1.4.3 Гамма-излучение продуктов деления

Значительный интерес представляет измерение характеристик облученного топлива ядерных реакторов. Облученное топливо имеет большую денежную стоимость и обращение с ним требует гарантии нераспространения, т.к. в процессе эксплуатации ядерных реакторов получают плутоний. Для измерения и анализа облученного топлива нельзя использовать гамма-излучение от естественного распада урана и плутония, так как оно подавляется очень интенсивным гамма-из- лучением продуктов деления, образующихся в топливе в процессе облучения. Полная интенсивность гамма-излучения продуктов деления топлива из легководного реактора, облученного до уровня 33 000 МВт сут/т U (мегаватт-сутки на тонну урана), составляет примерно 2Ч1010 квант/г с (г — грамм урана) через год после удаления топлива из реактора, в то время как основное гамма-излучение урана и плутония обладает интенсивностью в диапазоне от 103 äî 104 квант/г с. В некоторых случаях интенсивность гамма-излучения одного или более продуктов деления можно измерить и соотнести с массой содержащегося ядерного материала.

Тяжелые ядра с высоким атомным номером Z могут делиться на два или три дочерних ядра с меньшим Z. Процесс деления может происходить спонтанно или может быть вызван поглощением нейтрона тяжелым ядром. Спонтанное деление более вероятно в ядрах с четным массовым числом А. Деление под действием нейтронов (вынужденное деление) возможно после поглощения либо тепловых, либо быстрых нейтронов ядрами с нечетными массовыми числами; оно возможно также после поглощения быстрых нейтронов ядрами с четным А. Процесс деления впервые был открыт в 1939 г. Отто Ганом и Фридрихом Штрассманом и объяснен теоретически в этом же году Лизой Мейтнер и Отто Фришем.

Деление ядра по сравнению с процессами альфа- и бета-распадов, описанными в разделах 1.2.2 и 1.2.3, представляет собой микровзрыв. Высвобождающаяся при делении энергия составляет около 200 МэВ. Большая часть этой энергии переходит в кинетическую энергию двух (реже трех) дочерних ядер, называемых продуктами деления или осколками деления. Делящиеся ядра, кроме того, испускают в среднем два быстрых нейтрона и шесть гамма-квантов сразу после расщепления. Типичная схема реакции деления представлена ниже:

Эта схема иллюстрирует только одну из множества возможных реакций деления ядра. Продукты деления сами являются нестабильными. Они содержат избыток нейтронов и распадаются с испусканием нейтрона или β--частицы (часто одновременно с гамма-излучением); излучения продуктов деления называются запаздывающими нейтронами и гамма-квантами. Период полураспада продуктов деления составляет от нескольких секунд до нескольких лет. Гамма-кванты продуктов деления можно использовать для анализа облученных топливных материалов.

Типичные спектры облученного топлива даны на рис. 1.13 и 1.14. На рис. 1.13 представлен спектр высокообогащенного урана — топлива, используемого в материаловедческих реакторах. На рис. 1.14 представлен спектр облученного топлива для легководного реактора. Наиболее часто измеряют гамма-излучение продукта деления 137Cs с энергией 661,6 кэВ. Этот продукт деления имеет большой выход и большой период полураспада (30,2 года), так что его концентрация пропорциональна полному числу делений, произошедших в топливе (см. главу 18 с более подробным описанием реакции деления и измерения облученно го топлива).

1.4.4 Радиационный фон

Все детекторы гамма-излучения покажут какой-то результат измерения даже в отсутствие контролируемого образца. Этот результат — следствие измерения фона вблизи детектора. Фон обусловлен излучением ядерных материалов, расположенных в близлежащих зонах хранения, космическим излучением и естественной радиоактивностью окружающей среды.

Излучение от хранящихся поблизости ядерных материалов имеет то же происхождение, что и излучение от контролируемых образцов. Фоновый спектр аналогичен спектрам, показанным на рис. 1.7–1.12. Значительную долю этого спектра часто составляет непрерывное комптоновское распределение, образующееся в результате рассеяния в материалах, разделяющих детектор и зону хранения. Фоновое излучение ядерных материалов может быть снижено правильным размещением детектора и его экранированием.

На поверхности земли космические лучи состоят прежде всего из высокоэнергетических гамма-квантов и заряженных частиц. Хотя нейтронная компонента и существует, она оказывает небольшое влияние на детекторы гамма-излуче- ния. Заряженные частицы — это в основном мюоны, но включают также электроны и протоны. Мюонный поток на уровне моря составляет примерно 0,038 1/см2 с; на высоте 2000 м мюонный поток увеличивается примерно до 0,055 1/см2 с. Мюон взаимодействует с веществом как тяжелый электрон и скорость потери энергии у него при прохождении через типичные твердые или жидкие материалы детектора составляет примерно 8,6 МэВ/см. Обычно проникающий мюон оставляет энергию примерно 34 МэВ в детекторе толщиной 40 мм. Из-за того, что эта энергия значительно превышает энергию, теряемую в детекторе гамма-квантами урана или плутония, мюонные взаимодействия часто приводят к перегрузкам или насыщению регистрирующей электроники. Для детектора с площадью поверхности 20 см2 типичная скорость мюонных взаимодействий на уровне моря составляет 0,75 частиц/с.

Все материалы обладают естественной радиоактивностью в различной степени. Например: тело человека и даже материалы детекторов имеют заметную естественную радиоактивность; особенно радиоактивны строительные материалы, такие как бетон. Основными радиоактивными элементами в природных материалах являются 40K, 232Th и их дочерние элементы, а также 235U è 238U и их дочерние элементы. Калий-40 по распространенности составляет 0,0117 % и распадается путем электронного захвата (10,67 %) и β--распада (89,33 %) с периодом полураспада 1,277Ч109 года. Электронный захват сопровождается испусканием гам- ма-кванта с энергией 1,461 МэВ, который регистрируется во всех фоновых гам- ма-спектрах. Калий присутствует в большинстве органических веществ, а 40K является основным источником радиоактивности.

Следы тория присутствуют в большинстве земных пород. 232Th является природным материнским ядром радиоактивного семейства тория, заканчивающегося стабильным изотопом 208Pb. Период полураспада 232Th составляет 1,41Ч1010 года. Его основное гамма-излучение обусловлено 208Tl, 212Bi è 228Ac.

Следы урана также находят в большинстве пород, хотя он менее распространен, чем торий. Гамма-спектр необработанной урановой руды сильно отличается от спектра гамма-излучения урана, используемого в качестве ядерного топлива. Из-за большого периода полураспада дочернего 230Th (8×104 лет), этот изотоп и