1. ATOMENERĢĒTIKAS FIZIKĀLIE PAMATI
1.1. Atoma planetārais modelis
Deviņpadsmitajā gadsimtā zinātnieki uzskatīja, ka atomi ir nedalāmi un, ka tiem nav iekšējās struktūras. Pirmās idejas par atoma struktūru 1898. gadā izteica Tomsons (Joseph John Thomson). Pēc viņa uzskatiem jebkura elementa atoms sastāv no vienmērīgi pozitīvi lādētas sfēras, kurā kustas negatīvi lādēti elektroni. Vēlākos eksperimentos pats Tomsons atklāja, ka elektronu daudzums atomā ir neliels, tas nozīmēja, ka elektronu masa veido tikai nelielu daļiņu no atoma kopējās masas. Izdarot kopējus secinājums, varēja pieņemt, ka atoma modelis izveidots no pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem.
1904. gadā japāņu fiziķis Nagaoka (Hantaro Nagaoka) izteica hipotēzi, kas ir apbrīnojami līdzīga mūsdienu priekšstatam par atoma uzbūvi. Veicot teorētiskus aprēķinus un sistematizējot spektra līniju atstarpes pēc empīriskām matemātiskajām formulām, viņš konstatēja, ka ir daudz mazākas svārstību harmonikas regulārajā spektrā, dažādiem elementiem, kas ietekmē magnētiskā lauka frekvenču joslu. Nagaoka pieņēma, ka eksistē sistēma, kas sastāv no daļiņām ar noteiktu enerģiju, kas izkārtotas intervālos uz riņķa līnijas un aptver citas daļiņas, kam ir pretēja enerģija un tās kaut kādā attālumā izvietotas riņķa centrā. Viņš salīdzināja atoma uzbūvi ar planētas Saturns uzbūvi, kurā līdzsvars realizējas tādejādi, ka smagākais centrālais ķermenis pievelk vieglākās gredzenu veidojošās daļiņas [6., 445. lpp.]
Mūsdienu uzskati par atoma uzbūvi saistīti ar radioaktīvā starojuma pētīšanu. Angļu fiziķis Rezerfords (Ernest Rutherford) pamanīja, ka eksperimentos ar radioaktīvo elementu alfa (α) daļiņām, tās, ejot cauri plānām metāla plāksnītēm – folijām, izkliedējas. Šo faktu izskaidrot ar Tomsona atoma modeli neizdevās, jo nebija skaidrs, kāpēc atsevišķu daļiņu izkliedes leņķis ir lielāks. Rezerfords izvirzīja savu atoma modeli, pēc kura atoma pozitīvais lādiņš koncentrēts nelielā telpas rajonā, ap kuru riņķo atoma elektroni. Saskaņā ar Rezerforda modeli alfa daļiņu stipro nolieci var izskaidrot ar to, ka pozitīvi lādētās α daļiņas pienāk tuvu pozitīvi lādētajam kodolam un stipri atgrūžas.
Kopēju apkopojumu par atomu un tā planetāro struktūru ir sniedzis dāņu fiziķis Bors (Niels Henrik David Bohr), kura atoma modelis balstās uz reducētu Rezerforda atoma modeli. Bora atoma modelis tika izstrādāts kā primitīvs ūdeņraža atoma modelis, kuram pozitīvais lādiņš ir novietots centrā un ap to riņķo negatīvi lādētas daļiņas – elektroni, kas ir ar noteiktu masu. Bors atoma planetāro modeli salīdzināja ar saules sistēmu, kurai smagākā daļiņa novietota centrā, bet vieglākās – planētas riņķo ap to pa noteiktu orbītu. Tikai atšķirība ir tā, ka planētām, riņķojot pa noteiktu orbītu, nemainās laika periods, kādā tiek veikts viens šis orbītas garums, bet elektroniem šis periods ir dažāds, jo tie maina savas orbītas. Bors izteica pieņēmumu par to, ka, ja visu noteiktu tikai elektromagnētiskie spēki, tad visi elektroni izvietotos vienā noteiktā orbītā, kā to nosaka likumi. Šo elektronu orbītu maiņu eksperimentāli varēja noteikt, veicot spektrālos mērījumus, kas katram elementam ir atšķirīgi [8., 10-13. lpp.].
1.2. Kodolu raksturojošie parametri
1.2.1. Kodola struktūra. Tiklīdz noskaidroja, ka atoms sastāv no kodola un tam apkārt riņķojošiem elektroniem, fiziķu tālākais uzdevums bija noskaidrot no kā sastāv pats kodols. Mūsdienu vienkāršoto atoma kodola modeli dēvē par protonu–neitronu kodola modeli. Tā kā protoni un neitroni ir vienīgās daļiņas, kas veido kodolu, tad 1939. gadā holandiešu fiziķis Belinfante (Frederik Jozef Belinfante) ieteica nosaukt tos ar vienu kopēju vārdu – nukloni. Saskaņā ar protonu-neitronu modeli pilnais daļiņu skaits kodolā ir vienāds ar protonu un neitronu summu.
(1.1)
Ar Z apzīmē protonu skaitu kodolā, bet ar A apzīmē masas skaitli un vienlaicīgi visu nuklonu skaitu kodolā. Vieglo elementu kodolos protonu skaits aptuveni vienāds ar neitronu skaitu, bet smagāku elementu kodoliem neitronu skaits ir lielāks par protonu skaitu. Tā, piemēram, parastā urāna masas skaitlis ir 238, tātad kodols sastāv no 92 protoniem un 146 neitroniem [3., 18-19. lpp.].
Ja aplūkojam atoma kodola modeli, kāds ir pazīstams 21. gadsimtā, tad viennozīmīgi var apgalvot, ka pamatā tā struktūra nav mainījusies, bet saglabājies iepriekšējais protonu–neitronu kodolu modelis. Protams, attīstoties pētniecības metodēm, tiek aplūkotas arī nuklonu sastāvdaļas – kvarki, kas tiek apskatītas kā elementārdaļiņas, kas veido pārējo matēriju. Piemēram, neitrons sastāv no viena augšējā kvarka un diviem apakšējiem kvarkiem, protons sastāv no diviem augšējiem kvarkiem un viena apakšējā kvarka. Vispārīgi kodolu definē, kā nuklonu sistēmu, kura pakļaujas kvantu mehānikas likumsakarībām.
1.2.2. Kodola masa un tās noteikšana. Viens no kodola raksturīgākajiem lielumiem ir tā masa, kuru nosaka pilnais nuklonu skaits un spēku lielums, kuri satur kopā šos nuklonus. Kodola masu nosaka relatīvajā vienību sistēmā, attiecinot pret kādu izvēlēta izotopa lielumu. Sākotnēji tika izmantots ūdeņradis kā masas mērs, bet vēlāk Berceliuss (Jens Bercelius) ieteica pieņemt par masas vienību no skābekļa atomsvara. Šo atomsvaru masas skalu nosauca par ķīmisko masas skalu, kas kodolfizikā ir nepilnīga, jo skābeklim ir trīs izotopi, bet kodolfizikā ir būtiski izšķirt dažādus skābekļa izotopus, nevis skābekli vispārīgi. Tāpēc, lai varētu viennozīmīgi noteikt dažādu iztopu masas, kodolfizikā par masas vienību izvēlas no skābekļa izotopa masas. Šādu skalu dēvē par fizikālo masas skalu, bet masas vienību, par atoma masas vienību (AMV). Jāpiezīmē, ka kopš 1962. gada par atoma masas vienību ieteikts pieņemt no oglekļa izotopa masas.
1.2.3. Kodola saites enerģija un kodolspēki. Nukloni kodolā ir ļoti cieši saistīti. Kodola izjaukšanai jāpatērē noteikts darbs, kura lielumu raksturo saites enerģija. Izšķir atsevišķu nuklonu un visa kodola saites enerģiju. Atsevišķa nuklona saites enerģija ir vienāda ar darbu, kas nepieciešams, lai šo nuklonu atrautu no kodola, nepiešķirot tam kinētisko enerģiju. Visa kodola saites enerģija ir vienāda ar darbu, kas nepieciešams kodola izjaukšanai tā sastāvdaļās – nuklonos, nepiešķirot tiem kinētisko enerģiju.
Saites enerģiju nosaka ar masas un enerģijas nezūdamības likumu. Ja kodola izjaukšanai jāpatērē saites enerģija Es, tad šī pati enerģija atbrīvosies kodolam veidojoties no atsevišķiem nukloniem. Saskaņā ar Einšteina (Albert Einstein) relativitātes toriju ir pierādīts, ka daļa no kodola masas ir saistīta ar kodola saites enerģiju. Šī masas izmaiņa, kalpo kā stabilitātes mērs, ko bieži vien dēvē arī pa masas defektu. Masas defektu vienam nuklonam sauc par pakojuma koeficientu.
Ir noskaidrots, ka visiem kodoliem nav vienāda saites enerģija. Tas nozīmē, ka nukloni dažādos kodolos nav vienādi stipri saistīti. Visstiprāk nukloni ir saistīti vidēji smagu elementu kodolos, šiem elementiem saites enerģija ir apmēram 8,7 MeV. Smago elementu vidējā saites enerģija samazinās, palielinoties nuklonu skaitam kodolā. Arī vieglo elementu kodoliem ir samazināta saites enerģija, kas ir atkarīga no protonu un neitronu pāru skaita kodolā.
Analizējot eksperimentāli iegūtos rezultātus, radās jautājums par to, kādi spēki kodolu izveido par stabilu sistēmu un kas nosaka saites enerģijas lielumu. Izmantojot klasiskās mehānikas un elektrodinamikas likumsakarības, var pārliecināties, ka gravitācijas, magnētisko un elektromagnētisko spēku loma kodolā ir ļoti niecīga.
Pētot α daļiņas izkliedi atoma kodolos, fiziķi atklāja, ka ļoti tuvu kodolam atgrūšanās spēku vietā nukloniem novērojami ļoti spēcīgi pievilkšanās spēki. Šie spēki raksturīgi daudzu elementārdaļiņu, tajā skaitā arī nuklonu, mijiedarbībai, un tos sauc par kodolspēkiem. Fizikā ir vispārpieņemts uzskats, ka kodolspēki starp protpnu-protonu, protonu-neitronu, neitronu-neitronu ir vienādi. Šo īpašību sauc par kodolspēku neatkarību no nuklona daļiņas.
Raksturīga kodolspēku īpašība ir tā, ka tie spēj piesātināties, tas nozīmē, ka viens nuklons var atrasties mijiedarbībā tikai ar ierobežotu nuklonu skaitu. Kodolspēku spēja piesātinēties ļauj izskaidrot to, kāpēc visvieglākajiem elementiem ir nenormāli maza īpatnējā saites enerģija. Šādos kodolos kodolspēki vēl nedarbojas ar pilnu jaudu, jo tie vēl nav piesātināti. Atsevišķiem nukloniem mijiedarbībai it kā pietrūkst partneru.
1.3. Radioaktīvo vielu atklāšana un klasificēšana
1.3.1. Radioaktīvo elementu atklāšanas vēsture. Radioaktīvo vielu un radioaktivitātes atklāšana ir viens no nozīmīgākajiem pavērsieniem kodolfizikas vēsturē. Einšteins par radioaktivitātes atklāšanu izteicās, ka tas ir visrevolucionārākais tehniskais progress, kopš cilvēks atklāja uguni. Šo parādību konstatēja franču izcelsmes fiziķis Bekerels (Antoine Henri Becquerel). Viņš atklāja, ka visiem fosforescējošs materiāliem ir līdzīgs starojums, kā 1895. gadā atklātajam Rentgena starojumam. Veicot eksperimentus ar fotoplati un urāna sāļiem, Bekerels atklāja, ka urāna sāļu emitētais starojums atstāj siluetus uz sudraba sāļu pārklājuma. Veicot līdzīgus eksperimentus ar saules gaismu viņš secināja, ka neviens radniecisks starojums (gaismas, elektriskais un siltuma) neatstāj līdzīgas ainas uz fotoplates [1., 1-19. lpp.]. Bekerels konstatēja, ka laika gaitā šis starojums nesamazinās, bet saglabājas iepriekšējā līmenī.
1898. gadā Kirī (Maria Sklodowska Curie) Francijā un Šmits (Bernhard Schmidt) Vācijā atklāja radioaktīvo izotopu toriju (90Th232) kā urāna rūdas sastāvdaļu. 1898.gadā Marija Kirī un Pjērs Kirī (Pierre Curie), analizējot urāna rūdas hipotētiskās sastāvdaļas, atklāja jaunu augstas radioaktivitātes daļiņu, kuras ķīmiskās īpašības ir līdzīgas kā bismutam (83Bi200), un nodēvēja šo jauno elementu par poloniju (84Po218). Otra sastāvdaļa, kas emitēja augstu radioaktīvo starojumu, bija ar līdzīgām ķīmiskajām īpašībām, kā bārijam (56Ba137,34), un šo elementu nosauca par rādiju (88Ra226). Trešā no urāna rūdas sastāvdaļām ar augstu radioaktivitātes līmeni, kas bija pieskaitīta reti sastopamajiem ķīmiskajiem elementiem, tika nosaukta par aktīniju (89Ac227) [2., 1-6. lpp.]. Šīs sastāvdaļas izstaro aptuveni 2 miljonus lielāku radioaktivitāti kā pats urāns.
1.3.2. Radioaktīvo elementu klasificēšana. Dabā ir sastopami vairāk nekā 40 radioaktīvie elementi, kas pakāpeniski sabrūkot veido radioaktīvās rindas, kuras parasti sauc par saimēm. Pazīstamas trīs dabisko un viena mākslīgo radioaktīvo elementu saime. Dabisko radioaktīvo elementu saimēs ietilpst urāna, torija un aktīnija saimes, bet mākslīgo saimē ietilpst transurāna radītie elementi.
Pirmā dabīgā radioaktīvo elementu saime saistās ar ilgi dzīvojošo urāna izotopu (92U238), kura pussabrukšanas periods ir 4,51×109 gadi [4., 1-5. lpp.]. Dabīgo radionukleīdu saimēm, pirmā elementa pussabrukšanas periods ir daudz lielāks, kā tas ir jebkuram citam no saimes elementiem. Radioaktīvā sabrukšana notiek tikmēr, kamēr nestabilāks izotops transformējās uz daudz stabilāku izotopu, parasti emitējot tādas subatoma daļiņas kā alfa (α) vai beta (β) [5., 1. lpp.]. Šīs pārvēršanās likumības dažādos sabrukšanas veidos nosaka radioaktīvās pārbīdes likums, kuru 1911 – 1913. gadā formulēja Sodi (Frederick Soddy) un Fajanss (Kazimierz Fajans). Pārbīdes likumu formulēja šādi:
1) ja radioaktīvais elements sabrūkot izsviež α daļiņu, tad rodas elements, kas elementu periodiskajā sistēmā atrodas divas vietas pirms elementa, no kura radies;
2) ja radioaktīvais elements sabrūkot izsviež β daļiņu, tad rodas elements, kas elementu periodiskajā sistēmā atrodas par vienu vietu tālāk nekā elements, no kura tas radies [3., 140 – 142. lpp.].
1.1. att. Sodi-Fajensa pārbīdes likuma shēma
Otrā dabīgā radioaktīvo elementu saime saistās ar ilgi dzīvojošo torija izotopu (90Th232), kura pussabrukšanas periods ir 1.405×1010 gadi [4., 1-5. lpp.]. Elementa nosaukums, torijs, cēlies no skandināvu kara dieva Tora. Jāpiezīmē, ka torijam ir seši dažādi izotopi – 90Th228, 90Th229, 90Th230, 90Th231, 90Th232, 90Th234, kuriem ir dažādi pussabrukšanas periodi, kas mainās no 24,1 dienām līdz 1,405×1010 gadiem. Šos izotopus parasti min ķīmiskajās tabulās, bet pavisam torijam ir zināmi 25 izotopi, kuriem atommasa mainās no 232 līdz 236. Radioaktīvās saimes var izmantot dažādu iežu vecuma noteikšanai mineraloģijā. Tas kļuva iespējams pēc tam, kad noskaidrojās, ka, visām dabiskajām radioaktīvajām saimēm sabrūkot, rodas dažādu veidu stabilie svina izotopi.
Aktīnija saimes sākums saistīts nevis ar aktīniju, bet gan ar otru urāna izotopu 92U235, kuru 1935. gadā atklāja kanādiešu–amerikāņu fiziķis Demsters (Arthur Jeffrey Dempster). Saimes nosaukums saglabājies vēsturisku apsvērumu pēc, jo aktīniju šajā saimē atklāja daudz agrāk nekā citus šīs saimes elementus.
Ceturto radioaktīvo elementu saimi atklāja pēc 1942. gada. Pirmais no sintētiski radītajiem radioaktīvajiem elementiem bija tehnēcijs (43Tc97), ko 1937. gadā atklāja itāļu fiziķis Segrē (Emilio Segrè). Apkopojumu par transurāna materiāliem veica amerikāņu ķīmiķis Millans (Edwin M. McMillan). Bombardējot urāna rūdu ar neitroniem un deitroniem, viņš novēroja, ka uz uzklātā alumīnija folija papīra, ir atstātas atšķirīgas pēdas no radioaktīvās iedarbības. No šiem eksperimentiem varēja izdarīt secinājumus, ka rodas vēl citi nezināmi ķīmiskie elementi [7., 1-2. lpp.].
1.4. Daļiņu mijiedarbība ar vielu
Daļiņām kustoties kādā vidē, notiek virkne dažādu fizikālo procesu. Lādētas daļiņas savā ceļā jonizē un ierosina vielu, bet neitrālas daļiņas, piemēram, neitroni un γ kvants šādus procesus neizraisa, bet rada sekundārās daļiņas, kurām var būt lādiņi un tās savukārt var jonizēt un ierosināt atomus un molekulas. Pateicoties dažādiem fizikāliem procesiem, kurus izraisa daļiņa, kustoties vielā, tā pakāpeniski zaudē savu enerģiju. Visbiežāk šāda enerģijas zaudēšana ir saistīta ar elektromagnētiskās dabas spēkiem.
Lādētai daļiņai kustoties vidē, tā pakāpeniski zaudē kinētisko enerģiju, kas tiek patērēta vides atomu un molekulu jonizēšanai un ierosināšanai. Šos zudumus dēvē par jonizācijas zudumiem.
Daļiņai nonākot kodola tuvumā, atkarībā no tās elektriskā lādiņa tā paātrinās vai palēninās. Rezultātā daļiņas ātrums izmainās un saskaņā ar Maksvela (James Clerk Maxwell) elektrodinamikas vienādojumiem daļiņa izstaro γ kvantu, ko sauc par daļiņas radiācijas zudumiem.
Elektromagnētiskā starojuma γ kvants, saduroties ar kādu no atoma čaulā esošiem elektroniem, var izsist no atoma šos elektronu. Tad notiek fotoefekts, kura rezultātā γ kvants atdod izsistajam elektronam visu savu enerģiju.
1.5. Kodolreakcijas un to vispārīgais raksturojums
Par kodolreakcijām sauc procesus, kuros atomu kodolu mijiedarbības rezultātā ar elementārdaļiņām vai kodolu savstarpējās mijiedarbības rezultātā notiek atomu kodolu pārvēršanās. Parasti šādas reakcijas realizē, apšaudot viena elementa kodolus ar kādām daļiņām.
Simboliski jebkuru kodolreakciju var attēlot šādā veidā:
(1.2)
Vienkāršotajā reakcijas modelī X ir kodols, kuru apšauda, bet a ir daļiņa. Iedarbības rezultātā rodas jauns kodols Y un izsviesta daļiņa b. Izteiksmes kreisā puse raksturo daļiņas, kas stājušās reakcijā, bet labā puse raksturo reakcijas produktus. Īpatnējs kodolreakcijas veids ir dalīšanās reakcija, kad sākotnējais kodols sadalās divās vai vairāk daļās.
Pašreiz zināmās kodolreakcijas iedala divās grupās: kodolreakcijas, kuras izsauc daļiņas ar enerģiju, mazāku par 50 MeV, un kodolreakcijas, kuras izsauc daļiņas ar enerģiju lielāku par 50 MeV. Šāds dalījums saistīts ar mijiedarbības raksturu, jo reakcijās, kurās ir liela enerģijas izdalīšanās, tās norisinās citādāk nekā tad, ja enerģija ir maza.
1.5.1. Dalīšanās reakcijas mehānisms. Ir labi zināms, ka kodolspēki darbojas tikai tad, ja attālums starp daļiņām nepārsniedz paša kodola izmērus, tas ir 10-13 m. To, vai vispārīgi reakcija norisināsies, nosaka apšaudāmās daļiņas enerģija, jo, daļiņai sastopoties ar atoma elektronu čaulu, tā parasti maina savu kustības virzienu, nemainot enerģiju. Var teikt, ka notiek kustošās daļiņas elastīgā izkliede. Tomēr svarīgi atzīmēt, ka visos gadījumos daļiņa var viegli iziet cauri elektronu čaulai, jo kuloniskie spēki rada samērā vāju mijiedarbību. Tikai šādā gadījumā ir iespējama kodolreakcijas norise, jo daļiņa, nonākot kodolā, stājas stiprajā mijiedarbībā ar tuvumā esošajiem nukloniem un atdod daļu savas enerģijas.
Vadoties pēc šiem apsvērumiem, Bors 1935. un 1936. gadā formulēja kodolreakcijas mehānismu, kurš tagad ir vispār atzīts. Pēc šī mehānisma kodolreakciju var sadalīt divos etapos, no kuriem pirmais ir saistīts ar daļiņu iekļūšanu kodolos un otrais ir saistīts ar produktu izveidošanos. Krītošā daļiņa nonākot kodolā, atdod daļu savas enerģijas nukloniem, tādejādi izveidojot jaunu kodola modeli – stipri ierosinātā stāvoklī, ko sauc par starpkodolu. Par starpkodola izveidošanos var spriest pēc reakcijas ilguma. Ja daļiņa iziet cauri kodolam, nesadalot savu enerģiju daudziem nukloniem, tad reakcijas norises ilgums ir aptuveni vienāds ar laiku, kāds nepieciešams, lai daļiņa izietu cauri kodolam.
Starpkodola izveidošanās veids ir atkarīgs no tā, kāda daļiņa tiek izmantota par pamatkodolu un ar kādu apšaudāmo daļiņu iegūst starpkodolu. Ja starpkodols ir izveidojies, tad tā tālāko izturēšanos nosaka tikai starpkodola enerģija. Tas nozīmē, ka reakcijas otrais etaps nav atkarīgs no pirmā. Starpkodols var sabrukt arī vairākos veidos, pie tam katrs no tiem realizējas ar savu varbūtību, kura atkarīga no starpkodola enerģijas. Lielāks enerģijas patēriņš ir nepieciešams, lai kodols izsviestu smagākas daļiņas, kas aiznes vairāk enerģijas.
1.5.2. Dalīšanās reakciju veidi. Iepriekšējā apakšnodaļā noskaidrojām to, ka kodolreakcijas veids ir atkarīgs gan no kodola, ko apšauda, gan no apšaudāmās daļiņas enerģijas. Šajā apakšnodaļa vairāk apskatīsim kā norisinās kodolreakcijas, ja atoma kodolus bombardē ar noteiktām elementārdaļiņām – protoniem (p), deitoniem (d), tritoniem (t), alfa daļiņām (α), neitroniem (n), fotoniem (γ). Jāpiezīmē, ka šeit tiks minēti tikai daži no populārākajiem kodolreakciju veidiem.
Kodolreakcijās ar protoniem reakciju izraisošā daļiņa ir protons. Parasti, veicot kodolreakcijas ar protoniem, tos paātrina, jo tiem ir salīdzinoši zema enerģija, kas nav pietiekama, lai pārvarētu kodola kulonisko barjeru. Pie protona tipa reakcijām pieder (p, γ), (p, n ), (p, d) un (p, α). Ja protona enerģija ir pietiekami maza, tad novērojama galvenokārt (p, γ) tipa reakcija, ko sauc arī par protona radiatīvo satveršanu.
Deitona izraisītās kodolreakcijas rada lielu interesi, jo pati deitona struktūra sastāv no sistēmas, kur protons ar neitronu ir vāji sasaistīts kopā. Vajadzīga tikai nedaudz lielāka enerģija par 2 MeV, lai deitonu sadalītu sastāvdaļās, kas rada dažādas īpatnības kodolreakcijām. Deitona satveršanas reakcija (d, γ) novērojama reti, jo, nonākot deitonam kodolā, pēdējais saņem tik lielu ierosmes enerģiju, ka parasti notiek neitrona vai protona izsviešana. Visbiežāk sastopama (d, n) tipa reakcija, šādās reakcijās pamatkodola masa un kārtas skaitļi palielinās par vienu. Ja deitona enerģija ir lielāka par 10 MeV, tad iespējama divu vai vairāku neitronu izsviešana. Pazīstamākā (d, p) tipa reakcija tika atklāta 1934. gadā, kad ar deitoniem apšaudīja deiteriju un ieguva jaunu ūdeņraža izotopu tritiju. Reakcijas (d, α) novērojamas galvenokārt viegliem elementiem, jo α daļiņas izsviešanu traucē kuloniskā barjera, kuras „augstums” ievērojami palielinās smagākiem elementiem. Tritonu iegūšanai laboratorijās izmanto (d, t) tipa reakcijas, kas raksturojas ar samērā mazu efektīvā šķērsgriezuma lielumu.
Iegūstot laboratorijas apstākļos smagāko ūdeņraža izotopu tritiju, tā kodolus sāka izmantot kodolreakcijās. Tritija kodolreakcijām pieder (t, n), (t, d) un (t, 2He3) reakcijas.
Kodolreakcijas ar α daļiņām bija pirmās, ko realizēja laboratorijas apstākļos. Svarīgākās α daļiņu reakcijas ir (α, p) un (α, n). Pirmā veida reakcija ir iespējama ar ļoti mazu varbūtību, jo tikai viena no katrām 107 daļiņām pārvar kulonisko barjeru. Otrā veida reakcija ir vēsturiska, jo apšaudot beriliju ar alfa daļiņām tika iegūts neitrons. Šādu neitronu iegūšanas metodi lieto vēl joprojām laboratorijas apstākļos.
Neitroni ir ideālas daļiņas kodolreakcijām, jo tiem nav elektriskā lādiņa, tādēļ to iekļūšanu kodolā netraucē kuloniskā barjera. Šī iemesla pēc neitronu reakcijas viegli realizējas kā ar vieglo, tā arī ar smago elementu kodoliem. Svarīgākās neitronu reakcijas ir (n, γ), (n, p), (n, α), (n, 2n) tipa un dalīšanās reakcijas. Praktiski vissvarīgākās reakcijas ir smago elementu, piemēram, urāna reakcijas, kam ir galvenā nozīme kodolenerģētikā. Dalīšanās reakcijās ar urānu raksturīga liela izsviesto daļiņu enerģija, ko iespējams izmantot enerģētikā. No diviem galvenajiem urāna izotopiem – 92U235 un 92U238 pirmais dalās galvenokārt lēno jeb siltuma neitronu ietekmē, bet lai dalītos otrais izotops nepieciešami ātrie neitroni, kuru enerģija ir lielāka par 1 MeV.
1.5.3. Ķēdes reakcija. Urāna un citu smago elementu dalīšanās reakciju rezultātā atbrīvojas sekundārie neitroni, kurus var izmantot jaunu kodolu skaldīšanai. Dalīšanās reakciju rezultātā atbrīvojās divi vai trīs jauni neitroni, bet jaunas reakcijas norisei nepieciešams tikai viens neitrons, tātad var secināt, ka reakcijas norisināsies ar pieaugošu intensitāti. Reakcijas, kurās tās produkti izraisa tālāku reakcijas norisi, mēdz saukt par ķēdes reakcijām.
Lai raksturotu ķēdes reakcijas attīstīšanās ātruma izmaiņu laikā, šim nolūkam ieved neitronu pavairošanās koeficientu k, ko izsaka šāda formula:
, (1.3)
kur nd – neitronu skaits dotajā paaudzē; nie – neitronu skaits iepriekšējā paaudzē. Var teikt, ka neitronu pavairošanās koeficients raksturo, cik reižu neitronu skaits dotajā paaudzē palielinās salīdzinājumā ar iepriekšējo paaudzi.
Analizējot kopīgos secinājumus redzam, ja , tad reakcija attīstās ar pieaugošu ātrumu un neitronu skaits laikā eksponenciāli pieaug, bet ja , tad reakcija norit ar nemainīgu ātrumu un to sauc par pašuzturošu reakciju. Bet, ja , tad reakcijas intensitāte pakāpeniski samazinās, līdz tā apstājas. Šādu reakciju sauc par palēninātu vai dziestošu reakciju.
1.5.4. Vadāmās ķēdes reakcijas. Sadaloties vienam kilogramam urāna, atbrīvojas enerģija, kas ir apmēram [3., 254. lpp.]. Salīdzinoši, lai iegūtu šādu enerģijas daudzumu, jāsadedzina vairāk nekā 3000 kg pirmšķirīgu ogļu vai 3000 l naftas. Taču nepieciešams, lai enerģija atbrīvotos pakāpeniski, ilgākā laika periodā. Tā kā enerģijas atbrīvošana saistīta ar ķēdes reakciju, tad pakāpeniskai enerģijas atbrīvošanai nepieciešams šīs reakcijas vadīt.
Ķēdes reakcijas svarīgākais faktors ir neitronu pavairošanās koeficients k, kas atkarīgs no atbrīvojušos sekundāro neitronu skaita un daudziem citiem faktoriem, kas cenšas to samazināt. Visvienkāršāko vadāmo ķēdes reakciju var realizēt ar siltuma neitroniem. Šim nolūkam nepieciešams palēnināt sekundāros neitronus līdz siltuma neitronu enerģijas līmenim, ko panāk lietojot palēninātāju. Par palēninātāju parasti izmanto destilētu ūdeni un arī deiterija oksīdu D2O jeb smago ūdeni. Smagais ūdens ir ķīmiski patstāvīgs tāpat kā parastais ūdens, bet tikai ūdeņraža atoma vietā (H2) ir divi deiterija atomi (D2). Deiterijs ir ūdeņraža izotops, kuram ir viens papildus neitrons, tādā veidā deiterija kodols sastāv no viena protona un neitrona un no viena orbitālā elektrona. Šis viens papildus neitrons nodrošina patieso D2O masas atšķirību no H2O par 10,6%. Ārēji D2O ir bezkrāsains šķidrums bez garšas un smaržas. Ķīmiskajos maisījumos smagā ūdens īpašības ir atšķirīgas no vieglā ūdens (H2O). Ķīmiskie procesi ar smago ūdeni norisinās nedaudz lēnāk. Ūdeņraža saite starp deiterija molekulām ir spēcīgāka nekā starp ūdens molekulām. Par piemēru fizikāli atšķirīgai īpašībai varētu minēt viskozitāti. D2O iedarbība uz dzīvajām būtnēm tiek uzskatīta par toksisku, ja tā saturs šūnā ir 25%, jo tādejādi tiek nodrošināta absolūta šūnas sterilizācija. Bet pie D2O sastāva šūnā 50% tā vienkārši aiziet bojā, taču ir arī izņēmumi, atsevišķas dzīvo organismu šūnas var izdzīvot pie D2O koncentrācijas 70% no pašmasas.
Noskaidrojot, kādi procesi norisinās sistēmā, kas sastāv no urāna izotopiem 92U235 un 92U238 , palēninātājiem, redzam, ka neitronu skaita izmaiņas sistēmā notiek dažādu iemeslu pēc:
1) neitronu skaits palielināsies sekundāro neitronu pēc;
2) neitronu skaits samazināsies to noplūdes dēļ ārpus sistēmas robežām;
3) dalās tikai aptuveni 85% urāna iztopu, kas ir satvēruši neitronu;
4) neitronu skaits samazināsies arī tādēļ, ka tos satvers arī palēninātāja dažādie piemaisījumi, kā arī dalīšanās rezultātā radušās kodolu šķembas.
Jebkurai galīga izmēra reālai sistēmai jāievēro noplūde, tādēļ tās pavairošanās koeficientu kef var izteikt pēc formulas 1.4.
(1.4)
Atkarībā no skaitliskās vērtības izšķir trīs sistēmas stāvokļus:
a) kef>1 virskritiskais stāvoklis;
b) kef=1 kritiskais stāvoklis;
c) kef<1 zemkritiskais stāvoklis.
Lai varētu radīt vadāmu nepārtrauktu ķēdes reakciju, sistēmai jāatrodas kritiskā stāvoklī, turpretim reakcijas apturēšanai izmanto zemkritisko stāvokli.
1.6. Kodoldegviela
Kodoldegviela ir jebkurš materiāls, kas derīgs, lai iegūtu kodolenerģiju. Kodoldegvielas cikls ir nopietns industriāls process, kas ietver degvielas ražošanu un tās izstrādi kodolreaktoros. Kā jau noskaidrojām iepriekšējās apakšnodaļās, mūsdienās kodolreaktoros lieto smagos ķīmiskos elementus – urānu. Urāns ir relatīvi pieejams materiāls, kas sastopams caurmērā visā pasaulē. To iegūst vairākās pasaules valstīs un pirms lietošanas kodolreaktoros ir nepieciešams pārstrādāt. Degvielu reaktoros maina tad, kad tā ir beigusi darboties, un pēc pārstrādes to atkal ir iespējams lietot kā jaunu degvielu.
Urāns ir maz radioaktīvs materiāls, kas sastopams rūdās, daudzos sāļos un arī upju un jūras ūdeņos. Dabīgā urāna rūda sastāv no 92U238 (99,275%) un 92U235 (0,72%), kā arī no ļoti mazas koncentrācijas 92U234 (0.0058%), bet siltumneitronu reaktoros tiek izmanto tikai 92U235, tāpēc pie daļējas neitronu absorbcijas nepieciešama urāna rūdas konversācija un bagātināšana. Veicot konversācijas procesu, ir svarīgi, lai urāna rūda būtu gāzveidīga, ko panāk pārvēršot to heksaflorīdā, kas ir gāze pie salīdzinoši zemām temperatūrām. Urāna konversācijas procesā iegūst urāna oksīdu, ko iespējams lietot bagātināšanas rūpnīcās, kā izejvielu. Bagātināšanas procesā palielina 92U235 koncentrāciju kodoldegvielā, parasti tas ir robežās 3-5%. Koncentrācijas palielināšanu veic speciālās centrifūgās, kurās atdala atšķirīgos izotopus, jo tiem ir masas atšķirība aptuveni 1%.
Gala rezultātā iegūst urāna oksīdu, kam ir keramikas lodīšu forma. Šīs lodītes iegūst presējot urāna oksīdu augstā temperatūrā (virs 14000C). Sapresētās lodītes ievieto metāla caurulēs, kuras sakārto asamblejās un gatavas lietošanai reaktorā.
Pēc aptuveni 12-24 mēnešu lietošanas degviela ir izstrādājusies. Tas nozīmē, ka ir palielinājusies dalīšanās galaproduktu koncentrācija, un daļa ir pārstrādājusies neitronus satverošos izotopos. Parasti no vienas tonnas urāna var saražot 36 miljonus kWh elektroenerģijas, šāda elektroenerģijas daudzuma saražošanai fosilā kurināmā stacijās nepieciešams aptuveni 20000 t melno ogļu vai arī 8,5 miljoni m3 gāzes.
Izlietotā degviela ir ar augstu radioaktivitātes līmeni, jo dalīšanās produkti pieder augsta radioaktīvā starojuma emitētājiem. Tāpat arī nepieciešams to dzesēt, jo ir pietiekami liels siltuma starojums. Izlietotās degvielas kaseti vairākus gadus glabā tur pat reaktorā, kamēr samazinās radioaktivitātes līmenis. Pēc tam to transportē uz patstāvīgo glabāšanas vietu vai arī uz pārstrādi. Izlietotajā degvielā ir aptuveni 95% 92U238 izotopa, aptuveni 1% 92U235 izotopa, kas nav sadalījies, aptuveni 1% plutonija un 3% dalīšanās produktu, kas ir ar augstu radioaktivitātes līmeni (transurāna produkti). Pārstrāde ietver plutonija un kodolatkritumu atdalīšanu, pēc pārstrādes degvielu var atkal lietot reaktoros [9., (1-10)].
1.1. tabula
Materiālu bilance kodoldegvielas ciklā
Raktuvēs 20000 tonnas 1% urāna rūdas
Raktuvēs 230 tonnas urāna oksīda koncentrāta ar 195t urāna
Konversācija 288 tonnas UF6 ar 195t U
Bagātināšana 35 tonnas UF6 ar 24 t bagātināta U
Degvielas sagatavošana 27 tonnas ar 24 t bagātināta U
Reaktora darbība 8640 miljoni kWh elektroenerģijas no degvielas
Izlietotā degviela 27 tonnas ietver 240 kg plutonija, 23 t urāna (0,8% 92U235), 720 kg dalīšanās produktu (transurāna elementi)
1.7. Dozimetrija un starojuma iedarbība uz organismu
Jau pirmie pētījumi ar rengentstariem parādīja, ka tie kaitīgi iedarbojas uz cilvēka organismu. Uz ādas izveidojas grūti dzīstoši, apdegumam līdzīgi ievainojumi. Sevišķi nepieciešami aizsardzības pasākumi kļuva pēc mākslīgās radioaktivitātes atklāšanas, jo ar šo parādību pētīšanu sāka nodarboties arvien vairāk fiziķu. Nepieciešamo aizsardzības pasākumu izstrādāšana izveidoja jaunu zinātnes nozari – dozimetriju. Dozimetrijas galvenie uzdevumi ir radioaktivitātes noteikšana, nekaitīgās dozas aprēķināšana un aizsardzības pasākumu izstrādāšana.
Starojuma mērīšanai bija nepieciešams ieviest mērvienības. Pirmo ieviesa apstarojuma dozas mērvienību – rentgens. Viens rentgenstars ir tāda rengentstaru vai γ kvantu starojuma doza gaisā, ar kuru saistītā korpuskulārā emisija 0,001293 gramos gaisa rada jonus ar vienu elektrostatisko elektrības daudzuma vienību katras zīmes lādiņu.
Uz organismu kaitīgi iedarbojas ne tikai rentgenstari un γ starojums, bet arī citi korpuskulārie starojumi, piemēram, α daļiņas, protoni un neitroni. Šāda starojuma mērīšanai vairs nevar izmantot rentgenstaru mērvienību, tāpēc tika ieviests rentgena fizikālais ekvivalents. Rentgena fizikālais ekvivalents ir jebkura starojuma doza, kura, absorbējoties vienā gramā vielas, izraisa tādu pašu jonizāciju kā rentgenstaru vai γ starojuma doza vienā gramā gaisa.
Dozas noteikšanai un mērīšanai principā var izmantot jebkuru iekārtu, kura reaģē uz attiecīgo starojuma veidu. Šim nolūkam var izmantot visas tās metodes, kuras lieto lādētu daļiņu un γ kvantu reģistrēšanai. Dozimetrs parasti sastāv no jonizācijas kameras un iekārtas jonizācijas strāvas mērīšanai.
Atkarībā no starojuma novietojuma izšķir ārējo un iekšējo starojumu. Radioizotopa kaitīgumu nosaka kopējā doza, kuru organisms saņem laikā, kamēr izotops atrodas organismā. Starojuma iespaidā šūnu dalīšanās process palēninās un protoplazmas īpašības izmainās. Daudzas šūnas pēc apstarošanas vispār vairs nespēj dalīties. Šī parādība, iespējams, kopā ar šūnu sagraušanu izraisa ļaundabīgo audzēju attīstīšanos. Dzīvajiem organismiem nav attīstīta instinktīva aizsardzība pret radioaktīvo starojumu. Starojuma simptomi parādās tikai vēlāk un nav iespējams uzreiz konstatēt apstarošanos.