болды,оның бастысы- белгілі ядролық реакциялардың ішінде бір басталғаннан кейін мысалы,көмірдің жанғаны не кейбір басқа химиялық реакциялар сияқты,тоқтамай жүре беретін болмады.Ядролық реакция жүру үшін,өне бойы сырттан,айталық нейтронмен атқылап отыру керек.
1939 жыдың басында неміс ғалымдары Ган және Штрассман уран ядросын нейтронмен атқылауды зерттей отырып,ядро энергиясын пайдалануға мүмкіншілік беретін бірнеше маңызды құбылыстар байқаған.
Уран изотопы U235 нейтронмен атқылағанда,ол ядро жарылып,одан екі “сынық” пайда болады,ол сынық – айталық барий және криптон элементтерінің ядролары.Бұл құбылыс қазірде атомдық ядроның бөлінуі деп аталады.U235 ядросы бөлінгенде орасан көп энергия бөлініп шығады,мысалы 1 кг уран бөлінгенде,ядродан 2-3 нецтрон бөлініп шығады.
Міне,осы ғылыми жаңалық, оның әсіресе соңғы айтылған фактісі,ядролық энергияны пайдалану проблемасын шешіп берді.
Ядроға кірген бір нейтрон,жаңадан 2-3 нейтрон бөліп шығаратын болса,ол нейтрондар уранның басқа ядроларымен кездесіп,өз ретімен оларды бөліп жаңа 4-9 нейтрон шығарып,одан әрі осы ретпен нейтрондар тез көбейіп,ядролық процесс өрбіп,керемет жылдамдыққа көшеді.Осылайша қаулаған,яғни жылдамдығы үсті-үстіне артып жатқан ядролық бөліну процессі тізбекті ядролық реакция деп аталады.(1.1 сурет)
Орыс физиктері К.А.Петржак және Г.Н.Флеров (1940 жылы)уран ядролары,олардың нейтронмен атқыламай-ақ,өздігінен екіге бөлініп әрбір ядродан 2-3 нейтрон шығатынын ашты.Осы жөніндегі келесі зерттеулер Pu239 жәнеTh233 ,U235 сияқты бөлінетіндігін көрсетті.
Уран – 235 оңай,жақсы бөліну үшін нейтрондардың жылдамдығы бәсең болғаны қолайлы екен.
Жылдамдықты бәсеңдету үшін нейтрондарды графит,не ауыр су сияқты баяулатқыштар арқылы өткізеді.
Осының бәрін іске асырудағы бір қиындық мынау болды.Ядросы бөлінетін изотоп U235 , ал жаратылыстағы уранда U238 -99.3%, U235 -0.7 %,міне,осы изотоптарды бір-бірінен ажыратып U235 жинау өте қиын жұмыс болды,бірақ бұл мәселе де шешілді.Тәжірибе үшін америкада алғаш жасалған ядролық реактор 1942 жылдың желтоқсанында іске қосылды;оның ішінде 6 т таза уран бар еді;бұл реактор дұрыс жұмыс істеу үшін керекті уранның ең аз мөлшері.Ядролық энергияны алуды көп кешікпей-ақ Ресейде де меңгерді.Ресейде 1954 жылы 27 маусымда ядролық энергиядан істейтін дүние жүзіндегі ең бірінші электр станция іске қосылды.Онда “ядролық отын”ретінде ішінде 5% U235 изотопы бар уран қолданылды.Станцияның қуаты 5000 квт,ол тәулігіне 30 г уран жұмсайды (100 т көмірге пара-пар).
Ядролық ректорларды тек қана электр станциясын жасау үшін немесе жылу алу үшін қолданып қоймай,сонымен қатар одан бөлініп шыққан нейтрондармен басқа элементтерді атқылап радиоактивті изотоптар алу үшін де қолданады.
Жартылай ыдырау периоды
Радиоактивті ядролар санының жартысы ыдырайтын уақыт аралығын жартылай ыдырау периоды деп атайды.
Демек, радиоактивті ядролардық алғашкы саны N0 болса , уақыт өткеннен кейін олардың саны болады. өрнектен aламыз.
Осы тендеуді логарифмдесек, , бұдан шығатыны Ал
ʎ тұрақты шама болғандықтан, жартылай ыдырау периоды тұрақты.
Радиоактивті ыдырау заңын 1902 жылы Э . Резерфорд пен Ф.Содди ашқан. Есептеулер радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақытын
өрнегіарқылыанықтауғаболатынынкөрсетті. Ядроныңорташаөмірсүрууақытыжартылайыдыраупериодынапропорционал.
Радиоактивтіядроныңыдырауқасиетінсипаттайтынтағыбіршаманыайтуғаболады. Уақытбірлігіішіндеыдырайтынядроларсаныменанықталатыншаманырадиоактивтізаттыңактивтілігі (A) депатайды:
АктивтіліктіңХалықаралықжүйедегі (SI) өлшембірлігі — беккерель.
1 беккерель (Бк) — уақытбірлігі 1 сішіндебірыдырауболатынрадиоактивтіпрепараттыңактивтілігі:
1 Бк = 1 ыдырау / 1 c .
Ісжүзіндеқолданылатынактивтіліктіңбасқадаөлшембірлігібар, ол — кюри (Ки)
1 Ки = 3,7 · 1010 Бк; 1 мКи = 3,7 · 107 Бк .
Кейбірэлементтердіңжартылайыдыраупериоды
Менделеевкестесіндегіхимиялықэлементтердіңжартысынанкөбініңтабиғирадиоактивтіизотопыбар. Олардыңжартылайыдыраупериодтарыныңдиапозоныөтеүлкен. Мәселен, уранның изотопыныңжартылайыдыраупериоды = 4.5 млрджылға, алторийдың изотопыныңжартылайыдыраупериоды = 14 млрджылғатең. Жерпланетасыпайдаболғалы 4-5 млрджылуақытөттідесек, уранменторийдіңтолығыменыдырапболмағаныөзінен-өзітүсінікті.
Табиғаттажартылайыдыраупериодықысқа, тіптіжартылайыдыраупериодысекундтыңмиллионнанбірүлесіндейғанаболатынэлементтербар. Мысалы, радий изотопыүшін = 1600 жыл, радон үшін = 3,28 тәулболса, полоний үшін = 3 мин.
Радиоактивтіыдыраудыңғажабысол, жартылайыдыраупериодықысқаболатынизотоптардыертеңде, бүрсігүніде, тіптен 100 жылдансоңдатабиғаттакездестіругеболады.
Радиоактивтіизотоптар "қартаймайды", себебі уакыттың өтуіне байланысты ыдырау жылдамдығы өзгермейді. Уран мен торий изотоптары ядроларының ыдырау кезінде пайда болатын туынды ядролар тұрақты болмайды, радиоактивті болады. Осылайүздіксізтізбектелгенядролықыдыраупроцесітұрақтыядро, яғнирадиоактивтіеместуындыядротүзілгеншежалғасабереді. Осыыдыраутізбегінрадиоактивтіқатардепатайды . Радиоактивтіыдыраузаңыстатистикалықзаңдылыққа бағынатындықтан, ол өте көпсанды атом ядролары үшін дұрыс.Кейбір элементтердің ыдырау қасиеттері:
| Элемент | 238U | 234U | 210Bi | 210Tl |
| Жартылай ыдырау периоды | 4,5×109 жыл | 2,48×105 жыл | 4,97 күн | 1,32 минут |
| Ыдырау тұрақтысы | 4,84×10−18с−1 | 8,17×10−14с−1 | 1,61×10−6с−1 | 8,75×10−3с−1 |
| Бөлшек | α | α | β | β |
| Ыдыраудың толық энергиясы | 4,2 МэВ | 4,75 МэВ | 1,17 МэВ | 1,80 МэВ |