Авария на ЧАЭС Ядерные реакции Степень опасности радионуклидов как источников внутреннего облучения

Реактора РБМК – 1000 Цепная ядерная реакция

Возникновение мощных источников тепла в виде водоемов - охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экологических систем

Рождение электронно-позитронных пар.

При достаточно большой энергии γ-кванта становится возможным процесс, когда в одном акте взаимодействия возникают в поле какой-нибудь частицы (чаще всего ядра атома) электрон и позитрон, а квант при этом поглощается. Этот процесс около ядра происходит в области размером ~ комптоновской длины волны электрона.

Законы сохранения энергии и импульса для процесса в поле атомного ядра:

;

;

где Те-, Те+ и Тя – это кинетические энергии электрона, позитрона и ядра соответственно;   и  -- импульсы падающего -кванта и ядра отдачи.

Из этих уравнений следует, что -квант не может образовать пару в вакууме (т.е. при Тя и , равных нулю), т.к. при Те- и Те+ = 0 из закона сохранения энергии следует , а из закона сохранения импульса .

Итак, образование пары электрон-позитрон происходит только в поле третьей частицы. Если ею является ядро, то благодаря большой массе оно уносит малую энергию и -квант с энергией  может создать электрон-позитронную пару. Если это электрон, то он должен получить энергию того же порядка, что и частицы пары, тогда процесс образования пары произойдет при значительно большей энергии -кванта.

Расчеты зависимости эффективного сечения процесса рождения пар (при 5) от энергии -кванта и заряда вещества Z приводят к соотношению

~

5. Зависимость полного коэффициента поглощения от энергии -кванта и свойств вещества.

Общая картина поглощения -квантов в веществе и примерное расположение по шкале энергий областей, где существенен каждый из трех основных процессов, представлена на рис.13.

Рис.13. Зависимость коэффициента поглощения  -квантов в веществе (для элементов со средними значениями Z) от энергии () падающих квантов.

Эффективность фотоэффекта быстро уменьшается с увеличением энергии -квантов, особенно после того как энергия стала больше энергии связи наиболее сильно связанных электронов (для самых тяжелых элементов несколько более 100 КэВ).

Эффект Комптона вообще мало проявляется по сравнению с фотоэффектом, однако с увеличением энергии -квантов он убывает медленнее и поэтому становится заметнее, когда энергия -квантов превышает энергию связи наиболее сильно связанных электронов и фотоэффект исчезает. При энергиях более 10 МэВ он практически исчезает.

Рождение пары электрон-позитрон возможно лишь при энергии -квантов свыше 1,02МэВ и вблизи ядра атома (реже электрона). Вероятность этого процесса растет с увеличением энергии -квантов, приближаясь при очень больших энергиях к постоянной величине.

Зависимость полного коэффициента поглощения от энергии -квантов для Al, Cu и Рв (часто использующихся как поглотители -лучей) показана на рис.14.

Рис.14. Зависимость линейного коэффициента поглощения от энергии -квантов.

Для свинца представлены также компоненты коэффициента поглощения, соответствующие каждому из трех процессов: фотоэффекту, комптоновскому рассеянию и рождению пар. Обращает на себя внимание характерный минимум в области 5-10МэВ, где фотоэффект и эффект Комптона уже слабо себя проявляют, а рождение пар еще не сильно. Видно также, что вещества с большим порядковым номером поглощают сильно, чем с малым, особенно в области малых энергий, где преобладает фотоэффект.

Отметим еще одну особенность, общую для всех процессов. С одной стороны, часть энергии -кванта передается заряженным частицам, которые теряют ее (за исключением пар при очень высоких энергиях) на ионизацию атомов вещества. С другой стороны, во всех процессах появляются -кванты с меньшей энергией и другими направлениями распространения. Это рентгеновские кванты, испущенные при переходе внешних электронов на освободившиеся в результате фотоэффекта места во внутренних оболочках. В случае эффекта Комптона – это рассеяние фотона. Частицы пары (электроны и позитроны), проходя через вещество испускают -кванты. Таким образом, хотя число -квантов в первоначальном пучке при прохождении через вещество убывает, при этом возникает новые кванты, имеющие всевозможные направления. С наличием такого рассеянного излучения практически всегда следует считаться.

В реальных ситуациях, применительно и которым и разрабатывался “Радиационная безопасность”, взаимодействие с веществом -квантов высоких энергий (десятки, сотни и тысячи МэВ) большой роли не играет. Поэтому коснемся лишь вскользь некоторых из них:

а) ядерный фотоэффект. Это реакции типа (), когда -кванты энергии 6-10МэВ (энергии связи нуклонов в ядре) выбирают из ядер нуклоны. Сечение таких реакций пропорционально Z вещества.

б) фоторасщепление ядер. Эти реакции протекают, когда энергии -квантов много больше энергии связи нуклонов в ядре: (); (; (). Сечение таких реакций ~.

в) образование пары -мезонов (-++). Такие реакции требуют энергии падающих -квантов .

г) фотогенерация -мезонов, которая происходит при ; ()~10-4.

Формула Резерфорда. Волны де Бройля. Опыты Хофштадтера. Формула Мотта. Форм-фактор. К заряженным частицам относятся электроны, протоны, дейтоны, a-частицы, положительные и отрицательные мезоны и гипероны, ядра (ионы) тяжелых элементов. Взаимодействие этих частиц с электронами, атомами, ядрами среды происходит через кулоновские, электромагнитные и ядерные силы. Поэтому число различных процессов взаимодействия достаточно велико. Основными механизмами взаимодействия заряженных частиц с веществом являются электромагнитное взаимодействие с электронами вещества (ионизация), а также внутриядерные взаимодействия с нуклонами ядра.

Ионизационное торможение заряженных частиц. Уравнение Бете-Блоха. Поскольку действие -излучения и нейтронов скорее результат воздействия вторичного излучения, т.е. электронов и протонов отдачи, чем результат их первичных взаимодействий, данные, полученные при изучении взаимодействия заряженных частиц с веществом, можно использовать не только для описания действия быстрых электронов или ионов, но также и для описания воздействия -излучения и нейтронов.

Пробег заряженных частиц в веществе. -электроны. В пучке электронов даже при одинаковой их начальной энергии различные частицы по-разному углубляются в толщу вещества. Это связано с их рассеянием. Лишь некоторые электроны могут пройти весь путь в одном направлении. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения энергии заряженной частицы, называется линейным пробегом (). Среднее значение модуля вектора между началом и концом пробега заряженной ионизирующей частицы в данном веществе называется средним линейным пробегом ().

Упругое рассеяние заряженных частиц на ядрах. Ядерное взаимодействие. При пролёте заряженной частицы вблизи ядра передача энергии ядру за счёт кулоновских сил будет невелика. Траектория частицы будет заметно отличаться от прямолинейной, но приближённо и в этом случае можно пользоваться выражением Бете-Блоха (с тем отличием, что mч < Mя, передаваемый ядру импульс будет в Zя раз больше. Zяe – заряд ядра; Ze – заряд падающей частицы; Mя = A ∙ mp).

Излучение Вавилова-Черенкова. Невелики и потери энергии на световое излучение Вавилова-Черенкова, которое возникает при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Заряженная частица, двигаясь внутри диэлектрика с постоянной скоростью, создаёт вдоль своего пути локальную поляризацию его атомов. Сразу же после прохождения частицы поляризованные атомы возвращаются в исходное состояние и излучают электромагнитные волны. При определённых условиях эти волны складываются и наблюдается излучение.

Это самопроизвольное испускание лептонов ().

Радиационную обстановку в области формировали следующие факторы и события: " Глобальные выпадения радионуклидов, обусловленные ранее проводившимися ядерными испытаниями в атмосфере США, Великобританией, Францией, Китаем и СССР на полигонах; " Загрязнение территории техногенными радионуклидами вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года; " Загрязнение атмосферы естественными радионуклидами вследствие работы угольных котельных и ТЭЦ; " Загрязнение окружающей среды техногенными радионуклидами вследствие эксплуатации предприятий ядерного топливного цикла и др.
Цепная ядерная реакция Ядерные силы