Наведённая радиоактивность

Наведённая радиоактивность — это

радиоактивность веществ, возникающая под действием облучения их ионизирующим излучением, особенно нейтронами

При облучении частицами (

МэВ). Однако они взаимодействуют с электронными оболочками атомов намного интенсивнее, чем с ядрами, и быстро теряют при этом энергию. Кроме того, положительно заряженные частицы (протоны, альфа-частицы) быстро теряют энергию, упруго рассеиваясь на ядрах. Поэтому вероятность гамма-кванта или заряженной частицы вызвать ядерную реакцию ничтожно мала. Например, при бомбардировке бериллия

альфа-частицами лишь одна из нескольких тысяч или десятков тысяч (в зависимости от энергии альфа-частиц) вызывает (α, n)-реакцию, а для других веществ эта вероятность ещё меньше.

Нейтроны же, наоборот, захватываются ядрами при любой энергии, более того, максимальна вероятность захвата именно нейтронов с низкой энергией. Поэтому, распространяясь в веществе, нейтрон может попадать в множество ядер последовательно, пока не будет захвачен очередным ядром, и вероятность захвата нейтрона практически равна единице.

Следует заметить, что поглощение нейтронов не обязательно ведёт к появлению наведённой радиоактивности. Многие ядра могут захватывать нейтрон с образованием стабильных ядер, например

бор-11 (если захват нейтрона ядром не приведёт к образованию лития и альфа-частицы), лёгкий водород (протий) — в стабильный дейтерий

. В таких случаях наведённая радиоактивность не возникает.

Максимальной устойчивостью относительно других элементов к наведённой радиоактивности обладают всего несколько элементов: водород, гелий, бериллий, углерод, кислород, свинец^[1]. Это связано или с крайне низким сечением захвата (у гелия-4 оно близко к 0 барн, у дейтерия тоже крайне мало), или с плохой замедляющей способностью с большим количеством последовательных стабильных изотопов (кислород, свинец).

Процесс превращения нерадиоактивных ядер в радиоактивные и образования в веществе радиоактивных изотопов под действием облучения называется активацией.

Активационный анализ

На эффекте наведённой радиоактивности основан мощный метод определения состава вещества, называемый активационным анализом. Образец облучается потоком нейтронов (

фотоядерные реакции). При этом в образце наводится радиоактивность, характер которой, при одинаковом характере облучения, полностью определяется изотопным составом образца. Изучая гамма-спектр излучения образца, можно с очень высокой точностью определить его состав. Предел обнаружения различных элементов зависит от интенсивности облучения и составляет до 10⁻⁴−10⁻⁷ % для гамма-активационного анализа и до 10⁻⁵−10⁻¹⁰ % для нейтронно-активационного анализа.^[2]

Наведённая радиоактивность при ядерных взрывах

Одним из

кт в 700 метрах от танка не только убивает экипаж нейтронным излучением

, но и создает в броне наведённую радиоактивность, достаточную для получения новым экипажем смертельной дозы в течение суток.

При атмосферных ядерных испытаниях особенно большое значение имеет реакция нейтронов с атмосферным азотом-14 $\mathrm {~_{0}^{1}n} +\mathrm {~_{7}^{14}N} \rightarrow \mathrm {~_{6}^{14}C} +\mathrm {~_{1}^{1}H} ,$ обладающая довольно высоким сечением (1,75 барн). Общее количество углерода-14, выброшенное в атмосферу во время ядерных испытаний, весьма велико и сравнимо с общим содержанием природного радиоуглерода в атмосфере.

Принцип наведённой радиоактивности положен в основу идеи т. н. кобальтовой бомбы. Это вид ядерного оружия, в котором основным поражающим фактором является радиоактивное загрязнение. Она представляет собой термоядерную бомбу с оболочкой из кобальта, в которой под действием нейтронного излучения взрыва создается изотоп кобальт-60 — сильнейший источник гамма-излучения с периодом полураспада 5,27 лет. Будучи распылённым ядерным взрывом по большой территории, кобальт-60 сделал бы их надолго непригодными для проживания.

Активация конструкционных материалов ядерных реакторов

РБМК

— 1850 т.

Для решения проблемы с утилизацией элементов конструкции реакторов проводятся исследования по созданию материалов и сплавов, в которых наведённая радиоактивность спадает относительно быстро. Это достигается подбором материалов, которые при облучении нейтронами не дают долгоживущих изотопов (с T_½ от десятков до миллионов лет). Характер спада радиоактивности определяется изотопным составом облучаемого вещества, а также спектром нейтронов.

Например, нежелательно содержание в таких сплавах

флюенсом 2·10²³ см⁻², за 30 лет выдержки уменьшает активность до безопасного уровня (25 мкЗв

/ч), а малоактивируемая сталь марки Fe12Cr20MnW только за 100 лет. Однако даже небольшая примесь никеля, ниобия или молибдена может увеличить это время до десятков тысяч лет.

Ещё одним способом уменьшения наведённой радиоактивности является изотопное обогащение. Например, при облучении железа нейтронами основной вклад в наведённую радиоактивность вносит изотоп ⁵⁵Fe с периодом полураспада 2,7 лет в ⁵⁵Mn (К-захват с излучением гамма-квантов с энергией 0,0065 МэВ), он образуется из лёгкого изотопа ⁵⁴Fe, поэтому обогащение природного железа тяжёлыми изотопами может существенно снизить наведённую радиоактивность. Аналогично, существенно снижает наведённую радиоактивность молибдена обогащение тяжёлыми изотопами, а циркония или свинца — напротив, лёгкими. Однако изотопное разделение обходится очень дорого, поэтому экономическая целесообразность его под вопросом.

Примечания

↑ Neutron scattering lengths and cross sections (неопр.). www.ncnr.nist.gov. Дата обращения: 13 октября 2020. Архивировано 26 октября 2000 года.
↑ Активация и активационный анализ (неопр.). Дата обращения: 11 апреля 2011. Архивировано 18 декабря 2014 года.
↑ Нейтронная бомба — принцип действия заряда с увеличенным выходом излучения (неопр.). Дата обращения: 7 апреля 2011. Архивировано 18 декабря 2014 года.

Ссылки

Радиоактивность наведённая (неопр.). Атомная энциклопедия. Архивировано 13 мая 2012 года.
Колотов В. П. Теоретические и экспериментальные подходы к решению задач активационного анализа, гамма-спектрометрии и создания малоактивируемых материалов (неопр.). Дисс. ... д. хим. н. (2007). Архивировано из оригинала 13 мая 2012 года.
П. Д. Смит. Кобальтовая бомба.

[1] Neutron scattering lengths and cross sections (неопр.). www.ncnr.nist.gov. Дата обращения: 13 октября 2020. Архивировано 26 октября 2000 года.

[2] Активация и активационный анализ (неопр.). Дата обращения: 11 апреля 2011. Архивировано 18 декабря 2014 года.

[3] Нейтронная бомба — принцип действия заряда с увеличенным выходом излучения (неопр.). Дата обращения: 7 апреля 2011. Архивировано 18 декабря 2014 года.

[1]

[2]