Баранник Лекции по курсу Теория переноса нейтронов 2012

энергетического спектра электронов при β-распаде (в отличие от дискретного энергетического спектра у α-частиц при α-распаде).

Гамма-излучение (γ-изучение) является наиболее проникающим видом ионизирующего излучения и наблюдается в тех случаях, когда атомное ядро по каким-либо причинам переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, в том числе в основное. γ-Изучение сопровождает α- и β-распады радиоактивных ядер, причем при распаде одного и того же изотопа могут испускаться γ-кванты различных характерных энергий (частот). При этом диапазон энергий γ-квантов составляет от 10 кэВ до 5 МэВ.

Ослабление потока γ-квантов в веществе подчиняется экспоненциальной зависимости

I = I0exp(-μх),

где I и I0 [Вт/м2] – соответственно интенсивности после и до прохождения слоя вещества толщиной х [м]; μ [м-1] − линейный коэффициент поглощения γ-излучения, зависящий от плотности и порядкового номера элемента Z; μ имеет смысл «отрезка» «обратной» длины (≡ периоду экспоненты в математике!), на котором γ-излучение ослабляется в е раз.

Установлено, что γ-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов и либо вызывают фотоэффект, либо, передавая часть своей энергии и импульса электронам, претерпевают так называемое комптоновское рассеяние. При энергии γ-квантов большей, чем удвоенная энергия покоя электрона может проходить рождение электрон-позитронных пар:

γ → −10e + +10e . Исходя из описанных возможных процессов линей-

ный коэффициент поглощения γ-излучения равен сумме линейных коэффициентов поглощения отдельных процессов фотоэффекта, комптоновского рассеяния, образования электрон-позитронных пар: μ = μфот +μкомп +μобр.пар . Пути пробега нейтронов и γ-квантов в воз-

духе измеряются сотнями метров, в веществе – десятками сантиметров и даже метрами, в зависимости от плотности вещества и энергии γ-квантов и нейтронов. По этой причине потоки γ-квантов и нейтронов представляют для человека наибольшую опасность, вызывая наиболее сильную ионизацию и распад тканей организма.

21

Кроме процессов испускания ядрами частиц возможно и испускание одними ядрами других ядер – кластерная радиоактив-

ность (1984 г.):

22388 Ra → 146 C+ 20982 Pb +Q .

Рассмотрим процессы, объясняющие эффект Р.Л. Мёссбауэра (1958 г.) (Нобелевская премия по физике 1961 г.), – процессы испускания и поглощения квантов излучения ядрами.

Пусть γ-квант падает на свободное невозбужденное ядро в состоянии 1, ядро поглощает γ-квант и переходит в возбужденное состояние 2. Если ядро изначально покоилось, то при переходе обратно из возбужденного состояния 2 в основное состояние 1 ядро испустит γ-квант с энергией, меньшей энергии поглощенного γ- кванта на величину кинетической энергии ядра. Это происходит потому, что по закону сохранения импульса при излучении γ- кванта ядро получает импульс отдачи, равный импульсу кванта, но противоположно направленный (т.е. ядру сообщается кинетическая энергия). Регистрируемая частота ν (энергия hν) γ-кванта на выходе из ядра будет меньше энергии требуемой для перехода ядра обратно в возбужденное состояние 2. В силу этого спектральные линии поглощения и испускания изначально покоящихся свободных ядер разделены между собой некоторым интервалом, обусловленным описанными выше процессами.

Энергия ядра может принимать только определенные, дискретные значения, подобно энергии электронов в атомах. Явление поглощения ядром γ-кванта, частота (энергия) которого соответствует переходу ядра из основного в ближайшее возбужденное состояние, называется резонансным поглощением.

Если ядро, испускающее γ-квант, находится в узле кристаллической решетки, оно закреплено, связано, энергию и импульс отдачи получает весь кристалл в целом, для которого это несущественно. В этом случае спектральный сдвиг линий излучения и поглощения, имеющий место для свободных ядер, исчезает для связанных в решетке ядер вследствие отсутствия отдачи (ею можно пренебречь).

Эффектом Мёссбауэра называется резонансное поглощение (испускание) γ-квантов у ядер без отдачи (т.е. при совпадении спектральных линий поглощения и испускания).

22

1.5. Воздействие ионизирующего излучения на организм. Дозы излучения

Вредное воздействие излучений на организм заключается в ионизации атомов тканей и органов организма, чем больше пар ионов

образовано на единице пути движения частицы (кванта), тем хуже для организма.

Устойчивость различных организмов к воздействию радиации очень сильно различается. Мера чувствительности к действию ионизирующего излучения называется радиочувствительностью. Она сильно различается даже в пределах одного вида. Радиочувствительность индивида также зависит от возраста и пола, причем наиболее устойчив зрелый возраст. В пределах же одного организма различные клетки и ткани еще более сильно различаются по радиочувствительности.

Для судьбы клетки решающее значение имеет поражение, прежде всего, ДHK клеточного ядра (основная мишень), а также системы мембран. На уровне организма также существуют свои, критические к действию радиации, структуры (органы, системы).

При радиационно-химических изменениях молекул различают прямое и косвенное действие радиации. Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими исследуемыми молекулами. Под косвенным действием понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды или растворенных веществ. По некоторым оценкам, полный вклад косвенного действия достигает 90 % и является определяющим. При косвенном действии наиболее существенен процесс радиолиза воды, составляющей основную массу (до 70 %) вещества в клетках.

Временной интервал, в течение которого проходят первичные реакции, чрезвычайно мал – около 10-10 с. В течение этого времени после прохождения излучения происходят серии восьми различных реакций. В результате образуются две новые разновидности химических веществ в относительно больших количествах. Их называют свободными радикалами. Свободные радикалы очень активны химически из-за того, что в них существуют непарные электроны. При образовании обычных химических соединений электроны стремятся спариваться таким образом, чтобы спины пары электронов были

23

противонаправлены. Свободные радикалы пытаются объединяться химически с другими веществами, чтобы их одиночные, неспаренные электроны могли образовать ковалентную связь с другим неспаренным электроном и создать подоболочку. Свободные радикалы электрически нейтральны, в них одинаковое количество протонов в ядрах и электронов – это не ионы.

Первый свободный радикал, формируемый в облученной воде, – свободный радикал водорода. Второй свободный радикал, образующийся в ощутимых количествах в облученной воде, – это гидро-

ксильный радикал OH . Точка указывает на присутствие непарного электрона.

Вторичные реакции происходят в течение 10-5 с после прохождения излучения через воду. За это время свободные радикалы либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворным субстратом. С высокой вероятностью проходят три вторичные реакции

– три возможные комбинации двух свободных радикалов, образовавшихся в первичных реакциях (водород+водород, водород+гидроксил, гидроксил+гидроксил):

H + H = H (газ),

H + OH = H2O (вода),

OH + OH = H2O2 (перекись водорода).

Вторая реакция ведет к образованию безопасного, как и в первом случае, продукта, воды. Проблема для живых биологических систем возникает при течении третьей реакции и заключается в образовании пероксида водорода, ядовитого для клеток. К тому же один из атомов водорода может легко теряться пероксидом водорода, образуя пероксидный радикал, который затем взаимодействует с другими биоорганическими молекулами с образованием относительно устойчивых органических пероксидов. В конечном итоге, все это приводит к изменению биохимических процессов в организме.

Степень и характер лучевого поражения организма при больших дозах обусловлены радиочувствительностью тканей, органов и систем, подвергающихся облучению и поглощенной дозой радиации (в том числе и ее распределением во времени).

Для расчета воздействия ионизирующих излучений на живые организмы применяют следующие величины.

24

Поглощенная доза ионизирующего излучения D является уни-

версальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество. Она равна отношению энергии W, переданной веществу, к массе вещества m:

D = W / m .

В системе СИ единицей поглощенной дозы является грей: 1 Гр =1 Дж/кг.

Мощностью дозы Р называется отношение дозы излучения ко времени облучения t:

P = D / t .

Единицей мощности дозы в системе СИ (SI) является грей в секунду: 1 Гр/с = 1 Вт/кг.

Относительная биологическая эффективность K характери-

зует различие биологического действия различных видов излучений при одинаковой дозе. Для рентгеновского и γ-излучения относительная биологическая эффективность K = 1, для тепловых нейтронов K = 3, для нейтронов с энергией 0,5 МэВ K = 10, для α- частиц K = 20.

Эквивалентная доза Н определяется как произведение погло-

щенной дозы D на относительную биологическую эффективность K:

H = D K .

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт: 1 Зв = 1 Гр 1 (K = 1). Часто применяется внесистемная единица измерения: 1 бэр = 10-2 Зв.

Экспозиционная доза De характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Она определяется как отношение суммарного заряда Q всех ионов одного знака, созданных в воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами) к массе воздуха mвозд:

De = Q / mвозд .

Экспозиционная доза в системе СИ измеряется в Кл/кг. Распространенной внесистемной единицей экспозиционной до-

зы является рентген: 1 Р = 2,58 10–4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в 1 см3 сухого воздуха образуется 2 ·109 пар ионов.

Смертельная доза γ-излучения для человека может считаться доза 6 Гр.

25

Причиной гибели организма обычно является поражение какоголибо одного органа, критического в данной ситуации. Ткани и органы с интенсивно делящимися клетками наиболее чувствительны к радиации. Это, в первую очередь, – органы систем кроветворения (костный мозг, селезенка) и пищеварительной системы (слизистая оболочка тонкой кишки), половые железы.

Еще в 1906 г., т.е. в самом начале изучения биологического действия ионизирующих излучений, французские исследователи И. Бергонье и Л. Трибондо отметили эмпирическую закономерность относительной чувствительности клеток. Так называемый закон Бер- гонье–Трибондо гласит, что клетки имеют тенденцию быть радиочувствительными, если у них есть три свойства:

-клетки имеют высокую скорость деления;

-клетки имеют возможность делиться долго в будущем;

-клетки не являются специализированными.

В диапазоне доз 3–9 Гр критической является кровеносная система. Гибель облученного организма наблюдается на 7–15 сутки после лучевого воздействия. Поражение кроветворения заключается в прекращении выработки клеток крови облученным костным мозгом, что проявляется и при не смертельных лучевых поражениях. Последствия проявляются с задержкой (скрытый или латентный период), так как новые клетки крови не формируются костным мозгом, а зрелые еще живут некоторое время. При этом снижается количество тромбоцитов, что является одной из причин кровоточивости (стенки сосудов становятся похожими на сито, и кровь может вытекать сквозь них). При лучевом поражении снижается также количество лейкоцитов. Все это в сочетании способствует развитию инфекционных осложнений.

При увеличении дозы радиации до 10–100 Гр организмы погибают на 3–5 сутки, то есть тогда, когда «костномозговой синдром», описанный выше, еще не успел развиться. Это происходит из-за того, что выходит из строя другой критический орган – кишечник. Он поражается и при меньших дозах, в диапазоне, когда гибель происходит из-за угнетения кроветворения, но тогда «синдром кишечника» не определяет исхода лучевой болезни, хотя и усугубляет ее тяжесть.

26

Тонкий кишечник имеет маленькие пальцеобразные выступы, называемые ворсинками. Каждая ворсинка окружена впадинами, называемыми криптами. На дне крипты находится клетка, которая производит внутренние (эпителиальные) клетки кишечника. Эти клетки медленно перемещаются вверх к выходу из крипты. Когда они добираются до поверхности, они уже полностью созревают и поднимаются дальше по ворсинке. Они защищают мелкие хрупкие капилляры, расположенные внутри ворсинки и пропускают к ним питательные вещества. Из-за трения проходящей пищи и перистальтических сокращений мышц стенки покровные клетки ресничек уносятся. На место этих клеток приходят новые из крипт.

Под действием радиации в самообновляющихся системах развиваются сходные процессы. В костном мозге проявляется временное прекращение клеточных делений, которое пропорционально дозе облучения. При этом происходит резкое опустошение костного мозга, так как процесс выхода зрелых клеток в кровь продолжается с прежней скоростью. Доля погибших клеток возрастает с ростом дозы, а восстановление клеточной массы костного мозга идет медленнее, и оно менее полноценно. В периферической крови сначала уменьшаются и исчезают самые короткоживущие формы – лейкоциты и тромбоциты, а количество долгоживущих эритроцитов снижается лишь к третьей неделе после облучения. Доза в несколько сотен бэр на кишечник может заставить клетки крипт также временно прекратить деление, как и в костном мозге. Зрелые покровные клетки кишечника при этом не пострадают. Через несколько часов эти клетки будут унесены, но взамен них новые клетки не придут. Это оголит реснички и откроет тонкую капиллярную сеть. Капилляры разорвутся, что позволит плазме крови вытекать в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Произойдет процесс проникновения внутрикишечных бактерий прямо в кровоток через оголенные капилляры. Инфекция быстро распространяется по телу в то время, когда его иммунная система так сильно потрясена потерей лейкоцитов.

При дозах ниже 1000 бэр клетки крипт восстанавливаются примерно за неделю. Это позволяет перестроить реснички и закрыть капиллярную сеть. Особь выздоравливает. При дозах свыше 1000

27

бэр клетки крипт не выживают. В связи с невозможностью удалить тонкий кишечник хирургическим путем острое облучение тела дозой в 1000 бэр считается предельной для выживания.

Как отмечалось выше, процесс клеточного опустошения в кишечнике происходит быстрее, чем в костном мозге.

Рот и пищевод не радиочувствительны, как и все мышцы и соединительные ткани тела. Нужны значительные дозы, чтобы на них появились язвы. Желудок более чувствителен. При дозах в несколько сот бэр основные и пристеночные клетки понижают или прекращают полностью свою секреторную деятельность по выделению HCl и пепсина, которые помогают в пищеварении. В последующий период эти клетки опять возобновляют свою деятельность до нормального уровня. Толстый кишечник по чувствительности к облучению схож с желудком. Дозы свыше 1000 бэр приводят к образованию в нем язв.

Центральная нервная система (ЦНС) состоит в основном из нейронов. Замещение этих клеток в течение всей жизни не происходит. Эта система обычно вырабатывает и передает электрические сигналы, необходимые для сокращения сердечной мышцы при работе сердца и сокращения мышц диафрагмы при дыхании. При высоких дозах эти сигналы поступают с перебоями или прекращаются на время. Это приводит к смерти облученного индивидуума через несколько часов.

Репродуктивная система более радиоустойчива. Тем не менее, в соответствии с законом Бергонье–Трибонда производство сперматозоидов (молодых клеток спермы) у мужчин понижается или прекращается при низких дозах. Доза 250 бэр на гонады (половые органы) может привести к временной стерильности на период до года. Для полной стерильности необходима доза от 500–600 бэр. Доза 170 бэр на женские гонады приводит к стерильности на период 1–3 года. Полная стерильность наступает при дозе 300–600 бэр, в зависимости от возраста.

Таким образом, если говорить о радиочувствительности организма в целом, то она определяется чувствительностью к радиации клеток костного мозга и от их способности к восстановлению.

28

2. ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР И НЕЙТРОННОЕ ПОЛЕ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ

2.1. Ядерные реакции. Виды нейтронных реакций

Ядерными реакциями называется изменение ядра в результате взаимодействия между ядрами (или ядром и частицами), в том числе спонтанный распад ядра.

Стандартная запись ядерной реакции

105 B + 01n → 73 Li + 42 He

или

105 B (n,α) 73 Li

Все возможные пути протекания реакции называют выходными каналами реакции, для каждого случая указывают удельный выход реакции, связанный с вероятностью протекания реакции именно по данному пути (выходному каналу):

γ= число реакций данного i-го типа

iчисло всех возможных реакций 100% ,

маловероятно

реакции из 1000 заканчиваются подобным образом. Ядерные реакции подразделяются на:

- идущие с образованием промежуточного, составного или ком- паунд-ядра (боровский механизм – Н. Бор, 1936 г.). Реакция имеет резонансный характер и наиболее вероятна при такой энергии Е частицы, что в сумме с энергией связи Есв равна разности энергий возбужденного Е2 и основного Е1 уровня ядра-мишени:

Е + Есв = Е2 – Е1;

если энергия частицы не отвечает этому условию, то более вероятным становится потенциальное рассеяние без образования составного или компаунд-ядра;

- прямые взаимодействия (при больших энергиях бомбардирующих частиц или при их касательном проходе идет взаимодей-

29

ствие только с периферийными нуклонами ядра-мишени, потенциальное рассеяние).

Протекание той или иной ядерной реакции зависит от попадания нейтрона в сферу действия ядерных сил, связанную с эффективным микросечением реакции данного вида σ.

Эффективное микросечение реакции данного вида σ в силу сферической для ядра симметрии удара нейтроном – это площадь, ограниченная окружностью с ядром в центре, проходя внутри контура которой, единичный нейтрон вызывает реакцию данного вида (деление, радиационный захват и т.п.). Единицей измерения микросечения в системе СИ является м2, но чаще пользуются внесистемной единицей – барн: [σ] = 1 б = 10-24 см2. Величина микросечения зависит от энергии нейтрона и свойств ядра.

Микросечение образования составного ядра определяется дебройлевской длиной волны налетающего нейтрона, обратно пропорциональной его скорости λ = h/p = h/(mυ) (при ↓υ λ↑ и теоретически сечение образования составного ядра σ ~ λ↑ → ∞). Составное ядро образуется при определенном значении кинетической энергии нейтронов с ее отклонениями в пределах ширины уровня составного ядра Г. За пределами этого узкого интервала энергии составное ядро не образуется и длина волны нейтрона не играет никакой роли. Сечение при этом часто определяется геометрическим размером ядра πR2ядра ≈ 2 б, где радиус ядра с хорошей точностью Ra ≈1,21 10−13 (A)1/3[см] , где А – масса атома [а.е.м.]. В результате

зависимость сечения от энергии нейтрона приобретает резонансный характер.

Для нейтронов малых энергий для многих элементов сечение мало и лежит в пределах до 10 б (исключения есть, например, водород в несвязанном состоянии – 20 б). С ростом энергии нейтронов поперечные сечения несколько уменьшаются и стремятся к значению геометрического размера ядра πR2ядра ≈ 2 б.

В итоге, вероятность образования составного ядра S есть произведение вероятностей протекания трех следующих последовательных процессов:

1) вероятности А попадания нейтрона в сферу действия ядерных сил, связанную с эффективным микросечением реакции данного вида σ;

30