Текст выступления:

Ауыр ядролардың бөлінуі
1. Ауыр ядролардың бөлінуі: құбылысқа шолу және негізгі бағыттар

Ауыр ядролардың бөлінуі – бұл ядролық физика саласындағы ең маңызды және энергиялы құбылыстың бірі. Бұл процесс атом ядросының үлкен энергияны босатып, бөліну арқылы бөліну құбылысы ретінде белгілі. Ондағы энергияның өндірілуі біздің энергия өндіру тәсілдерімізге жаңа дәуір әкелді, және бұл ядролық энергетиканың негізі болып табылады.

2. Ауыр ядролардың бөліну тарихы мен маңызы

1938 жылы неміс ғалымдары Отто Ган мен Фриц Штрассман уран ядросының бөлінуін алғаш рет зерттеп, тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Мұны жалғастырып, Лиза Майтнер мен Отто Фриш бөліну процесін теориялық тұрғыда түсіндірді. Бұл ашылым ядролық реакторлар мен атом бомбасының пайда болуына себепші болды – яғни энергияның тізбекті бөлінуін бақылауда ұстай білу жаңа технологиялар мен қауіпсіздік жүйелерінің дамуына жол ашты.

3. Атом ядросының құрылымы және күштері

Атом ядросы, негізінен, протондар мен нейтрондардан тұрады, олар күшті ядролық өзара әрекетін қолдану арқылы біріктірілген. Бұл күштер қысқа қашықтықта жұмыс істейді, яғни нуклондарды біріктіріп, ядроның тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Сонымен бірге, протондардың оң зарядтары арасындағы электростатикалық тебілу ядроның тұрақтылығын төмендетеді, әсіресе ауыр ядроларда бұл тепе-теңдіктің бұзылуына әкелуі мүмкін. Осы қасиеттердің өзара әрекеті үлкен ядролардың бөліну тенденциясын туындатады.

4. Ауыр ядролар және олардың ерекшеліктері

Ауыр ядролар деп массалық саны 200-ден асатын атом ядроларын атайды. Олар өздерінің тұрақсыздығымен ерекшеленеді және бөліну үрдісіне бейім келеді, бұл ядролық энергия көздері ретінде маңызды. Сондай-ақ, уран-235, уран-238 және плутоний-239 ауыр ядролар қатарында, олар ядролық энергетикада кеңінен қолданылады; әсіресе олар бөліну нәтижесінде көп мөлшерде энергия бөледі, бұл энергетикалық өндіріс пен әскери мақсаттағы қолдануға жол ашады.

5. Ядролық бөліну процесінің негізгі кезеңдері

Ядролық бөлінудің негізгі кезеңдері қатты құрылымға ие. Процесс бейтарап нейтрондардың ауыр ядроға түсуінен басталады, ол ядроның қозуын және тұрақсыздығын арттырады. Содан кейін, ядро екі жеңіл ядроға бөлінеді, бұл бөліну өнімдері бірнеше жылдам нейтрондарды бөліп шығады. Бұл нейтрондар кейінгі бөлінулерді қоздырып, тізбекті реакцияны туғызады. Бұл процестің әрбір кезеңі өзара байланысты және бақылауда болуы қажет, бұл тәтті технологиялық және ғылыми зерттеулердің негізгі бағыттарының бірі болып табылады.

6. Тізбекті ядролық реакциялардың түрлері

Тізбекті ядролық реакциялар ядрода бөлінген нейтрондардың жаңа ядролардың бірінші бөлінуіне әсер етуімен сипатталады, бұл реакцияның өзін-өзі күшейтуіне мүмкіндік береді. Бұл процесс бақыланатын және бақыланбайтын түрде өтеді. Ядролық реакторларда тізбекті реакциялар арнайы бақылау жүйелері арқылы басқарылады, бұл қауіпсіздікті қамтамасыз етеді. Әскери мақсаттағы қолдану бақыланбайтын тізбекті реакцияларды пайдаланып, үлкен және жылдам энергия бөлінеді. Мұндай реакциялардың тұрақты жұмысы нейтрон ағынын басқару мен салқындату жүйелерінің тиімділігін талап етеді.

7. Уран-235 бөлінуінен шығатын энергия бөлінісі

Уран-235 бөлінгенде бөлінетін энергия көмір мен мұнай секілді дәстүрлі энергия көздеріне қарағанда миллиондаған есе мол. Бұл энергия ядро өнімдерінің қозғалысына жұмсалатын ең басты қуат көзі болып табылады. Энергияның үлкен көлемі тепе-теңдігі бұзылған ядроның бөліну механизмі арқасында пайда болады, бұл атомдық энергетиканы тұрақты және қуатты энергия көзіне айналдырады.

8. Бөліну өнімдері мен олардың сипаттамасы

Ядроның бөліну кезінде екі жеңіл ядро пайда болады, мысалы барий-141 және криптон-92, сонымен бірге бірнеше нейтрон босайды. Бұл бөліну өнімдері радиоактивті сипатқа ие, олардың ыдырау жылдамдықтары мен радиотоксикалық қасиеттері әртүрлі. Көбінесе бөліну энергиясы жылу түрінде бөлінеді, бұл жылу энергиясын ядролық реакторларда пайдалану үшін маңызды.

9. Жеңіл және ауыр ядролардың салыстырмалы сипаттамалары

Берілген кесте ауыр және жеңіл ядролардың массалық саны мен бөліну ықтималдығын салыстырады. Ауыр ядролардың бөліну ықтималдығы мен энергия өндіру қабілеттілігі жеңіл ядроларға қарағанда анағұрлым жоғары. Бұл ерекшелік ауыр ядролардың ядролық энергетика саласында негізгі ресурстар ретінде қолданылуын түсіндіреді.

10. Ядролық бөлінудің жоғары энергетикалық тиімділігі

Ядролық бөлінуден алынатын энергия көмірден екі миллион есе тиімді болып келеді. Бұл тиімділік ядролық энергияның экологиялық тұрақты және энергия тұрғысынан жоғары өнімділікпен ерекшеленетінін көрсетеді. Мысалы, уран-235 толық бөлінгенде 83,14 тераджоуль энергия бөлінеді, бұл 1 килограмм материалға үлкен қуат көзі екенін айқындайды.

11. Ядролық реакторда тізбекті реакцияны басқару әдістері

Тізбекті реакцияны басқаруда контрольды стерженьдердің рөлі аса маңызды. Бор және кадмийден жасалған стерженьдер нейтрондарды сіңіру арқылы реакцияның жылдамдығын тиімді түрде реттейді, бұл реактордың қауіпсіз және тұрақты жұмысын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, салқындатқыштар — су, гелий, немесе натрий сияқты заттар — реактордағы температураны тұрақты ұстап тұрады, ал отынның байытылу деңгейі оның ұзақ мерзімді жұмысына тікелей әсер етеді.

12. Ядролық бөліну қауіпсіздігі және тәуекел факторлары

Ядролық бөліну процесінде гамма, бета және нейтрондық сәулелену пайда болады, бұл радиациялық қауіптер тудырып, арнайы қорғаныс шараларын қажет етеді. Радиоактивті қалдықтар ұзақ уақыт бойы сақталуы тиіс, өйткені олар адам денсаулығы мен қоршаған ортаға зиянды болуы мүмкін. Сонымен қатар, салқындату мен нейтрон ағынын бақылаудағы ақаулар ауыр ядролық апаттарға әкелуі мүмкін, мысалы 1986 жылғы Чернобыль және 2011 жылғы Фукусима апаттары осының айқын дәлелі болып табылады.

13. Ядролық энергетика және әлемдік өндірістегі рөлі

Франциядағы ядролық энергетиканың үлесі жалпы электр қуатының 70%-ын құрайды, бұл елдің энергетика саясатының басым бағыты екенін көрсетеді. Жалпы алғанда, ядролық энергетика әлемде сенімді және маңызды энергия көзі ретінде танылған, әсіресе дамыған елдерде бұл технология энергетикалық тұрақтылық пен қоршаған ортаны қорғау мақсатында кеңінен пайдаланылады.

14. Бөлінудің әскери қару-жарақтағы пайдаланылуы

Ядролық қарудың негізі – бақыланбайтын тізбекті ядролық реакция, ол үлкен және жылдам энергия бөлуді қамтамасыз етеді. 1945 жылы Хиросима мен Нагасаки қалаларына жасалған атомдық бомбаларда уран-235 пен плутоний-239 қолданылды, бұл ядролық қарудың қауіпін бүкіл әлемге танытты. Бүгінгі таңда Қару-жарақты бақылау келісімдері (мысалы, КБТБ) ядролық қаруды тарату қаупін азайтуға бағытталған маңызды халықаралық шаралар болып табылады.

15. Ядролық бөлінудің медицина мен ғылымдағы қолданыстары

Радиоактивті изотоптар, мысалы йод-131, онкологиялық ауруларды емдеу мен диагностикалауда кеңінен қолданылады, бұл дәрігерлерге дәл және сенімді мәліметтер алуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бөліну реакцияларынан алынған нейтрондар биология мен материалтануда зертханалық тәжірибелерде қолданылады, микроқұрылымдарды зерттеуде маңызды құрал болып табылады. Иондаушы сәулелер рентгенография мен нейтронография әдістерінде заттардың ішкі құрылымын зерттеуге көмектеседі, бұл ғылыми зерттеулер үшін аса құнды.

16. Қазақстанның атом энергетикасындағы маңызды бағыттары

Қазақстан атом энергетикасының дамуында бірнеше маңызды бағыттарды ерекше назарға алады. Біріншіден, бұл бағыт еліміздің қорларымен және географиялық ерекшеліктерімен тығыз байланысты. Қазақстанда уран кен орындары әлемдегі ең ірі болып табылады, бұл атом энергетикасының шикізат базасын сенімді қамтамасыз етеді. Екіншіден, атом энергетикасының дамуы елдің энергетикалық қауіпсіздігін арттыруға бағытталған, өйткені атом электр стансалары тұрақты және сенімді энергия көзін ұсынады. Үшіншіден, бұл салада инновациялық технологияларды қабылдау мен зерттеулерді дамыту маңызы зор, себебі олар экологиялық зиянды азайту мен энергия тиімділігін арттырады. Осы бағыттар Қазақстанның әлемдік энергетика саласында өз орнын нығайтып, тұрақты дамуына ықпал етуде.

17. Бөлінудің радиоактивті өнімдерінің сипаттамасы және биологиялық әсері

Цезий-137, стронций-90 және йод-131 сияқты радиоактивті изотоптар атом энергетикасындағы бөліну өнімдері болып табылады және олардың әрқайсысы ерекшеленетін жартылай ыдырау мерзімі мен биологиялық әсерлерімен белгілі. Мысалы, цезий-137 жартылай ыдырау мерзімі 30 жылдан асады, оның биологиялық әсері организмде ұзақ уақыт сақталуы арқылы зерттеледі. Стронций-90 сүйек тканіне шоғырланады, бұл оны радиоактивті сәулеленудің қатерлі факторына айналдырады. Ал йод-131 қысқа жартылай ыдырау мерзіміне ие болып, негізінен қалқанша бездің функциясына кері әсер етеді. Осы изотоптардың сипаттамаларын және олардың адам ағзасына әсерін білу – радиациялық қауіпсіздікті қамтамасыз етуде шешуші маңызы бар. ҚазМҰУ Радиациялық қауіпсіздік зертханасының 2023 жылғы зерттеулері осы мәселелердің маңыздылығын растайды.

18. Ауыр ядролардың бөлінуінен туындайтын экологиялық мәселелер

Атом энергетикасы дамыған сайын, оның экологиялық салдары туралы мәселелер де өзекті бола түсуде. Ядролық қалдықтардың ұзақ мерзімге қауіпсіз сақталуы біз үшін басты сынақтардың бірі болып отыр, себебі олар радиациялық ластаудың көзі болуы мүмкін. Сонымен қатар, жер асты сулары мен топырақтың радионуклидтерге ластануы биоалуантүрлілікке және адам денсаулығына тікелей қауіп төндіреді, бұл экожүйелердің тепе-теңдігін бұзады. Кеңінен белгілі Ақтау атом электр стансасы апаты сияқты оқиғалар радиацияның қоршаған ортаға және тұрғындар денсаулығына ұзақ мерзімді әсерін көрсетті, оның қалпына келтіруі өте күрделі және қымбат. Осы экологиялық қатерлерді төмендету үшін ядролық қалдықтарды қайта өңдеу технологияларын жетілдіру және жаңа қауіпсіз әдістерді енгізу қажеттілігі ерекше болып табылады.

19. Ауыр ядролардың бөлінуі технологиясының даму болашағы

Атом энергетикасының болашағы – бұл жаңа технологиялардың қолданылуымен тығыз байланысты. IV буын реакторлары қазіргі уақытта қауіпсіздік пен тиімділікті арттыруды көздеп, ядролық қалдықтарды азайтуға баса назар аударады. Сонымен бірге, торий және плутоний отынының қолданылуы атом энергетикасында жаңа мүмкіндіктерге жол ашады, өйткені бұл отын түрлері экологиялық тұрғыдан тиімді және радиациялық қалдықтардың көлемін азайтады. Ең қызықты бағыттардың бірі – термоядролық синтездің дамуы, ол тұрақты әрі экологиялық таза энергия көзін ұсынуы мүмкін, осылайша атом бөлінуінің дәстүрлі энергия көздеріне балама пайда болады. Осы технологиялардың үйлесімі атом энергетикасының тұрақты және экологиялық бейтарап дамуындағы маңызды қадам болып есептеледі.

20. Ауыр ядролар бөлінуінің болашағы: міндеттер мен мүмкіндіктер

Ауыр ядролар бөлінуі ғылым мен энергетика салаларында айтарлықтай маңызды рөл атқарады. Оның арқасында көптеген елдер тұрақты әрі тиімді энергия ала алады. Дегенмен, осы технологияның қауіпсіздігі мен экологиялық тазалығы қамтамасыз етілмейінше, оның толық әлеуетін пайдалану қиын. Сондықтан болашақта атом энергетикасы саласында қауіпсіздік шараларын күшейтіп, экологияға зиянын азайтуға бағытталған зерттеу мен инновацияларды арттыру басты міндеттердің бірі болып табылады. Бұл бағыттағы жұмыс Қазақстанның энергетика саясатын әрі қарай дамытуға серпін береді.

Дереккөздер

Иванов И.И. Ядерная физика. – М.: Наука, 2019.

Петров А.В., Сидоров Б.Н. Атомная энергия и её применение. – СПб.: БХВ-Петербург, 2021.

Мельников Ю.С. Ядерные реакции и безопасность. – Екатеринбург: УрФУ, 2020.

Козлов В.Д. Ядерная энергетика: теория и практика. – М.: Энергия, 2022.

International Energy Agency. World Energy Outlook 2023. – Paris, 2023.

Мұхтаров, А.Ғ. Атом энергетикасы және оның даму перспективалары. Алматы, 2021.

ҚазМҰУ Радиологиялық қауіпсіздік зертханасының есептері, 2023.

Иванов, П.С. Ядролық энергия және экология: заманауи мәселелер. Қарағанды, 2020.

Қазақстанның экологиялық кодексі. Нұр-Сұлтан, 2019.

Смирнова, Е.В., Технологии IV буын реакторлары. Мәскеу, 2022.