Активная зона реактора как источник излучений

Источником энергии, производимой в ядерном реакторе, являются протекающие в его активной зоне процессы, происходящие при столкновениях ядер между собой или при их взаимодействии с частицами или g-квантами. Эти процессы можно условно разделить на рассеяние и ядерные реакции. И в том, и в другом случаях может появляться новое излучение.

При рассеянии состав сталкивающихся частиц не изменяется, но они могут не только изменять направление движения, но и оказываться в возбужденном состоянии. Возбужденные состояния приводят к испусканию g-квантов.

При ядерных реакциях в ядро попадает одна частица, а вылетает другая или несколько частиц, и исходное ядро превращается в другое или несколько других.

В ядерном реакторе, упрощенная схема которого представлена на рис. 6.2, протекает множество видов ядерных реакций.

Рис. 6.2. Схематическое изображение ядерного реактора

Важнейшей ядерной реакцией, на применении которой основана работа ядерного реактора, является (n,f)-реакция – реакция деления под действием нейтронов. В большинстве типов реакторов для получения энергии используется реакция деления ²³⁵U под действием тепловых нейтронов, т.е. нейтронов, которые в результате многократных рассеяний в веществе пришли в тепловое равновесие с веществом.

При делении ядро ²³⁵U разваливается на два примерно равных по массе осколка (рис. 6.3). При этом практически сразу обычно вылетают от 2 до 4 нейтронов, которые называют «мгновенными».

Рис. 6.3. Деление ядер под действием нейтронов

Масса, заряд и энергия возбуждения осколков, образующихся при делениях одинаковых ядер, различны. Число нейтронов, рожденных в одном акте деления, также варьируется. В одном акте деления ²³⁵U под действием тепловых нейтронов возникает в среднем 2.5 нейтрона, которые имеют энергию, значительно превосходящую энергию тепловых нейтронов. Такие нейтроны не могут вызвать новой реакции деления при взаимодействии с ядром ²³⁵U. Эти нейтроны необходимо «остудить». Для уменьшения энергии нейтронов их пропускают через замедлитель (вода в реакторах типа ВВЭР или графит в реакторах типа РБМК), где нейтроны теряют свою энергию в упругих столкновениях с ядрами водорода или углерода. Замедлившиеся до тепловых скоростей нейтроны поглощаются ядрами ²³⁵U, что приводит к их делению и испусканию новых нейтронов, и все повторяется сначала. Так идет цепная реакция деления. Ход этой реакции регулируется управляющими стержнями, которые содержат нуклиды, активно поглощающие нейтроны.

При делении каждого ядра ²³⁵U выделяется энергия, равная примерно 200 МэВ. Из этой величины около 165 МэВ достается осколкам в виде кинетической энергии и примерно 5 МэВ – мгновенным нейтронам. Мгновенное g-излучение уносит около 8 МэВ. При распаде осколков b-частицам достается в среднем 9 МэВ, антинейтрино уносят примерно 10 МэВ и g-излучение в цепочках b-распадов осколков (запаздывающее g-излучение) –около 7 МэВ. Практически вся энергия деления, кроме доли, уносимой нейтрино, поглощается в активной зоне и защите реактора, вызывая нагрев теплоносителя и элементов конструкции реактора. Нагрев теплоносителя является целью работы реакторной установки.

Часть излучения выходит за пределы биологической защиты реактора и приводит к облучению персонала.

Источники возникновения излучений в элементах работающего и остановленного реактора отражены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Основные источники излучения на АЭС

При работе реактора на мощности его активная зона является источником нейтронов и g-излучения. Другие виды излучения, образующиеся в активной зоне, не выходят за ее пределы, и их можно не принимать во внимание. Когда реактор остановлен, его активная зона является, в основном, источником только g-излучения. Источники нейтронов в активной зоне работающего реактора бывают четырех видов.

1. Мгновенные нейтроны, сопровождающие процесс деления ядер. Об этих нейтронах было уже упомянуто в главе 1 при описании спонтанного деления.

2. Запаздывающие нейтроны, испускающиеся сильно возбужденными ядрами при b-распадах осколков деления. Ранее, в главе 1 было описано снятие возбуждения ядра испусканием g-квантов. Однако при больших энергиях возбуждения, больших, чем энергия связи нейтрона в ядре, возможно вместо g-кванта испускание нейтрона, который и называется запаздывающим. Таких нейтронов немного – всего при делении различных ядер их возникает от 0.002 до 0.007 нейтронов на деление, а периоды полураспада испускающих их продуктов деления от 0.18 до 54.5 с.

3. Нейтроны активации, которые образуются при радиоактивном распаде продуктов ядерных реакций, протекающих в активной зоне. Активация – образование радиоактивного ядра в результате какой-либо ядерной реакции. Стабильный изотоп ¹⁷О, которого в естественной смеси 0.037%, в результате (n,p)-реакции превращается в ¹⁷N. При b-распаде ¹⁷N с периодом полураспада 4.2 с получается сильно возбужденное ядро ¹⁷О, которое испытывает ядерное превращение, сопровождающееся испусканием нейтрона.

4. Фотонейтроны, возникающие при (g,n)-реакциях. Вместе с основным изотопом водорода ¹Н в воде содержится еще один его стабильный изотоп – дейтерий ²Н; энергия связи протона и нейтрона у него всего 2.25 МэВ. Фотонов, способных расщепить ядро дейтерия в активной зоне, достаточно много, и, несмотря на то, что в естественной смеси изотопов дейтерия немного (0.0148%), реакция все-таки заметна.

Когда реактор остановлен, тепловые нейтроны, вызывающие деление, практически не появляются, и первый источник (мгновенные нейтроны) исчезает. Запаздывающие нейтроны и нейтроны активации исчезают через некоторое время. Фотонейтроны остаются в качестве основного источника нейтронов в активной зоне, но здесь становятся заметными и другие источники нейтронов. Один из таких источников – спонтанное деление ²³⁸U. Накопившиеся в топливе ²³⁸Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴²Pu, а также некоторые изотопы кюрия и калифорния также являются источниками нейтронов спонтанного деления. Кроме того, в топливе накапливается много актиноидов, являющихся a-излучателями, и поскольку эти излучатели окружены атомами кислорода (исходное топливо – двуокись урана UO₂), велика вероятность (a,n)-реакции на кислороде.

Источники g-излучения работающего реактора более многочисленны, чем источники нейтронов.

1. Мгновенное g-излучение, сопровождающее процесс деления ядер; на его долю приходится от 7 до 8 МэВ энергии, выделяющейся при одном делении.

2. Запаздывающее g-излучение короткоживущих продуктов деления, которое испускается в первые 10 мин после деления; на его долю приходится около 5.5 МэВ, а интенсивность через 10 мин уменьшается почти вдвое.

3. Запаздывающее g-излучение долгоживущих продуктов деления; интенсивность этого излучения (по сравнению с интенсивностью 10-минутной выдержки после останова реактора) уменьшается в 10 раз за 10 суток и еще в 10 раз через полгода.

4. Захватное g-излучение, характеризующее захват тепловых нейтронов (n,g), не вызвавших деление; на один акт захвата выделяется энергия, примерно равная энергии связи, приходящейся на один нуклон в ядре, а это 7 – 8 МэВ.

5. Гамма-излучение, сопровождающее неупругое рассеяние нейтронов (n,n¢) на материалах активной зоны.

6. Гамма-излучение, сопровождающее (n,p)-, (n,a)-, (n,2n)-реакции.

7. Излучение продуктов активации, возникающих в материалах активной зоны, в теплоносителе и его примесях, а также продуктов коррозии, переносимых теплоносителем через активную зону.

8. Излучение, сопровождающее аннигиляцию позитронов.

9. Тормозное излучение, образующееся при торможении быстрых электронов в электрическом поле атомных ядер активной зоны.

Для работающего реактора самые главные источники – первый, второй и четвертый. Когда реактор остановлен, на первый план выходит третий источник, и становятся заметными седьмой, восьмой и девятый.