Хабрахабр

Радиация: источники

В предыдущем посте я рассказал о единицах измерения ионизирующей радиации. А теперь поговорим об источниках излучения.

Я расскажу в общем — откуда у нас берется радиация. Я не буду здесь писать о «том, что не надо трогать руками» — об этом и так много написано, а я не Олег Айзон и уникальных фотографий невиданных доселе радиоактивных артефактов у меня нет.

Радиоактивный распад как явление

Что такое радиоактивный распад? Кто-то, вспомнив школьные знания, ответит — это явление превращения одних элементов в другие. Кто-то даст иное, как правило, столь же неточное определение. На самом деле, радиоактивный распад — это любое спонтанное изменение состояния атомного ядра как системы нуклонов, сопровождаемое выделением энергии, величина которой, как правило, превышает несколько килоэлектронвольт. Эта энергия затем уносится вылетающими из ядра элементарными частицами, квантами электромагнитного излучения, либо передается электронам атома. Само ядро при этом может изменить свой заряд, массу, разделиться на два или несколько ядер, а может и остаться самим собой, лишь перейдя в более устойчивое состояние.

Это целочисленные величины, имеющие физический смысл числа соответствующих частиц в составе ядра. «Внешними», легко определяемыми характеристиками атомного ядра являются его масса А и заряд (или атомный номер) Z, измеряемые в зарядах и массах протона. Ядра с одинаковыми зарядами называются изотопами, с одинаковыми массами — изобарами, если же одинаково и то, и другое, мы имеем дело с изомерами. Заряд нейтрона равен нулю, а масса почти такая же, как у протона, так что число нейтронов подсчитать: $N = A - Z$. Z и A обозначаются слева от символа элемента в нижнем и верхнем индексах соответственно.

Так, возможны следующие варианты: Из сказанного очевидно, что чтобы изменился Z, ядро должна покинуть заряженная частица, а чтобы изменилась A, из ядра должно улететь что-то тяжелее электрона.

— вылетает электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино (бета-распад) — Z изменяется на единицу (увеличивается в случае электронного и уменьшается в случае позитронного распада), A — не меняется;

$^{40}_{19}K}\rightarrow\mathrm{{}^{40}_{20}Ca}+ e^- + \bar{\nu}_e $

— ядро наоборот может поглотить электрон с К-орбитали атома (К-захват) — Z увеличивается на единицу (как при бета-плюс распаде), A не меняется, испускается нейтрино.

${{}^{40}_{19}K}+ e^-\rightarrow\mathrm{{}^{40}_{18}Ar}+ {\nu}_e$

— вылетает ядро гелия-4, так называемая альфа-частица (альфа-распад) — Z уменьшается на 2, A уменьшается на 4;

$^{238}_{92}{\rm{U}} \rightarrow ^{234}_{90}{\rm{Th}} + \alpha \ (^4_2 {\rm{He})}$

Вместе с электроном всегда образуется антинейтрино, уносящее часть энергии, при этом энергия между ними перераспределяется случайным образом. Бета-распад (и электронный захват) представляет собой превращение одного из нейтронов в протон или наоборот, и является проявлением слабого взаимодействия, которое «перезаряжает» один из кварков нуклона. Из-за этого энергетический спектр бета-излучения непрерывен.

Но пока эта выгода не больше нескольких МэВ, энергетический барьер удаления альфа-частицы или какого-либо иного фрагмента из ядра слишком высок. А альфа-распад происходит просто потому что любому ядру тяжелее железа энергетически выгоднее «похудеть». Помимо альфа-частицы из ядра в крайне редких случаях может вылететь нейтрон или протон, либо ядро тяжелее альфа-частицы. А когда энергетический выигрыш достаточно велик (но все же меньше энергии связи), становится возможным туннелирование альфа-частицы за пределы ядра. Это спонтанное деление, к которому способны только тяжелые ядра, начиная с тория и урана.
После акта распада в ядре может остаться избыток энергии и это «разогретое» ядро должно от него каким-то образом избавиться. И, наконец, ядро может развалиться на несколько ядер, испустив при этом несколько нейтронов. Иногда происходит также явление внутренней конверсии: энергия не излучается в виде фотонов, а передается электронам, которые вылетают из атома. Для этого оно испускает один или несколько гамма-квантов. В отличие от бета-лучей электроны конверсии имеют моноэнергетический (линейчатый) спектр.

Оно не отличается от такого же «обычного» ядра — ни зарядом, ни массой, то есть это тот же самый химический элемент и тот же самый изотоп. В некоторых случаях ядро с избытком энергии может существовать достаточно долго, иногда даже сотни лет. Чаще всего время жизни метастабильных изомеров не превышает часы, и лишь у нескольких из них — годы. А вот изомеры — разные. В основном состоянии он бета-активен и короткоживущ (период полураспада 8 часов), а его изомер тантал-180m, казалось бы, должен либо переходить в основное состояние с испусканием гамма-кванта энергией 75 кэВ, либо претерпевать бета-распад, но ни того, ни другого никто никогда не наблюдал: этот изомер, в отличие от короткоживущего основного состояния стабилен. Существует единственное ядро, для которого изомерное состояние устойчивее, чем основное: это тантал-180.

Во всех остальных случаях гамма-излучение всегда существует исключительно вместе с альфа- или бета-излучением.
Про изотопы и изомеры мы сказали. Распад ядерного изомера — это единственный пример радиоактивного распада, сопровождающегося исключительно гамма-излучением. Ядра с разным зарядом ядра и одинаковой массой. Осталось еще одно «изо» — это изобары. Существование двух стабильных изобаров в соседних клетках таблицы Менделеева маловероятно — это правило носит название правила Щукарева-Маттауха. Стабильные изобары обычно имеют заряды, отличающиеся на две единицы, а между ними практически всегда есть радиоактивный изотоп. Известно только два исключения из него: сурьма и теллур-123 и гафний-180 и вышеупомянутый тантал-180m.

Космические лучи и другие нерадиоактивные источники радиации

Помимо радиоактивных веществ, некоторые другие процессы и явления, как природные, так и порожденные человеческим разумом, также приводят к появлению излучений с подобными свойствами.

Космические лучи заполняют всю Вселенную, они представляют собой протоны и более тяжелые ядра, электроны и гамма-кванты с исключительно высокими энергиями. Вы, наверное, знаете про космическую радиацию. Это $10^{21}$ эВ. Максимальная энергия, зарегистрированная у космических частиц, достигает зептаэлектронвольта! Что является источниками столь высокоэнергетических частиц, однозначно сказать невозможно, а вот частицы и гамма-кванты с умеренными энергиями — от кило- до гигаэлектронвольт — порождаются звездами, в том числе и нашим Солнцем.

С ним можно столкнуться только выйдя на околоземную орбиту или по крайней мере, поднявшись на несколько десятков километров. Это так называемое первичное космическое излучение. Каждая из таких частиц, влетев в атмосферу, вызывает целый каскад ядерных реакций, приводящий к образованию множества частиц — в основном мюонов — которые уже и долетают до Земли. Несмотря на высокую энергию, эти частицы не долетают до поверхности. И еще один интересный факт, связанный с космическими мюонами: они заряжены отрицательно, а вот первичные космические лучи заряжены положительно, так как состоят в основном из протонов. Кстати, долетают они исключительно благодаря релятивистскому замедлению времени: время существования мюона — две микросекунды — без него дало бы возможность пролететь мюону лишь полкилометра с небольшим. У поверхности Земли через каждый квадратный сантиметр за минуту в среднем пролетает один мюон. Именно поэтому Земля имеет отрицательный заряд, а ионосфера — положительный. А на высоте, на которой летают пассажирские самолеты, космические лучи создают мощность дозы в несколько микрозиверт в час, представляя уже определенную опасность для здоровья летчиков. Примерно треть естественного фона — около 3,5 мкР/ч — обусловлена ими.

Помимо мюонов есть во вторичных космических лучах также электроны и нейтроны. Последние играют важную роль в образовании так называемых космогенных радионуклидов.

Чтобы от них защититься, приходится уходить в глубокие подвалы и шахты. Вторичные космические лучи обладают весьма высокой проникающей способностью. Но и польза от них есть: с их помощью удается «просвечивать» геологические структуры, крупные постройки (такие, как египетские пирамиды). Разумеется, защищаться от них приходится не потому что они наносят вред здоровью — а потому что они мешают обнаруживать редкие и слабые события в ядерно-физических экспериментах, измерять малые активности радионуклидов и т.п.

Не только одна атмосфера защищает Землю и всех нас от космических лучей — кроме нее есть магнитное поле, отклоняющее заряженные частицы. Кстати, земная атмосфера эквивалентна для космических лучей примерно метру свинца. Во время геомагнитных инверсий магнитный щит Земли может на определенное время практически исчезнуть, но вопреки страшилкам алармистов, это не приведет к прекращению жизни на Земле, а уровень радиации у поверхности возрастет лишь в 2-3 раза. Но не следует недооценивать защитные свойства атмосферы.

Это так называемые широкие атмосферные ливни. Особо высокоэнергетические частицы, прилетевшие из космоса, вызывают образование ливня частиц, который покрывает большую площадь, вызывая одновременную регистрацию множества частиц на детекторах, разнесенных на значительные расстояния. Кроме того, такая частица вызывает мощную вспышку черенковского излучения в атмосфере. Их регистрация с помощью множества разнесенных детекторов позволяет определить энергию первичной частицы и именно таким способом определены энергии наиболее высокоэнергетических частиц космических лучей.

«Земными» источниками кратковременных вспышек гамма-излучения и высокоэнергетических электронов являются молнии и другие атмосферные разряды.

Специально для этого существуют рентгеновские трубки и различного рода ускорители — от маленьких, помещающихся почти что на ладони, до монстра БАК, занимающего территорию нескольких стран. А делом рук человеческих являются многочисленные устройства, которые генерируют потоки высокоэнергетических частиц и квантов, необязательно преднамеренно. Но наружу оно способно выйти обычно при напряжении на аноде, составляющем десятки киловольт. А источниками, как говорится сухим языком официальных бумаг, неиспользуемого рентгеновского излучения являются любые электровакуумные приборы. в радиолокационных станциях. Так, источниками рентгена становятся высоковольтные кенотроны, импульсные модуляторные лампы и СВЧ лампы бегущей волны, клистроны и т.п. А также — в руках разных любителей домашних экспериментов.

Может, но обычно не является. Часто можно слышать про то, что источником рентгеновского излучения является кинескоп телевизора или монитора. Вот кинескопы проекционных телевизоров, которые работали при напряжениях до 50 кВ и имели небольшие размеры и тонкие стенки колбы, «рентгенили» еще как. Дело в том, что стекло у кинескопа достаточно толстое, а рентгеновское излучение при анодном напряжении 15-25 кВ слишком мягкое для того, чтобы через такое стекло пройти. В этой схеме использовалась лампа ГП-5, работавшая при анодном напряжении, равном напряжению на втором аноде (то есть 25 кВ), через нее шел заметный анодный ток, а стенки у этой лампы — тонкие. А среди телевизоров «отличились» УПИМЦТ с их схемой стабилизации анодного напряжения. Положив завернутый в черную бумагу лист фотобумаги на такой телевизор, можно было получить отчетливый снимок его внутренностей — особенно если с лампы сняли защитный кожух. В итоге она ярко «светилась» в рентгеновском диапазоне.

Но мы вернемся к радиоактивности.

Уран и торий и их дочки

Уран и торий стали первыми известными человеку радиоактивными элементами. Именно на урановой руде Анри Беккерель обнаружил новое проникающее излучение, подобное рентгеновскому, именно из нее Мария Склодовская-Кюри добыла первые крупицы радия и полония.

Они остались с тех времен, когда образовались в недрах сверхновой звезды, при взрыве которой образовались те газ и пыль, из которых потом сформировалась наша Солнечная система. Эти элементы являются своеобразными «островами стабильности» посреди моря элементов, жизнь которых по сравнению с временем существования Земли слишком коротка. А расположены они в гуще элементов, периоды полураспада которых измеряются минутами, часами, годами, тысячелетиями… Так что, сменив клетку в таблице Менделеева на соседнюю справа (при бета-распаде) или на через одну слева, этот элемент превращается в еще более неустойчивый и радиоактивный элемент, который вновь распадается — И так, пока цепочка распадов не приведет, наконец, к стабильному элементу — свинцу или висмуту.

Да, уран-238 и торий-232 претерпевают альфа-распад, не сопровождающийся гамма-излучением. В связи с этим в обсуждении на разных форумах радиоактивных артефактов типа японских объективов или уранового стекла, а также истории с обедненным ураном в оружии и самолетах часто можно услышать заблуждение: мол, уран и торий — альфа-излучатели и в связи с этим их радиоактивностью можно пренебречь, если они не попадают внутрь организма. Однако последующие члены ряда урана-238, распады которых быстро следуют один за другим вплоть до долгоживущего урана-234, бета-активны, а протактиний-234m дает интенсивное гамма-излучение.

Удельная активность первого в природном уране в 21 раз ниже, чем $ {}^{238}U $, однако обладает интенсивным гамма-излучением, как и уран-234, активность которого почти всегда равна активности урана-238, так как он находится с ним в вековом равновесии. К тому же в природном уране помимо 238-го изотопа всегда есть 235-й и 234-й изотопы. С торием примерно та же история, с той только разницей, что свежевыделенный торий-232 действительно практически чистый альфа-излучатель, и, к примеру, ториевое стекло японских объективов в момент их изготовления не представляло собой особой радиационной опасности. Поэтому кусок урана-238 достаточно прилично «светит» и засвечивает фотопленку, на которой лежит, примерно за час. Эта линия обычно последняя в гамма-спектрах, за ней ничего, кроме космического излучения, просто нет. Но по мере восстановления в нем равновесия, в течение 10-15 лет интенсивность бета- и гамма-излучения тория значительно возрастает, что обусловлено накоплением в нем радия-228 и последующих членов ряда — вплоть до финального «салюта» таллия-208, дающего очень жесткое гамма-излучение с энергией 2,6 МэВ.

Самой знаменитой «дочкой» урана-238 является, конечно же, радий-226, тот самый, который открыли супруги Кюри и с добычей которого сравнивал свой труд Маяковский:

Изводишь единого слова ради
Тысячи тонн словесной руды…

Но в свежем уране радия почти нет. До него еще 245 тысяч лет ждать распада урана-234 и потом 75 тысяч лет — тория-230 с красивым названием «ионий». А вот в урановой руде радий находится в равновесии с ураном и активность его равна его, урана, активности. Поэтому урановая руда гораздо более радиоактивна, чем сам уран.

Именно поэтому свежий уран не является источником радона-222 (еще минус один миф про урановое стекло).

Поскольку равновесие в ториевом ряду устанавливается быстро, радий-228, а с ним и радон-220, не заставляет себя ждать. У тория в ряду тоже есть свой радий — двести двадцать восьмой.

Пара слов о радоне

Радон — это инертный газ. В связи с этим, он, казалось бы, не должен обладать высокой степенью радиотоксичности, так как практически не усваивается и не накапливается. Так долгое время и думали, и уже когда о вреде радиации знали много — радоновые ванны были популярнейшим способом лечения.

Вернее, пока не распадется. Но дело в том, что радон (что урановый 222, что ториевый 220), стоя в середине радиоактивного ряда, быстро превращается в один из радиоактивных изотопов свинца (214 для радона и 212 для торона), который оседает в легких и остается там навсегда. Именно радон и продукты его распада дают основной вклад в годовую дозу облучения. И уже он (и последующие члены ряда — в урановом ряду это, например, полоний-210) эффективно и качественно облучает легкие.

И если в сильный дождь замерить радиационный фон на улице, окажется, что он вырос — иногда даже в 2-3 раза. Кстати, эти радиоактивные продукты распада радона постоянно падают нам на головы. Это вовсе не «чернобыльский дождик» и не последствия Фукусимы, это всего-навсего продукты распада радона из километрового слоя атмосферы собрались на поверхности земли.
Потом эти свинец и висмут-214 превратятся в относительно долгоживущий (22 года) свинец-210, по которому можно определить, сколько прошло времени с момента, когда слой осадков на дне моря или другого водоема оказался перекрыт новыми наслоениями.

Концентрация дочерних продуктов распада радона в лишайниках многократно превышает исходное их содержание в дождевой воде и почве. А еще их охотно поглощают лишайники, например, ягель, которым потом питаются олени. Итог — в 35 раз большая годовая доза, чем у жителя, например, Москвы. Содержание свинца-210 в ягеле достигает 500 Бк/кг, что приводит к высокому содержанию этого нуклида (а следовательно, и полония-210) в мясе северных оленей — и в костях представителей народов крайнего севера, которые этим мясом (а также рыбой, в которой также велико содержание свинца-210) питаются.

Про калий, бананы и прочие апельсины

Помимо урана и тория с «дочками» источниками природной радиоактивности является некоторое количество элементов, имеющих помимо стабильных и радиоактивные природные изотопы. Среди них есть изотопы, образовавшиеся еще при царе Горохе до рождения Солнечной системы. Их периоды полураспада, как и у урана и тория, превышают время существования Солнечной системы, а то и Вселенной. Другие же имеют относительно короткие периоды полураспада, не позволяющие им сохраниться с древних времен. Они не могли образоваться и при распаде других радиоактивных изотопов, а значит, где-то должен быть другой источник их появления. Это — космические лучи.

В результате каждый из влетевших в атмосферу космических протонов приводит к образованию не только кучи мюонов и электронов, но и к образованию множества нестабильных ядер — космогенных радионуклидов. Высокоскоростные протоны, врезаясь в ядра атомов, как сами по себе вызывают ядерные реакции, так и приводят к рождению нейтронов и высокоэнергетичных гамма-квантов, которые вызывают новые ядерные реакции. Пожалуй, важнейшим из космогенных радионуклидов является углерод-14, образуемый под действием космических лучей из азота. Благодаря тому, что они образуются постоянно, они все время присутствуют в атмосфере, несмотря на относительно короткое (от секунд до тысяч лет) время жизни. Другие примеры — это бериллий-7, который вместе с продуктами распада радона легко обнаружить в дождевой воде по характерному гамма-излучению, тритий.

Таковы хлор-36 и бериллий-10.
Космогенные радионуклиды являются важными трассерами для изучения различных природных процессов переноса вещества, радиоактивными «часами» для датировки (про радиоуглеродный метод все знают), а вот их роль в создании естественного радиационного фона невелика — в этом никто, кроме радона не может соперничать с калием-40. Некоторые космогенные радионуклиды не образовались в атмосфере Земли под действием космических лучей, а с этими космическими лучами и прилетели. Соответственно, и доза от него на порядок ниже — всего около 15 мкЗв/год. Их (в основном, углерода-14) активность в человеческом теле лишь немногим меньше активности калия-40, однако у последнего энергия распада — полтора МэВа, а у углерода-14 — 156 кэВ.

И вместе с тем, калий неотделим от радиоактивного калия-40, который обуславливает его весьма заметную радиоактивность. Особенность калия в том, что он является важнейшим жизненно-важным элементом практически для любых форм жизни. Этой активностью создается годовая доза в 170 мкЗв/год — где-то немного меньше одной десятой от общей дозы облучения. Активность грамма природного калия составляет 31 Бк/г, а активность калия в человеческом организме — примерно 60 Бк/кг.

Калием, вообще-то много чего богато — курага, финики, орехи, и в общем-то бананы среди них не лидер, но все же калия в нем сравнительно много. Бананы, как известно, богаты калием, а значит, и его радиоактивным изотопом. Эта активность, а также величина вклада в дозу облучения, вызванного потреблением одного банана (оцененная, как 0,1 мкЗв) во времена аварии на Тримайл-Айленде были в шутку прозваны «банановым эквивалентом». Средний банан содержит около половины грамма калия, что соответствует 15-16 беккерелям калия.

Дело в том, что концентрация калия в организме — это штука довольно постоянная. На самом деле «банановый эквивалент» в дозовом выражении практически равен нулю. Если в организм поступает много калия, много калия выводиться почками. Любое серьезное отклонение в концентрации калия в тканях организм воспринимает весьма болезненно и тщательно поддерживает эту концентрацию в узких пределах. Но содержание его в организме будет держаться неизменным. Мало калия — почки будут беречь калий изо всех сил. Так что съеденный банан не изменит количества калия в теле, а значит, и не создаст дополнительной дозы облучения.

Он тоже ведет себя в организме, как калий, но из-за редкости вклад его в дозу небольшой — что-то в районе 6 мкЗв/год. Есть еще рубидий-87.

Дела рук человеческих

С момента открытия радиоактивности и до 1934 года ученые имели дело только с теми радиоактивными элементами, которые есть в природе. В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, исследуя образование свободных нейтронов под действием потока альфа-частиц, обнаружили, что после прекращения облучения алюминиевая мишень продолжает испускать некие частицы (оказавшиеся потом позитронами), поток которых быстро затухал. Так был впервые осуществлен искусственный синтез радиоактивного изотопа:

${}^{27}_{13}P + \alpha\rightarrow n+{}^{30}_{15}P$

Образование радиоактивного фосфора было доказано химически: при растворении ставшего радиоактивным алюминия в соляной кислоте вся активность уходила в выделяющийся газ в виде фосфористого водорода. Затем супруги Жолио-Кюри показали и образование других искусственных радиоактивных изотопов: облучением бора альфа-частицами был получен радиоактивный азот, при облучении магния — алюминий. Сбылась мечта алхимиков о превращении одних элементов в другие. Более продуктивным оказалось использование недавно созданных ускорителей заряженных частиц, с помощью которых удалось синтезировать не только множество радиоактивных изотопов известных элементов, но и те элементы, которых в природе не было. Первым из них стал открытый в 1937 году Эмилио Сегрэ технеций, название которого с тех пор указывает на его искусственное происхождение. Потом были франций, астат, потом первые трансурановые элементы — нептуний, плутоний…

Потом был открыт, пожалуй, самым мощным источником новых искусственных изотопов: ядерное деление.

Тем не менее, ядро остается целым, так как между состояниями «целое ядро» и «отдельные фрагменты» существует значительный энергетический барьер. Как я выше говорил, для тяжелых ядер цельное существование целого ядра менее выгодно энергетически, чем его разрушение. Она гораздо больше в случае, если отделяемый фрагмент — альфа-частица, чем обусловлена альфа-активность таких ядер. Вероятность самопроизвольного преодоления такого барьера даже для самых тяжелых ядер — урана, тория, трансурановых элементов — незначительна. Но вероятность деления ядра резко возрастает, если ядро «подогреть», возбудить какой-либо частицей извне. Но остается очень небольшая вероятность того, что ядро распадется на несколько примерно одинаковых «кусков», которые немедленно разлетятся под действием электростатического отталкивания. Возбужденное ядро деформируется, а затем разрывается. Проще всего это сделать с помощью нейтрона: ему не нужно преодолевать кулоновский барьер. Этот процесс лежит в основе всей ядерной энергетики нашего времени, и он же производит огромное количество самых разнообразных радиоактивных изотопов: ядерные «осколки» могут быть практически любыми, и сможем мы их обнаружить и выделить или нет, определяется только временем их жизни. Важно, что при делении обычно образуются не только «осколки», но и свободные нейтроны, которые также оказываются способны вызвать деление у других ядер. Такими «детищами ядерного взрыва» стали эйнштейний и фермий. А мощный поток нейтронов, образующийся в процессе интенсивной ядерной реакции (особенно при ядерном взрыве) способен породить очень тяжелые трансурановые элементы. А более легкие плутоний, америций, кюрий и калифорний получаются в реакторах во вполне промышленных количествах.

Переработка облученного ядерного топлива и облучение нейтронами различных элементов в реакторах стали эффективным и дешевым источником практически любых радиоактивных изотопов, позволяющим получать их в любых количествах — от небольших контрольных источников для калибровки карманных дозиметров, идущих вместе с ними в комплекте и не представляющих серьезной опасности, до тех, в луче от которых почти мгновенно погибают даже бактерии, а воздух светится, как лампочка.

А после, слив бензин и запустив реактор...

У радиоактивного изотопа как источника излучения есть одно свойство, что является как достоинством, так и недостатком. Он «работает» сам по себе, ни от чего не завися. «Выключить» радиоактивный источник нельзя — только спрятать за толстый слой свинца.

Условием протекания самоподдерживающейся реакции деления является то, чтобы количества нейтронов, которые рождаются при актах деления, хватало для восполнения как тех нейтронов, которые затрачиваются на само деление, так и тех, которые покинули активную зону, не вызвав деления: были поглощены или захвачены либо просто улетели за ее пределы. А вот реакцией деления можно (и нужно) управлять. Нейтронов образуется больше, чем надо — реакция разгоняется, экспоненциально, лавинообразно наращивая свою интенсивность. Это — условие критичности. Не хватает нейтронов — реакция угасает.

Вокруг такого исследовательского реактора (или нескольких) обычно строится целый научный центр, в котором проводятся разнообразные исследования и эксперименты, для которых необходим интенсивный поток нейтронов. Ядерные реакторы обычно рассматриваются прежде всего как источники нейтронов. Это исследования кристаллической структуры с помощью дифракции нейтронов, различные методы химического анализа, основанные на превращении стабильных элементов в радиоактивные изотопы (нейтронно-активационный анализ), изучение влияния излучения на вещество, включая и биомолекулы и живые организмы в целом, и многое другое.

Это почти что атомная бомба в представлении некоторых популяризаторов ядерной физики: «если мы возьмем два куска урана и сложим их вместе, мы получим воронку в полмили диаметром». Одним из вариантов такого реактора является импульсный ядерный реактор. Нейтронная вспышка, которая при этом образуется, может быть тысячекратно более интенсивна, чем нейтронный поток обычного энергетического или исследовательского реактора. В импульсном реакторе так и происходит: критическая масса образуется на мгновение, когда один кусок урана быстро пролетает мимо другого.

В условиях рядовой лаборатории или в полевых условиях для получения нейтронного потока используют либо калифорний-252, генерирующий нейтроны за счет спонтанного деления, либо источники, основанные на реакциях альфа-частиц с бериллием, бором или алюминием. Ядерный реактор — хороший источник нейтронов, но стационарный, дорогой, громоздкий и опасный. Таким источникам есть альтернатива в виде так называемой нейтронной трубки. Однако, такие источники малоинтенсивны и неизбежно дают вместе с нейтронами гамма-излучение.

Правда, на ее проведение затрачивается гораздо больше энергии, чем выделяется, но нейтронный поток она дает. Фактически это тоже реактор, только термоядерный: в нейтронной трубке осуществляется реакция ядерного синтеза. Ядерный синтез происходит на мишени из трития под действием ядер дейтерия — дейтронов, ускоряемых газовым разрядом в дейтерии. И главное — выключенная нейтронная трубка практически безопасна (за исключением некоторой активации элементов ее конструкции, да некоторого количества трития внутри трубки) и в этом смысле подобна рентгеновской трубке.

Послесловие

Ионизирующая радиация — явление не новое. Вопреки сложившимся в народе представлениям (я в предыдущих статьях уже писал о некоторых мифах на эту тему), доля антропогенных источников излучения в дозе облучения подавляющего большинства людей весьма невелика. Однако именно антропогенные источники представляют наибольшую опасность острого лучевого поражения. Природная радиация в земных условиях практически никогда не угрожает жизни непосредственно — исключением является только работа на разработке некоторых, наиболее богатых, урановых месторождений. А вот искусственные источники уже успели убить немало людей. Это и физики, которые работали с ураном и плутонием и попали под вспышки СЦР, и жертвы бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, и жертвы Чернобыля и других менее известных радиационных аварий. Бывали и случаи, когда людей убивал потерянный или украденный источник излучения, либо когда люди по незнанию оказывались в зоне интенсивной радиации и набирали смертельные дозы за секунды.

Об этом — а вернее, о радиационной безопасности, я расскажу в следующей статье.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть