Искусственные источники ионизирующих излучений

При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu, 233U, 238U), возникающая в результате действия на них нейтронов. В принципе реакция деления может быть вызвана при бомбардировке тяжелых элементов и другими элементарными частицами, но наибольший практический интерес представляет реакция деления ядра под действием нейтронов.

Механизм этой реакции можно схематически представить следующим образом: нейтрон попадает в ядро расщепляющегося элемента, например изотопа ²³⁵U, и приводит к образованию сильно возбужденного ядра- ²³⁶U. Нуклоны в результате нарушения ядерного сцепления под действием сил отталкивания расходятся к противоположным полюсам, ядро деформируется, принимает удлиненную форму. В центральной части ядра образуется перетяжка, ядерные силы уже не могут противостоять действию сил отталкивания между протонами, и ядро расщепляется на два или три асимметричных ядра - осколка. Весь этот процесс происходит мгновенно. Во время каждого акта деления освобождается энергия порядка 200 МэВ и вылетают 2...3 свободных нейтрона.

Если нейтроны на своем пути встретят другие тяжелые ядра, способные к делению, то возникает цепной процесс деления.

При достаточном количестве делящегося материала возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера.

Процесс деления может быть самоподдерживающимся, регулируемым, с непрерывным выделением определенного количества энергии. Это осуществлено в ядерных реакторах, в которых плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями - поглотителями нейтронов.

При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (²³⁵U, ²³⁹Pu (Плутоний), ²³³U, ²³⁸U), так и продуктов их распада.

Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Другие радионуклиды, такие как ⁸⁶Rb (Рубидий), ⁸⁹Sr (Стронций), ⁹¹Y (Иттрий), ⁹⁵Сd (Кадмий), ¹²⁵Sn (Олово- Stannum), ¹²⁵Te (Теллур), ¹³¹I (Йод), ¹³³Хе (Ксенон), ¹³⁶Сs (Цезий), ¹⁴⁰Bа (Барий), ¹⁴¹Cе (Церий), ¹⁵⁶Еu (Европий), ¹⁶¹Vb, обладают периодом полураспада в несколько дней, а ⁸⁵Kr (Криптон), ⁹⁰Sr (Стронций), ¹⁰⁶Ru (Рутений), ¹²⁵Sb (Сурьма), ¹³⁷Сs (Цезий), ¹⁴⁷Pm (Прометий), ¹⁵¹Sm (Самарий), ¹⁵⁵Eu(Европий) —от одного года до нескольких десятков лет.

Группа, состоящая из ⁸⁷Rb (Рубидий), ⁹³Zr (Цирконий), ¹²⁹I (Йод), ¹³⁵Сs (Цезий), ¹⁴⁴Nd (Неодим), ¹³⁷Sm (Самарий) характеризуется чрезвычайно медленным распадом, продолжающимся миллионы лет.

Большинство образующихся радионуклидов является бета- и гамма-излучателями (¹³⁰I (Йод), ¹³⁷Сs, ¹⁴⁰Ва и др.), остальные испускают или только бета- (⁹⁰Sr, ¹³⁵Cs и др.), или только альфа-частицы (¹⁴⁴Nd (Неодим), ¹⁵¹Sm (Самарий)). Помимо РПД (радиоактивных продуктов деления), в число образовавшихся радионуклидов входит и непрореагировавшая часть «ядерного горючего», так как коэффициент использования его в современных ядерных устройствах составляет около 20%. Основная масса вещества заряда (урана, плутония) не успевает разделиться в период цепной реакции и распыляется силой взрыва на мельчайшие частицы, содержащие атомы со свойствами исходных радионуклидов.

Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности в районе взрыва служит наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония, на ядра атомов различных веществ окружающей среды (реакция активации). Захват нейтронов ядрами многих химических элементов приводит к появлению радиоизотопов (продуктов активации) в атмосферном воздухе (¹⁴C, ³H (дейтерий), ³⁹Аr (аргон), воде (²⁴Nа, ^31,32Р, ^53,54Мn, ³⁵S, ⁶⁵Zn и др.) почве (⁴⁵Cа, ²⁴Nа, ²⁷Мg, ²⁹Аl, ³¹Si и др.), в материалах сооружений и т. п. Бóльшая часть их распадается с испусканием бета-частиц и гамма-излучения со сравнительно малым перидом полураспада (за исключением ¹⁴С).

Суммарная активность остатков ядерного заряда и радионуклидов, образовавшихся в результате реакции активации намного меньше общей активности радиоактивных продуктов деления. Последние являются основным источником радиоактивного загрязнения внешней среды.

Из большого числа ядерных осколков и их дочерних продуктов интерес для радиобиологии представляют лишь 10 радионуклидов: ^89,90Sr, ⁹⁵Zn, ⁹⁵Nb (Ниобий), ^{103, 106}Ru (Рутений), ¹³¹I, ¹³⁷Cs (цезий), ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁴Cе (Церий). Из них только два (¹⁰³Ru и ¹⁰⁶Ru (Рутений)) относятся к непосредственным осколкам деления, а остальные восемь представляют собой продукт второго-четвертого актов бета-распада ядер-осколков.

В первые месяцы после ядерного взрыва опасность в смеси осколков деления представляют ¹³¹I, ¹⁴⁰Ва и ⁸⁹Sr, а в последующем - ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs .

Средняя энергия осколков деления в возрасте 10 дней - 2 лет составляет около 0,7 МэВ по гамма-излучению и 0,3 МэВ по бета-излучению.

Радиоактивные нуклиды составляют смесь продуктов деления, скорость распада которых неодинаковая. Поэтому соотношение их в этой смеси с течением времени будет непрерывно изменяться в сторону обогащения ее долгоживущими продуктами деления вследствие распада короткоживущих радионуклидов. Активность продуктов атомного взрыва особенно быстро снижается в первые часы и сутки, поскольку в общей массе всех радиоактивных продуктов наибольшее количество изотопов имеют малый период полураспада.

Наряду с радиоактивными продуктами деления возникает определенное количество радиоактивных продуктов нейтронной активации, состав которых зависит от материалов, подвергшихся активации. Наибольшую долю в суммарной радиоактивности продуктов нейтронной активации в первые часы составляет ²⁸Аl (t_1/2 период полураспада - 2,3 мин), до 20 ч ²⁴Na и ⁵⁶Mn (t_1/2 соответственно 14 и 2,6 часа), а также ⁵⁹Fe и ⁶⁰Со. Период полураспада смеси этой группы радионуклидов примерно соответствует распаду смеси радиоактивных продуктов деления.

Испытания ядерного и термоядерного оружия показали, что радионуклиды конденсируются на веществах, вовлеченных в сферу взрыва. Эти радиоактивные вещества в виде частиц разной дисперсности (от 1 см до долей микрона) выпадают виде осадков. По мере удаления радиоактивного облака от места взрыва размеры выпадающих частиц уменьшаются, а также меняется биологическая доступность радионуклидов. Т.е. сначала выпадают самые крупные и тяжелые частицы.

Загрязнение местности зависит от характера ядерного взрыва (наземный, воздушный и т. д.), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осадков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемещение масс воздуха), географических зон и широт и др.

Наземные взрывы создают сильное загрязнение РПД непосредственно в районе взрыва, а также на прилегающей территории, над которой проходило радиоактивное облако.

При воздушном взрыве не происходит значительного локального загрязнения местности РПД, так как они распыляются на очень большой площади.

Однако под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе.

Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тропосферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют главным образом стратосферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздушных течений частицы РПД способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т. е. наступает глобальное загрязнение.

РПД могут находиться в тропосфере около 2...3 мес, стратосфере - 3...9 лет. Вследствие этого при воздушных взрывах на землю в основном выпадают только долгоживущие радиоактивные продукты, так как короткоживущие изотопы распадаются, находясь в стратосфере.