Номер 6, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. III. Практические приложения физических знаний - номер 6, страница 297.

Условие.

Экологические проблемы работы атомных электростанций.

Решение.

Экологические проблемы работы атомных электростанций.

Решение

Работа атомных электростанций (АЭС) сопряжена с рядом серьезных экологических проблем, несмотря на то, что в штатном режиме эксплуатации они практически не производят выбросов парниковых газов, в отличие от тепловых электростанций. Основные проблемы следующие:

1. Проблема радиоактивных отходов. Это наиболее острая и до сих пор не решенная до конца проблема. В процессе работы ядерного реактора образуется отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), которое содержит высокоактивные и долгоживущие радиоактивные изотопы, например, плутоний ($ ^{239}\text{Pu} $), америций ($ ^{241}\text{Am} $), кюрий. Эти отходы остаются чрезвычайно опасными на протяжении тысяч и даже сотен тысяч лет. Требуется их надежное захоронение в специальных геологических хранилищах, которые должны обеспечивать полную изоляцию от биосферы на весь период их потенциальной опасности. Создание таких хранилищ — сложная и очень дорогостоящая задача.

2. Риск аварий. Несмотря на многоуровневые системы безопасности современных АЭС, существует теоретическая возможность тяжелых аварий с расплавлением активной зоны реактора и выбросом огромного количества радиоактивных веществ в окружающую среду. Катастрофы на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС Фукусима-1 (2011) показали, к каким разрушительным последствиям могут привести такие аварии: радиоактивное загрязнение огромных территорий, которые становятся непригодными для жизни и хозяйственной деятельности на десятилетия, и серьезный ущерб здоровью населения.

3. Тепловое загрязнение окружающей среды. Коэффициент полезного действия (КПД) атомных электростанций составляет около 33-35%. Это означает, что примерно две трети выделяемой в реакторе тепловой энергии не преобразуются в электричество, а сбрасываются в окружающую среду. Для охлаждения конденсаторов паровых турбин используются большие объемы воды из рек, озер или морей. Нагретая вода, возвращаясь в водоем, повышает его температуру, что приводит к изменению кислородного режима, гибели чувствительных к температуре видов рыб и водных организмов, а также к "цветению" воды (интенсивному размножению сине-зеленых водорослей).

4. Радиационное воздействие в процессе штатной эксплуатации. В ходе нормальной работы АЭС в окружающую среду попадают небольшие, строго контролируемые количества радиоактивных веществ. Это так называемые газоаэрозольные выбросы (например, инертные радиоактивные газы, аэрозоли) и жидкие сбросы (например, тритий). Хотя их количество регламентируется нормами радиационной безопасности и считается неопасным для населения, долгосрочное влияние малых доз радиации на экосистемы остается предметом научных исследований.

5. Проблема вывода АЭС из эксплуатации. Срок службы АЭС ограничен (обычно 40-60 лет). После его окончания станцию необходимо безопасно остановить и демонтировать. Этот процесс чрезвычайно сложен, долог (может занимать десятки лет) и дорог. Конструкции реактора, оборудование и здания станции становятся радиоактивно загрязненными и сами превращаются в большое количество радиоактивных отходов, требующих утилизации и захоронения.

Ответ: Ключевыми экологическими проблемами работы АЭС являются: образование и необходимость долгосрочного безопасного захоронения радиоактивных отходов, потенциальный риск тяжелых аварий с радиоактивным загрязнением, тепловое загрязнение водоемов-охладителей, наличие незначительных радиационных выбросов при штатной работе, а также техническая сложность и высокая стоимость вывода станций из эксплуатации.

Применение радиоактивных материалов в науке, технике, медицине и сельском хозяйстве.

Решение

Радиоактивные изотопы (радионуклиды) находят широкое применение в различных отраслях благодаря уникальному свойству испускать ионизирующее излучение, которое можно регистрировать, а его взаимодействие с веществом использовать для различных целей.

В науке:

• Метод меченых атомов: Введение радиоактивных изотопов (например, углерода $ ^{14}\text{C} $, фосфора $ ^{32}\text{P} $, трития $ ^{3}\text{H} $) в состав молекул позволяет отслеживать их перемещение и превращения в биологических и химических процессах. Этот метод незаменим в биохимии, физиологии, молекулярной биологии для изучения метаболизма, фотосинтеза, механизма действия лекарств.

• Радиоуглеродное датирование: Основано на измерении содержания природного радиоактивного изотопа углерода $ ^{14}\text{C} $ в органических останках. Зная период его полураспада (около 5730 лет), можно с высокой точностью определять возраст археологических и палеонтологических находок до 50-60 тысяч лет.

В технике:

• Радиоизотопная дефектоскопия: Использование гамма-излучения от источников (кобальт $ ^{60}\text{Co} $, иридий $ ^{192}\text{Ir} $) для контроля качества сварных швов, литых деталей и других промышленных изделий. Излучение "просвечивает" объект, и по его ослаблению на детекторе можно судить о наличии внутренних дефектов (трещин, пор, пустот).

• Контрольно-измерительные приборы: Радиоизотопные приборы используются для бесконтактного измерения толщины листовых материалов (бумаги, металла), уровня жидкости в закрытых емкостях, плотности сыпучих материалов. Их работа основана на поглощении или рассеянии излучения контролируемым объектом.

• Автономные источники энергии: Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) преобразуют тепловую энергию, выделяющуюся при распаде изотопа (например, плутония $ ^{238}\text{Pu} $), в электрическую. Они применяются для энергоснабжения космических аппаратов (например, "Вояджер"), автоматических метеостанций, навигационных маяков в удаленных и труднодоступных районах.

В медицине:

• Радионуклидная диагностика: В организм пациента вводят радиофармпрепараты, содержащие короткоживущие изотопы (например, технеций $ ^{99\text{m}}\text{Tc} $, йод $ ^{131}\text{I} $), которые избирательно накапливаются в определенных органах. Регистрируя их излучение, получают изображение органа и информацию о его функционировании (сцинтиграфия, позитронно-эмиссионная томография - ПЭТ).

• Лучевая терапия: Направленное облучение злокачественных опухолей ионизирующим излучением (от источников $ ^{60}\text{Co} $ или медицинских ускорителей) для разрушения раковых клеток. Применяется также брахитерапия, когда миниатюрный источник излучения вводится непосредственно в опухоль.

• Радиационная стерилизация: Обработка гамма-излучением медицинских инструментов одноразового использования (шприцев, катетеров), шовного материала, лекарственных препаратов для их полного обеззараживания без нагрева.

В сельском хозяйстве:

• Радиационная селекция: Облучение семян или растений вызывает мутации, что позволяет ускорить селекционный процесс и получить новые сорта с полезными свойствами (повышенная урожайность, устойчивость к болезням).

• Радиационная стерилизация насекомых-вредителей: Массовое разведение самцов вредителей, их стерилизация облучением и выпуск в природу. Это приводит к резкому снижению численности популяции вредителей без использования химических пестицидов.

• Предпосевная обработка семян: Облучение семян малыми дозами для стимуляции роста и повышения урожайности.

Ответ: Радиоактивные материалы широко применяются: в науке — для изучения процессов методом меченых атомов и определения возраста находок; в технике — для дефектоскопии, в измерительных приборах и как источники энергии; в медицине — для диагностики заболеваний, лучевой терапии рака и стерилизации инструментов; в сельском хозяйстве — для создания новых сортов растений, борьбы с вредителями и обработки продуктов.