Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Внутреннее тепловыделение Земли

Классическим объяснением возникновения Земли является образование ее из материала, отторгнутого от Солнца, возможно, под гравитационным воздействием прошедшей близко звезды. Исторгнутый из Солнца материал первоначально находился в газообразной форме, затем конденсировался в жидкость с постепенно отвердевающей поверхностью, образующей земную кору. В настоящее время такой взгляд на происхождение Земли представляется малооправданным, так как элементы, из которых состоит Земля (железо, кальций, магний, алюминий и т.д.), не входят в состав звезд, подобных Солнцу. Планеты, такие, как Земля, в действительности составляют некое исключение в коллекции галактических материалов, содержащей в основном водород и гелий. Для создания тяжелых элементов, таких, как углерод и неон, в реакции синтеза из легких элементов, требуется температура 200 млн.0С, а для еще более тяжелых элементов (железо, кобальт, никель и т.д.) 4500 млн.0С. Таких температур на Солнце нет, но предполагается, что они могут быть в «сверхновых», т.е. при мощнейших взрывах гигантских звезд, прекращающих свое существование.

Современные теории утверждают, что образование планет было двухстадийным процессом. На первом этапе вокруг Солнца образовалась туманность (подобно кольцам Сатурна, состоящим из газов и твердых частиц). Существует несколько теорий этого процесса. Например, туманность могла образоваться в результате взаимодействия Солнца с взорвавшейся рядом звездой или при прохождении Солнца через облако межзвездной пыли, часть которого была захвачена гравитационным полем Солнца. На втором этапе произошло образование планет из этой туманности. Предполагается, что это осуществилось в результате постепенного слипания космической пыли в твердые шары, ставшие планетами. Таким образом, современные теории видят начальную Землю в твердом и холодном состоянии в противовес классической теории, согласно которой Земля была сначала расплавленным телом, постепенно охлаждающимся и затвердевающим.

В современной теории необходимо определить механизм расплавления центра Земли, и объяснение этого лежит в поведении радиоактивных материалов в толще Земли. Прежде чем описывать возможные процессы, приведшие к расплавлению центра Земли, рассмотрим более детально теорию радиоактивного распада элементов и историю изотопов урана.

На рис. 1.1 показано типичное строение атома. Он состоит из ядра, включающего плотные частицы, называемые нуклонами. Существует два типа нуклонов: протоны, которые несут единичный положительный заряд, и нейтроны, имеющие такую же массу, как протоны, но электрически нейтральные. Таким образом, ядро имеет полный электрический заряд, равный количеству протонов в нем. Вокруг ядра вращается облако электронов, которые являются очень маленькими частицами по сравнению с нуклонами. Каждый электрон несет единичный отрицательный заряд. Количество электронов равно количеству протонов, что поддерживает общий нейтральный баланс электрического заряда атома. Количество протонов определяет атомный номер данного химического элемента. Полное количество нуклонов (нейтронов и протонов) определяет атомную массу. Атом водорода имеет ядро, состоящее только из одного протона, и один электрон, вращающийся вокруг ядра. Атом 12С (рис. 1.1) имеет ядро, состоящее из 6 протонов и 6 нейтронов; таким образом, его атомная масса равна 12. Шесть электронов вращаются вокруг ядра 12С. На другом конце шкалы атомных масс наиболее часто встречающаяся форма атома урана, 238U, имеет 92 протона плюс 146 нейтронов в ядре и 92 электрона, вращающихся вокруг ядра.

Большую часть атома занимает пустое пространство. Если атом водорода увеличить до размера 100 м в диаметре, то электрон представится булавочной головкой, вращающейся вокруг шарового ядра на расстоянии 50 м. В то же время плотность материала в ядре очень велика, обычно около 240 млн. т/см3.

Стабильные ядра с малой атомной массой имеют примерно одинаковое число протонов и нейтронов, а ядра с высокой атомной массой имеют нейтронов примерно в 1,5 раза больше, чем протонов. Ядра, в которых отношение числа нейтронов к числу протонов отклоняется от этого значения, являются нестабильными и могут спонтанно распадаться. При этих спонтанных изменениях ядро может испускать различные виды излучения.

α-Излучение представляет собой испускание частиц, масса которых в 4 раза больше массы ядра водорода и которые состоят из двух протонов и двух нейтронов, т.е. α-частица идентична ядру атома гелия.

β-Излучение состоит из очень маленьких заряженных частиц - электронов или позитронов (положительно заряженных электронов).

γ-Излучение является электромагнитным излучением, по природе аналогичным световому или радиоволнам, за исключением того, что имеет очень короткую длину волны и способно проникать через толщу различных материалов.

Нейтронное излучение - это испускание нейтронов. Оно происходит при распадных процессах и может инициировать ядерную реакцию деления, как будет показано ниже.

Излучение, возникающее при распаде ядер, испускается с очень большой скоростью, обычно около 8000 км/с для и нейтронного излучения и со скоростью, близкой к скорости света для γ-излучения. Придание излучению такой кинетической энергии приводит к небольшому уменьшению полной массы системы, как описывалось выше. Испущенные частицы соударяются с окружающими их атомами, вызывая их смещение и вибрацию, другими словами - увеличивая их тепловую энергию. Таким образом, процесс распада ядер ведет к производству тепловой энергии.

Для каждого химического элемента, соответствующего определенному атомному номеру, существует несколько возможных конфигураций ядра, характеризующихся различным числом нейтронов при постоянном числе протонов. То есть для элемента с заданным атомным номером возможно несколько различных значений массы атома. Каждое значение массы атома соответствует отдельному изотопу этого элемента. Изотопы символически обозначаются приписыванием к химическому символу элемента вверху слева его атомной массы. Так, наиболее типичный изотоп углерода записывается 12С, хотя в естественном углероде имеются небольшие количества изотопов 13С и 14С. Аналогично, естественный уран содержит три изотопа: 234U, 235U и 238U.

Некоторые изотопы, существующие в природе, являются неустойчивыми и подвергаются различным распадным процессам. При распаде изотопа с испусканием α-, β- или γ-излучения вновь образующиеся ядра также могут оказаться неустойчивыми и, в свою очередь, распадутся. В конце концов образуется стабильное ядро, но прежде чем это будет достигнуто произойдут многоступенчатые переходы ядер одно в другое. Получающиеся при этом распадные цепочки могут быть очень длинными для изотопов с массами атомов выше 200. На рис. 1.3 и 1.4 показаны распадные цепочки изотопов 238U и 235U, соответственно.

Распадные процессы (рис. 1.3 и 1.4) приводят к образованию тепла по мере поглощения испускаемого излучения. Изотопы урана присутствовали в твердой пыли, из которой образовалась Земля, так же как и многие другие неустойчивые радиоактивные изотопы, например, изотоп калия - 40К, медленно распадающийся в 40Аг с испусканием β-излучения. Другие неустойчивые ядра, которые могли присутствовать в космической пыли, это 26А1 и 107Pd. Все процессы радиоактивного распада ведут к высвобождению тепловой энергии в земных материалах. Важным параметром, определяющим скорость высвобождения тепловой энергии в этих процессах, является период полураспада нестабильного ядра. Период полураспада - это продолжительность временного интервала, требующегося для того, чтобы распалась половина радиоактивных ядер. Таким образом, через один период полураспада уцелеет половила начального количества ядер; через два периода полураспада - одна четверть; через три - одна восьмая и т.д. После 10 периодов полураспада сохранится лишь около 0,1% начального материала. Периоды полураспада изотопов 238U и 235U составляют 4500 и 700 млн. лет, соответственно. Период полураспада изотопа 40К равен 1300 млн. лет.

Другие ядра, бывшие в изобилии в начальном материале Земли, а именно 26А1 и 107Pd, имеют периоды полураспада в 0,7 и 6 млн. лет, соответственно.

Хотя распад этих ядер осуществляется крайне медленно, за время существования Земли (4500 млн. лет - сопоставимо с периодом полураспада 238U) произошло очень большое число распадов. Тепло, выделенное при радиоактивном распаде, могло покинуть Землю, только достигнув земной поверхности посредством теплопроводности и излучившись в космос посредством тепловой радиации. Однако скорость теплопередачи от внутренней части Земли к ее поверхности очень мала (около 30000 ГДж/с). Поэтому, хотя внешняя поверхность Земли поддерживалась при низкой температуре, температура внутренней ее части продолжала увеличиваться и привела к расплавлению материала центра Земли. Предполагается, что этот процесс осуществлялся очень быстро. По мнению автора [6] весь материал центра Земли был расплавлен в сравнительно короткое время, возможно, за минуты, максимум, за несколько часов. Единственной нерасплавившейся частью осталась земная кора, охлаждающаяся тепловым излучением в космическое пространство.

Рис. 1.3. Схема радиоактивного распада 238

Рис. 1.4. Цепочка распада 235U

В [6] предполагается, что расплавление центра Земли привело к уменьшению ее радиуса примерно на 100 км. Это в свою очередь вызвало катастрофические смещения пластов земной коры и образование гор, что на первый взгляд может показаться удивительным, поскольку большинство материалов при расплавлении расширяются (за исключением воды, которая сжимается). Однако жидкость более сжимаема, чем твердое тело, а все материалы Земли испытывают мощное гравитационное давление (3,5 млн. атм), которое сжало жидкость в меньший объем. Со времени первоначального расплавления радиус расплавленной зоны увеличивался. Земля продолжала сжиматься, и это сопровождалось сдвигами земной коры, образованием новых гор.


На главную страницу. Реакторы атомных станций