Читать книгу Қолданбалы химия - Роза Рыскалиева - Страница 4

Екінші дүниежүзілік соғыстың аяғында атом энергиясы ашылды. Дүние жүзінің белді мемлекеттерінің барлығы «атом эрасына» қадам басты. Яролық энергия көп мөлшерде және арзан тұратын электр қуатын өндіреді деп болжам жасалған. Сондықтан да ядролық қаруды жетілдірумен қатар атомдық электр станцияларын (АЭС) құру саласында ғылыми және техникалық ізденістер жүргізіле бастады. 1986 жылғы Чернобыльдағы жарылыстан кейін АЭС-ларына деген қызығушылық төмендеп, атом энергиясының жетістігіне сенімсіздік туғызды. Сонда да АЭС бар және атом энергиясының мүмкіншілігі орасан зор.

Атомның өздері өзгеретін ядролық реакциялардың нәтижесінде ядролық энергия пайда болады. Бұл ядроның бөлінуі (бір элементтің ауыр ядросы басқа элементтердің екі жеңіл ядросына бөлінеді) немесе ядролық синтез (екі жеңіл ядролардың басқа элементтің бір ауырырақ ядросына бірігуі) нәтижесінде орын алады. Екі жағдайда да, реакция өнімдерінің жалпы салмағы бастапқы материалға қарағанда аз. «Жоғалған» салмақ энергияға айналады. Ядролық реакция кезінде бөлінетін энергия мөлшері өте жоғары. 1 кг заттың ядроларының бірігуі немесе тез арада ыдырауының әсері атом бомбасының жарылысына сәйкес келеді.

Қазіргі заманғы АЭС-дағы жүретін негізгі үдеріс – бұл бақыланатын бөлшектеу, мұнда n әсерінен U-235 ядросын бөлу кезінде n және р байланыс энергиясын босату арқылы жылу энергиясының бөлінуі болып табылады. Егер 1 г көмірді жаққан кезде 7 ккал жылу бөлінсе, онда 1 г ядролық отынды «жаққанда» 20 млн ккал жылу бөлінеді, бұл шамамен 3∙10⁶ есе жоғары болады. Қуаты 1 млн кВт болатын ЖЭС-на үш жыл бойы 300 мың вагон көмір керек болса, осындай қуатпен жұмыс істейтін АЭС-на үш жылда тек екі вагон ғана ядролық отын қажет болады. Үш жыл – АЭС реакторының «отынды» ауыстырмай үздіксіз жұмыс істеу ұзақтығы. Атом электр станциялары реакторларды салқындатуға қажетті суы мол, елеулі жер сілкінісі болмайтын және кез келген сыртқы себептер нәтижесінде АЭС бұзылуына әкелетін қауіп жоқ аймақтарға салынады.

Жылу бөлетін элементтерде ядролық отын бар, оның құрамында шамамен 3 % U-235 және 97 % U-238 болады. U-235 ол жалғыз табиғи зат, оның ядроларды бөлу тізбекті реакциясын өздігінен жалғастыру мүмкіндігі бар. Табиғатта тізбекті реакция жүрмейді, себебі U-235 атомы басқа элементтердің атомдарының арасына шашыраған. Ядролық отын алу үшін өндірілген кенді тазалайды және байытады. Байыту дегеніміз U-238 және U-235 бөлу арқылы U-235 концентрациясы жоғары материал алу. АЭС ядролық реакторының қызметі ядролық жарылысқа өтіп кетпейтіндей үздіксіз тізбекті реакцияны сақтап тұру болып табылады. Бұл жағдай кенді 3 % U-235 және 97 % U-238 құрамды болғанға дейін байыту арқылы жүзеге асады. Байытудың мұндай төмен дәрежесі тізбекті реакцияның бақылаудан шығуына мүмкіндік бермейді.

Егер реактордағы n нейтрондарының қозғалысын 2 км/с төмендетсе ғана U-235 ядросымен n нейтрондарын тартып алу тиімді болады. Бұл кезде реактордағы тізбекті реакцияны басқару мүмкіндігі туады. n «жылдам» нейтрондарының баяулауы ауыр су мен графиттің көмегімен жүзеге асады.

Жылдам нейтрондарда да реакция жүруі мүмкін. Бөлінбейтін U-238 ядросымен нейтрондардың бір бөлігі ұсталынады. Бұл кезде жаңа ядролық «отын» – плутоний -239 пайда болады, ол өзінің жартылай ыдырау периодының аздығына байланысты табиғатта кездеспейді:

238 92U + n → ²³⁹ ₉₂U → ²³⁹ ₉₃Np → ²³⁹ ₉₄Pu

U-235 қарағанда Pu-239 тиімді ядролық «отын» болып табылады және ядролық қару жасау үшін пайдаланылады. U-238 орнына торий-232 қолдануға болады. Бұл жағдайда U-233 соңғы өнім болады:

232 90Th + n → ²³³ ₉₀Th –_{23,5 мин.} → Pa –_27,4мин → ²³³ ₉₂U

Үш жыл қолданыстан кейін реактордан пайдаланылған қатты қалдықтарды шығарады да, оларды үш жылдай АЭС-ларының арнайы бассейндерінде ұстайды. Осы уақытта қатты қалдықтарда жиналған жартылай периоды аз радиоактивті өнімдер (радионуклидтер) толығымен ыдырайды. Содан кейін қатты қалдықтардан Pu-239 бөліп алады, ал қалдықтарды көмуге дайындайды. 30-40 жыл пайдаланылған реакторлардың өзі де көмілуі қажет.

Барлық АЭС-ларында ядролық отын үшін көптеген жылдар бойы плутоний Pu алуда жиналған әртүрлі радиоактивті заттарды көму мәселесі туындап отыр. Радиоактивті қалдықтар мен АЭС-ларындағы апаттар болу мүмкіндігі бүкіл әлемде қорқыныш тудыруда. Ядролық энергетикадан келетін қауіпті бағалау үшін радиоактивті заттың не екенін және оның қоршаған ортаға қаншалықты тигізетін әсерін сезіну қажет. Қандай да бір ауыр элементті бөлу кезінде түзілген жеңіл атомдар тұрақсыз изотоптар болып табылады, олар тұрақты күйге өткенде элементарлы бөлшектер мен жоғары энергетикалық радиоактивті сәулелер шығарады. Тұрақсыз изотоптардың өзін радиоактивті заттар деп атайды. Ядролық отынның бөлінуінің тікелей өнімдерінен басқа ядролық реакция кезінде шығарылған n өзіне сіңірген реактордың жанындағы және ішіндегі басқа заттар да тұрақсыз бола алады. Осы аталған барлық тікелей және жанама ыдырау өнімдері АЭС-ның радиоактивті қалдықтары деп аталады.

Қалдықтар әртүрлі белгілері бойынша жіктеледі:

1. Агрегатты күйі бойынша: қатты – АЭС-дағы реактор жабдықтары, құралдары, арнайы киімдер; сұйық – АЭС-да технологиялық үдерістерде және т.б. пайдаланылатын су; газ тәрізді – криптон изотоптары, әсіресе ⁸⁸Kr.

2. Жартылай ыдырау периоды бойынша – қысқа мерзімді t_1/2 < 1 жыл; орташа өмір сүру уақыты 1 жыл< t_1/2 < 100 жыл; ұзақ мерзімді t_1/2 > 100 жыл.

3. Салыстырмалы белсенділігі бойынша белсенділігі төмен 0,1 Кu/м³ аз; белсенділігі орташа 0,1-1000 Кu/м³; белсенділігі жоғары 1000 Кu/м³ артық.

4. Сәулелену құрамына қарай – α – сәулелендіргіштер (Не атомының ядросы – ядроның екі протон және екі нейтроннан тұратын бөлшекті бөлуі); β – сәулелендіргіштер (атомның электрондар бөлуі); γ – сәулелендіргіштер (электромагнитті сәулелер шығару); нейтронды сәулелендіргіштер.

Қазіргі уақытқа дейін радиоактивті қалдықтар мәселелесі шешімін таппай отыр. Оларды жоюдың кең тараған тиімді әдісі – көму болып табылады. Ядролық жарылыстан туындаған радиоактивті бұлттар да осы аталған заттардан тұрады. Радиоактивті сәулелену жасуша құрамындағы молекулаларды бұзады, сондықтан да аурудың ауыр түрлеріне шалдықтырады. Ядролық ыдыраудан ағза тіндерінің сәулеленуі иондану үдерісіне және радикалдардың түзілуіне әкеледі. Жұмсақ тіндер негізінен судан тұрады және сәулелену әсерінен жүретін негізгі реакциялар оның ыдырауымен байланысты болады (радиолиз). Бірінші кезекте су молекулалары сольватталған электрондар (е_сулы.), яғни гидратты бұлтпен қоршалған электрондар береді. Бұл кезде екі радикал түзіледі: Н₂О → Н∙ + ОН∙ + е_сулы. Бұл ыдырау өнімдерінің өмір сүру ұзақтығы шамамен 1 мс. Тотығу жағдайында тірі жасушаларда ары қарай жаңа радикалдар түзіледі. Бұл ағзаның зақымданған тіндерінің функциясынан көрінетін көптеген реакциялардың пайда болуына әкеледі. Өте көп сәулелену мөлшерін алғаннан кейін қан кетудің артуына байланысты жасуша мембраналарының зақымданғаны туралы қорытынды жасауға болады. Н∙ және е_сулы радикалдары нуклеин қышқылдарының негіздерімен әрекеттеседі. Нуклеин қышқылдарын синтездеуде жартылай өзгерген негіздері жаңа реакцияға түседі, ол жалған нуклеотидтердің түзілуіне және мутацияның пайда болуына әкеледі. Нуклеин қышқылдарын синтездегенде негіздер жұбының қалыпты түзілуінің бұзылуынан басқа ДНҚ құрылымындағы көпіршелердің үзілуі де болады. Көпіршелердің жеке бөліктерінің үзілуі олардың орнына келтірілуімен компенсацияланса, ал көпіршелердің жаппай бұзылуы ДНҚ молекуласындағы бүтіндей сегменттердің түсіп қалуына әкеледі. Сәулеленудің үлкен мөлшерін алғанда микроскоппен толығымен бұзылған хромосомаларды бақылауға болады.

Қорыта келе, қазбалық және ядролық отынды пайдалану тұрақты даму принциптеріне қайшы келеді деуге болады, себебі бұл шикізаттар қайта орнына келмейтіндерге жатады, ал оларды қолдану қоршаған ортаны ластайды. Тұрақты қоғамға бет бұру қазбалық және ядролық отынды пайдалану тәуелділігінен сатылы түрде арылуды және энергияның альтернативті көздеріне өтуді талап етеді.