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

Для высокоэнергоёмких радионуклидных энергетических установок в качестве топлива применяют плутоний-238. Однако использование в РИТЭГах источников тепла на основе плутония-238 наряду с некоторыми техническими преимуществами требует значительных финансовых затрат, поэтому в последние 10 - 15 лет не осуществлялась поставка таких РИТЭГгов отечественным потребителям для наземных целей.

США использовали РИТЭГи в основном для космических нужд, но 10 ритэгов было установлено на удалённых военных объектах в Аляске в 1960 - 70х годах. Однако после того как из-за стихийного пожара в 1992 году один из РИТЭГов оказался под угрозой, ВВС США начали заменять их на дизель-генераторы.

Табл. 3. Типы и основные характеристики РИТЭГов советского производства

Начальная Тепловая номинальная мощность РИТ, Вт

Электрическая мощность активность РИТЭГа, Вт РИТ, тысячи

Выходное электрическое напряжение РИТЭГа, В

В Канаде на острове Аксель-Хейберг в труднодоступном месте действует атомная метеорологическая станция. Источником энергии для аппаратуры станции служит изотоп стронция (всего 400 граммов), помещенный в специальный трехслойный сплав и защищенный свинцовым экраном. Теплота, образующаяся при радиоактивном распаде стронция, превращается в электрический ток, который питает приборы для измерения температуры, атмосферного давления, скорости и направления ветра. Полученные данные фиксируются самопишущими приборами и передаются по радио с помощью двух транзисторных передатчиков на расстояние свыше 1500 километров. Вся аппаратура смонтирована в стальном цилиндре высотой 2,5 метра, диаметром 0,65 метра и общей массой около тонны.

 Взаймодействие корпускулярных излучений с веществом

 При прохождении ионизирующей частицы через вещество ионизация атомов и молекул может происходить за счет упругого и неупругого взаимодействия (рассеяния) этой частицы с ядрами и электронными оболочками атомов. При упругом взаимодействии кинетическая энергия ионизирующей частицы изменяется незначительно. При этом происходит изменение направления движения частицы. При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии ионизирующей частицы расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, на возбуждение ядер, расщепление ядер, тормозное излучение. Основным механизмом потери энергии ионизирующей частицы при прохождении через вещество является ионизационное торможение вследствие неупрогого взаимодействия. Траектории движения различных частиц в веществе сильно различаются в зависимости от массы и заряда. Чем больше масса ионизирующей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления движения.

 Тяжелые ядра, a-частицы и протоны в веществе имеют прямолинейную траекторию и взаймодействуют по обоим механизмам. Неупрогое взаимодействие этих заряженных частиц имеет место при прохождении вблизи орбитальных электронов. При этом происходит ионизация и возбуждение атомов.  Упругое рассеяние положительно заряженных частиц происходит на атомных ядрах из-за наличия кулоновских сил отталкивания. Неупрогое взаймодействие этих частиц с ядрами происходить, если энергия ионизирующей частицы достатачна для преодоления сил отталкивания. В этом случае частица проникает в ядро и образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или гамма-квантов.  При взаймодействии тяжелых частиц с высокой энергией с легкими ядрами возникают так называемые ядра отдачи, которые становятся ионизирующими частицами.

Бетта-излучение. Траектории электронов в облучаемом веществе сильно изломаны вследствие их упругого  рассеяния на орбитальных электронах и неупругого торможения на ядрах атомов. Взаимодействии b--частиц с электронной оболочкой приводит к изменению направления движения с незначительной потерей энергии. При прохождении электрона с высокой энергией вблизи ядра, скорость электрона снижается и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения. Таким образом, при прохождении через вещество b--излучения с высокой энергией происходит образование электромагнитного излучения вторичного происхождения. При позитронном излучении наблюдается упругое рассеяние на ядрах атомов, а неупругое – на электронных орбиталях.

Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути этих частиц в 1,5 – 4 раза больше глубины прохождения их в вещество.

Нейтронное излучение. В отличие от заряженных частиц, нейтроны не могут электрически взаймодействовать с электронной облочкой и ядрами атомов . Ионизирующий эффект нейтронного излучения проявляется за счет их упругого и неупрого взаймодействия с ядрами атомов. Нейтроны либо поглощаются ядрами, либо рассеиваются (меняют направление движения) на них. При столкновении с большими ядрами, например с ядрами атомов углерода, кислорода, азота, происходит упругое рассеяние нейтронов, при этом электрон теряет лишь 10 – 15 % энергии. При столкновении с ядрами атома водорода (протонами), первоначальная энергия нейтрона снижается в среднем два раза, превращаясь в кинетическую энергию протона отдачи ( рис. 2.). Соответственно, эффективными поглотителями нейтронов являются материалы с относительно большим содержанием атомов водорода ( вода, углеводороды). Поэтому для эффективной защиты от нейтронного излучения используются вода и углеводородные материалы. В процессе упругого рассеяния нейтронов образуются ядра отдачи, в первую очередь протоны, обладающие сильной ионизирующей способностью. Кроме того, стабильные атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, т.е. радиаоактивными. При распаде таких ядер возникает вторичная, так называемая наведенная радиоактивность. Распад новых радиоактивных атомов сопровождается a-излучением, g-излучением, протонным излучением. Таким образом, при нейтронном облучении конечный радиобиологический эффект обуславливается и ионизацией вещества, производимого опосредовано вторичными ионизирующими частицами или квантами.

Рис.2. Взаймодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого вещества

 Эффективность ионизации вещества  при этом зависит от энергии нейтронов и от состава облучаемого вещества. В зависимости  от начальной энергии различают 5 основных вида нейтронов: сверхбыстрые, с начальной энергией от 10 –50 МэВ; быстрые, с энергией 100 кэВ до 10 МэВ, промежуточные с энергией 1-100 кэВ, медленные с энергией меньше 1 кэВ, тепловые , обладающие энергией теплового движения (0,025 эВ). Основной вклад в ионизацию вещества вносят сверхбыстрые,  быстрые и промежуточные нейтроны. Нейтроны в большинстве веществ обладают высокой проникающей способностью, и соответственно, низким ионизирующим эффектом. Однако,  проникающая способность нейтронов в биологических тканях ( с большим содержанием  атомов водорода) невысокая вследствие их взаимодействия с протонами. Поэтому в  биологических структурах быстрые нейтроны характеризуются высокой плотностью ионизации, что определяет исключительно высокую поражаемость живых объектов нейтронным облучением.


На главную