Radioactivitate indusă

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 13 octombrie 2020; verificările necesită 3 modificări .

Radioactivitatea indusă  este radioactivitatea substanțelor care apare atunci când sunt expuse la radiații ionizante , în special neutroni .

Când sunt iradiați cu particule ( neutroni , protoni ), nucleele stabile se pot transforma în nuclee radioactive cu timpi de înjumătățire diferit , care continuă să radieze mult timp după ce iradierea a încetat. Radioactivitatea indusă de iradierea cu neutroni este deosebit de puternică. Acest lucru se explică prin următoarele proprietăți ale acestor particule: pentru a provoca o reacție nucleară cu formarea de nuclee radioactive, cuante gamma și particulele încărcate trebuie să aibă energie mare (cel puțin câțiva MeV ). Cu toate acestea, ei interacționează cu învelișurile de electroni ale atomilor mult mai intens decât cu nucleele și pierd rapid energie în acest proces. În plus, particulele încărcate pozitiv (protoni, particule alfa) pierd rapid energie, disipându-se elastic pe nuclee. Prin urmare, probabilitatea ca o rază gamma sau o particulă încărcată să provoace o reacție nucleară este neglijabilă. De exemplu, atunci când beriliul este bombardat cu particule alfa, doar una din câteva mii sau zeci de mii (în funcție de energia particulelor alfa) provoacă o reacție ( α , n ), iar pentru alte substanțe această probabilitate este și mai mică.

Neutronii, dimpotrivă, sunt captați de nuclee la orice energie, în plus, probabilitatea maximă de captare este tocmai neutronii de joasă energie. Prin urmare, propagăndu-se în materie, un neutron poate lovi multe nuclee în succesiune până când este capturat de următorul nucleu, iar probabilitatea captării neutronilor este practic egală cu unul.

Trebuie remarcat faptul că absorbția neutronilor nu duce neapărat la apariția radioactivității induse. Multe nuclee pot capta un neutron pentru a forma nuclee stabili, de exemplu, borul-10 se poate transforma în bor-11 stabil (dacă capturarea unui neutron de către un nucleu nu duce la formarea de litiu și a unei particule alfa), hidrogen ușor ( protium ) se poate transforma în deuteriu stabil . În astfel de cazuri, nu apare radioactivitate indusă.

Doar câteva elemente au rezistență maximă față de alte elemente la radioactivitatea indusă: hidrogen, heliu , beriliu, carbon, oxigen , plumb [1] . Acest lucru se datorează fie unei secțiuni transversale de captare extrem de scăzute (pentru heliu-4 este aproape de 0 barn, pentru deuteriu este și extrem de scăzut), fie cu o slabă capacitate de moderare cu un număr mare de izotopi stabili succesivi (oxigen, plumb). ).

Procesul de transformare a nucleelor ​​neradioactive în nuclee radioactive și de formare a izotopilor radioactivi în materie sub influența iradierii se numește activare .

Analiza activării

O metodă puternică pentru determinarea compoziției unei substanțe, numită analiză de activare , se bazează pe efectul radioactivității induse . Proba este iradiată cu un flux de neutroni ( analiza de activare a neutronilor ) sau cuante gamma (analiza de activare gamma , sunt utilizate reacții fotonucleare ). În acest caz, în probă este indusă radioactivitate, a cărei natură, cu aceeași natură a iradierii, este complet determinată de compoziția izotopică a probei. Prin studierea spectrului de radiații gamma al unui eșantion, este posibil să se determine compoziția acestuia cu o precizie foarte mare. Limita de detecție a diferitelor elemente depinde de intensitatea iradierii și este de până la 10–4–10–7 % pentru analiza de activare gamma  și de până la 10–5–10–10 % pentru  analiza activării neutronilor . [2]

Radioactivitate indusă în explozii nucleare

Unul dintre factorii dăunători ai unei explozii nucleare este contaminarea radioactivă . Principala contribuție la contaminarea radioactivă este adusă de fragmentele de fisiune ale nucleelor ​​de uraniu sau plutoniu , dar contaminarea radioactivă este asigurată parțial de radioactivitatea indusă. Radioactivitatea indusă este deosebit de puternică în timpul exploziei sarcinilor termonucleare (inclusiv neutroni ), deoarece randamentul de neutroni pe unitatea de energie din ele este de câteva ori mai mare decât cel al sarcinilor nucleare , iar energia medie a neutronilor este, de asemenea, mai mare, ceea ce face prag. reacții posibile. Se pretinde [3] , de exemplu, că o explozie a unei bombe cu neutroni cu o putere de 1 kt la 700 de metri dintr-un tanc nu numai că ucide echipajul cu radiații neutronice , ci creează și radioactivitate indusă în armură, suficientă pentru noul echipajului să primească o doză letală într-o zi.

În testele nucleare atmosferice, reacția neutronilor cu azotul atmosferic-14, care are o secțiune transversală destul de mare (1,75 barn ) , este de o importanță deosebită . Cantitatea totală de carbon-14 eliberată în atmosferă în timpul testelor nucleare este foarte mare și comparabilă cu cantitatea totală de radiocarbon natural din atmosferă.

Principiul radioactivității induse stă la baza ideii așa-numitului. bombă de cobalt . Acesta este un tip de armă nucleară în care contaminarea radioactivă este principalul factor dăunător. Este o bombă termonucleară cu o înveliș de cobalt , în care, sub acțiunea radiației neutronice a exploziei, se creează izotopul cobalt-60  - cea mai puternică sursă de radiații gamma cu un timp de înjumătățire de 5,27 ani. Fiind pulverizat pe o suprafață mare de o explozie nucleară, cobaltul-60 i-ar face permanent nelocuibili.

Activarea materialelor structurale ale reactoarelor nucleare

Reactoarele nucleare funcționează timp îndelungat (zeci de ani) în condiții de iradiere puternică cu neutroni (intensitatea fluxului de neutroni în unele reactoare de putere atinge 10 16 cm −2 s −1 , iar în unele reactoare experimentale chiar 10 19 cm −2 ). s −1 ) , iar fluența totală pentru tot timpul este 10 23 cm −2 . Fluxurile de neutroni în reactoarele termonucleare proiectate vor fi și mai intense. Acest lucru creează probleme cu eliminarea structurilor reactorului care și-au servit timpul, deoarece intensitatea radioactivității induse în structurile reactorului le obligă să fie clasificate drept deșeuri radioactive , iar masa acestor deșeuri este comparabilă sau chiar mai mare decât masa uzată. combustibil nuclear ( SNF ). De exemplu, reactorul VVER-1000 cântărește 324,4 tone (fără apă și combustibil) și produce aproximativ 750 de tone de SNF în 30 de ani de funcționare - doar de două ori masa reactorului în sine. Structurile reactorului RBMK cântăresc și mai mult  - 1850 de tone.

Pentru a rezolva problema cu eliminarea elementelor structurale ale reactoarelor, se efectuează cercetări pentru a crea materiale și aliaje în care radioactivitatea indusă scade relativ rapid. Acest lucru se realizează prin selectarea materialelor care, atunci când sunt iradiate cu neutroni, nu produc izotopi cu viață lungă (cu T ½ de la zeci la milioane de ani). Natura scăderii radioactivității este determinată de compoziția izotopică a substanței iradiate, precum și de spectrul neutronilor.

De exemplu, conținutul de nichel , molibden , niobiu , argint , bismut în astfel de aliaje este nedorit : atunci când sunt iradiați cu neutroni, dau izotopi cu o durată lungă de viață, de exemplu 59 Ni ( T ½ \u003d 100 mii de ani), 94 Nb ( T ½ \u003d 20 mii ani). ani), 91 Nb ( T ½ = 680 ani), 93 Mo ( T ½ = 4 mii ani). În reactoarele termonucleare, aluminiul este, de asemenea, un material nedorit, în care, sub acțiunea neutronilor rapizi, se produce un izotop cu viață lungă 26Al ( T ½ = 700 mii de ani). În același timp, materiale precum vanadiu , crom , mangan , titan , wolfram nu creează izotopi cu o durată lungă de viață, prin urmare, după expunere timp de câteva decenii, activitatea lor scade la un nivel care permite personalului să lucreze cu ei fără protecție specială. . De exemplu, un aliaj de 79% vanadiu și 21% titan, iradiat cu neutroni din spectrul unui reactor de fuziune DEMO cu o fluență de 2 10 23 cm −2 , după 30 de ani de expunere, reduce activitatea la un nivel sigur (25 μSv / h), și oțel slab activat de calitate Fe12Cr20MnW de numai 100 de ani. Cu toate acestea, chiar și un mic amestec de nichel, niobiu sau molibden poate crește acest timp la zeci de mii de ani.

O altă modalitate de a reduce radioactivitatea indusă este îmbogățirea cu izotopi. De exemplu, atunci când fierul este iradiat cu neutroni, principala contribuție la radioactivitatea indusă o are izotopul 55 Fe cu un timp de înjumătățire de 2,7 ani în 55 Mn (captură K cu emisie de raze gamma cu o energie de 0,0065). MeV), se formează din izotopul ușor 54 Fe, prin urmare, îmbogățirea fierului natural cu izotopi grei poate reduce semnificativ radioactivitatea indusă. În mod similar, îmbogățirea în izotopi grei reduce semnificativ radioactivitatea indusă a molibdenului, în timp ce îmbogățirea zirconiului sau plumbului, dimpotrivă, cu izotopi ușori. Cu toate acestea, separarea izotopilor este foarte costisitoare, astfel încât fezabilitatea sa economică este discutabilă.

Note

  1. ↑ Lungimi și secțiuni transversale de împrăștiere a neutronilor . www.ncnr.nist.gov . Consultat la 13 octombrie 2020. Arhivat din original pe 26 octombrie 2000.
  2. ↑ Analiza activării și activării . Consultat la 11 aprilie 2011. Arhivat din original pe 18 decembrie 2014.
  3. ↑ Bombă cu neutroni - principiul de funcționare a unei sarcini cu o putere de radiație crescută . Consultat la 7 aprilie 2011. Arhivat din original pe 18 decembrie 2014.

Link -uri