ОЯФРиД

Министерство образования и науки РФ ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ, РАДИОХИМИИ И ДОЗИМЕТРИИ

Учебное пособие

Екатеринбург Уральский федеральный университет

2012

Кафедра радиохимии и прикладной экологии©

Составители: Н.Д. Бетенеков, Ю.В.Егоров, В.Д. Пузако

Научный редактор – проф., д-р хим. наук Н.Д. Бетенеков

Основы ядерной физики радиохимии и дозиметрии. Учебное пособие/ Н.Д.

Бетенеков, Ю.В.Егоров, В.Д. Пузако. Екатеринбург: УрФУ, 2012. 114 с.

Учебное пособие рекомендовано для студентов химических специальностей физико-технологического института. В нем рассмотрены некоторые разделы курса «Основы ядерной физики, радиоцимии и дозиметрии»: особенности эволюции радионуклидов в техногенных системах, радиационная химия и химические явления, сопровождающие ядерные превращения.

Библиогр.: 22 назв. Рис. 23. Табл. 21.

©Уральский федеральный университет, 2012

©Н.Д. Бетенеков, Ю.В. Егоров, В.Д. Пузако, 2012

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	2

Введение	ОГЛАВЛЕНИЕ
	5

1ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В 7 ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

1.1	Деление ядер. Ядерные реакторы	7
	1.1.1. Термодинамика процесса деления ядер	7
	1.1.2. Деление ядер урана под действием нейтронов	11
	1.1.3. Условия осуществления управляемой цепной ядерной реакции	13
	деления
	1.1.4. Воспроизводство ядерного горючего	17
1.2	Продукты деления (ПД)	22
	1.2.1. Энергия деления	22
	1.2.2. Распределение масс ПД	23
	1.2.3. Распределение заряда при делении	24
	1.2.4. Радиоактивные цепочки ПД	24
1.3	Накопление и распад ПД	27
	1.3.1. Параметры, определяющие эволюцию ПД	27
	1.3.2. Общая схема эволюции ПД	30
1.4	Коэффициенты очистки и время выдержки облученного топлива	31
2	ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕИЗЛУЧЕНИЙ	33
2.1	Радиационная химия	33
	2.1.1. Историческая справка	33
	2.1.2. Термины, определения, общие сведения о физико-химической	37
	картине развития радиационно-химических процессов
	2.1.3. Основные проблемы радиационной химии и их дозиметрические	37
	аспекты
2.2	Радиолиз воды и водных растворов	39
	2.2.1 Физико-химические основы процессов радиолиза воды и водных	39
	растворов
	2.2.2. Механизм радиолиза воды	43

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	3

	2.2.3. Классификация радиационно-химических выходов			46
	2.2.4. Уравнения материального баланса радиолиза воды			48
	2.2.5. Химические свойства основных продуктов радиолиза воды			50
2.3	Радиолиз разбавленных водных растворов			54
2.4	Кинетика радиационно-химических реакций			58
3	ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ЯДЕРНЫЕ			63
	ПРЕВРАЩЕНИЯ. ХИМИЯ ГОРЯЧИХ АТОМОВ
3.1	Образование радиоактивных изотопов и расчет энергии отдачи			63
3.2	Образование атомов отдачи			68
3.3	Заряд атомов отдачи			70
3.4	Энергия отдачи для разных типов ядерных превращений. Метод			71
	разделения изотопов Сцилларда-Чалмерса
3.5	Удержание. Классификация причин удержания			73
	3.5.1. Ядерно-физические причины удержания			74
	3.5.2. Физико-химические причины удержания			75
3.6	Химические последствия изомерного перехода			78
3.7	Химические изменения в результате электронного захвата			79
3.8	Химические изменения при --распаде			81
3.9	Изотопный обмен			83
	3.9.1. Общие положения			83
	3.9.2. Причины	протекания	изотопного обмена.	86
	Равнораспределение изотопов
	3.9.3. Кинетика	гомогенного	изотопного обмена	87
	3.9.4. Механизмы	реакций изотопного обмена		94
	3.9.5. Гетерогенный изотопный обмен			96
3.10	Условия разделения радиоактивных изотопов и изомеров			101
	химическим методом
3.11	Изотопные эффекты			102
	РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА			113

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	4

ВВЕДЕНИЕ

В 1910 г. английский химик А. Камерон в комплексной проблеме, получившей общее название «радиоактивность», выделяет самостоятельное направление, которое он назвал радиохимией. С этого момента радиохимия обрела автономию, хотя до сих пор перечень тем, включаемых в состав этой науки, довольно неоднозначен, и определения радиохимии, формулируемые различными научными школами, отличаются заметным разнообразием.

Не допуская мысли, что определение радиохимии может быть вредным или опасным деянием, мы все-таки из уважения к традиции дадим определение этой дисциплины, принадлежащее основателю кафедры радиохимии Московского государственного университета А. Н. Несмеянову: «Радиохимия – область науки, изучающая химию радиоактивных изотопов, элементов и веществ и их физико-химические свойства, ядерные превращения и сопутствующие им химические процессы. Можно наметить четыре основных раздела радиохимии: общую радиохимию, химию радиоактивных элементов, химию ядерных превращений и прикладную радиохимию».

А вот определение, которое дал В.Д. Пузако, доцент кафедры радиохимии и прикладной экологии Уральского федерального университета, которое нам кажется наиболее приемлемым: «Радиохимия наука о химических и физико-химических особенностях систем, в которых присутствуют или возникают радионуклиды».

Естественно, что содержание радиохимии, как науки, может и будет изменяться, но все составные части объединяются предметом исследования, а это – радиоактивные вещества, и методом – измерение ионизирующих излучений.

Основные разделы современной радиохимии приведены в следующей схеме.

РАДИОХИМИЯ

	1. ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ	2. ИНЖЕНЕРНАЯ	3. ПРИКЛАДНАЯ

1.1. Химия радиоактивных элементов.

1.1.1.Химия естественных радиоактивных элементов.

1.1.2.Химия искусственных радиоактивных элементов.

1.1.3.Химия важнейших продуктов деления

1.2. Физико-химические особенности систем, в которых имеются или возникают радионуклиды.

1.2.1. Проблемы состояния и межфазного распределения микрокомпонентов.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	5

1.2.2.Временные особенности поведения генетически связанных радионуклидов.

1.2.3.Химия горячих атомов.

1.2.4.Авторадиационная химия.

1.3. Ядерная химия.

1.3.1.Химия ядерных превращений.

1.3.2.Химические свойства экзотических атомов и ядер.

2.1. Ядерная химическая технология.

2.1.1.Химическая технология первичных материалов: урана и тория.

2.1.2.Переработка облученного ядерного топлива.

2.1.3.Производство индивидуальных радионуклидов.

2.1.4.Переработка радиоактивных отходов.

2.1.5.Технология вспомогательных материалов.

2.2. Методы тонкой химической технологии.

2.2.1.Соосаждение и сокристаллизация.

2.2.2.Сорбция.

2.2.3.Ионный обмен.

2.2.4.Экстракция.

2.2.5.Электрохимические методы.

2.2.6.Высокотемпературные методы.

3.1. Радиоаналитическая химия.

3.1.1.Анализ природных объектов на естественные радионуклиды.

3.1.2.Активационный анализ.

3.1.3.Метод изотопного разбавления.

3.1.4.Субстехиометрические методы.

3.2. Метод радиоактивных индикаторов в химии.

3.2.1.Метод меченых атомов - для определения константных величин.

3.2.2.Метод меченых атомов – для решения прикладных химических задач.

Естественно, что содержание радиохимии, как науки, может и будет изменяться, но все составные части объединяются предметом исследования, а это – радиоактивные вещества, и методом – измерение ионизирующих излучений. В предложенном курсе рассматриваются только отдельные вопросы, относящиеся к радиохимии и смежным проблемам.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	6

1. ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Работа ядерного реактора сопровождается радикальными физико-химическими изменениями тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Организация химической переработки ТВЭЛов предполагает детальное знание тех процессов, которые оказывают главное влияние на химический состав облученных ТВЭЛов, определяя таким образом технологию переработки облученного ядерного горючего. Важнейшим из таких процессов является деление ядер.

1.1.Деление ядер. Ядерные реакторы

1.1.1.Термодинамика процесса деления ядер

Если рассматривать ядро атома любого элемента с точки зрения его устойчивости, то важнейшей характеристикой, помогающей количественно оценить этот параметр, будет величина энергии, выделившейся при образовании данного ядра из отдельных нуклонов. Эта величина называется полной энергией связи ядра. Примем обозначения: z- порядковый

номеp ядра (число протонов в ядре); ZAM - масса ядра (атомные единицы массы - а.е.м.),

имеющего порядковый номер z и массовое число А; mp - масса протона, а.е.м.; mn - масса нейтрона, а.е.м. По определению энергия связи будет равна

Eсв = {[Zmp + (A - Z)mn ]- ZAM }·931. (1.1)

В выражении (1) множитель 931, являющийся энергетическим эквивалентом, МэВ, атомной единицы массы, позволяет получить значение Есв непосредственно в мегаэлектронвольтах.

Как видно, для экспериментального нахождения энергии связи достаточно определить значения масс ядра атома, протона и нейтрона. Две последние величины определены с высокой точностью; массы ядер многих атомов также надежно измерены, и значения энергии связи известны для всех изотопов химических элементов. Отметим, что говорить об энергии связи ядер элемента можно только для моноизотопных элементов (например, Be), во всех других случаях следует говорить о энергии связи конкретного изотопа данного элемента.

Очевидно, что с ростом А энергия связи будет возрастать, и сравнивать между

собой устойчивость различных ядер гораздо удобнее не по величине полной энергии связи, а

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	7

по удельной энергии связи, представляющей собой энергию связи, приходящуюся на один нуклон ядра:

Eсв, уд = Есв /А .

(1.2)

Наиболее часто удельную энергию связи выражают в мегаэлектронвольт/нуклон. Нужно иметь в виду, что 1 МэВ/нуклон = 162 фДж/нуклон = 0,162 пДж/нуклон.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа нуклида приведена на рис.1.1.

Есв.уд, 10
МэВ/нукл 8		0,8
6
4
2
0						A
0	50	100	150	200	250	300

Рисунок 1.1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Приведенная зависимость в действительности представляет дискретное распределение, т.к. по оси абсцисс откладываются только целочисленные значения (по определению, А всегда целочисленно). Кроме того, одному значению А может соответствовать несколько значений удельной энергии связи, отвечающих нескольким изобарам. Таким образом, в целом зависимость удельной энергии связи от массового числа нуклида представляет собой "зону", в которой число точек должно соответствовать числу различных нуклидов в периодической системе.

Максимум на рис.1.1 позволяет сделать очень важный вывод о том, что наиболее устойчивыми являются ядра середины периодической системы, а легкие и тяжелые ядра представляют собой термодинамически неравновесные системы, для которых энергетически выгодным является переход в более устойчивое состояние. Для легких ядер такой переход может быть реализован в форме ядерного синтеза, для тяжелых – путем деления. Тем не менее большинство тяжелых ядер конца периодической системы самопроизвольно не делятся – это означает, что для процесса деления требуется некоторая, подводимая извне, энергия активации. Величина этой энергии (в ядерной физике энергия активации имеет синоним – барьер деления), представляющей собой возрастание энергии ядра в начале

процесса деления за счет изменения поверхностной энергии, зависит от положения ядра в

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	8

(1.4) ,

периодической системе, уменьшаясь с ростом его порядкового номера. Очень условно все это можно представить графически.

На рис.1.2 представлена энергетическая диаграмма ядра до и после деления. За нулевой уровень энергии принята энергия покоящихся продуктов деления, не взаимодействующих между собой. По оси абсцисс отложено расстояние от центра ядра. При выбранной шкале энергетическое состояние исходного ядра будет определяться величиной Ef, МэВ, представляющей как раз энергию, выделяющуюся в процессе деления:

E = ( AM		- M	пр.дел.	) · 931 (1.3).
f	Z
E	Eкул.
Ea
Ef
					R
Рис.1.2.Энергетическая диаграмма ядра

Энергия Екул. есть энергия кулоновского барьера, которую необходимо преодолеть продуктам деления, чтобы состоялся сам акт деления. Как видно из графика, это случай, когда термодинамически разрешенный переход (деление ядра) не реализуется как самопроизвольный (спонтанный) процесс. Для всех ядер изотопов химических элементов можно рассчитать величины Eкул. и Ef и посмотреть, как будет изменяться разность (Eкул. –

– Ef), т.е. энергия активации. Результаты такого расчета в предположении, что исходное ядро делится на два равных по величине "осколка", т.е.

AzM A/z/22M A/z/22M Ef

приведены на рис.3. Из рисунка видно, что с ростом А (а значит, и Z) величина Ea уменьшается и для естественных радионуклидов конца периодической системы (Th, Pa, U) становится величиной, соизмеримой с энергией связи нуклонов в ядре (6-8 МэВ). Полностью величины Eкул. и Ef сравниваются между собой (т.е. Ea=0) только для гипотетического элемента с z = =120, для которого момент образования и момент спонтанного деления будут

совпадать (распад будет происходить за "ядерное время" 10-21 – 10-23с). Что же касается

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	9

реально наблюдаемого факта спонтанного деления некоторых тяжелых естественных и искусственных ядер, то объяснение этому явлению (как, впрочем, и -распаду) может быть дано только в рамках квантово-механических представлений о туннельном эффекте, вероятность которого растет с ростом порядкового номера ядра, по мере того, как уменьшается величина Ea.

E,МэВ250
200				Екул
					Ef
150
100			Ea
50
						A
0
0	50	100	150	200	250	300

Рис. 1.3.Изменение энергии активации ядер

Из рассмотренного материала следуют выводы:

1. Процесс деления ядер является энергетически выгодным (Ef > 0) для всех ядер с

А>85.

2.Для реализации процесса деления необходимо подведение к делящемуся ядру энергии W Ea (W - энергия возбуждения).

3.Энергия к делящемуся ядру может быть подведена с помощью фотонов, заряженных и нейтральных частиц. В случае фотонов с энергией E энергия возбуждения

(максимальная) точно равняется энергии фотона (E = W). В случае возбуждения ядра с помощью частиц энергия возбуждения будет суммой кинетической энергии частицы и той энергии связи, которая освобождается в результате вхождения частицы в состав нового (составного) ядра.

4. Энергия активации меняется в очень широких пределах: от Ea=50 МэВ для А = 85 до 6-7 МэВ для последнего из природных элементов - урана.

5. Спонтанное деление при условии, что Ef >0 и Ea >0, возможно только для ядер конца периодической системы и трансурановых элементов, для которых Ea соизмерима с величиной энергии связи нуклона в ядре или меньше нее.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	10