Наведённая радиоактивность


Наведённая радиоактивность

Наведённая радиоактивность — это радиоактивность веществ, возникающая под действием облучения их ионизирующим излучением, как правило нейтронами.

При облучении частицами (нейтронами, протонами, гамма-квантами) стабильные ядра могут превращаться в радиоактивные ядра с различным периодом полураспада, которые продолжают излучать длительное время после прекращения облучения. Особенно сильна радиоактивность, наведённая нейтронным облучением. Это объясняется следующими свойствами этих частиц: для того, чтобы вызвать ядерную реакцию с образованием радиоактивных ядер, гамма-кванты и заряженные частицы должны иметь большую энергию (не меньше нескольких МэВ). Однако, они взаимодействуют с электронными оболочками атомов намного интенсивнее, чем с ядрами, и быстро теряют при этом энергию. Кроме того, положительно заряженные частицы (протоны, альфа-частицы) быстро теряют энергию, упруго рассеиваясь на ядрах. Поэтому, вероятность гамма-кванта или заряженной частицы вызвать ядерную реакцию ничтожно мала. Например, при бомбардировке бериллия альфа-частицами, лишь одна из нескольких тысяч или десятков тысяч (в зависимости от энергии альфа-частиц) вызывает (α, n)-реакцию, а для других веществ эта вероятность еще меньше.

Нейтроны же, наоборот, захватываются ядрами при любой энергии, более того, максимальна вероятность захвата именно нейтронов с низкой энергией. Поэтому, распространяясь в веществе, нейтрон может попадать в множество ядер последовательно, пока не будет захвачен очередным ядром, и вероятность захвата нейтрона практически равна единице.

Следует заметить, что поглощение нейтронов не обязательно ведет к появлению наведенной радиоактивности. Многие ядра захватывают нейтрон с образованием стабильных ядер, например бор-10 превращается в стабильный бор-11, лёгкий водород (протий) — в стабильный дейтерий. В таких случаях наведённая радиоактивность не возникает.

Процесс накопления в веществе радиоактивных изотопов под действием облучения называется активацией.

Содержание

Активационный анализ

На эффекте наведённой радиоактивности основан мощный метод определения состава вещества, называемый активационным анализом. Образец облучается потоком нейтронов (нейтронно-активационный анализ) или гамма-квантов (гамма-активационный анализ). При этом в образце наводится радиоактивность, характер которой, при одинаковом характере облучения, полностью определяется изотопным составом образца. Изучая гамма-спектр излучения образца, можно с очень высокой точностью определить его состав. Предел обнаружения различных элементов зависит от интенсивности облучения и составляет до 10−4−10−7 % для гамма-активационного анализа и до 10−5−10−10 % для нейтронно-активационного анализа. [1]

Наведённая радиоактивность при ядерных взрывах

Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода 14C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация

Одним из поражающих факторов ядерного взрыва является радиоактивное заражение. Основной вклад в радиоактивное заражение вносят осколки деления ядер урана или плутония, но частично радиоактивное заражение обеспечивается наведённой радиоактивностью. Особенно сильна наведённая радиоактивность при взрыве термоядерных (в том числе и нейтронных) зарядов, так как выход нейтронов на единицу энергии в них в несколько раз выше, чем у ядерных зарядов, и средняя энергия нейтронов тоже выше, что делает возможными пороговые реакции. Утверждается[2], например, что взрыв нейтронной бомбы мощностью в 1 кт в 700 метрах от танка не только убивает экипаж нейтронным излучением, но и создает в броне наведённую радиоактивность, достаточную для получения новым экипажем смертельной дозы в течение суток.

При атмосферных ядерных испытаниях особенно большое значение имеет реакция нейтронов с атмосферным азотом-14 \mathrm{~^{1}_{0}n} + \mathrm{~^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm{~^{14}_{6}C}+ \mathrm{~^{1}_{1}H}, обладающая довольно высоким сечением (1,75 барн). Общее количество углерода-14, выброшенное в атмосферу во время ядерных испытаний, весьма велико и сравнимо с общим содержанием природного радиоуглерода в атмосфере.

Принцип наведённой радиоактивности положен в основу идеи т. н. кобальтовой бомбы. Это вид ядерного оружия, в котором основным поражающим фактором является радиоактивное заражение. Она представляет собой термоядерную бомбу с оболочкой из кобальта, в которой под действием нейтронного излучения взрыва создается изотоп кобальт-60 — сильнейший источник гамма-излучения с периодом полураспада 5,27 лет. Будучи распылённым ядерным взрывом по большой территории, кобальт-60 сделал бы их надолго непригодными для проживания.

Активация конструкционных материалов ядерных реакторов

Ядерные реакторы длительное время (десятки лет) работают в условиях сильнейшего нейтронного облучения (интенсивность потока нейтронов в некоторых энергетических реакторах достигает 1016 см−2·c−1, а в некоторых экспериментальных реакторах — даже 1019 см−2·c−1), а полный флюенс за все время — 1023 см−2. Еще интенсивнее будут нейтронные потоки в проектируемых термоядерных реакторах. Это создает проблемы с утилизацией конструкций реакторов, отработавших свой срок, так как интенсивность наведённой радиоактивности в конструкциях реактора заставляет отнести их к радиоактивным отходам, причём масса этих отходов сравнима или даже больше массы отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Например, реактор ВВЭР-1000 весит 770 т (без воды и топлива) и даёт за 30 лет службы 750 т ОЯТ — меньше, чем весит сам реактор. Еще больше весят конструкции реактора РБМК — 1850 т.

Для решения проблемы с утилизацией элементов конструкции реакторов проводятся исследования по созданию материалов и сплавов, в которых наведённая радиоактивность спадает относительно быстро. Это достигается подбором материалов, которые при облучении нейтронами не дают долгоживущих изотопов (с T½ от десятков до миллионов лет). Характер спада радиоактивности определяется изотопным составом облучаемого вещества, а также спектром нейтронов.

Например, нежелательно содержание в таких сплавах никеля, молибдена, ниобия, серебра, висмута: они при облучении нейтронами дают изотопы с длительным временем жизни, например 59Ni (T½ = 100 тыс. лет), 94Nb (T½=20 тыс. лет), 91Nb (T½=680 лет), 93Mo (T½=4 тыс. лет). В термоядерных реакторах нежелательным материалом является также алюминий, в котором под действием быстрых нейтронов нарабатывается долгоживущий изотоп 26Al (T½=700 тыс. лет). В то же время такие материалы, как ванадий, хром, марганец, титан, вольфрам не создают изотопов с длительным временем жизни, поэтому после выдержки в течение нескольких десятков лет активность их падает до уровня, допускающего работу с ними персонала без специальной защиты. Например, сплав 79 % ванадия и 21 % титана, облучённый нейтронами спектра термоядерного реактора DEMO с флюенсом 2·1023 см−2, за 30 лет выдержки уменьшает активность до безопасного уровня (25 мкЗв/ч), а малоактивируемая сталь марки Fe12Cr20MnW только за 100 лет. Однако даже небольшая примесь никеля, ниобия или молибдена может увеличить это время до десятков тысяч лет.

Ещё одним способом уменьшения наведённой радиоактивности является изотопное обогащение. Например, при облучении железа нейтронами основной вклад в наведённую радиоактивность вносит изотоп 55Fe с периодом полураспада 2,7 лет, он образуется из лёгкого изотопа 54Fe, поэтому обогащение природного железа тяжёлыми изотопами может существенно снизить наведённую радиоактивность. Аналогично, существенно снижает наведённую радиоактивность молибдена обогащение тяжёлыми изотопами, а циркония или свинца — напротив, лёгкими. Однако изотопное разделение обходится очень дорого, поэтому экономическая целесообразность его под вопросом.

Ссылки

Примечания


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Наведённая радиоактивность" в других словарях:

  • Наведённая радиоактивность — искусственно возникающая при облучении нейтронами радиоактивность окружающей среды (воздуха, почвы, воды, предметов и т.п.). Источниками нейтронов м.б. ядерные взрывы и ядерные реакции, происходящие в ядерных реакторах и ускорителях частиц. При… …   Словарь черезвычайных ситуаций

  • наведённая радиоактивность — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN induced radioactivity …   Справочник технического переводчика

  • наведённая радиоактивность — sukeltasis radioaktyvumas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced radioactivity vok. induzierte Radioaktivität, f rus. наведённая радиоактивность, f pranc. radioactivité induite, f …   Fizikos terminų žodynas

  • радиоактивность, наведённая надтепловыми нейтронами — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN epithermal activity …   Справочник технического переводчика

  • радиоактивность, наведённая нейтронами — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN neutron induced activity …   Справочник технического переводчика

  • радиоактивность, наведённая тепловыми нейтронами — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN thermal activity …   Справочник технического переводчика

  • РАДИОАКТИВНОСТЬ — (1) естественная (радиоактивный распад) способность некоторых естественных неустойчивых (см.) хим. элементов (урана, радия, полония и др.) к самопроизвольному (спонтанному) превращению в др. хим. элементы, сопровождающемуся испусканием… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых (радиоактивных) изотопов одного химического элемента в изотопы обычно другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер, а также гамма нзлуче нием. Атомные ядра, подвергшиеся… …   Словарь военных терминов

  • Радиоактивность — I Радиоактивность самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер и жесткого электромагнитного излучения, см. Ионизирующие излучения …   Медицинская энциклопедия

  • Ионизирующее излучение — Электромагнитное излучение Синхротронное Циклотронное Тормозное Тепловое Монохроматическое Черенковское Переходное Радиоизлучение Микроволновое Терагерцевое …   Википедия