2.1.5. Радиационные пояса Земли

Вокруг Земли есть области (слои), в которых магнитное поле задерживает огромное количество заряженных частиц и заставляет их двигаться взад и вперед от полюса к полюсу в разных направлениях по замкнутым траекториям. Данные слои называют радиационными поясами, или поясами Ван-Аллена.

Различают два пояса: внешний и внутренний. Внутренний имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте около 3500 км (35–10⁵ м), внешний слой – электронный – на высоте около 22–10⁶ м.

Два радиационных пояса Ван-Аллена простираются на расстоянии от 1,2 до 8 земных радиусов от экватора. Внутренний пояс расположен между 30° и 60° к северу и югу от экватора. Внешний – сосредоточен в области более низких широт. Предполагается, что основная часть частиц большой энергии во внутреннем радиационном поясе образуется при распаде нейтронов космического излучения. В результате прямых соударений протонов высокой энергии первичного космического излучения с атомами, присутствующими в воздухе, либо в результате ядерных реакций образуются нейтроны. Многие из этих нейтронов могут выйти из атмосферы Земли сразу, если их энергия достаточно велика, или в процессе диффузии, если их энергия сравнительно мала.

Радиационные пояса Земли – источник радиационной опасности при космических полетах.

Глава 2.2. Антропогенный радиационный фон

2.2.1. Искусственные источники ии

Антропогенные вмешательства в состав естественного радиационного фона:

• искусственная (глобальная) концентрация и перераспределение естественных радионуклидов;

• загрязнение среды экологически новейшими радиоактивными метаболитами ядерно-энергетического происхождения;

• производство и использование искусственных радионуклидов и других источников ИИ в науке, медицине и промышленности.

2.2.2. Деление и синтез ядер

Опыты, выполненные в 1919 г. Резерфордом, показали, что возможна и искусственная радиоактивность. При бомбардировке образца азота -частицами, которую он проводил в этих опытах, имеет место следующая реакция:

+  + (2.1.)

Среди наиболее изученных ядерных реакций этого типа – процессы, приводящие к синтезу новых элементов, называемых трансурановыми. Если, например, бомбардировать уран быстрыми дейтронами, то идет реакция:

+  ( + )  + 2 (2.2.)

Продукт реакции, нептуний, обладает -активностью и распадается с периодом полураспада 2,1 сут. Другой искусственный элемент, плутоний, может быть получен следующим образом:

+  + 3 (2.3.)

Если тяжелые элементы бомбардировать подходящими частицами, могут происходить реакции деления ядер, сопровождаемые выделением энергии. Лучше всего известна следующая реакция деления:

+   + + 3 (2.4.)

В действительности механизм реакции намного сложнее, чем приведенная простая схема, поскольку одновременно образуется большое число (около 200) различных продуктов.

Деление урана существенно по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в среднем на каждый акт деления генерируется от двух до трех нейтронов. Эти нейтроны могут затем использоваться для расщепления других ядер и т.д. Чтобы такая цепная реакция началась, образец должен обладать определенной массой. Если масса слишком мала, то нейтроны будут покидать образец до того, как они успеют индуцировать расщепление другого атома урана. Если масса образца равна или превышает критическую, то достаточное число нейтронов будет индуцировать дальнейшее деление ядер урана до того, как они достигнут поверхности образца. В этом случае возникает неконтролируемая цепная реакция. Именно такой процесс имеет место при взрыве атомной бомбы. Если в качестве топлива использовать уран-235 для генерации энергии, то скорость цепной реакции можно уменьшить путем введения стержней из бора или кадмия для захвата нейтронов в реакторе. Типичная реакция, которая при этом имеет место, такова:

+  +  (2.5)

Недостатком применения урана-235 в качестве ядерного топлива является его низкое природное содержание, около 0,7%. Однако имеются и другие источники ядерного топлива. Известно, что если уран-92 бомбардировать быстрыми нейтронами, идут следующие процессы:

+  (2.6)

 + (2.7)

 + (2.8)

Можно сказать, что изотоп урана-238, который сам не способен размножаться, заставляет размножаться плутоний-239.

В результате деления каждого ядра урана-235 или плутония-239 в реакторе-размножителе образуется несколько нейтронов, которые затем захватываются ураном-238 с образованием плутония-239. Таким образом, по мере расходования исходного ядерного сырья (урана-238) количество расщепляющихся материалов может возрастать. Важной характеристикой реактора является время удвоения, т.е. время, необходимое для производства такого же дополнительного количества ядерного топлива (расщепляемых материалов), которое было первоначально загружено в реактор. Обычно для образования ощутимого дополнительного количества ядерного топлива требуется от 7 до 10 лет. Реакторы-размножители, очевидно, гораздо более эффективны по сравнению с обычными реакторами, поскольку к концу времени удвоения в размножителе образуется столько расщепляемых изотопов, что их достаточно и для поддержания работы первого реактора, и для запуска второго.

Один из главных недостатков процесса деления состоит в том, что конечные продукты реакции обладают высокой радиоактивностью и характеризуются длительными периодами полураспада. Это делает ядерный реактор уязвимым для всякого рода аварий и диверсий, которые могут нанести ущерб его биологическому окружению, что при слиянии двух ядер легких элементов выделяется большое количество энергии

Во многих процессах ядерного синтеза первичным горючим служит дейтерий, запасы которого практически неисчерпаемы. Процессы ядерного синтеза постоянно происходят на Солнце и других звездах.

Хотя продуктом первой из приведенных выше реакций является радиоактивный элемент тритий, этот изотоп затем расходуется в других процессах ядерного синтеза. Хотя условия протекания каждой из этих реакций, естественно, различны, все они начинаются при очень высоких температурах (несколько сот миллионов градусов). Один из способов достижения такой температуры заключается в том, что процесс начинают с реакций деления. В этом состоит механизм, используемый для инициирования взрыва водородной бомбы. Практические проблемы, возникающие на пути создания и регулирования необходимой температуры для проведения процессов синтеза ядер в реакторе, чрезвычайно трудны. К настоящему времени прошли успешные испытания лишь несколько экспериментальных установок такого назначения. Учитывая громадное количество освобождаемой энергии, отсутствие радиоактивных конечных продуктов и практически неисчерпаемые запасы сырья, процессы ядерного синтеза следует рассматривать как один из весьма перспективных и долговременных источников энергии.

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза (слияние ядер лёгких элементов – дейтерия и трития и образование более тяжёлого ядра- гелия, происходящие при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведённой радиоактивности), в частности трития, бериллия, углерода-14.

Радиоактивные изотопы можно получить с использованием в качестве бомбардирующих ядерных частиц- протонов, дейтронов, нейтронов, а также -квантов. Сущность состоит в том, что ядра-мишени стабильных атомов, подвергаясь бомбардировке элементарными частицами, захватывают их и получают дополнительную энергию (кинетическую энергию частиц-снарядов); в результате образуется составное ядро с избытком энергии. Переход ядра из возбуждённого состояния в стабильное осуществляется путём излучения избыточной энергии в виде альфа- и бета-частиц и гамма-квантов, т.е. происходит процесс радиоактивного распада. При использовании в качестве частиц-снарядов протонов, дейтронов и альфа- частиц ядерная реакция идёт с большим трудом, так как все они обладают положительным зарядом и отталкиваются от ядра в результате действия кулоновских сил. Чтобы данные частицы проникли в ядро, они должны иметь очень большую кинетическую энергию. В связи с этим были созданы приборы для разгона частиц в сильном электрическом поле. Такие приборы получили общие название ускорителей (линейные ускорители, циклотроны, фазотроны).

Особенно удачной бомбардирующей частицей оказались свободные нейтроны. Обладая достаточной массой и не имея заряда, они не отталкиваются ядром, беспрепятственно взаимодействуют с ним, преобразуя ядро- мишень стабильного элемента в радиоактивный изотоп. При бомбардировке ядра стабильного элемента всеми указанными выше частицами происходит или превращение одного элемента в другой (трансмутация), или же образуется изотоп исходного элемента.

Создание ускорителей, а также использование нейтронов в ядерных реакторах расширили возможности получения искусственных изотопов, которые нашли применение в биологии, медицине, ветеринарии, а также в других отраслях науки и практики.