32. Обращение с отработавшим топливом

ОЯТ -это ядерное топливо, извлеченное из реактора после облучения и признанное непригодным для дальнейшего использования в реакторе данного типа.

ОЯТ всегда содержит три компонента: • Невыгоревший уран • Продукты деления урана • Трансурановые элементы

ОЯТ имеет форму тепловыделяющих сборок (ТВС), представляющих собой пучки тепловыделяющих элементов (твэлов), собранных в прочную конструкцию. Сам твэл – металлическая трубка, первоначально наполненная химическим соединением делящегося элемента (в настоящее время в подавляющем большинстве случаев это оксид урана) с возможными добавками различного назначения (топливная композиция). Физической формой топливной композиции является, чаще всего, керамическая таблетка. В процессе нейтронного облучения в самой топливной композиции и в конструкционных элементах ТВС происходит изменение и усложнение химического состава в результате ядерных превращений одних элементов в другие. Поэтому в массе ОЯТ в разных количествах содержатся практически все элементы таблицы Менделеева, при этом многие из образовавшихся ядер, радиоактивны.

Переработка отработавшего ядерного топлива, образует особый тип правоотношений, который требует от большинства стран принятия совместных правил по обращению с атомной энергией, а также с отходами, связанными с ее использованием.

Для обращения ОЯТ используют радиохимические заводы. Переработанные ОЯТ можно использовать для производства ТВЭЛов, в том числе на основе смеси оксидов урана и плутония (так называемого МОХ-топлива). Помимо экономических преимуществ замыкание ядерного топливного центра снижает опасность распространения ядерного оружия из-за «сжигания» образующегося плутония, который в открытом цикле необходимо хранить под крайне жестким контролем. Хотя в мире накоплено около 240 тыс. тонн ОЯТ, переработано только 85 тыс. тонн.

33. Взаимодействие гамма-квантов с веществом.

К γ-излучению относят электромагнитные волны, испускаемые при ядерных превращениях или аннигиляции частиц. В квантовой теории это излучение представляет собой поток частиц, называемых γ-квантами. Нижний предел энергии γ-квантов имеет порядок десятков килоэлектронвольт (кэВ). Естественного верхнего предела энергии нет.

В основе поглощения -излучения веществом лежит электромагнитное взаимодействие.

При прохождении пучка γ-квантов через вещество они вступают во взаимодействие с атомами и вызывают ряд явлений, при этом γ-квант или поглощается целиком, или теряет часть своей энергии, изменяя направление распространения. Реализация того или иного механизма взаимодействия -квантов с веществом носит вероятностный характер и зависит как от свойств самого -излучения (его энергии), так и от свойств вещества (например, его плотности и элементного состава).

Известно большое число различных взаимодействий γ-излучения с веществом. Практический же интерес представляют следующие три процесса: фотоэлектрическое поглощение γ-кванта (фотоэффект), рассеяние γ-кванта на электронах (комптон-эффект) и рождение γ-квантом электрон-позитронных пар (эффект образования пар).

 Фотоэффект. Если энергия γ-кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Используя закон сохранения энергии, можно определить кинетическую энергию фотоэлектрона E_е:

Eе = Eγ - Ii - En,

где I_i − ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; E_n − энергия отдачи ядра, E_γ − энергия гамма-кванта. Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона определится соотношением E_е = E_γ − I_i, где i = K, L, M,... − индекс электронной оболочки. Зависимость сечения фотоэффекта от атомного номера Z вещества поглотителя сильное: σ_ph ~ Z⁵. Фотоэффект является главным процессом, ответственным за поглощение  -квантов в области малых энергий. В области энергий E_γ< 0.5 МэВ величина эффективного сечения фотоэффекта очень резко спадает с ростом энергии гамма-квантов:  .

Комптон-эффект − это рассеяние  -квантов на свободных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия  -квантов во много раз превышает энергию связи электрона. В результате комптон-эффекта вместо первичного фотона с энергией E_γ появляется рассеянный фотон с энергией E'_γ< E_γ, а электрон, на котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию E_е = E_γ − E'_γ. На рис. 11 показана схема рассеяния γ-квантов на электроне. Пользуясь законами сохранения импульса и энергии можно записать

γ =  'γ +  e,     meс2 + Eγ = E'γ + Eе,

где m_ec² = 0.511 МэВ − энергия покоя электрона, E_e − полная энергия электрона, E_γ и E'_γ − энергии падающего и рассеянного  -квантов. Можно показать, что изменение длины волны γ-кванта при комптоновском рассеянии дается выражением

λ' − λ = λ0(1 − cos  ),

где λ' и λ − длины волн первичного и рассеянного  -кванта; λ₀ = h/m_ec − комптоновская длина волны электрона;   - угол между направлениями импульсов  _γ и  '_γ падающего и рассеянного  γ-квантов.     Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом  рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением

.

Эффективное сечение комптоновского рассеяния, рассчитанное на один атом σ1C , пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z. Поэтому  σ1C = Z·σC.

Образование пары электрон–позитрон. Можно показать, что одиночный квант любой энергии не может в вакууме превратиться в электрон-позитронную пару, так как при этом не выполняются одновременно законы сохранения энергии и импульса. Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса.      Образование пар в поле ядра может иметь место, если энергия кванта удовлетворяет соотношению

Eγ > 2mec2 + Eя,

где первый член справа соответствует энергии покоя пары электрон-позитрон, а второй − энергия отдачи ядра. Так как энергия отдачи ядра сравнительно мала, то энергия, определяемая первым членом, является порогом рождения пар (2m_eс²  1.022 МэВ). В основном образование е⁺е⁻-пар происходит в кулоновском поле ядер атомов и эффективное сечение этого процесса пропорционально квадрату заряда ядра Z², т.е. σ_np ~ Z².       Порог рождения пар в поле электрона равен 4m_eс². Это связано с тем, что энергию отдачи получает электрон, имеющий малую массу, и пренебречь ею уже нельзя. Образование пар в поле электрона характеризуется сравнительно малым сечением.