Учебное пособие по курсу Ядерная безопасность для студентов, обучающихся по направлению Ядерная энергетика и теплофизика

• Название: Учебное пособие по курсу Ядерная безопасность для студентов, обучающихся по направлению Ядерная энергетика и теплофизика
• Дата: 22.04.2022
• Размер: 5.76 Mb.
• Имя файла: Total-3-6-new-bolshoy.docx
• Тип: Учебное пособие; #490571
• страница: 6 из 45

1.11 Спонтанное деление

Кроме обсуждавшихся нами трех видов радиоактивности (альфа, бета и гамма) в настоящее время известны и ряд других. Мы остановимся на одном из них, практически важном - спонтанном делении, открытом в 1940г советскими физиками Флеровым и Петржаком – сотрудниками Курчатова. Так же, как и при делении ядер нейтронами, на каждое спонтанное деление приходится 2-3 нейтрона. Спонтанному делению подвержены уран, плутоний и трансурановые элементы, среди которых особенно следует выделить кюрий и калифорний. Они образуются в отработавшем топливе ядерных реакторов и создают мощный источник нейтронов, увеличивающий радиационную опасность.

Период полураспада урана–238 по каналу спонтанного деления составляет 0.8∙10¹¹ лет, что существенно больше периода полураспада за счет альфа-распада - 4.5∙10⁹ лет. Для урана спонтанное деление представляет лишь теоретический интерес.

Для плутония имеется уже практическое значение. В частности, плутоний-240 является достаточно интенсивно спонтанно делящимся нуклидом. Это создает особую проблему при получении оружейного плутония.

Желательно иметь чистый ²³⁹Pu, однако его “загрязняет” ²⁴⁰Pu. Спонтанное деление последнего создает нейтронный фон и препятствует эффективному взрыву. Содержание ²⁴⁰Pu ограничивают величиной около 6%.

Наличие в отработавшем топливе ядерного реактора плутония-240, кюрия-242 и 244 и определяет мощность источника нейтронов спонтанного деления.
Глава 2

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ И ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (ЭКСПОЗИЦИОННАЯ, ПОГЛОЩЕННАЯ, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ)


Содержание

1. 
   Прямо и косвенно ионизирующее излучение.
   
2. 
   Сечение взаимодействия.
   
3. 
   Макроскопическое сечение, средняя длина свободного пробега.
   
4. 
   Взаимодействие заряженных частиц с веществом.
   

Ионизационные потери.

Радиационные потери.

5. 
   Взаимодействие нейтронов с веществом.
   
6. 
   Взаимодействие гамма излучения с веществом. Фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар.
   
7. 
   Доза излучения. Экспозиционная, поглощенная, эквивалентная.
   

2.1 Прямо и косвенно ионизирующее излучение

Прямо ионизирующим излучением является поток заряженных частиц, альфа, бета, протоны, мезоны, тяжелые ионы.

Косвенно ионизирующее излучение - гамма кванты и нейтроны. Являясь нейтральными частицами, они сами по себе на вещество не действуют, но при своем движении образуют по ходу заряженные частицы, которые уже являются прямо ионизирующими. Как происходит это образование, рассматривается ниже.

2.2 Сечение взаимодействия

Сечение взаимодействия - одно из основных понятий в ядерной физике и прикладных ядерных дисциплинах.

Пусть I₀ - число частиц , падающих на единицу площади мишени в единицу времени (рис.2.1), R - число реакций в единицу времени в расчете на одно ядро. Можно записать R=σ∙I₀.

Величину называют эффективным поперечным сечением ядра (или атома). Сечение имеет размерность площади. Для его измерения используется специальная единица - барн. 1 барн = 10^-24 см² = 10^-28 м².



I – интенсивность потока.
Рисунок 2.1 - Ослабление потока частиц при прохождении через пластинку вещества
Упрощенная картина, приводящая к возникновению термина сечение, выглядит следующим образом (рис.2.2).



Рисунок 2.2 - Налетающие частицы «видят» материал таким образом – отдельные атомы, а между ними пустота

2.3 Макроскопическое сечение, средняя длина свободного пробега

_{Макроскопическое сечение Σ = σ∙ρ, где ρ – ядерная плотность.} Размерность  см^-1.

Величину , имеющую размерность см, называют средней длиной свободного пробега.

2.4 Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Имеется два механизма потери энергии заряженной частицы при прохождении через вещество, которые мы и рассмотрим.

Ионизационное торможение

Рассмотрение прохождения заряженной частицы через вещество дает следующее выражение для удельной (на единице длины пути) потери энергии (Т):

_,

где Z - заряд частицы, n_e- концентрация электронов в веществе, (v) - некоторая функция скорости частицы, близкая к закону 1/v². Заметим, что масса частицы в зависимости отсутствует.

Известная кривая Брэгга для удельной ионизации частиц (ионизация пропорциональна удельной потере энергии) показана на рис.2.3.





Рисунок 2.3 - Удельная ионизация в функции длины пробега

Из рисунка видно, что имеется возрастание удельной ионизации к концу пробега частиц, т.е. при уменьшении ее скорости.

Радиационное торможение.
При быстром торможении частицы в электрическом поле ядра и атомных электронов испускается радиационное или тормозное излучение. Потери энергии на излучение пропорциональны квадрату ускорения .

Так как силы Fкулоновского взаимодействия с ядрами для частиц с равными зарядами одинаковы, то

_,

откуда следует, что потери энергии на излучение



Потери на тормозное излучение для частиц с равными зарядами обратно пропорциональны квадрату массы. Т. к. m_e/ m_p = 5.5  10^-4, то потери на излучение протона, не говоря уже о более тяжелых частицах, малы и рассматриваются обычно только для электронов. Известным примером является непрерывный рентгеновский спектр, испускаемый при торможении электронов в антикатоде рентгеновской трубки.

Интенсивность тормозного излучения имеет максимум в направлении, перпендикулярном к направлению движения частицы (рис.2.4).



Рисунок 2.4 - Направление тормозного излучения

Потери энергии на излучение на единицу длины (для электронов)

_,

где Z- заряд ядер;

n - концентрация ядер;

T_e - кинетическая энергия электронов.

Имеется полуэмпирическое соотношение, позволяющее сравнить потери энергии на излучение и ионизацию:

,

где Z– заряд ядер среды, T_е - измеряется в МэВ.

В воде, где = 8, потери энергии на излучение сравниваются с потерями на ионизацию при 100МэВ. В свинце это происходит уже при 10МэВ. Энергия, при которой эти потери равны, называется критической. Во всех случаях ясно, что радиационные потери значимы в первую очередь для быстрых электронов.