Радіаційна хімія в ядерному паливному циклі

ВЗАЄМОДІЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ

Радіаційно-хімічні процеси ініціюються корпускулярним і фотонним випромінюваннями високої енергії. При проходженні через середовище ці випромінювання роблять її іонізацію і збудження. Розрізняють безпосередньо іонізуючі випромінювання (заряджені частинки) і побічно іонізуючі (фотонное випромінювання, нейтрони). В принципі гамма-кванти здатні безпосередньо викликати іонізацію. Однак їх відносять до побічно іонізуючого випромінювання, так як число актів прямої іонізації мало в порівнянні з числом актів іонізації, викликаних вторинними електронами.

2. 1. Заряджені частинки

Заряджені частинки - альфа і бета-випромінювання радіоактивного розпаду, а також прискорені електрони і позитивно заряджені іони (протони, Дейтон, заряджені осколки ділення ядер урану, багатозарядні прискорені іони елементів і т. Д.) Втрачають свою енергію в середовищі за рахунок електромагнітної взаємодії з електронними оболонками молекул (основний механізм), що приводить до їх іонізації і збудження, а також в результаті взаємодії з кулоновским полем ядер і електронів, при якому ініціюється гальмівне рентгенівське випромінювання. Відповідно, втрати енергії по цих каналах називаються іонізаційними і радіаційними.

Для нерелятівістскіх важких заряджених частинок середні іонізаційні втрати енергії на одиниці довжини шляху описуються формулою Бете:

де: Е - початкова кінетична енергія частинки, х - координата в напрямку руху частинки; z і е - заряд частки і електрона, відповідно, m - маса спокою електрона, Vo - початкова швидкість частинки, Z - атомний номер середовища, А - атомна маса середовища, - щільність середовища, No - число Авогадро, I - середній потенціал збудження ( геометричне середнє всіх потенціалів збудження і іонізації молекул середовища). Формула (2. 1) справедлива, коли Е<

прийнято називати, відповідно, гальмівним числом і електронної щільністю середовища.

Для прискорених нерелятівістскіх електронів середні іонізаційні втрати можуть бути описані формулою Бете в наступному вигляді:

Аналіз формули Бете дозволяє зробити два важливих висновки:
1) параметр (- dE / dx) ion різко зростає зі зменшенням швидкості частинки,

2) при однаковій енергії електронів і важких заряджених частинок параметр (- dE / dx) ion для електронів у багато разів менше, ніж для для важких частинок, а глибина проникнення в речовину, відповідно, значно більше.

Численними експериментами показано, що формула Бете адекватно відображає природу втрат енергії заряджених частинок на іонізацію і може бути використана для кількісних розрахунків.

Втрати енергії важких заряджених частинок на гальмівне випромінювання (радіаційні втрати) малі в порівнянні з іонізаційними втратами. У разі електронів ставлення радіаційних втрат до іонізаційним становить:

де: Е - початкова енергія електронів, МеВ; Z - атомний номер середовища. Для електронів іонізаційні втрати пропорційні квадрату атомного номера Z і майже пропорційні початковій енергії Е. При високих енергіях переважають радіаційні втрати. Зі зменшенням енергії велику роль відіграють іонізіціонние втрати. При деякій енергії, званої критичної (Е). іонізаційні і радіаційні втрати на одиниці шляху виявляються порівнянними. Величина критичної енергії залежить від природи речовини. Наприклад, для водню вона дорівнює 500 МеВ, а для свинцю - всього лише 11 МеВ. Повні втрати енергії на одиниці шляху зарядженої частинки дорівнюють сумі іонізаційних і радіаційних втрат:

Осколки поділу ядер урану, а також прискорені важкі іони (наприклад іони вуглецю, ксенону і т. Д.) Мають різний заряд і характеризуються значними масами. Для опису втрат енергії цими частками формула Бете не може бути застосована. Осколки поділу і прискорені іони витрачають свою енергію на іонізацію, збудження і в пружних зіткненнях з ядрами атомів. Відносний внесок цих процесів різний для різних енергій і зарядів цих частинок. Проникаючи в речовину, осколок буде захоплювати електрони, і його заряд стане зменшуватися. Внаслідок цього знижуються втрати енергії на іонізацію і збудження. Одночасно зростають втрати енергії в пружних зіткненнях. Рух осколка, закінчується при безпосередньому зіткненні з ядром середовища, коли відбувається порівняно велика передача енергії.

Для опису повних втрат енергії високоенергетичними зарядженими частинками при проходженні їх в речовині використовують поняття "гальмівна здатність речовини". Лінійна гальмівна здатність речовини S - це відношення середньої енергії dEср. втрачається частинкою в речовині при взаємодії з ним на одиниці довжини dl її шляху:

Масова гальмівна здатність речовини (S /) є ставлення лінійної гальмівної здатності речовини до щільності речовини:

S / = (1 /) (dEср / dl) (2. 8)

Рис.2.1. Залежність масової гальмівної здатності від енергії зарядженої частинки

У загальному вигляді залежність S / від енергії зарядженої частинки показана на рис. 2. 1. Ділянка ВС описується формулою Бете і характеризується переважанням іонізаційних втрат. Характер залежності на ділянці АВ (в кінці шляху) визначається захопленням електронів середовища, а на ділянці СД - поляризаційним ефектом.