Наведённая радиоактивность

Наведённая радиоактивность — это явление возникновения искусственной радиоактивности в стабильных изотопах химических элементов в результате их облучения ядерными частицами (нейтронами, протонами, альфа-частицами, гамма-квантами) или ионами высокой энергии. В процессе ядерных реакций стабильное ядро захватывает частицу или испускает её, превращаясь в нестабильный (радиоактивный) изотоп, который впоследствии распадается с испусканием ионизирующего излучения. Наведённая радиоактивность является ключевым фактором, определяющим радиационную опасность вблизи ядерных реакторов, ускорителей частиц и мест проведения ядерных взрывов.

История открытия

Явление наведённой радиоактивности было открыто в 1934 году супругами Ирен Жолио-Кюри и Фредериком Жолио-Кюри. В ходе экспериментов по облучению алюминиевой фольги альфа-частицами (ядрами гелия) они обнаружили, что после прекращения облучения мишень продолжает испускать позитроны, причём интенсивность излучения спадает по экспоненциальному закону. Это свидетельствовало о том, что в результате ядерной реакции образовались короткоживущие радиоактивные изотопы фосфора-30 и кремния-28. За открытие искусственной радиоактивности учёные были удостоены Нобелевской премии по химии в 1935 году.

В последующие годы явление было подробно изучено применительно к различным типам облучения. Особое значение приобрело открытие в 1938 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом деления урана под действием нейтронов, которое сопровождается образованием большого количества радиоактивных осколков — продуктов деления, а также наведённой радиоактивности в конструкционных материалах реактора.

Механизмы возникновения

Наведённая радиоактивность возникает в результате ядерных реакций, в которых стабильное ядро поглощает или испускает частицу, превращаясь в нестабильное ядро. Основные типы реакций, приводящих к наведённой радиоактивности:

• Радиационный захват нейтронов (n, γ): ядро захватывает нейтрон, испуская гамма-квант. Образуется изотоп с массой на единицу больше исходного. Пример: \(^{59}\text{Co} + n \rightarrow ^{60}\text{Co} + \gamma\), где \(^{60}\text{Co}\) — радиоактивный кобальт с периодом полураспада 5,27 года.
• Реакции с вылетом заряженных частиц: например, (n, p), (n, α), (p, n), (α, n). При облучении протонами или альфа-частицами ядро может испустить нейтрон или другой нуклон, образуя радиоактивный продукт.
• Реакции под действием гамма-квантов (фотоядерные): высокоэнергетичные гамма-кванты (обычно с энергией более 8–10 МэВ) могут выбивать из ядра нейтрон (γ, n) или протон (γ, p), превращая стабильное ядро в радиоактивное.
• Реакции с быстрыми нейтронами: нейтроны с энергией выше 1 МэВ могут вызывать реакции типа (n, 2n), (n, 3n), приводящие к образованию изотопов с меньшей массой.

Вероятность протекания каждой реакции зависит от энергии налетающих частиц и сечения взаимодействия с ядром-мишенью. Наибольший вклад в наведённую радиоактивность в ядерных реакторах вносит захват тепловых нейтронов (с энергией около 0,025 эВ).

Факторы, влияющие на уровень наведённой радиоактивности

Уровень наведённой радиоактивности в материале определяется следующими параметрами:

• Поток и энергия облучающих частиц: чем выше интенсивность потока и энергия частиц, тем больше ядерных реакций происходит в единицу времени.
• Ядерный состав материала: изотопы с большим сечением захвата нейтронов (например, кобальт-59, европий-151, марганец-55) активируются сильнее. Примеси таких элементов даже в малых количествах могут существенно повысить активность.
• Время облучения: активность нарастает до насыщения, когда скорость образования радиоактивных ядер сравнивается со скоростью их распада. Время достижения насыщения составляет примерно 4–5 периодов полураспада образующегося изотопа.
• Время выдержки после облучения: после прекращения облучения активность спадает по закону радиоактивного распада. Короткоживущие изотопы (с периодом полураспада минуты–часы) быстро исчезают, долгоживущие (годы–десятилетия) остаются надолго.

Примеры наведённой радиоактивности

В ядерных реакторах

В активной зоне реактора нейтроны высокой интенсивности активируют конструкционные материалы (сталь, цирконий, алюминий), теплоноситель (воду, жидкий натрий), а также элементы защиты и управления. Наиболее значимые активируемые изотопы:

• Кобальт-60 (\(^{60}\text{Co}\)): образуется из кобальта-59, присутствующего в нержавеющей стали. Период полураспада 5,27 года, испускает гамма-кванты высокой энергии, является основным источником долгоживущей активности в отходах реакторов.
• Железо-55 (\(^{55}\text{Fe}\)): образуется из железа-54 по реакции (n, γ). Период полураспада 2,7 года, распадается путём захвата электрона, испуская рентгеновское излучение.
• Цинк-65 (\(^{65}\text{Zn}\)): образуется из цинка-64, встречается в латунных деталях. Период полураспада 244 дня.
• Европий-152 (\(^{152}\text{Eu}\)): образуется из европия-151, который входит в состав поглощающих стержней управления. Период полураспада 13,5 года.

В ускорителях частиц

При работе ускорителей протонов, электронов или ионов происходит активация мишеней, детекторов, магнитов и стенок камер. Например, в ускорителях, используемых для протонной терапии, активируются медные и алюминиевые детали с образованием изотопов \(^{60}\text{Co}\), \(^{22}\text{Na}\), \(^{7}\text{Be}\). В коллайдерах (например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе) активация конструкций приводит к необходимости длительного «охлаждения» оборудования перед обслуживанием.

При ядерных взрывах

При подземных и наземных ядерных взрывах нейтроны высокой энергии активируют почву, горные породы, воду и атмосферный азот. Это приводит к образованию радиоактивных изотопов, таких как углерод-14 (\(^{14}\text{C}\)), натрий-24 (\(^{24}\text{Na}\)), марганец-56 (\(^{56}\text{Mn}\)), алюминий-28 (\(^{28}\text{Al}\)). Наведённая радиоактивность вносит вклад в радиоактивное загрязнение местности после ядерных испытаний.

В космическом пространстве

Космические лучи (высокоэнергетические протоны и ядра) вызывают наведённую радиоактивность в материалах космических аппаратов и в веществе метеоритов. Например, в лунном грунте, доставленном на Землю, обнаружены изотопы, образовавшиеся под действием галактических космических лучей.

Значение и применение

В ядерной энергетике и радиационной безопасности

Наведённая радиоактивность является одним из главных факторов, определяющих радиационную обстановку на атомных станциях и предприятиях ядерного топливного цикла. Конструкционные материалы, долгое время находившиеся в нейтронном потоке, становятся радиоактивными отходами, требующими специального обращения, захоронения или выдержки до снижения активности до безопасного уровня. При выводе ядерных реакторов из эксплуатации необходимо учитывать наведённую активность бетона, стали и других материалов.

В медицине

Наведённая радиоактивность используется для получения радиоактивных изотопов, применяемых в диагностике и терапии. Например, в циклотронах облучают мишени из стабильных изотопов протонами или дейтронами, получая короткоживущие радионуклиды (фтор-18, технеций-99m, йод-123) для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).

В научных исследованиях

Активационный анализ — метод определения элементного состава вещества, основанный на измерении наведённой радиоактивности образца после облучения нейтронами или заряженными частицами. Чувствительность метода позволяет обнаруживать примеси на уровне \(10^{-6}\)–\(10^{-10}\) грамма. Активационный анализ применяется в геохимии, археологии, криминалистике, материаловедении.

В промышленности

Наведённая радиоактивность используется для создания компактных источников гамма-излучения (например, кобальтовые пушки с \(^{60}\text{Co}\)) для дефектоскопии, стерилизации медицинских инструментов, облучения пищевых продуктов.

Меры защиты и снижения наведённой радиоактивности

Для минимизации наведённой радиоактивности в конструкциях ядерных установок применяют:

• Выбор материалов с низким сечением активации: например, использование алюминиевых сплавов вместо стальных в зонах с высоким нейтронным потоком, замена кобальтсодержащих сталей на бескобальтовые.
• Удаление примесей: очистка конструкционных материалов от элементов с высоким сечением захвата нейтронов (кобальт, европий, марганец).
• Экранирование: размещение между источником нейтронов и активируемыми элементами слоёв материалов, поглощающих нейтроны (бор, кадмий, гафний).
• Выдержка: после прекращения облучения оборудование выдерживают в специальных хранилищах до спада активности короткоживущих изотопов.

Источники

• Жолио-Кюри И., Жолио-Кюри Ф. Искусственная радиоактивность // Успехи физических наук. — 1935. — Т. 15, № 4. — С. 478–497.
• Мурин А. Н. Введение в радиохимию. — М.: Атомиздат, 1974. — 384 с.
• Гусев Н. Г., Дмитриев П. П. Квантовое излучение радиоактивных нуклидов. — М.: Атомиздат, 1977. — 400 с.
• Бекман И. Н. Ядерная физика. — М.: Издательство МГУ, 2010. — 672 с.
• Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): Санитарные правила и нормативы. — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. — 100 с.