Ян Мархоцкий - Радиационная и экологическая безопасность атомной энергетики

Мягкие γ-лучи обладают энергией до 0,2 МэВ; средней жесткости – 0,2–1 МэВ; жесткие – 1—10 МэВ; сверхжесткие – более 10 МэВ.

Нейтроны – частицы, не обладающие электрическим зарядом, масса которых примерно равна массе протонов. Нейтроны были открыты в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Они проникают в ядра атомов и вызывают ядерные реакции. Это дало возможность получить искусственные радиоактивные изотопы. В каждом ядре их ровно столько, сколько нужно, чтобы заполнить разницу между численным значением массы ядра атома и количеством протонов в нем.

В зависимости от кинетической энергии нейтроны подразделяются на быстрые – 0,15–10 МэВ, сверхбыстрые – 500 МэВ, промежуточные – 5 КэВ—0,5 МэВ, медленные – 0,1–5 КэВ, тепловые – в пределах 0,025 МэВ.

Под воздействием нейтронов элементы Na, К, С, N, Р, превращаются в радионуклиды – γ-излучатели, т. е. создается наведенная радиоактивность. Если нейтронов в атоме слишком много, они могут превращаться в протоны, т. е. образуется новый химический элемент. Источником нейтронов являются атомные реакторы.

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение с длиной волны порядка от 80 нм до 0,001 нм.

В 1895 г. Рентгеном был открыт новый вид излучения (рентгеновские лучи). Со стороны длинных волн рентгеновское излучение граничит с ультрафиолетовым излучением, а со стороны коротких волн оно в значительной степени перекрывается ядерным γ-излучением. Как правило, в медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны от 10 до 0,005 нм, чему соответствует энергия от 100 эВ до 0,5 МэВ.

Рентгеновское излучение невидимо и по способу возбуждения подразделяется на:

• характеристическое (жесткое, λ = 0,01 нм и меньше);

• тормозное (мягкое, λ от 0,01 нм и больше).

Проходя через тело, фотоны рентгеновского излучения взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества, а достаточно жесткое излучение может взаимодействовать также с ядрами атомов. При этом происходят следующие первичные процессы: когерентное рассеяние, фотоэффект и комптон-эффект.

Обычно в медицинской диагностике используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100–120 КэВ, а при лучевой терапии – 150–200 КэВ.

Как было отмечено ранее, известно, радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) ядер некоторых химических элементов, приводящее к изменению их атомного номера и массового числа. Распад радиоактивных ядер сопровождается ионизирующим излучением. Спонтанный распад атомных ядер следует экспоненциальному закону:

N=N 0·e -λt,

где N — количество ядер в данном объеме вещества в момент времени t, N 0— количество ядер в данном объеме вещества в момент времени t = 0; λ – постоянная распада (доли ядер, распадающихся за 1 с).

Величина τ, обратная λ, называется средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа τ = 1/λ

Радиоактивные излучения возникают лишь в момент самопроизвольного превращения неустойчивого радионуклида в другой изотоп. Одни радиоактивные изотопы изменяются быстро, превращаясь в обычные стабильные. Другие – очень медленно (живут долго, излучая постоянно). Скорость распада принято описывать периодом полураспада (Т 1/2) – таким промежутком, в течение которого из всех имеющихся в наличии ядер половина подвергается самопроизвольному превращению. Чем интенсивнее идет радиоактивный распад, тем короче период полураспада. Например, период полураспада плутония-239 равен 24 410 лет, радия-226 – 1617 лет, радона-222 – 3,82 дня, некоторых элементарных частиц – миллионные доли секунды.

При захвате нейтронов (рис. 4) происходит деление тяжелых ядер. При этом используются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления. Ядра тяжелых элементов урана, плутония и некоторых других радионуклидов интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона тяжелое ядро делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются быстрые нейтроны (в среднем около 2,5 нейтрона на каждый акт деления), отрицательно заряженные β-частицы и нейтральные γ-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т. е. на разогревание окружающего вещества.

Рис. 4. Деление ядер

После акта деления ядер рожденные при этом осколки, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают «запаздывающие» нейтроны, большое число α-, β- и γ-излучений. С другой стороны, некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.

Разветвления реакций деления тяжелых ядер нейтронами, в результате которых число последних возрастает и может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления, получили название цепных ядерных реакций. Выделяющаяся при этом огромная энергия как раз и является тем мощным источником, который широко используется в атомной энергетике.

Энергия деления тяжелого ядра (примерно 200 МэВ) состоит из кинетической энергии пары разлетающихся осколков деления (165 МэВ), мгновенных нейтронов деления (5 МэВ), энергии мгновенных γ-квантов (7 МэВ), энергии нейтрино (10 МэВ), энергии p-распада осколков деления (16 МэВ), энергии запаздывающего γ-излучения (6 МэВ).

Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер атомов тяжелых элементов.

Количественной характеристикой радиоактивного препарата является его активность. Активностью называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

За единицу активности в системе СИ принята активность препарата, в котором происходит 1 распад в 1 секунду. Эта единица называется беккерелем (Бк) по имени французского ученого А. Беккереля, открывшего в 1896 г., что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это явление было названо радиоактивностью (1 Бк = 1 расп/с). Используются также: единица в 1 тыс. раз большая – килобеккерель (кБк), единица в 1 млн раз большая – мегабеккерель (МБк).

В настоящее время еще используется устаревшая единица – кюри (Ки). Ее происхождение относится к тому периоду, когда в распоряжении ученых был единственный радиоактивный источник – радий, впервые выделенный из продуктов распада урана в лаборатории супругов Кюри. В 1 г чистого радия распадается ежесекундно 37 млрд ядер. Поэтому радиоактивность 1 г радия и была принята за единицу; один кюри – очень большая величина, поэтому применяются производные величины в тысячу и миллион раз меньшие – милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи).