Биологическое действие радиоактивного излучения - Физика атомного ядра - Квантовая физика

Цель: доказать необходимость защиты от излучения.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания. Повторение

- В связи, с чем в середине XX в. возникла необходимость нахождения новых источников энергии?

- Назовите два основных преимущества АЭС перед ТЭС.

- Назовите три принципиальные проблемы современной атомной энергетики?

- Приведите примеры путей решения проблем атомной энергетики.

III. Изучение нового материала

Воздействие атомных станций на окружающую среду

Техногенное воздействие на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразен. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.

Наиболее существенные факторы:

- локальное механическое воздействие на рельеф при строительстве;

- сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты;

- изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС;

- изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов-охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты, оказывают травмирующее воздействие на популяции животных, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактивных веществ в окружающем пространстве. В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций (АС), идущих на смену тепловым станциям на органическом ископаемом топливе. Общепризнанно, что АС при их нормальной эксплуатации намного, не менее чем в 5-10 раз, «чище» в экологическом отношении тепловых электростанций (ТЭС) на угле. Однако при авариях АС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий АС - крупная научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее.

Отметим возможность не только радиационных факторов возможных вредных воздействий АС на экосистему, но и тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, механическое воздействие на обитателей водоемов-охладителей, изменения гидрологических характеристик прилежащих к АС районов, т. е. весь комплекс техногенных воздействий, влияющих на экологическое благополучие окружающей среды.

Выбросы и сбросы вредных веществ при эксплуатации АС. Перенос радиоактивности в окружающей среде

Исходными событиями, которые могут привести к вредным воздействиям на человека и окружающую среду, являются выбросы и сбросы радиоактивных и токсических веществ из системы АС. Эти выбросы делят на газовые и аэрозольные, выбрасываемые в атмосферу через трубу, и жидкие сбросы, в которых вредные примеси присутствуют в виде растворов или мелко дисперсных смесей, попадающих в водоемы. Возможны и промежуточные ситуации, как при некоторых авариях, когда горячая вода выбрасывается в атмосферу и разделяется на пар и воду.

Выбросы могут быть как постоянными, находящимися под контролем эксплуатационного персонала, так и аварийными. Включаясь в многообразные движения атмосферы, поверхностных и подземных потоков, радиоактивные и токсические вещества распространяются в окружающей среде, попадают в растения, в организмы животных и человека.

Воздействие радиоактивных выбросов на организм человека

Рассмотрим механизм воздействия радиации на организм человека: пути воздействия различных радиоактивных веществ, их распространение в организме, депонирование, воздействие на различные органы и системы организма и последствия этого воздействия. Существует термин «входные ворота радиации», обозначающий пути попадания радиоактивных веществ в организм.

Различные радиоактивные вещества по-разному проникают в организм человека. Это зависит от химических свойств радиоактивного элемента.

Пути проникновения радиации в организм человека

Радиоактивные изотопы могут проникать в организм вместе с пищей или водой. Через органы пищеварения они распространяются по всему организму.

Радиоактивные частицы из воздуха во время дыхания могут попасть в легкие. Но они облучают не только легкие, а также распространяются по организму.

Изотопы, находящиеся в земле или на ее поверхности, испуская гамма-излучения, способны облучить организм снаружи. Эти изотопы также переносятся атмосферными осадками.

IV. Закрепление изученного материала

- В чем причина негативного воздействия радиации на живые существа?

- Что называется поглощенной дозой излучения?

- Расскажите о способах защиты от воздействия радиоактивных частиц и излучения.

- Что используют для защиты от нейтронов?

- С помощью какого прибора можно зарегистрировать величину радиоактивного излучения?

- Как зависит интенсивность радиации от расстояния до источника радиоактивного излучения?

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

Прочитать и выучить материалы § 114.

Дополнительный материал

Обойтись без использования радиоактивности и изотопов человечество не может. Мы используем эти явления практически во всех областях деятельности: медицине, археологии, дефектоскопии, селекции сельскохозяйственных культур.

Например, использование меченых атомов позволяет провести диагностику многих заболеваний, с помощью радиоактивного изотопа йода диагностируют заболевание щитовидной железы на ранней стадии, раковые новообразования сначала облучают радиоактивным кобальтом, а затем уже удаляют больные ткани, заболевания легких распознают на ранней стадии благодаря флюорографии, моментальному рентгеновскому снимку.

По количеству радиоактивного изотопа углерода и органических остатков (дерево, угли из костра, кости животных) археологи достаточно точно определяют возраст своих находок. В промышленности с помощью радиоактивных изотопов определяют качество изделия, однородность поставляющих (например, в бетоне), степень механического износа трущихся и вращающихся поверхностей и многое другое. Современная селекция просто не может обойтись без радиоактивного облучения, с его помощью получают новые сорта уже через несколько поколений, а то и в следующем.

И еще одно использование - ядерные взрывные технологии. К настоящему времени выполнено 115 мирных ядерных взрывов. Глубинное сейсмозондирование земной коры с целью поиска полезных ископаемых, интенсификация нефтяных и газовых месторождений, создание подземных емкостей для хранения газа и конденсата, гашение аварийных газовых фонтанов и многое другое. Достоверные данные о нанесении при этом ущерба жизни и здоровью хотя бы одного человека отсутствуют. Надо помнить, что абсолютно безопасных технологий не бывает.

Материалы для хранения радиоактивных отходов

Немалые трудности возникают с захоронением радиоактивных отходов. Общепринятый подход к разработке материалов для этих целей состоит из трех стадий:

1. Отходы вводятся в относительно нерастворимое химически стойкое вещество.

2. Это вещество заключают в герметичный контейнер.

3. Контейнеры захоранивают в сухой и стабильной геологической структуре.

Для первой стадии применялись и применяются боросиликатное стекло и боросиликатная керамика. Главное требование, предъявляемое к такой керамике, - сильная поглощающая способность по отношению к ядерным частицам - нейтронам и γ-квантам. Из всех веществ наибольшей поглощающей способностью нейтронов обладают легкие элементы Н, Li, В, но при поглощении нейтронов происходят ядерные реакции, результатом которых является вторичное излучение. По этой причине защитный материал должен содержать, наоборот, тяжелые элементы, главным образом свинец.

Применение чистого свинца оказывается нецелесообразным из-за его значительной текучести под влиянием даже собственного веса защитной кладки, состоящей из свинцовых кирпичей. Более эффективными γ-защитными материалами являются РbО и более сложные оксиды типа 2РbО, PbSO₄. Они обладают высокими плотностями, достаточно высокими рабочими температурами и технологичны в процессах изготовления порошка, при прессовании и спекании. До прессования эти оксиды смешивают с борсодержащими веществами, например с В₂O₃, с карбидом бора В₄С или с боратидами МеВO₃ и боридами типа МеВ или МеВ₂ какого-либо металла Me, дающего, в свою очередь, низкий уровень вторичного γ-излучения. После спекания подобные смеси образуют плотную керамику малой пористости.

Но керамика из боро- и свинцовосодержащих веществ имеет много недостатков. Основной из них - пониженная химическая стойкость. Следует отметить еще более низкую стойкость остальных известных и широко применяемых материалов, например бетонов различного состава. По этой причине, в большинстве случаев, и бетоны, и борсодержащая керамика используются скорее на второй стадии в виде герметичных контейнеров. Для первой стадии общепризнанно, что лишь борсодержащее стекло хорошо удерживает радиоактивные отходы.

Для второй стадии кроме рассмотренных выше керамических материалов испытываются и специальные сплавы, образующиеся в системах Pb-B, Pb-Li и сплавы на основе титана. Сам защитный материал изготовляется в виде керамики, спеченной из порошков таких сплавов. Возможность их практического применения можно выяснить только после глубокого изучения их устойчивости к коррозии в условиях облучения γ-квантами и при повышенных температурах. Например, радиоактивный цезий и стронций способны сохранять без разрушения оболочку из таких сплавов, при температуре почти 200 °С, около 100 лет. Кроме того, нужно добиться высокой механической прочности предлагаемых сплавов, во избежание повреждения контейнеров с радиоактивными отходами при перевозке к местам захоронения.