Задание №2058
Физик − экспериментатор Р. Вуд, будучи студентом, поставил перед собой задачу − разоблачить хозяйку пансиона, которая подозревалась в том, что утреннее жаркое приготовляла из остатков вчерашнего обеда. Для этого он воспользовался хлористым литием (веществом безопасным и похожим на поваренную соль) и спектроскопом. Как Р. Вуд использовал знания по физике для разгадки «тайны»?
Решение
Спектроскоп дает возможность открыть мельчайшие следы лития в любом материале, если его сжечь в бесцветном пламени. Литий дает хорошо известную красную спектральную линию.
Вуд на своей тарелке оставил несколько больших обрезков жаркого, посыпанных хлористым литием. На следующее утро кусочки завтрака он отнес в лабораторию и внес в пламя горелки перед спектроскопом:
появившаяся красная линия лития подтвердила догадку студентов.
Задание №2059
Используя литературу, подготовьте доклад о биологическом действии радиоактивных излучений. Какие радиоактивные элементы более опасны − с большим или меньшим периодом полураспада?
Решение
Доклад.
Биологическое действие радиоактивных излучений.
Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Известно, что облучение мы получаем ежедневно − в соответствии с природным фоном, который является для нас естественным. Однако если речь идёт о более высоких дозах облучения, это может быть чревато как лучевой болезнью, так и другими тяжёлыми и опасными патологиями, в том числе и злокачественными заболеваниями. Есть радиационные дозы, которые не встречаются в повседневной жизни и являются смертельными.
Если речь идёт о радиоактивном излучении, не превышающем естественных пределов, частицы радиации могут повреждать до 8000 ДНК−связей ежечасно, после чего происходит их самостоятельное восстановление.
Однако большие дозы радиоактивных веществ действуют с точностью до наоборот, полностью разрушая как иммунную систему, так и весь организм в целом.
Высокие дозы радиоактивного облучения оказывают губительное воздействие, прежде всего, на систему кроветворения. Радиация почти полностью уничтожает лимфоциты, отвечающие за иммунную защиту, а в клетках возрастает количество необратимых генетических дефектов на уровне хромосом. В результате разрушительного воздействия радиации происходит деформация структур ДНК. Поскольку структура ДНК повреждена, это препятствует нормальному клеточному делению, что является самым фатальным последствием облучения. При больших дозах радиации клетки бывают повреждены в таких объёмах, что у человека отказывают буквально все органы и системы. При этом самые тяжёлые удары приходятся на органы с максимально интенсивным клеточным делением. Речь идёт: о лёгких; о костном мозге; о слизистой оболочке желудка и кишечника; о половых органах.
Радиация опасна тем, что, воздействуя на живой организм, она поначалу не имеет никаких внешних проявлений. Она незаметно поражает большую часть органов, а люди при этом ничего не чувствуют.
Степень и характер облучения могут быть различными и могут привести: к острой лучевой болезни; к поражениям центральной нервной системы; к местным лучевым ожогам; к раку; к злокачественным болезням крови; к иммунным патологиям; к бесплодию; к мутациям.
Радиоактивное облучение организма человека может быть внешним и внутренним. При внешнем облучении, которое создается закрытыми источниками, опасны излучения, обладающие большой проникающей способностью. Внутреннее облучение возможно, когда радиоактивное вещество попадает внутрь организма через органы дыхания, поры кожи или места ее повреждения, слизистые оболочки, желудочно−кишечный тракт. Внутреннее облучение действует в течение всего времени нахождения радиоактивного вещества в организме. Поэтому наибольшую опасность представляют радиоактивные изотопы с большим периодом полураспада и интенсивным излучением, медленно выделяющиеся из организма или концентрирующиеся в отдельных его органах.
Кроме того, воздействие может быть:
1) запланированным, например, в результате применения медицинского оборудования в лечебных или диагностических целях. Также к запланированному воздействию относят применение излучения в сферах промышленности и науки;
2) в результате действия уже существующих источников. Это радон, обнаруживаемый в жилых домах, либо фоновое излучение. В таких случаях необходимо принимать соответствующие контрольные меры.
3) при чрезвычайной ситуации, возникшей в результате непредвиденного события. Такие ситуации требуют безотлагательных и экстренных мероприятий, так как речь может идти о ядерном ЧП либо намеренном действии злоумышленников.
При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.
После аварии на Чернобыльской АЭС Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) по предложению нашей страны приняты рекомендации по дополнительным мерам безопасности энергетических реакторов. Установлены более строгие регламенты работ персонала АЭС.
Авария на Чернобыльской АЭС показала огромную опасность радиоактивных излучений. Все люди должны иметь представление об этой опасности и мерах защиты от нее.
Задание №2060
Ядерную энергию можно получить двумя способами: делением тяжёлых ядер (урана, плутония) либо синтезом (слиянием) лёгких ядер изотопов водорода − дейтерия и трития (термоядерный синтез). Нет ли здесь противоречия? Как объяснить выделение энергии при слиянии лёгких ядер?
Решение
Противоречия нет.
Термоядерный синтез − реакция слияния лёгких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии.
При термоядерном синтезе связи между элементарными частицами нарушаются, атомные ядра теряют электронную оболочку, скорости движения частиц сильно повышаются, и ядра все больше преодолевают действующие между ними электрические (кулоновские) силы отталкивания. В этих условиях атомные ядра могут соединяться друг с другом, образуя ядра других химических элементов и высвобождая при этом огромную энергию.
Источником энергии термоядерного синтеза, как и энергии деления ядер, служит внутриядерная энергия. Она выделяется в свободном виде в тех ядерных процессах, которые сопровождаются убылью общей массы участвующих в реакции ядер.
Задание №2061
При делении одного ядра урана выделяется энергия, равная 200 МэВ. Определите суточный расход ядерного топлива, если электрическая мощность одного блока атомной электростанции 60 МВт, а КПД равен 40%.
Решение
Дано:
$E_{1} = 200$ МэВ;
P = 60 МВт;
t = 1 сутки;
μ = 235 г/моль;
$N_{А} = 6,023 * 10^{23} моль^{-1}$;
η = 40 %.
Найти
m − ?
СИ:
$P = 6 * 10^{7}$ Вт;
t = 86400 с;
$E_{1} = 2 * 10^{8}$ эВ;
μ = 0,235 кг/моль.
Решение:
$η = \frac{E_{пол}}{E_{затр}} * 100$%, где:
$E_{пол}$ − энергия, вырабатываемая электростанцией, $E_{затр}$ − энергия, выделяющаяся в результате ядерной реакции деления урана.
$E_{пол} = Pt$, где:
P − мощность электростанции, t − время работы электростанции;
$E_{затр} = E_{1} * N$;
Чисто атомов, содержащихся в радиоактивном изотопе массой m равно:
$N = \frac{m}{μ} * N_{A}$, где μ − молярная масса; $N_{A}$ − число Авогадро;
$E_{затр} = E_{1} * \frac{m}{μ} * N_{A}$;
$η = \frac{Pt}{E_{1} * \frac{m}{μ} * N_{A}} * 100 = \frac{Ptμ}{E_{1} * m * N_{A}} * 100$ ;
$m = \frac{Ptμ}{E_{1} * η * N_{A}} * 100$;
$E_{1} = 2 * 10^{8} * 1,6 * 10^{-19} = 3,2 * 10^{-11}$ Дж;
$m = \frac{6 * 10^{7} * 86400 * 0,235}{3,2 * 10^{-11} * 40 * 6,023 * 10^{23}} * 100 = 0,16$ кг.
Ответ: 0,16 кг.
Задание №2062
Подготовьте доклад об экологических и экономических проблемах развития ядерной энергетики. В чём преимущества и какие недостатки имеет АЭС по сравнению с теплоэлектростанциями?
Решение
Доклад.
Экологические и экономические проблемы развития ядерной энергетики.
Потребление энергии в мире растет намного быстрее, чем ее производство. Все острее встает проблема нехватки ископаемых энергоресурсов. Возможности строительства новых гидроэлектростанций тоже весьма ограниченны. Не стоит забывать и о борьбе с парниковым эффектом, накладывающей ограничения на сжигание нефти, газа и угля на тепловых электростанциях. Решением проблемы может стать активное развитие ядерной энергетики. На данный момент в мире обозначилась тенденция, получившая название «ядерный ренессанс».
При этом острые экологические проблемы ядерной энергетики волнуют ученых на протяжении многих лет.
К основным экологическим проблемам атомной (ядерной) энергетики относится сложность в захоронении, переработке и утилизации радиоактивных отходов. Часть из них выбрасываются в атмосферу в газообразном состоянии, часть оказывает радиационное излучение в подземных и водных хранилищах.
В целом можно назвать следующие основные негативные последствия развития атомной энергетики.
1) разрушение экосистем, почв, грунтов, водоносных структур в местах добычи руды;
2) радиоактивное загрязнение атмосферы, воды и почвы в процессе добычи и транспортировки сырья;
3) обширное изъятие вод из водоемов, сброс подогретых вод, попадающих в реки и другие водоемы;
4) риск техногенных аварий, которые приводят к выбросам гамма−излучения вблизи населенных пунктов;
5) тепловое загрязнение, повышение температуры рек и воздуха в нижних слоях атмосферы.
К экономическим последствиям развития ядерной энергетики можно отнести удвоение потребности в природном уране по сравнению с его разведанными ресурсами для покрытия прогнозируемого глобального дефицита энергии, возможность дальнейшего распространения ядерного оружия в мире, потребность в значительных объемах капитальных вложений. Согласно наиболее оптимистическому сценарию развития отрасли, до конца XXI в. в мире необходимо построить порядка 20 тыс. ядерных реакторов.
Серьёзной проблемой для АЭС является их ликвидация после выработки ресурса, по оценкам она может составить до 20 % от стоимости их строительства
Преимущества и недостатки АЭС по сравнению с ТЭС.
Преимущества АЭС:
1. Практическая независимость от источников топлива из−за небольшого объёма используемого топлива. Расходы на перевозку ядерного топлива, в отличие от традиционного, ничтожны.
2. Относительная экологическая чистота. На ТЭС выбрасываются вредные вещества, в которые входят сернистый газ, оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, альдегиды и золовая пыль. Подобные выбросы на АЭС полностью отсутствуют.
3. Возможность повторного использования топлива (после регенерации). Расщепляющийся материал (уран−235) может быть использован снова (в отличие от золы и шлаков органического топлива). С развитием технологии реакторов на быстрых нейтронах в перспективе возможен переход на замкнутый топливный цикл, что означает полное отсутствие отходов.
4. Повышение надежности атомных электростанций, снижение эксплуатационных издержек. Реализуемые в настоящее время проекты ядерных исследований и разработок направлены на повышение ядерной безопасности, снижение рисков распространения, минимизацию отработавшего ядерного топлива и улучшение экономических показателей АЭС.
5. Затраты на строительство АЭС находятся примерно на таком же уровне, как и строительство ТЭС, или несколько выше.
Единственный фактор, в котором АЭС уступают в экологическом плане традиционным ТЭС, − тепловое загрязнение, вызванное большими расходами технической воды для охлаждения конденсаторов турбин, которое у АЭС несколько выше из−за более низкого КПД (не более 35 %), этот фактор важен для водных экосистем, а современные АЭС в основном имеют собственные искусственно созданные водохранилища−охладители или вовсе охлаждаются градирнями.
Главный недостаток АЭС − тяжелые последствия аварий, для исключения которых АЭС оборудуются сложнейшими системами безопасности с многократными запасами и резервированием, обеспечивающими исключение расплавления активной зоны даже в случае максимальной проектной аварии.
Поэтому, хотя развитию ядерной энергетики альтернативы нет, необходимо помнить, что, как и любое изобретение человечества, она несет в себе не только выгоды, но и угрозы, и необходимо принимать меры для их исключения.
Задание №2063
Реакторы на быстрых нейтронах экономически более выгодны, чем на медленных «тепловых» нейтронах. Почему?
Решение
В реакторах на быстрых нейтронах природный уран используется на 30 − 40% и обеспечивает воспроизводство нового ядерного горючего в виде плутония.
Задание №2064
Установите соответствие между физическими явлениями и приборами, в которых используются или наблюдаются эти явления.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Физические явления Прибор
А) регистрация электронов 1) спектроскоп
Б) линейчатый спектр 2) трансформатор
3) счётчик Гейгера
4) конденсатор
Ответы:
А Б
Решение
А Б
3 1
Задание №2065
Предыдущее
Как изменяется заряд и массовое число радиоактивного ядра в результате его β−распада? Установите соответствие между физическими величинами и характером их изменения.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Физические явления Прибор
А) заряд 1) увеличится
Б) массовое число 2) не изменится
3) уменьшится
Ответы:
А Б
Решение
А Б
1 2
