Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Радиоактивное излучение Атомные реакторы и батареи

При выборе типа термоионных изотопных батарей для конкретного аппарата следует руководствоваться их назначением. Если желательны долгоживущие источники энергии, например, для измерительных или запускаемых в космос приборов, для снабжения током светящихся буев и автоматических метеостанций либо для обогрева одежды водолазов или космонавтов, то предпочтителен кюрий-244 или плутоний-238. Если же, напротив, требуется на короткое время выработка больших количеств энергии, то выгоднее батарея из кюрия-242.

Сделаем теперь несколько оценок. В радиоизотопные преобразователи типа (США) загружаются изотопами полония 210Ро (период полураспада 0,38 года) или плутония 238Pu (период полураспада 89 лет). Оценим количество радиоизотопа 238Pu, необходимого для обеспечения такой же тепловой мощности, как и при загрузке 210Po, если тепловая мощность преобразователя 60 Вт, а масса изотопа полония 0,38 г. Для грубой оценки можно составить пропорцию: чем меньше период полураспада, тем больше удельная активность препарата. И если период полураспада изотопа плутония в 234 раза больше периода полураспада полония, то и масса изотопа плутония, необходимая для создания той же тепловой мощности, должна быть приблизительно в 234 раза больше массы изотопа полония.

Оценим теперь активность используемых радиоактивных источников. Зная массу и период полураспада изотопа 210Ро, найдём его активность и выразим её в кюри. Зная молярную массу изотопа полония и число Авогадро, легко сосчитать, что за одну секунду происходит 4*1013 распадов, т.е. активность препарата рана 1100 кюри. Активность очень большая: защититься от радиации можно металлической фольгой, но без защиты источник в руки брать смертельно опасно!

Взаимодействие электромагнитных ионизирующих излучений с веществом

Частицы и кванты ионизирующих излучений, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, в результате чего изменяется состояние, как облучаемого вещества, так и самих частиц, квантов. При этом кинетическая энергия ионизирующих частиц и квантов расходуется на ионизацию и возбуждение атомов.

  Ионизация атомов и молекул при облучении веществ ионизирующими излучениями электромагнитной природы может протекать по 3 основным механизмам.

1. Фотоэлектрический эффект, при котором энергия кванта полностью расходуется на разрыв связи электрона с ядром и придание электрону кинетической энергии (Рис. 1а). В облучаемом веществе появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией,  которые, соединяясь с нейтральными атомами, образуют отрицательные ионы Энергетические характеристики образовавшихся при фотоэффекте электронов существенно не различаются. Вероятность фотоэлектрического эффекта тем выше, чем ближе значение энергии кванта к значению энергии связи и чем больше число электронов в атоме. Если энергия кванта недостаточна для ионизации, то происходит возбуждение атома. Фотоэффект и возбуждение атомов происходят в основном при облучении мягким рентгеновским излучением. С повышением энергии квантов электромагнитного излучения, вероятность фотоэффекта уменьшается. При облучении квантами с высокими энергиями, превышающими энергию внутриатомных связей (>1 МэВ), вклад фотоэффекта в ионизацию атомов незначителен. Большая часть ионов в этом случае образуется по другому механизму  размена энергии - эффекту Комтона.

2. Эффектом Комтона называется механизм ионизации, при котором только часть энергии ионизирующего кванта передается вылетающему электрону (Рис. 1б). При этом рассеянный квант изменяет направление движения и может выбить другой электрон. один и тот же квант может ионизировать вещество до тех пор, пока его энергия не уменьшится до значений энергии внутримолекулярных связей и не произойдет фотоэлектрический эффект. В отличие от фотоэлектронов, энергия электронов образующихся при эффекте Комтона, изменяется в широком интервале  (от нуля до некоторго максимального значения).

Рис. 1. Схематичное изображение различных способов размена энергии квантов электромагнитного ионизирующего излучения  при взаимодействии с веществом

а) фотоэлектрический эффект

б) эффект Комтона

в) образование электрон-позитронных пар

3. При столкновении квантов с ядрами атомов происходит образование электрон-позитронных пар и фотоядерные реакции (рис. 1в). Для образования электрон-позитронных пар необходимо, чтобы  энергия квантов была выше суммарной энергии покоя позитрона и электрона (1,02 МэВ). Образовавшаяся электрон-позитронная пара может аннигилировать с образованием  двух g-квантов с энергией каждого кванта  не меньше 511 КэВ, в этом случае возникает вторичное g-излучение.

Фотоядерными реакциями называют расщепление атомных ядер при взаимодействии с γ-квантами. Для инициации фотоядерных реакций необходимы кванты с очень высокими значенями энергии, значительно превышающими энергию связи нуклона.

Как видно, электрон-позитронные пары и фотоядерные реакции в веществе возникают только при облучении g-лучами  высоких энергий.


На главную