Indukált radioaktivitás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. október 13-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

Az indukált radioaktivitás  az anyagok radioaktivitása , amely akkor lép fel, amikor ionizáló sugárzásnak vannak kitéve , különösen a neutronok esetében .

Részecskékkel ( neutronokkal , protonokkal ) besugározva a stabil atommagok különböző felezési idejű radioaktív atommagokká alakulhatnak , amelyek a besugárzás megszűnése után még sokáig sugároznak. A neutronsugárzás által kiváltott radioaktivitás különösen erős. Ez a részecskék következő tulajdonságaival magyarázható: ahhoz, hogy radioaktív atommagok képződésével magreakciót váltsanak ki, a gamma-kvantumoknak és a töltött részecskéknek nagy energiájúak (legalább néhány MeV ) kell lenniük. Az atomok elektronhéjával azonban sokkal intenzívebben lépnek kölcsönhatásba, mint az atommagokkal, és a folyamat során gyorsan energiát veszítenek. Ezenkívül a pozitív töltésű részecskék (protonok, alfa részecskék) gyorsan elveszítik az energiát, rugalmasan eloszlanak az atommagokon. Ezért elhanyagolható annak a valószínűsége, hogy egy gammasugár vagy egy töltött részecske magreakciót vált ki. Például ha a berilliumot alfa-részecskékkel bombázzák, több ezer vagy tízezer közül (az alfa-részecskék energiájától függően) csak egy vált ki ( α , n ) reakciót, más anyagoknál ez a valószínűség még kisebb.

A neutronokat éppen ellenkezőleg, az atommagok bármilyen energiánál befogják , ráadásul a befogás maximális valószínűsége pontosan az alacsony energiájú neutronok. Ezért az anyagban terjedve egy neutron egymás után több atommagot is eltalálhat, amíg a következő atommag be nem fogja, és a neutronbefogás valószínűsége gyakorlatilag egyenlő eggyel.

Meg kell jegyezni, hogy a neutronok abszorpciója nem feltétlenül vezet indukált radioaktivitás megjelenéséhez. Sok atommag képes befogni egy neutront, hogy stabil atommagot képezzen, például a bór-10 átalakulhat stabil bór-11-mé (ha egy neutron mag általi befogása nem vezet lítium és alfa-részecske képződéséhez), könnyű hidrogén ( protium ) stabil deutériummá alakulhat . Ilyen esetekben indukált radioaktivitás nem lép fel.

Csak néhány elemnek van maximális ellenállása a többi elemhez képest az indukált radioaktivitás ellen: hidrogén, hélium , berillium, szén, oxigén , ólom [1] . Ez vagy a rendkívül alacsony befogási keresztmetszetnek köszönhető (hélium-4-nél közel 0 barn, deutériumnál szintén rendkívül alacsony), vagy a rossz moderáló képesség sok egymást követő stabil izotóppal (oxigén, ólom) ).

Aktivációnak nevezzük azt a folyamatot, amelyben a nem radioaktív atommagok radioaktívakká alakulnak, és az anyagban radioaktív izotópok képződnek besugárzás hatására .

Aktiválási elemzés

Egy anyag összetételének meghatározására szolgáló hatékony módszer, az úgynevezett aktivációs analízis , az indukált radioaktivitás hatásán alapul . A mintát neutronárammal ( neutronaktivációs analízis ) vagy gamma-kvantumokkal ( gammaaktivációs analízis , fotonukleáris reakciókat alkalmazzák ) sugározzák be. Ebben az esetben a mintában radioaktivitás indukálódik, amelynek természetét azonos besugárzás mellett teljes mértékben meghatározza a minta izotópösszetétele. Egy minta gamma -sugárzási spektrumának tanulmányozásával nagyon nagy pontossággal lehet meghatározni annak összetételét. A különböző elemek kimutatási határa a besugárzás intenzitásától függ, és gamma -aktiválási analízis esetén 10-4-10-7 % , neutronaktiválási elemzésnél  pedig 10-5-10-10 % lehet  . [2]

Indukált radioaktivitás nukleáris robbanásokban

A nukleáris robbanás egyik káros tényezője a radioaktív szennyeződés . A radioaktív szennyeződéshez főként az urán- vagy plutóniummagok hasadási fragmentumai járulnak hozzá , de a radioaktív szennyeződést részben az indukált radioaktivitás biztosítja. Az indukált radioaktivitás különösen erős a termonukleáris töltések (beleértve a neutront is ) robbanása során, mivel az egységnyi energiára jutó neutronok hozama többszöröse a nukleáris töltéseké , és az átlagos neutronenergia is magasabb, ami küszöbértéket jelent. reakciók lehetségesek. Állítólag [3] például egy 1 kt erejű neutronbomba felrobbanása egy tanktól 700 méterre nemcsak a legénységet öli meg neutronsugárzással , hanem indukált radioaktivitást is hoz létre a páncélban, ami elegendő az új a személyzet egy napon belül halálos adagot kap.

A légköri nukleáris kísérletekben különösen fontos a neutronok reakciója a légköri nitrogén-14-gyel, amely meglehetősen nagy keresztmetszetű (1,75 barn ) . A nukleáris kísérletek során a légkörbe kerülő szén-14 teljes mennyisége nagyon nagy, és összemérhető a légkörben lévő természetes radiokarbon teljes mennyiségével.

Az indukált radioaktivitás elve az alapja az ún. kobaltbomba . Ez egy olyan típusú nukleáris fegyver, amelyben a radioaktív szennyeződés a fő károsító tényező. Ez egy termonukleáris bomba kobalthéjjal , amelyben a robbanás neutronsugárzásának hatására a kobalt-60 izotóp jön létre  - a legerősebb gamma-sugárzás forrása, felezési ideje 5,27 év. Egy nukleáris robbanás következtében nagy területre permetezve a kobalt-60 végleg lakhatatlanná tenné őket.

Atomreaktorok szerkezeti anyagainak aktiválása

Az atomreaktorok hosszú ideig (több tíz évig) működnek erős neutronbesugárzás körülményei között (a neutronfluxus intenzitása egyes erőreaktorokban eléri a 10 16 cm −2 s −1 , egyes kísérleti reaktorokban pedig a 10 19 cm −2 -t is). s −1 ), és a teljes fluencia a teljes idő alatt 10 23 cm −2 . A tervezett termonukleáris reaktorokban a neutronfluxusok még intenzívebbek lesznek. Ez problémákat okoz az idejét lejárató reaktorszerkezetek elhelyezésében, mivel a reaktorszerkezetekben az indukált radioaktivitás intenzitása miatt radioaktív hulladékként kell besorolni őket , és ennek a hulladéknak a tömege összehasonlítható vagy még nagyobb, mint az elhasznált tömeg. nukleáris üzemanyag ( SNF ). Például a VVER-1000 reaktor tömege 324,4 tonna (víz és üzemanyag nélkül), és körülbelül 750 tonna SNF-t állít elő 30 év alatt – ez mindössze kétszerese magának a reaktornak. Az RBMK reaktor szerkezetei még ennél is többet  nyomnak - 1850 tonnát.

A reaktorok szerkezeti elemeinek elhelyezésével kapcsolatos probléma megoldására kutatásokat végeznek olyan anyagok és ötvözetek létrehozására , amelyekben az indukált radioaktivitás viszonylag gyorsan leesik. Ezt úgy érik el, hogy olyan anyagokat választanak ki, amelyek neutronokkal besugározva nem termelnek hosszú élettartamú izotópokat ( T ½ tíz-millió évtől). A radioaktivitás csökkenésének jellegét a besugárzott anyag izotóp-összetétele, valamint a neutronspektrum határozza meg.

Például az ilyen ötvözetek nikkel- , molibdén- , niób- , ezüst- és bizmuttartalma nem kívánatos : neutronokkal besugározva hosszú élettartamú izotópokat adnak, például 59 Ni ( T ½ \u003d 100 ezer év), 94 Nb ( T ½ \u003d 20 ezer év). év), 91 Nb ( T ½ = 680 év), 93 Mo ( T ½ = 4 ezer év). A termonukleáris reaktorokban az alumínium szintén nemkívánatos anyag, amelyben gyors neutronok hatására egy hosszú élettartamú 26Al izotóp keletkezik ( T ½ = 700 ezer év). Ugyanakkor az olyan anyagok, mint a vanádium , króm , mangán , titán , volfrám nem hoznak létre hosszú élettartamú izotópokat, ezért több évtizedes expozíció után aktivitásuk olyan szintre csökken, amely lehetővé teszi, hogy a személyzet különleges védelem nélkül dolgozhasson velük. . Például egy 79% vanádiumot és 21% titánt tartalmazó ötvözet, amelyet egy DEMO fúziós reaktor spektrumából származó neutronokkal sugároztak be 2 10 23 cm -2 áramlási sebességgel , 30 év expozíció után, biztonságos szintre csökkenti az aktivitást (25 μSv / h), és az alacsony aktivitású Fe12Cr20MnW minőségű acél csak 100 év. Azonban még egy kis nikkel-, nióbium- vagy molibdén-keverék is megnövelheti ezt az időt több tízezer évre.

Az indukált radioaktivitás csökkentésének másik módja az izotóp-dúsítás. Például, amikor a vasat neutronokkal sugározzák be, az indukált radioaktivitáshoz főként az 55 Fe izotóp járul hozzá, amelynek felezési ideje 2,7 év 55 Mn-ben (K-befogás 0,0065 energiájú gamma-sugárzással). MeV), az 54 Fe könnyű izotópból képződik , ezért a természetes vas nehéz izotópokkal való dúsítása jelentősen csökkentheti az indukált radioaktivitást. Hasonlóképpen, a nehéz izotópokban való dúsítás jelentősen csökkenti a molibdén indukált radioaktivitását, míg a cirkónium vagy az ólom dúsítása éppen ellenkezőleg, könnyű izotópokkal. Az izotópszétválasztás azonban nagyon költséges, ezért gazdasági megvalósíthatósága kérdéses.

Jegyzetek

  1. ↑ Neutronszórási hosszak és keresztmetszetek . www.ncnr.nist.gov . Letöltve: 2020. október 13. Az eredetiből archiválva : 2000. október 26..
  2. ↑ Aktiválás és aktiválás elemzés . Letöltve: 2011. április 11. Az eredetiből archiválva : 2014. december 18..
  3. ↑ Neutronbomba - a megnövelt sugárzási teljesítményű töltés működési elve . Letöltve: 2011. április 7. Az eredetiből archiválva : 2014. december 18..

Linkek