Indusoitu radioaktiivisuus

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 13.10.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 3 muokkausta .

Indusoitu radioaktiivisuus on  aineiden , erityisesti neutronien , radioaktiivisuutta , joka syntyy, kun ne altistetaan ionisoivalle säteilylle .

Hiukkasilla ( neutroneilla , protoneilla ) säteilytettäessä stabiilit ytimet voivat muuttua radioaktiivisiksi ytimiksi, joilla on eri puoliintumisajat , jotka jatkavat säteilemistä vielä pitkään säteilytyksen päätyttyä. Neutronisäteilyn aiheuttama radioaktiivisuus on erityisen voimakasta. Tämä selittyy näiden hiukkasten seuraavilla ominaisuuksilla: gamma-kvanteilla ja varautuneilla hiukkasilla on oltava korkea energia (vähintään muutama MeV ), jotta ydinreaktio saadaan aikaan radioaktiivisten ytimien muodostumisen kanssa. Ne ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa atomien elektronikuorten kanssa paljon voimakkaammin kuin ytimien kanssa ja menettävät nopeasti energiaa prosessissa. Lisäksi positiivisesti varautuneet hiukkaset (protonit, alfahiukkaset) menettävät nopeasti energiaa ja hajoavat elastisesti ytimiin. Siksi gammasäteen tai varautuneen hiukkasen todennäköisyys aiheuttaa ydinreaktion on mitätön. Esimerkiksi kun berylliumia pommitetaan alfahiukkasilla, vain yksi useista tuhansista tai kymmenistä tuhansista (alfahiukkasten energiasta riippuen) aiheuttaa ( α , n ) reaktion, ja muilla aineilla tämä todennäköisyys on vielä pienempi.

Neutronit päinvastoin vangitsevat ytimet millä tahansa energialla, lisäksi suurin todennäköisyys sieppaamiseen on juuri matalaenergiset neutronit. Siksi aineessa etenevä neutroni voi osua useisiin ytimiin peräkkäin, kunnes seuraava ydin vangitsee sen, ja neutronien sieppaamisen todennäköisyys on käytännössä yhtä suuri kuin yksi.

On huomattava, että neutronien absorptio ei välttämättä johda indusoidun radioaktiivisuuden ilmaantuvuuteen. Monet ytimet voivat vangita neutronin muodostaakseen stabiileja ytimiä, esimerkiksi boori-10 voi muuttua stabiiliksi boori-11 :ksi (jos neutronin sieppaus ytimestä ei johda litiumin ja alfahiukkasen muodostumiseen), kevyttä vetyä ( protium ) voi muuttua stabiiliksi deuteriumiksi . Tällaisissa tapauksissa indusoitua radioaktiivisuutta ei esiinny.

Vain muutamalla alkuaineella on suurin vastustuskyky muihin alkuaineisiin verrattuna indusoitua radioaktiivisuutta vastaan: vety, helium , beryllium, hiili, happi , lyijy [1] . Tämä johtuu joko äärimmäisen alhaisesta sieppauspoikkileikkauksesta (helium-4:llä se on lähellä 0 barn, deuteriumilla se on myös erittäin alhainen) tai huonosta moderointikyvystä suurella määrällä peräkkäisiä stabiileja isotooppeja (happi, lyijy) ).

Ei-radioaktiivisten ytimien muuntamista radioaktiivisiksi ja radioaktiivisten isotooppien muodostumista aineessa säteilytyksen vaikutuksesta kutsutaan aktivaatioksi .

Aktivointianalyysi

Tehokas menetelmä aineen koostumuksen määrittämiseksi, nimeltään aktivaatioanalyysi , perustuu indusoidun radioaktiivisuuden vaikutukseen . Näytettä säteilytetään neutronivirralla ( neutroniaktivaatioanalyysi ) tai gamma-kvanteilla ( käytetään gammaaktivaatioanalyysiä , fotoydinreaktioita ). Tässä tapauksessa näytteessä indusoituu radioaktiivisuus, jonka luonteen säteilytyksen luonteen ollessa sama määräytyy täysin näytteen isotooppisen koostumuksen mukaan. Näytteen gammasäteilyspektriä tutkimalla on mahdollista määrittää sen koostumus erittäin suurella tarkkuudella. Eri alkuaineiden havaintoraja riippuu säteilyn intensiteetistä ja on gammaaktivaatioanalyysissä 10-4-10-7 %  ja neutroniaktivaatioanalyysissä 10-5-10-10  % . [2]

Indusoitu radioaktiivisuus ydinräjähdyksissä

Yksi ydinräjähdyksen haitallisista tekijöistä on radioaktiivinen saastuminen . Suurin osa radioaktiivisesta kontaminaatiosta aiheutuu uraanin tai plutoniumin ytimien fissiofragmenteista , mutta radioaktiivinen kontaminaatio johtuu osittain indusoidusta radioaktiivisuudesta. Indusoitu radioaktiivisuus on erityisen voimakasta lämpöydinvarausten (mukaan lukien neutronivarausten ) räjähdyksen aikana , koska niissä olevien neutronien saanto energiayksikköä kohti on useita kertoja suurempi kuin ydinvarauksissa ja myös keskimääräinen neutronienergia on korkeampi, mikä tekee kynnyksen. reaktiot mahdollisia. Väitetään [3] esimerkiksi, että neutronipommin räjähdys, jonka teho on 1 kt 700 metrin päässä panssarivaunusta, ei ainoastaan ​​tappaa miehistöä neutronisäteilyllä , vaan myös synnyttää panssariin indusoitunutta radioaktiivisuutta, joka riittää uudelle. miehistö saa tappavan annoksen vuorokauden sisällä.

Ilmakehän ydinkokeissa neutronien reaktio ilmakehän typpi-14:n kanssa, jonka poikkileikkaus on melko korkea (1,75 barn ) on erityisen tärkeä . Ydinkokeiden aikana ilmakehään vapautuvan hiili-14 :n kokonaismäärä on erittäin suuri ja verrattavissa ilmakehän luonnollisen radiohiilen kokonaismäärään.

Indusoidun radioaktiivisuuden periaate on ns. kobolttipommi . Tämä on eräänlainen ydinase, jossa radioaktiivinen saastuminen on tärkein haitallinen tekijä. Se on lämpöydinpommi, jossa on kobolttikuori , jossa räjähdyksen neutronisäteilyn vaikutuksesta syntyy koboltti-60- isotooppi  - vahvin gammasäteilyn lähde, jonka puoliintumisaika on 5,27 vuotta. Ydinräjähdyksen seurauksena koboltti-60 tekisi niistä pysyvästi asumiskelvottomia, koska niitä suihkutettiin suurelle alueelle.

Ydinreaktorien rakennemateriaalien aktivointi

Ydinreaktorit toimivat pitkään (kymmeniä vuosia) voimakkaan neutronisäteilyn olosuhteissa (neutronivuon intensiteetti joissakin voimareaktoreissa on 10 16 cm −2 s −1 ja joissakin koereaktoreissa jopa 10 19 cm −2 s −1 ), ja kokonaisvirtaus koko ajan on 10 23 cm −2 . Suunniteltujen lämpöydinreaktorien neutronivuot ovat vieläkin voimakkaampia. Tämä aiheuttaa ongelmia aikansa käyttäneiden reaktorirakenteiden loppusijoituksessa, koska reaktorirakenteiden indusoituneen radioaktiivisuuden voimakkuus pakottaa ne luokitellaan radioaktiiviseksi jätteeksi ja tämän jätteen massa on vertailukelpoinen tai jopa suurempi kuin käytetyn massa. ydinpolttoaine ( SNF ). Esimerkiksi VVER-1000- reaktori painaa 324,4 tonnia (ilman vettä ja polttoainetta) ja tuottaa noin 750 tonnia SNF:tä 30 käyttövuoden aikana – vain kaksi kertaa reaktorin massa. RBMK - reaktorin rakenteet painavat vielä enemmän  - 1850 tonnia.

Reaktoreiden rakenneosien loppusijoitusongelman ratkaisemiseksi tehdään tutkimuksia sellaisten materiaalien ja metalliseosten luomiseksi , joissa indusoitu radioaktiivisuus putoaa suhteellisen nopeasti. Tämä saavutetaan valitsemalla materiaaleja, jotka eivät neutroneilla säteilytettynä tuota pitkäikäisiä isotooppeja ( T ½ kymmenistä miljooniin vuosiin). Radioaktiivisuuden laskun luonne määräytyy säteilytetyn aineen isotooppisen koostumuksen sekä neutronispektrin perusteella.

Esimerkiksi nikkelin , molybdeenin , niobiumin , hopean ja vismutin pitoisuus tällaisissa seoksissa ei ole toivottavaa : neutroneilla säteilytettynä ne antavat isotooppeja, joilla on pitkä käyttöikä, esimerkiksi 59 Ni ( T ½ \u003d 100 tuhatta vuotta), 94 Nb ( T ½ \u003d 20 tuhatta vuotta). vuotta), 91 Nb ( T ½ = 680 vuotta), 93 Mo ( T ½ = 4 tuhatta vuotta). Termoydinreaktoreissa alumiini on myös ei-toivottu materiaali, jossa nopeiden neutronien vaikutuksesta muodostuu pitkäikäinen isotooppi 26Al ( T ½ = 700 tuhatta vuotta). Samanaikaisesti materiaalit, kuten vanadiini , kromi , mangaani , titaani , volframi , eivät luo isotooppeja, joilla on pitkä käyttöikä, joten useiden vuosikymmenien altistuksen jälkeen niiden aktiivisuus laskee tasolle, joka mahdollistaa henkilöstön työskentelyn niiden kanssa ilman erityistä suojausta. . Esimerkiksi seos, jossa on 79 % vanadiinia ja 21 % titaania, joka on säteilytetty DEMO-fuusioreaktorin spektrin neutroneilla, jonka virtausnopeus on 2 10 23 cm −2 30 vuoden altistuksen jälkeen, vähentää aktiivisuutta turvalliselle tasolle (25 μSv / h) ja Fe12Cr20MnW-luokan matala-aktivoitu teräs vain 100 vuotta. Kuitenkin pienikin nikkelin, niobiumin tai molybdeenin seos voi pidentää tätä aikaa kymmeniin tuhansiin vuosiin.

Toinen tapa vähentää indusoitunutta radioaktiivisuutta on isotooppirikastus. Esimerkiksi kun rautaa säteilytetään neutroneilla, suurin osa indusoituneesta radioaktiivisuudesta on 55 Fe-isotoopilla, jonka puoliintumisaika on 2,7 vuotta 55 Mn:ssa (K-kaappaus gammasäteiden emissiolla, jonka energia on 0,0065 MeV), se muodostuu kevyestä isotoopista 54 Fe, joten luonnonraudan rikastaminen raskailla isotoopeilla voi merkittävästi vähentää indusoitua radioaktiivisuutta. Vastaavasti rikastaminen raskailla isotoopeilla vähentää merkittävästi molybdeenin indusoitua radioaktiivisuutta, kun taas zirkoniumin tai lyijyn rikastaminen päinvastoin kevyillä isotoopeilla. Isotooppien erottaminen on kuitenkin erittäin kallista, joten sen taloudellinen toteutettavuus on kyseenalainen.

Muistiinpanot

  1. ↑ Neutronien sirontapituudet ja poikkileikkaukset . www.ncnr.nist.gov . Haettu 13. lokakuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 26. lokakuuta 2000.
  2. ↑ Aktivointi ja aktivointianalyysi . Haettu 11. huhtikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 18. joulukuuta 2014.
  3. ↑ Neutronipommi - varauksen toimintaperiaate lisääntyneellä säteilyteholla . Haettu 7. huhtikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 18. joulukuuta 2014.

Linkit