Наведенная радиоактивность материалов

При неупругих взаимодействиях первичного, вторичного и рассеянного излучения с ядрами вещества имеется большая вероятность возникновения радиоактивных ядер — происходит активация вещества. Мощность дозы от наведенной радиоактивности может превосходить ДМД при длительной работе ускорителя, когда мощность источника адронов от ускорителя порядка Ю¹⁰ 1/с. Становятся радиоактивными детали ускорителя, вспомогательное оборудование, защита, охлаждающая вода и воздух, которые становятся источниками нейтронов, альфа, бета и гамма-излучений. При этом персонал подвергается как внешнему, так и внутреннему облучению. Как правило, на ускорителях высокой энергии доза облучения от наведенной радиоактивности в основном определяется внешним облучением, а определяющий вклад во внешнее облучение персонала вносит гамма-излучение.

Чтобы определить наведенную активность, нужно учитывать все каналы соответствующих ядерпых реакций, которые вносят заметный вклад в радиационную обстановку. Наибольшую опасность представляют радионуклиды с периодом полураспада более нескольких часов. Наиболее существенный вклад в образование радионуклидов дают нейтроны, протоны, л*-мезоны, различные ядра и тормозное излучение. Вклад от остальных частиц мал. Следует иметь в виду, что нейтроны и я¹ -мезоны способны образовывать радиоактивные ядра во всем диапазоне энергий. Энергия других частиц должна превышать пороговую энергию реакции, как правило, 5−6 МэВ, а для фотоядерных реакций более 10−15 МэВ.

Реакции генерации радионуклидов в бетоне под действием фотонов д _нат — изотопная распространенность материнского изотопа; п₀— концентрация его

атомов; ХРИхарактеристическое излучение; Гд. — керма постоянная (аГр • м'/с • Бк).

Реакции генерации радионуклидов в бетоне под действием нейтронов ХРИ — характеристическое излучение; Г_Л, — керма постоянная (аГр • м²/с • Бк).

Таблица 20.8.

Состав бетона

(Плотность обычного бетона 2,35 г/см³).

В качестве примера в табл. 20.6 и 20.7 приведены характеристики возможных реакций активации бетонной защиты тормозным излучением с максимальной энергией несколько десятков МэВ и нейтронами. В 5-й колонке табл. 20.7 приведены сечения для тепловых нейтронов (энергия 0,0253 эВ). Состав бетона приведен в табл. 20.8. В таблицах использованы данные из работ [7, 17, 20, 24, 31J. Из табл. 20.6 и 20.7 следует, что даже при относительно низких энергиях и только для двух типов частиц (фотонов и вторичных фотонейтронов¹) количество реакций, приводящих к активации бетона, велико.

Число различных каналов ядерных реакций, следствием которых является образование радионуклидов, начинает возрастать с энергий адронов более 10 МэВ. А при энергиях более 1 ГэВ возможно образование любого радионуклида от трития до изотопа с атомной массой близкой к массе ядра мишени. Выходы вторичных продуктов в реакциях релятивистских протонов и нейтронов имеют много общего, а образование радионуклидов от высокоэнергетических фотонов происходит через фотоядерные реакции и вторичные фотонейтроны, рождающиеся в этих реакциях.

Для наведенной активности на современных больших ускорителях характерны уровни порядка 10²— 10³ мкЗв/ч, что создает большие проблемы при проведении наладочных и ремонтных работ. Иногда для проведения таких работ создают локальные защитные экраны и кабины с манипуляторами. Вклад от наведенной активности бетонной защиты в общий радиационный фон в каналах ускорителя после его остановки может быть большим, сравнимым с фоном от активации различных металлических частей ускорителя.

Величина наведенной активности зависит от плотности потока частиц, времени облучения, периода полураспада образующегося радионуклида, сечения активации материнского нуклида и концентрации его атомов. Удельную активность радионуклида / с атомным номером Z и массовым числом А при облучении 1 г нуклида j можно рассчитать по формуле.

где N_А — число Авогадро, А — — массовое число исходного (материнского) нуклида, t — время облучения, — постоянная распада образующегося радионуклида, ф (7') 1/(см² с МэВ) — дифференциальная по энергии плотность потока первичных частиц, а,, (см²) — микроскопическое сечение соответствующей ядериой реакции неупругого взаимодействия с образованием радионуклида i при облучении нуклида j первичными частицами. Экспонента в формуле (20.28) учитывает распад образующихся радиоактивных ядер за в табл. 20.6 и 20.7 приведены данные расчета активации бетонной защиты радиологического центра от тормозного излучения линейного ускорителя «Sli plus» фирмы Philips на энергию 25 МэВ.

время облучения. Если энергетический разброс падающих на мишень частиц не велик и потери энергии в мишени за счет электромагнитных взаимодействий малы, то выражение (20.28) можно упростить:

Спустя время т после окончания облучения удельная активность равна:

I.

Для вычислений наведенной активности необходимы данные о сечениях соответствующих ядерных реакций. Имеется очень большое количество экспериментальной информации о сечениях образования различных продуктов ядерных реакций. Использовать эти данные в виде таблиц неудобно, поэтому предпринимались попытки представить эту информацию в виде удобных для практического применения эмпирических выражений. Удобную аппроксимацию экспериментальных сечений в 1955 году предложил Рудстам. Затем она была несколько изменена путем введения дополнительных параметров, что улучшило согласие с экспериментальными данными. Согласно формуле Рудстама [ 1 ] сечение образования остаточного ядра ^У_ЛХ частицей с кинетической энергией Т > 50 МэВ имеет вид:

где Z и А — порядковый номер и массовое число образующегося нуклида (А > 20), А_м — массовое число материнского ядра мишени (А_м > А+ 2);

В широком диапазоне изменения сечений расчеты по формуле Рудстама согласуются с экспериментальными данными в пределах коэффициента, равного двум. Формула Рудстама обеспечивает хорошую точность для ядер в области стабильности. С повышением массового числа ее точность уменьшается, но она дает правильный порядок величины сечения вплоть до ядер висмута. Формулу Рудстама можно использовать для расчета сечений реакций под действием различных частиц (протонов, нейтронов, а-частиц и др.), но следует помнить, что в основу формулы главным образом были положены сечения неупругих взаимодействий под действием протонов. Для определения сечений активации нуклидов с, А <20 необходимо использовать экспериментальные данные. В работе [14] дано подробное описание модифицированной формулы Рудстама, которая применима для большего диапазона массовых чисел нуклидов.

Рассчитав по формуле (20.30) удельную активность радионуклида, можно затем найти мощность дозы от гамма-излучения с помощью методов, рассмотренных в предыдущих лекциях для точечных и протяженных радионуклидов. Следует иметь в виду, что вклад радионуклидов с периодом полураспада менее 5 мин нс превышает 20% суммарной мощности дозы всего гамма-излучения.

Как следует из приведенных выше данных, расчеты величины наведенной активности достаточно трудоемки и не всегда могут гарантировать хорошую точность. Источниками погрешности являются:

• • неточность в определении спектра частиц, вызывающих активацию;
• • приближенный расчет сечений образования радионуклидов;
• • большое число различных каналов ядерных реакций и типов частиц;
• • приближенный учет поглощения и ослабления гамма-излучения в активированных материалах и т. д.

Расчетные и экспериментальные данные по наведенной активности материалов и методам ее оценки имеются в [10, 26, 36]. В работе [36] из результатов анализа различных ситуаций, связанных с наведенной активностью на больших ускорителях, получено простое эмпирическое правило: величина наведенной активности в большинстве активированных материалах на ускорителях (исключая бетон) уменьшается примерно в два раза, если время после выключения ускорителя (т) равно времени облучения (г).

Серьезную проблему на больших ускорителях может вызвать активация грунта и фунтовых вод вблизи туннеля ускорителя. При выборе площадки для сооружения многокилометровых кольцевых туннелей трудно обеспечить полное отсутствие вблизи туннеля фунтовых вод. В результате активации грунта возможно последующее вымывание и миграция образовавшихся радионуклидов к различным ручьям и водоемам. Основной вклад в активацию грунта вносят нейтроны, проходящие через фундамент ускорителей. В целом почва активируется слабо, а се активация определяется следующими долгоживущими радионуклидами: ³Н, ⁷Вс, ²²Na, ⁴⁵Са, ⁵⁴Мп, ⁵⁵Fe. В активацию почвенных вод основной вклад вносят ³ Н и ²² Na, который образует хорошо растворимые соединения. Допустимой нагрузкой на грунт считается плотность потока адронов примерно 10⁵ 1/(см²с). Реальные плотности потока излучения могут быть много выше. Опыт эксплуатации высокоэнергетических ускорителей показывает, что активация грунта и почвенных вод становится существенной при энергиях протонов более 150 МэВ, мощности пучка более 10 кВт и при плотностях потока нейтронов порядка 10⁷ 1/(см² -с).

Радиационно-экологической проблемой на больших ускорителях является активация теплоносителя (вода, азот), воздуха и охлаждающего вещества.

(гелий, азот) с возможным выходом продуктов реакций через систему вентиляции в атмосферу. В этом случае возникают дополнительные задачи защиты коммуникаций, не уступающие по своей сложности аналогичным задачам на АЭС, а также задача разработка и создания системы специальной вентиляции.