Основы радиохимии и радиоэкологии

В жидкой среде образуется е, а в твердой - е.

(АВ) + АВ >А + В

Вероятность радиационно-химических реакций оказывается тем выше, чем меньше передается энергии на перемещение ядер. Это возможно в тех случаях, когда возбужденное состояние имеет малые времена жизни.

Свободные радикалы, атомы, ионы, молекулы, образовавшиеся при описанных выше вторичных процессах, взаимодействуют с окружающими молекулами среды, в результате чего происходит ряд химических процессов и могут развиваться цепные реакции. Реакции, которые происходят с момента появления первичных активных форм до образования конечных стабильных молекул, называют процессом передачи энергии вследствие прямого действия ионизирующего излучения.

Ни одна из приведенных выше реакций не является абсолютно специфической для радиационной химии. Эти же реакции могут происходить при воздействии квантов оптической частоты, в электрическом разряде, при действии медленных электронов в ионном источнике масс- спектрометра, в кавитационных полостях внутри жидкости, создаваемых ультразвуковым полем, при поглощении микроволновой мощности и т. д. Поскольку радиационно-химические реакции происходят при непрерывной подаче в систему энергии ионизирующего излучения, они характеризуются существенной неравновесностью концентраций промежуточных и конечных продуктов. Вследствие этого можно говорить лишь об установлении стационарных концентраций продуктов этих реакций.

Для идентификации и количественного определения продуктов радиолиза наряду с обычными химическими методами широко применяют методы ИКС, ЭПР, ЯМР , методы регистрации флуоресценции и хемилюминисценции и др.

6.3 РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Радиационно-химические реакции, протекающие в воде и водных растворах, представляют интерес по двум причинам.

Во-первых, вода применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя, а в водных растворах осуществляются многие процессы, связанные с производством оружия и выделением продуктов ядерного деления.

Во-вторых, существует большое сходство в радиационно-химическом поведении водных растворов и биологических систем. Вследствие этого исследование влияния ионизирующих излучений на водные растворы может служить основой для оценки действия радиации на живые ткани. Поэтому эти системы в настоящее время наиболее полно исследованы.

В настоящее время является общепризнанной радикальная теория радиолиза воды, предложенная в 1944 году Дж. Вейсом.

Ионизирующее излучение, как было описано выше, производит ионизацию молекул воды и их возбуждение:

Н₂О --WW Н₂О⁺ + е^-

Н₂О --WW Н₂О*

Выбитые электроны после замедления сольватируются и затем взаимодействуют с водой с образованием атомарного водорода:

е + Н₂О + ОН

Вторичные реакции ионов и возбужденных молекул воды приводят к образованию радикалов и :

Н₂О* + : или

Н₂О⁺+ Н₂О Н₃О⁺ +

Процессы ионизации и образования радикалов происходят очень быстро. Так в зависимости от энергии частицы ионизация протекает за 10^-18 -10^-16 с. Превращение иона Н₂О⁺ в гидроксильный радикал осуществляется приблизительно за 10^-12 -10^-11 с.

Образовавшиеся радикалы взаимодействуют с другими молекулами воды и растворенными веществами. В местах высокой концентрации свободные радикалы вступают во взаимодействие друг с другом, при этом образуются такие продукты радиолиза как Н₂, Н₂О₂, Н₂О:

+ Н₂

+ Н₂О₂

+ Н₂О

Эти реакции наиболее вероятны для тех видов излучений, которые дают большую плотность ионизации, например для б - частиц.

Не исключено, что некоторое количество Н₂ и Н₂О₂ образуются в результате прямого разложения воды по реакции

Н₂О^*+ Н₂О Н₂ + Н₂О₂

Среди конечных продуктов радиолиза воды есть и О₂, особенно много его для ионизирующего излучения с высокой ЛПЭ, где концентрация первичных и конечных продуктов радиолиза велика:

Н₂О₂ + Н₂О +

Н₂ + Н₂О +

Н₂О₂ + + Н₂О

+ Н₂О₂ + О₂

Образовавшиеся при радиолизе воды продукты,и называют радикальными продуктами, а Н₂О₂, Н₂ и О₂ - молекулярными продуктами. Продукты радиолиза воды, за исключением Н₂, весьма реакционноспособны (особенно свободные радикалы и ), так как они имеют неспаренные электроны, способные образовывать химические связи.

Атомарный водород, как правило, проявляет восстановительные свойства. Его восстановительные свойства зависят от рН среды и реакционной способности растворенного вещества. В кислых растворах атомы проявляют окислительные свойства с образованием Н, которые способны окислять Fe²⁺и J^-

+ Н⁺ Н

Радикалы взаимодействуют с другими молекулами воды и растворенными веществами, в результате чего развиваются цепные реакции. При взаимодействии этих радикалов попарно цепи обрываются.

При облучении разбавленных водных растворов лишь ничтожная доля растворенного вещества претерпевает радиолиз непосредственно под действием излучения. Молекулы растворенного вещества реагируют с продуктами радиолиза воды, при этом протекают окислительно- восстановительные реакции.

При радиолизе концентрированных водных растворов нельзя пренебрегать прямым действием излучения на растворенное вещество, и процесс радиолиза усложняется. Так при радиолизе концентрированных растворов нитратов и нитритов наблюдается образование азота, закиси и окиси азота, что не имеет места при радиолизе разбавленных растворов.

В воде и водных растворах отчетливо проявляются особенности, связанные с тем, что поглощение энергии в облучаемой среде происходит не непрерывно, а отдельными порциями, величину которых оценивают для воды в 70 - 100 эВ. В месте поглощения такой порции по следу ионизирующей частицы образуется группа из химически активных частиц, получившая название « шпоры». Предполагается, что в «шпоре» образуется 2-3 пары ионов и около 6 возбужденных молекул, которые в пределе могут дать около 9 пар радикалов.

6.3.1 ВЫХОДЫ ПРОДУКТОВ РАДИОЛИЗА ВОДЫ

Максимально возможный выход разложения воды можно оценить из величин среднего потенциала ионизации воды (W), нижнего потенциала ионизации воды (I)? И пороговой энергии электронного возбуждения воды ( Е):

W=24,6 эВ I= 10,06 эВ E= 7,4 эВ

G⁰ _НО = ,

находим, что максимально возможный выход разложения жидкой воды равен 12 молекул на 100 эВ.

6.4 ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Механизм радиационно-химических реакций с органическими соединениями несравненно более сложен, чем для простых реакций в газовой фазе или реакций вводном растворе. Вследствие разнообразия классов органических соединений этот механизм, очевидно, не является единым.

При радиолизе органических соединений происходит разрыв связей С- С, С- Н и связей углерода с функциональными группами, в результате чего появляются радикалы нескольких типов, при взаимодействии которых образуются соединения как с меньшим, так и с большим числом углеродных атомов, чем в исходной молекуле.

Кроме того, происходит дегидрирование с образованием водорода и соединений с двойной связью. Число образующихся при радиолизе органических веществ, как правило, велико. Например, при радиолизе пентана образуется более 17 соединений.

По своей радиационной устойчивости углеводороды располагаются в следующий ряд: ароматические насыщенные ненасыщенные. Наибольшая устойчивость к радиоактивному излучению ароматических углеводородов, вероятно, связана с тем, что р-связь в кольце способна рассеивать энергию возбуждения через высвечивание или распределение энергии по всей молекуле.

При радиолизе смеси ароматических соединений или ароматических соединений с неароматическими наблюдается явление передачи энергии от молекул одного соединения к молекулам другого. Это явление вместе c явлением тушения люминисценции, возникающей при облучении некоторых органических соединений, указывает на роль возбужденных молекул в процессах радиолиза.

Основным газообразным продуктом радиолиза углеводородов, является водород,

Имеются два пути образования водорода:

Радикальный:

RH--WW + R

RH+ R +H_2;

Общий выход радикалов не зависит от строения предельного углеводорода и равен 6-8 радикалов на 100 эВ.

2. Молекулярный:

RH--WW H₂ +ненасыщенные органические соединения.

Второй обязательный продукт радиолиза углеводородов- метан, выход которого убывает с удлинением цепи углеводорода. Он образуется из концевых групп:

+ RНСН₄ +

Органические соединения с функциональными группами в большинстве случаев менее радиационно-устойчивы, чем соответствующие углеводороды.

6.5 РАДИОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ДНК ( ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА)

Как известно, наиболее тяжелыми последствиями для судьбы клетки является повреждение молекулы ДНК. Главная цепь ДНК состоит из чередующихся дезоксирибозных и фосфатных звеньев. В свою очередь звенья дезоксирибозы связаны с аденином, гнуанином, тимином и цитозином (азотистые основания ДНК).

Радиационно-химические превращения оснований ДНК исследованы в их водных растворах.

Эти реакции характеризуются большими значениями констант скоростей, особенно в случае взаимодействия с гидратированным электроном и гидроксильным радикалом.

При радиолизе водных растворов ДНК протекают два главных процесса- деполимеризация и превращение азотистых оснований биополимера. При деполимеризации происходит разрушение дезоксирибозного фрагмента ДНК. Деполимеризация ДНК проявляется в уменьшении молекулярной массы биополимера и вязкости растворов. Одновременно с уменьшением молекулярной массы происходит разрыв водородных связей. Этот процесс является причиной денатурации ДНК.

В присутствии кислорода появляются гидроперекиси.

Все процессы, происходящие при облучении ДНК, обусловлены в основном взаимодействием ДНК с еи . Радикалы вступают в окислительно-восстановительные реакции с фрагментами ДНК.

6.6 РАДИОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БЕЛКОВ

Белковые молекулы состоят из длинных полипептидных цепей, состоящих из остатков б-аминокислот. Радиационно-химические превращения белковых молекул определяются, прежде всего, действием радиации на аминокислоты.

Основные процессы, протекающие при облучении водных растворов белков - деструкция полипептидной связи с образованием низкомолекулярных продуктов, возникновение сшивок, реакции радикальных продуктов радиолиза воды (,,) с боковыми ответвлениями аминокислотных остатков полипептидной цепи, инактивация ферментов, денатурация.

Все эти процессы, как и в случае с ДНК обусловлены в значительной степени взаимодействием белков с еи.

Все очень схематично представленные превращения биологически важных веществ не описывают всей сложности процессов, происходящих в живой клетке при ее облучении. Действительно, доза в 2, 5 -4 Гр вызывает смерть 50% облученных в течение месяца после радиационного воздействия на весь организм. В то же время химические превращения в обычных системах при таких дозах ничтожны. Очевидно, кроме косвенного действия продуктов радиолиза воды (ее в живой клетке 85%) происходит прямое действие излучения на биополимеры. И даже с учетом этого эффекта биологическое действие излучения невозможно объяснить только химическими превращениями, связанными с ионизацией, возбуждением и реакциями с участием свободных радикалов.

Тем не менее, радиационно-химический подход к решению проблем радиобиологии дает возможность установить в молекулах биополимеров места наиболее чувствительные к действию ионизирующего излучения, а также наметить пути управления процессами радиационной защиты.

6.7 РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Главное, на что принято обращать внимание при рассмотрении поведения материалов в радиационных полях, - это на их способность противостоять воздействию излучений и сохранять исходные свойства, что определяют термином "радиационная стойкость". По своей радиационной стойкости вещества и материалы значительно отличаются. Это обусловлено, прежде всего различиями их физико-химических характеристик: элементного состава, фазового состояния, химического и электронного состояния молекул, дефектности структуры. Радиационная стойкость существенно зависит от радиационной обстановки, вида излучений, мощности дозы, температуры окружающей среды, условий эксплуатации. В качестве примера приведены данные о значениях доз, которые значительно изменяют свойства некоторых материалов.

6.7.1 РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Приведем несколько примеров радиационной стойкости материалов, наиболее употребляемых в ядерной энергетике. Вода и водные растворы широко используются в активной зоне ядерных реакторов, бассейнах-хранилищах отработанного ядерного топлива, при переработке отработанного ядерного топлива. При радиолизе воды образуются такие продукты, как водород, кислород и перекись водорода. Образование водорода создает проблему предотвращения возможного взрыва смеси водорода и кислорода. В водной среде в условиях действия радиации ускоряются процессы коррозии конструкционных материалов, что может повлиять на ядерную и радиационную безопасность работы атомных электростанций.

В оборудовании атомных электростанций полимерные материалы широко используют в качестве изоляционных и защитных материалов проводов и кабелей, а резины - в качестве уплотнителей. При облучении в полимерах происходят сшивание (образование поперечных межмолекулярных связей), деструкция (разрывы связей в главной цепи и боковых группах), изменение химической ненасыщенности (исчезновение и образование двойных связей различного типа), окисление, газовыделение. При сшивании линейный полимер превращается в пространственный и его молекулярная масса возрастает. При деструкции молекулярная масса полимера уменьшается. Обычно сшивание и деструкция протекают одновременно. Соотношение скоростей этих процессов сильно зависит от химической структуры полимера, его физического строения, условий облучения. Полимеры разделяются на преимущественно сшивающиеся и преимущественно деструктирующие. Радиационно-химические выходы сшивания лежат в интервале 0,02-3, деструкции 0,01-10. Предельные дозы для полимерных электроизоляционных материалов лежат в широких пределах от 0,02-0,2 (для некоторых фторсодержащих полимеров) до 10 (радиационно-сшитый полиэтилен) и 100 МГр (полиимиды).

Поскольку металлы представляют собой остов из положительных ионов, погруженных в электронный газ, то возбуждение и ионизация, произведенные излучением, не оказывают никакого влияния на свойства металлов. Существенное воздействие на свойства металлов оказывают дефекты, возникающие при упругих соударениях. Облучение нейтронами приводит к увеличению объема металла (радиационное распухание), которое может достигать 10-20%. Проходящее при облучении упрочнение металлов и сплавов приводит к понижению их пластичности и в результате к охрупчиванию.

6.8 РАДИАЦИОННО- ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Современный период характеризуется интенсивным развитием прикладной радиационной химии и физики и становлением радиационно-химических и радиационно-физических технологий, которые имеют некоторые преимущества по сравнению с традиционными технологиями. Например, скорость инициирования радиационно-химического процесса почти не зависит от температуры, поэтому процессы можно проводить при сравнительно низких температурах. Скоростью радиационно-химических процессов легко управлять изменением мощности дозы, а сами процессы можно осуществлять без химических инициаторов и катализаторов.

Наибольшие успехи достигнуты в области радиационного модифицирования материалов, особенно полимерных, радиационной полимеризации и прививочной сополимеризации. В промышленном отношении наиболее значимыми оказались процессы радиационного сшивания полимеров, которые приводят к повышению термостойкости, механической прочности и улучшению других свойств полимерных материалов. Радиационно-химическая технология сшивания полимеров является основой промышленных производств электроизоляции кабелей и проводов из полиэтилена и поливинилхлорида, термоусаживающихся пленок, трубок, лент и других изделий главным образом на основе полиэтилена, термостойкой самослипающейся изоляционной ленты с использованием полисилоксанового каучука. Дозы, необходимые для сшивания, например, полиэтиленовой изоляции кабеля и термоусаживающейся пленки составляют 0,1-0,4 МГр.

Широкое распространение получила технология радиационного отверждения полимеризующихся композиций в тонких слоях на различных поверхностях (дерево, металл, бумага) при облучении ускоренными электронами. Обычно основу композиций составляют смеси непредельных олигоэфиров с виниловыми мономерами или смеси олигоэфиров разного типа. В зависимости от состава композиций и условий облучения дозы, необходимые для их отверждения, находятся в диапазоне от 20 до 200 кГр.

В микроэлектронике на стадии литографической обработки широко используют электронные пучки и рентгеновское излучение (в последнее время все в большей степени пучки тяжелых ионов и синхротронное излучение). В зависимости от типа используемого полимерного материала ионизирующее излучение или сшивает его, или вызывает деструкцию. Обработка облученного через маску-шаблон полимерного слоя соответствующим растворителем удаляет либо необлученные участки в случае сшивающегося полимера и образуется негативное изображение, либо облученные участки в случае деструктирующего полимера и образует позитивное изображение.

Весьма перспективными материалами являются ядерные трековые фильтры и мембраны, которые получают облучением тонких полимерных пленок ускоренными многозарядными тяжелыми ионами или осколками деления урана в ядерном реакторе с последующим обычно химическим травлением. В результате образуются поры правильной цилиндрической формы с малой дисперсией по размерам. Так, дисперсия пор ядерных фильтров из полиэтилентерефталатной пленки составляет примерно 2% в диапазоне диаметров от 0,05 до 10 мкм. Трековые фильтры и мембраны находят все более широкое практическое применение, например при производстве элементной базы микроэлектроники, где требования к чистоте воздуха и технологических жидкостей высоки, в различных разделительных процессах, в частности лечебного и донорского плазмафереза крови.

К радиационно-химическим технологиям примыкают радиационная стерилизация медицинского инструментария, лекарств и радиационная обработка пищевых продуктов, поскольку их составной частью являются некоторые радиационно-химические процессы.

Все большие промышленные перспективы просматриваются у радиационно-химических технологий, направленных на решение экологических проблем, в частности по очистке промышленных сточных вод и выбросных газов.

Следует отметить, что пока продукция радиационно-химических технологий занимает скромное место в общем объеме промышленного производства. Однако в мире темпы роста производства продукции радиационными методами весьма высоки, что дает основание надеяться на успешную конкуренцию радиационно-химических технологий с традиционными.

Глава 7. Получение РАДИОНУКЛИДОВ. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Известно несколько путей образования и получения радиоактивных нуклидов:

- переработка руд урана и тория, в которых в результате радиоактивного распада ²³⁵U, ²³⁸U и ²³²Th образуются радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами от 81 до 91;

-ядерные реакции в различных установках, с последующим извлечением изотопов из облученных мишеней;

-ядерные реакции в Звездах и в результате взаимодействия космического излучения с веществом;

- ядерные реакции в природе;

-ядерный взрыв.

Физическим процессом, который лежит в основе образования и получения радионуклидов, являются ядерные реакции.

7.1 Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются процессы, в ходе которых атомные ядра под воздействием электрически заряженных частиц (протонов, -частиц и т.д.) нейтронов, гамма-квантов или других элементарных частиц превращаются в новые ядра, либо несколько ядер и элементарных частиц. Ядерные реакции в огромных масштабах протекают в природе. Однако, обстоятельные и разносторонние исследования ядерных реакций и получение искусственных радионуклидов по этим реакциям стали возможны благодаря созданию ускорителей частиц и атомных реакторов. Получение радиоактивных изотопов по ядерным реакциям осуществляется облучением мишеней в ядерном реакторе нейтронами и на ускорителях (циклотронах, бетатронах, линейных ускорителях, нейтронных генераторах) дейтронами, протонами, альфа-частицами, нейтронами, фотонами и ядрами атомов химических элементов (кислорода, азота, углерода и др.). Первую ядерную реакцию, осуществил Э. Резерфорд в 1919 г.:

N + He > O + H

7.2 Механизм ядерных реакций

Согласно существующим представлениям ядерные реакции протекают в три этапа. 1. Первый этап заключается в захвате частицы ядром мишени и образованием возбужденного составного ядра (компаунд - ядра), при этом частицы теряют большую часть своей энергии.

A+a[Aa]B+b,

2. Второй этап включает протекающий во времени процесс перераспределения энергии частиц внутри компаунд-ядра.

3. Последний этап - мгновенный распад компаунд-ядра с образованием конечных продуктов.

Процесс соударения бомбардирующей частицы с ядром длится ~ 10^-21с, а составное ядро до своего распада существует значительно дольше (~ 10^-12с).

При облучении одного и того же ядра частицами данного сорта реакция может идти в нескольких направлениях. Например, распад составного ядра Al может происходит несколькими путями:

Mg + H

Al + n >[Al ] > Al +2n

Al +

Ядерные реакции во многих отношениях подобны химическим реакциям.

Также как и для химических реакций, для ядерных реакций справедливы основные законы физики:

Закон сохранения электрического заряда.

«Сумма электрических зарядов ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов ядер и частиц, получающихся в результате реакции». При записи ядерной реакции в развернутой форме, суммы нижних индексов до и после реакции одинаковы.

Например:

N + б > O + p

2. Закон сохранения числа нуклонов.

«Общее количество нуклонов в ядрах и частицах, вступающих в реакцию, равно количеству нуклонов в ядрах и частицах , получающихся при реакции, т.е. сумма верхних индексов до и после реакции одинакова». Закон сохранения числа нуклонов позволяет установить массовое число конечного ядра и в совокупности с предыдущим законом полностью определить характеристику нуклида, получающегося при ядерной реакции. Например:

C + р > N +

Закон сохранения энергии.

Применительно к ядерным реакциям закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом:

«Полная энергия всех ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна полной энергии всех ядер и частиц ,получающихся при реакции».

Тепловой эффект ядерной реакции соответствует выраженной в энергетических единицах разности масс покоя продуктов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции

ДЕ = с² ( ?m₁ - ?m₂) МэВ, (6.1)

где ?m₁ и ?m₂ - суммы масс покоя исходных и образующихся ядер и частиц соответственно.

Выделившуюся или поглощенную энергию в ядерных реакциях выражают в электрон-вольтах, чаще в мегаэлектронвольтах (1 МэВ=10⁶).

Например:

Ni+ > Zn + 2 n

ДЕ = c²(63,9536+4,003870) - (61,9536+2·1,00) = -0,112·931МэВ

Ядерные реакции записываются так же, как и химические реакции: в левой части уравнения ставят символы реагирующих частиц, в правой - символы образующихся продуктов. Около каждого символа указывается массовое число, а иногда и заряд. Например:

Al + > P + n

В общем виде ядерную реакцию записывают:

А + а > В + в,

где А - мишень (исходное ядро),

а - бомбардирующая частица,

в - вылетающая в результате реакции частица,

В - образующееся новое ядро (конечное ядро).

Часто употребляют сокращенную запись ядерных реакций, при которой между символами исходного и конечного ядер ставят в круглых скобках символы бомбардирующей и вылетающей частицы:

А (а, в) В, или ¹⁴N (, p) ¹⁷O

В то же время между ядерными и химическими реакциями имеются существенные отличия:

В химических реакциях рассматриваются превращения весовых количеств вещества, в ядерных - отдельных атомов. Поэтому ядерные реакции всегда относят к 1 атому, а химические к 1 молю вещества. В соответствии с этим выделившуюся или поглощенную энергию в ядерных реакциях выражают в электронвольтах, чаще всего в мегаэлектронвольтах ( 1 МэВ= 1•10⁶ эВ ), в то время как в химических реакциях ее указывают в Джоулях на моль( 96 кДж/моль соответствует 1 эВ/атом).

В химических реакциях не происходит превращения элементов. Химические реакции сопровождаются изменением связи между атомами. В ядерных реакциях образуются новые нуклиды, которые могут принадлежать различным элементам;

В химических реакциях, как правило, выделяется значительно меньше энергии, чем в ядерных реакциях, которые сопровождаются превращением значительной части материи в энергию. Например, при делении 1 г ³²⁵U выделяется 8,4·10⁷ кДж по сравнению с 33,9 кДж, которые выделяются при сгорании 1 г угля.

7.3 Основные характеристики ядерных реакций

7.3.1 ВЫХОД ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

В отличие от химических реакций, при которых исходные вещества, взятые в эквивалентных количествах, реагируют практически нацело, ядерную реакцию вызывает лишь небольшая доля частиц из общего потока, пронизывающего бомбардируемую мишень. Это происходит прежде всего из- за малых размеров атомного ядра(10^-14м), по сравнению с размерами всего атома, вследствие чего вероятность соударения бомбардирующей частицы и ядра, приводящего к ядерной реакции, крайне мала. Из миллиона попадающих на мишень ускоренных частиц не более одной вступает в ядерное взаимодействие. Остальные рассеивают свою энергию на электронах атомов мишени и замедляются до скоростей, при которых реакция становится невозможной

Поэтому важной характеристикой ядерной реакции является ее эффективность, или выход реакции (Y), т.е. отношение числа частиц, принимающих участие в ядерном превращении (N_r), к общему числу бомбардирующих частиц (N_o).

, (6.2)

где Y - выход ядерной реакции;

N_r- число частиц, принимающих участие в ядерном превращении;

N_o- общее число бомбардирующих частиц;

Значение Y зависит от типа реакции, от энергии падающих частиц, типа мишени, геометрии. Значением Y может иметь значение от 0 до 1.

7.3.2 ЭФФЕКТИВНОЕ СЕЧЕНИЕ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Чтобы рассчитать выход ядерной реакции, надо знать вероятность того, что частица столкнется с атомным ядром и при этом произойдет интересующая нас реакция. Вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие, характеризуется эффективным сечением реакции().

Эффективное сечение ядерной реакции - это площадь поперечного сечения ядра, в которое должно «попасть» другое ядро, чтобы произошло их взаимодействие

Число частиц, принявших участие в ядерной реакции можно найти из уравнения:

N_r = N_0·( 1- e^-) (6.3)

где N_r- число частиц, принявших участие в ядерной реакции;

N₀ -число частиц, падающих на мишень;

n₀ - число ядер мишени в 1 м³ ;.

- толщина мишени в м

Функцию e^- можно разложить в ряд :

e^-= 1 -+ -…..

Если пучок нейтронов падает на тонкую мишень, т. е. такую, при прохождении через которую интенсивность пучка практически не меняется, а показатель степени мал, в разложении можно ограничиться только первыми двумя членами. Тогда уравнение () можно записать:

N_r = N_0·n_0·у·х (6.4)

Отсюда,

Каждая ядерная реакция характеризуется своим эффективным сечением.

Отсюда следует, чем более вероятен процесс, тем больше его эффективность и поперечное сечение. Эффективные сечения ядерных реакций имеют значения от 10^-22 до 10^-44м².

Эффективное сечение реакции лишь по названию и размерности напоминает геометрическое сечение ядра. Фактически же - это условная величина, определяющая вероятность ядерной реакции при данных условиях.

Число нейтронов, проходящих через единицу объема в единицу времени, называется нейтронным потоком Ф.

Скорость любой нейтронной реакции можно выразить через произведение полного потока нейтронов на макроскопическое сечение:

.

Кроме понятия выхода реакции, существует понятие плотность потока (или поток), обозначается Ф и представляет собой число частиц N , падающих на 1м² площади S в единицу времени t(с) - ():

Ф = (6.5)

7.4 Классификация ядерных реакций

В зависимости от природы бомбардирующей частицы и частицы, выбиваемой из ядра, ядерные реакции делят на типы. Так, говорят об (,р)-реакции, (,n)-реакции и т.д.

Сводка некоторых основных типов ядерных реакций представлена в таблице

Таблица. Основные типы ядерных реакций

Частицы, вызывающие ядерные реакции	Частицы, получающиеся в результате ядерных реакций
		t	d	p	n
	(, )	(, t)	(, d)	(, p)	(, n)	(, )
t	(t, )	(t, t)	(t, d)	(t, p)	(t, n)	(t, )
d	(d, )	(d, t)	(d, d)	(d, p)	(d, n)	(d, )
p	(p, )	(p, t)	(p, d)	(p, p)	(p, n)	(p, )
n	(n, )	(n, t)	(n, d)	(n, p)	(n, n)	(n, )
	(, )	(, t)	(, d)	(, p)	(, n)	(, )

7.5 Ядерные реакции и образование радионуклидов в природе

Прежде всего необходимо задать вопрос: откуда появились радиоактивные нуклиды в природе? По современным космогоническим представлениям вещество планет образовалось из плазмы (в основном водородной) Звезды, разогретой до десятков и сотен миллионов градусов. При таких температурах протекают термоядерные реакции, в основном слияния ядер водорода 4 H He с образованием гелия и выделением огромного количества энергии (26,72МэВ на каждый акт слияния):

H +H D +e⁺ +

D+H He +

He +H He + e⁺

4 H He +2е⁺+ 26,72 МэВ

Таким образом, энергия Звезд в первую очередь обусловлена синтезом гелия, который, осуществляется в процессе протон-протонного цикла.

Реакции этой серии не являются единственными реакциями слияния, протекающими на Солнце. Во внутренних областях Солнца и в более горячих по сравнению с Солнцем Звездах синтез гелия происходит в ходе углеродно-азотного цикла:

H+C N++ 1,9МэВ

N C+е⁺

C +H N +

N +H O +

O N+e⁺

N +H C + Hе

4H Hе +2e⁺+(26,72 МэВ)

В процессе эволюции Звезды количество гелия возрастает, при высокой температуре часть гелия ионизирована и ионы гелия ведут себя как высокоэнергетичные альфа-частицы.

Вследствие этого в звездах идут одна за другой многочисленные ядерные реакции, которые приводят к образованию тяжелых атомных ядер. Например:

Тяжелые ядра возникают также по реакции (p, ):

С уменьшением содержания водорода на передний план выступают реакции типа:

,

в ходе которых возникают свободные нейтроны. В результате становятся возможными реакции (n, ), сопровождаемые - распадом. Далее возникают атомы с более высокими порядковыми номерами и массовыми числами.

В ядерных реакциях особого вида образуется космическое излучение, состоящее из атомных ядер, движущихся с очень большой скоростью и попадающих на Землю из самых далеких областей Вселенной. В первичном космическом излучении около 90 % приходится на долю протонов, имеются также, ядра гелия и более тяжелые атомные ядра. В результате воздействия космических лучей на компоненты газовой смеси азот- кислород, происходит расщепление этих ядер и появляются быстрые нейтроны.

N (p, n) O

Нейтроны действуют на ядра атомов азота, при этом образуется С по реакции

N (n,p) С,

Атомы углерода взаимодействуют с кислородом, образуя СО₂.

В верхних слоях атмосферы протекают также реакции

Н (n,) Н и He (n,p) Н.

Итак, в результате дальнейшего синтеза легких ядер, захвата ядрами нейтронов образуются все элементы Вселенной. Некоторые из радиоактивных элементов имеют такой большой период полураспада, что сохраняются в природе с момента образования Солнечной системы ¹²⁹I( 1,6?10⁷лет), ²⁴⁴Pu (8,2?10⁷лет), ²³⁵U(7,1?10⁷лет), ²³⁸U( 4,5?10⁹ лет), ²³²Th (1,4?10¹⁰лет), ⁴⁰K(1,3?10⁹лет). ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th распадаясь, дают начало радиоактивным семействам. Кроме радиоактивного распада, который приводит к образованию радиоактивных изотопов- членов семейств ²³⁵U, ²³⁸U и ²³²Th в природе осуществляется ряд ядерных реакций, приводящих к образованию радионуклидов.

В земной коре под действием альфа-частиц, образующихся в результате альфа-распада урана и тория, происходит ряд ядерных реакций (,n), в результате которых образуются радиоактивные изотопы и нейтроны. Примером таких реакций служит образование Na из фтора F(,n) Na

Взаимодействие альфа-частиц с ядрами многих элементов приводит также к образованию нейтронов. Таким образом, альфа-излучающие элементы являются источниками нейтронов в природе.

Нейтроны действуют практически на все химические элементы с образованием радиоактивных изотопов. При действии нейтронов на ²³⁸U происходит образование Pu с периодом полураспада 2,4•10⁴:

U( n, г) U NpPu,

Взаимодействие нейтронов с ядрами атомов ²³⁸U приводит также к образованию долгоживущего изотопа нептуния с периодом полураспада 2,25•10⁶ лет:

U(n, 2n) UNp

При действии нейтронов на Th происходит образование U c периодом полураспада 1,63•10⁵ лет:

Th (n, г)Th РаU

Однако такие реакции возникают крайне редко, поэтому в природе Np, Pu и ²³³U накапливаются крайне редко.

В земной коре благодаря ядерным реакциям химических элементов с нейтронами всех водородсодержащих веществ происходит образование трития

Н (n,) Н

7.6 Получение радионуклидов по ядерным реакциям

В настоящее время можно получить радиоактивные изотопы почти всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева.

Получение радиоактивных изотопов по ядерным реакциям осуществляется облучением мишеней в ядерном реакторе нейтронами и на ускорителях (циклотрон, бетатрон, линейный ускоритель, нейтронный генератор) дейтронами, протонами, -частицами, нейтронами, фотонами или ядрами атомов химических элементов. Несмотря на то, что с момента открытия до настоящего времени проведено более десятка тысяч различных ядерных реакций, все они могут быть объединены в три группы:

1. Реакции, при которых заряд ядра не меняется

2. Реакции вынужденного деления

3. Реакции, при которых меняется заряд ядра

7.6.1 РЕАКЦИИ, ПРИ КОТОРЫХ ЗАРЯД ЯДРА Z НЕ МЕНЯЕТСЯ

Без изменения порядкового номера ядер облучаемого элемента протекают реакции типа (n,г), (г,n), (p,d),(n,2n), (d,p) и др. Например:

²³Na(n, 2n) ²²Na, ¹¹³Cd(n, г) ¹¹⁴Cd ,³⁵Cl(d, p)³⁶Cl

В результате таких реакций получаются некоторые нейтронодефицитные ядра, распадающиеся с испусканием позитронов:

²²Na > ²²Ne+ в⁺

Наиболее важными из перечисленных реакций являются реакции под действием нейтронов. Ядра всех элементов, за исключением Не, взаимодействуют с нейтронами с образованием многих нуклидов. Наиболее существенные реакции, идущие под действием тепловых нейтронов:

n + ¹⁴N ¹⁴C + р

n + ⁶Li ³H +

Источником нейтронов для осуществления ядерных реакций служат: урановый ядерный реактор, нейтронный генератор, циклотрон, лабораторные источники, основанные на реакциях (б, n), (, n) и спонтанном делении ядер.

Самыми распространенными являются реакции радиационного захвата (n, ), которые особенно эффективно протекают на медленных и тепловых нейтронах и позволяют получить радиоактивные изотопы почти всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Например:

Ca (n,)Ca

При этом образуется изотоп исходного элемента мишени. Отделение образовавшегося радиоактивного изотопа от материала мишени возможно только в том случае, если воспользоваться эффектом отдачи, т.е. использовать для облучения сложные соединения типа солей кислородных кислот, комплексных или внутрикомплексных соединений, органических соединений, в которых радиоактивный изотоп после ядерной реакции находится в иной химической форме, чем исходный элемент в мишени.

Отделение возможно и в том случае, когда материнский и дочерние изотопы находятся после ядерного превращения в разных фазах. Например, материнский изотоп взят в виде суспензии, а дочерний оказывается в растворе или материнский осажден на ионите в виде комплекса, а дочерний появится в ионном состоянии и легко смывается с колонки.

При облучении ряда элементов медленными нейтронами образуются радиоактивные изотопы, которые в результате - распада превращаются в радиоактивные изотопы следующего элемента за элементом мишени. Так при облучении платины Pt по реакции (n, ) образуется Pt, которая при - распаде превращается в Au:

Pt (n, ) Pt Au

Описанный способ получения изотопов требует отделения дочернего радиоактивного изотопа от материала мишени, но позволяет выделить его без носителя или с высокой удельной радиоактивностью. При этом материнский изотоп удобно адсорбировать на хроматографической колонке, а дочерний вымывать из нее по мере накопления подходящим растворителем.

Производство изотопов с применением реакции (n, ) осуществляется только в ядерных реакторах

Ядерным реактором называется устройство, в котором при определенных контролируемых условиях происходит регулируемая ядерная реакция.

Устройство реактора в значительной степени зависит от того, для каких целей он предназначен.

По своему назначению ядерные реакторы подразделяют на:

-реакторы для производства расщепляющихся материалов (плутония-239, урана-235 и др.);

-реакторы для производства радиоактивных изотопов;

-реакторы для получения ядерной энергии;

-реакторы для научно-исследовательских целей.

Существуют многоцелевые реакторы.

Нейтроны в ядерном реакторе получаются в процессе деления ядер урана ^233,235U, ²³⁹Pu. В зависимости от типа реактора энергетический спектр нейтронов в них может быть различным. Плотность потока нейтронов в активной зоне реактора для производства изотопов составляет 2,510¹³ 810¹⁴ нейтронов/(см²с).

В ядерных реакторах с помощью мощных потоков нейтронов были получены радиоактивные элементы с порядковыми номерами от 93 до 98.

Дальнейший синтез радиоактивных элементов по реакции(n, ) оказался невозможным, так как возникли проблемы, связанные с тем, что при удалении от урана время жизни элементов сокращается (ядро урана-238 живет миллиарды лет, ядра плутония-244 и кюрия-247 живут десятки миллионов лет, калифорний-251--900 лет, а эйнштейний распадается уже за 471 день. Время жизни элемента с порядковым номером 100, фермий-257, имеет период полураспада чуть больше 3-х месяцев. Захватив нейтрон, фермий 257 становится фермием-258, который самопроизвольно делиться за 300 микросекунд. Это полностью закрывает дальнейшее продвижение вперед - столь мало живущий элемент никак не успеет захватить следующий нейтрон. Кроме того для осуществления реакции необходимо увеличивать мощность потока выше 10¹⁸ нейтронов/(см²с), что может повлечь за собой взрыв.

Процессы образования новых элементов в реакторе и при взрыве одни и те же. Разница только во времени. Чтобы получить заметные количества далеких трансурановых элементов, нужно облучать нейтронами в реакторе исходную мишень очень длительное время, исчисляемое годами. При ядерном взрыве горючее сгорает сразу за миллионные доли секунды и общая мощность нейтронного потока составляет порядка 10²⁸ 10³⁰ нейтронов/(см²с). Такая плотность потока эквивалентна десяткам миллионов лет облучения в ядерном реакторе.

Основным недостатком реакций (n, ) является то, что синтезируемый радиоактивный изотоп оказывается сильно разбавленным материнским изотопом.

Реакции вынужденного деления тяжелых ядер ( n,f)

Особо важное место среди ядерных реакций занимают реакции вынужденного деления, которые в отличие от спонтанного деления протекают под воздействием бомбардирующих частиц.

Процесс деления возможен под действием нейтронов, протонов, дейтронов, альфа-частиц. Однако наибольшее значение для получения радионуклидов имеют реакции деления, вызванные нейтронами. В отличие от спонтанного деления(f), реакции вынужденного деления под воздействием нейтронов обозначаются (n,f).

На протекании этих реакций основано:

а) высвобождение внутриядерной энергии;

б) получение различных радионуклидов;

в) получение мощных потоков нейтронов и гамма-квантов.

Первая реакция вынужденного деления была осуществлена Ганом и Штрассманом в 1939 г. путем бомбардировки тепловыми (медленными) нейтронами природного урана. Исследование продуктов деления урана показало, что участвовал в делении только более легкий из двух природных изотопов урана U. Более тяжелый изотоп U поглощает медленные нейтроны, но не делится. Как и при спонтанном делении, при вынужденном делении исходное ядро U после захвата нейтрона делится на два ядра с неравными массами (называемыми продуктами деления) при этом происходит испускание 2-3 нейтронов. Ядра при делении могут расщепиться самым различным образом.

Иногда ядро делится на три осколка, одним из которых является альфа- частица. Среди осколков деления и их продуктов, которые образуются в результате многочисленных цепочек распада, обнаружено более 250 различных изотопов. Периоды полураспада этих радиоактивных ядер колеблются от долей секунды до миллионов лет.

Осколки деления, все без исключения, являются в- радиоактивными - изотопам. Кроме того, в-распад сопровождается испусканием гамма-квантов.

Это следует из того, что в тяжелых ядрах велик нейтронный избыток по сравнению с изотопами элементов, расположенных в центре периодической системы.

Поэтому осколки деления образуют радиоактивные семейства или цепочки бета-распадающихся элементов. Цепочка заканчивается образованием либо стабильного, либо долгоживущего изотопа. В основном требуется от двух до пяти радиоактивных распадов, чтобы образовавшиеся осколки деления стали стабильными, например:

J Хe Cs Ba _стаб.

U +n>[U] + 2n

Y Zr Nb Mo _стаб., или

Ba La Ce Pr Nd_стаб.

U +n>[U] + 2n

Kr Rb Sr Y Zr_стаб.

Деление сопровождается высвобождением большого количества энергии (200 МэВ энергии на одно деление) за счет уменьшения массы покоя образующихся ядер по сравнению с массой покоя делящегося ядра. Для сравнения- при сгорании 1 моля органического топлива выделяется энергия от 2 до 5 эв!!

Освобождение нейтронов в процессе деления U приводит к возможности самоподдерживающейся цепной реакции. Если каждый испускаемый при делении нейтрон захватится способным к делению ядром, произойдет взрыв. Однако, этого не происходит по нескольким причинам: во-первых, делящееся вещество сильно разбавлено природным ураном, во-вторых существует возможность регулировать цепную реакцию.

Для развития цепной реакции необходимо чтобы отношение числа новых нейтронов, полученных при делении в элементе объема вещества, к числу нейтронов первоначально присутствующих в этом элементе объема, было не меньше единицы. Это отношение называется коэффициентом размножения К и является важнейшей характеристикой, определяющей развитие цепной реакции. Если К больше единицы, реакция может выйти из-под контроля и может произойти взрыв, при К меньше единицы цепная реакция останавливается.

Реакция деления кроме того зависит от критической массы и объема делящегося вещества.

Для осуществления цепной реакции необходимо создать размножающую среду, состоящую из чистого делящегося материала или из делящегося материала и замедлителя быстрых нейтронов.

Минимальная масса делящегося материала, необходимая для осуществления цепной реакции называется критической массой.

Приблизительные величины критической массы для U- 40 т, для U - 20 кг, для Pu -7 кг, для Сf-3 г.

Однако не все нейтроны последующего поколения вызывают деление. Некоторые нейтроны могут быть захвачены примесями или потеряны в объеме делящегося материала. Часть нейтронов теряется вследствие вылета из системы, имеющей конечные размеры. Относительное число нейтронов, вылетающих из системы и, следовательно, не участвующих в поддержании и развитии цепной реакции, зависит от размеров и формы системы.

Поэтому кроме критической массы для развития цепной ядерной реакции существенное значение имеет критический размер системы, ниже которого потери нейтронов настолько велики, что саморазвивающая цепная реакция невозможна. Утечка нейтронов в чистом веществе определяется площадью поверхности системы. Поэтому наиболее выгодной геометрической формой системы из делящегося материала является шар, так как сферическая форма характеризуется наименьшим отношением поверхности к объему.

Радиус шара, при котором коэффициент размножения нейтронов равен 1, называется критическим радиусом.

Эти положения легли в основу создания атомной бомбы, количество делящегося вещества в которой должно быть равно критической массе. Для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо в короткий промежуток времени привести в соприкосновение ее отдельные части так, чтобы образовалась сверхкритическая масса.

Как уже отмечалось, критичность системы непосредственно связана с коэффициентом размножения. Его величину можно изменить в зависимости от выбранных условий в том или ином направлении и тем самым регулировать развитие цепной реакции. Как во взрывных устройствах, так и в реакторах для уменьшения вероятности утечки нейтронов и сокращения критических размеров систему, содержащую делящееся вещество, окружают отражателем. В качестве отражателей могут быть использованы и замедлители нейтронов: графит, ВеО, D₂O. U является единственным изотопом, встречающимся в природе, который может поддерживать цепную реакцию деления, однако в ядерных реакторах могут быть получены

U и Pu из не делящихся U и Th, которые затем используются в качестве ядерного горючего.

Более тяжелый изотоп U захватывает (радиационный захват) медленные нейтроны с образованием составного ядра U, которое распадается до основного состояния с испусканием одного или нескольких гамма- квантов, бета- частицы, протона или альфа- частицы:

U(n, г) U Np Pu U

Таким образом, U с одной стороны является ядом для цепной реакции, с другой стороны в результате радиационного захвата возможно воспроизводство ядерного горючего с образованием делящихся Pu и U. Если ядерный реактор работает на смеси природного Th с U при радиационном захвате нейтрона торием возможно получение U:

Th (n, г) Th Pa U

Естественно, приведенные цепочки превращений схематичны; на самом деле они гораздо более сложные. Каждый из промежуточных изотопов может в свою очередь поглотить нейтрон и превратиться в более тяжелый изотоп последующего после ^-распада. Но ядра могут распадаться и другими способами: выбрасывая частицу, либо испытывая протонный или двупротонный распад, вероятность которого возрастает с ростом заряда ядра Z.

Содержание радиоактивных изотопов в смеси продуктов непрерывно меняется; исчезают короткоживущие осколки деления, накапливаются дочерние радиоактивные изотопы продукты распада.

Итак, в ядерном реакторе при делении урана-235 под действием медленных нейтронов образуется более 250 нуклидов 35 элементов с числом нуклонов от 72 до 161 , т.е. элементы от цинка (₃₀Zn) до тербия (₆₅Tb), большая часть которых радиоактивна. Из продуктов деления впервые были выделены в весомых количествах такие элементы как технеций (₄₃Tc) и прометий (₆₁Pm), не имеющие долгоживущих (сравнимых с возрастом Земли) изотопов, поэтому отсутствующих в природе.