2
Оглавление
Глава 1.Введение 4
Глава 2.Метод исследования 15
2.1 Моделирование процесса трансмутации атомных ядер .... 15
2.2 Оценка сечений фотоядерных реакций...................... 22
2.3 Программное обеспечение................................. 31
2.4 Понятие траектории трансмутации......................... 43
2.5 Влияние соотношения каналов (7, п) и (7,2п) на трансмутацию изотопов................................................ 49
Глава 3.Обсуждение результатов 52
3.1 Трансмутация изотопов вольфрама 186и 180 И/............ 55
3.2 Трансмутация изотопа свинца 204РЬ...................... 71
3.3 Трансмутация изотопа висмута 209Вг .................... 82
3.4 Трансмутация изотопов олова 1205п, 1225п, 124Бп........ 89
3.5 Сравнительный анализ трансмутации изотопов 204РЬ, 205Г/,
шНд..................................................... 99
3.6 Сравнительный анализ трансмутации наиболее легкого и наиболее тяжелого стабильных изотопов данного элемента . 104
3.6.1 Трансмутация изотопов рутения 96Ни и 104Яи .... 105
3.6.2 Трансмутация изотопов теллура 120Те и шТе .... 110
3
3.6.3 Траисмутация изотопов церия 136Се и 142Се.........116
3.6.4 Трансмутация изотопов осмия 1840з и 192 О з.......122
3.6.5 Общие свойства трансмутации наиболее легкого и наиболее тяжелого стабильных изотопов данного элемента ................................................. 129
3.7 Трансмутация изотопов 906>, "Тс, 123/ и 135С5...........131
Заключение 134
Литература 139
Приложение. Заголовочные файлы
148
4
Глава 1. Введение
Исследование взаимодействия высокоинтенсивных потоков излучения с веществом приобретает важное значение в связи с фундаментальными и прикладными задачами исследования структуры вещества. Создаются новые источники концентрированных потоков энергии — мощные лазеры и ускорители заряженных частиц, разрабатываются новые современные вещества и материалы с новыми свойствами. Первостепенное значение приобретают проблемы экологии и охраны окружающей среды. Продолжается исследование процессов образования химических элементов во Вселенной. Важность и своевременность задач исследования взаимодействия концентрированных потоков энергии с материалами и их применения в космической технике, электронике, экологии и медицине обозначена в России на государственном уровне. Так, в 1998 году, в соответствии с Федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», принятой Министерством образования Российской Федерации и Российской Академией наук, был создан научнообразовательный центр по но подготовке специалистов по проблеме «Концентрированные потоки энергии и их воздействие на материалы». А в 2001 была организована межвузовская научная школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» в рамках выполнения проекта федеральной целевой
5
программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки».
Важной частью исследований взаимодействия концентрированных потоков энергии с материалами, проводимых в России и за рубежом, является исследование взаимодействия интенсивных потоков 7-квантов с атомными ядрами. Исследование трансмутации атомных ядер под действием потоков 7-квантов высокой интенсивности является важным для решения многих фундаментальных и прикладных задач:
• образования химических элементов во Вселенной [1, 2, 3, 4];
• введение примесей в материалы [5, 6, 7];
• разрушение долгоживущих составляющих радиоактивных отходов, образующихся при работе ядерных реакторов и в атомной промышленности [8, 9, 10];
• возможность получения и дальнейшего исследования ядер расположенных вдали от полосы /3-стабильности;
• задачи активационного анализа.
Хорошо известно, что ядра тяжелее железа образуются в реакциях нейтронного захвата в астрофизических г- и э- процессах. Однако эти процессы нейтронного захвата не могут объяснить образование некоторых тяжелых (А > 100) нейтронодефицитных ядер, так как образование этих ядер блокировано цепочкой /^“-радиоактивных ядер с малыми периодами полураспада от других стабильных изотопов. Эти ядра называются обойденными ядрами. Естественное содержание в природе обойденных ядер ма-
6
ло: 0.01 — 1%. Один из возможных механизмов образования этих ядер — астрофизический 7-процесс, в котором в качестве начальных ядер выступают изотопы образовавшиеся в г- и б- процессах.
В последнее время на астрофизический 7-процесс, как на один из механизмов в котором образуются атомные ядра в процессе нуклеосинтеза, обращается все более пристальное внимание. Проводятся различные эксперименты [1, 2] в которых исследуется возможная роль астрофизических 7-процессов в образовании химических элементов. Основная проблема при такого рода исследованиях — это отсутствие данных о сечениях реакций для всех вовлеченных в процесс трансмутации изотопов, так как большинство изотопов является /^-радиоактивными. Важной проблемой является также адекватное описание спектра излучения взаимодействующего с атомными ядрами, структура и форма которого (тепловой спектр Планка) сильно отличается от тормозного 7-спектра, который достаточно просто получить на ускорителях электронов. Один из вариантов решения проблемы спектра излучения — это представление теплового спектра в исследуемой области энергий как суперпозиции нескольких спектров тормозного излучения с различными верхними границами [11, 12, 13]. Неоднократно предпринимались попытки решить проблему с неизвестными сечениями фотоядерных реакций для радиоактивных изотопов, однако использование приближения зависимости сечения реакции (7, п) от энергии предложенного в [1, 2], как признают сами исследователи, не дает возхможности оценить, насколько сильно это приближение отличается от реальной картины взаимодействия.
Интерес представляет возможность использования фотоядерных ре-
7
акций в изотопической инженерии[7]. В частности, проводятся эксперименты но введению примесей в полупроводники [5, 6]. Использование фо-тоядерных реакций для введение примесей в материалы основано на том, что в результате фотоядерных реакций идущих при облучении образца потоком 7-излучения,в зависимости от верхней границы спектра могут происходить различные фотоядерные реакции. Например, введение примеси 27А1 в структуру 285г может осуществляться в результате следующих цепочек реакций[5]:
285г(7,р)27А1
28£г(7,п)275г(/?+,Т1/2 = 4.1бс)2М/
Преимущество подобного метода введения примесей в материалы связана с возможностью контроля с высокой точностью концентрации введенных примесей при постоянном фотонном потоке, а также высокой однородностью распределения примеси.
В последние годы активно прорабатывается идея сжигания радиоактивных отходов, образующихся в атомной промышленности, потоком нейтронов. Однако часть изотопов из долгоживущей составляющей радиоактивных отходов, в частности такие изотопы, как 905г, "Тс, 1231 и 135С5, имеют малые сечения взаимодействия с нейтронами, поэтому для таких изотопов интересно исследовать возможность использования фотоядерных реакций для их сжигания. Исследования возможности преобразования долгоживущей составляющей радиоактивных отходов показали проблемы, возникающие при использовании подхода, основанного на фотоядерных реакциях [8, 9, 10].
В результате модельных расчетов можно подобрать наиболее эффективные параметры облучения: интенсивность потока 7-излучения, время облучения, минимальное необходимое время выдержки образовавшейся в результате трансмутации смеси для распада короткоживущих изотопов.
Существует также возможность получения экзотических ядер перегруженных протонами, путем облучения наиболее легких стабильных изотопов данного химического элемента пучками тормозного излучения. Например, из исходного изотопа 103Шг в результате цепочки реакций (7, п) и (7,2п) можно получить относительно долгоживущий изотоп "і?/г(Рис.1):
Дул). Дул). Дул). Дул).
"Ші ,00КЬ 101яд ,02Юі ,03кь
16.1 д 20.8 ч 3.3 г 207 д 100»/»
'(У,2п)-^(уДп)'
Рис. 1. Схема возможный путей образования "ЯД из 103 ЯД. Для стабильных изотопов указало процентное содержание в природе, для нестабильных — период полураспада.
Цель работы заключалась:
• в дегальном исследовании процессов трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков 7-квантов в широком диапазоне исходных изотопов;
• в создании простой модели для оценки сечения фотоядерных реакций для ядер в диапазоне массовых чисел изотопов 50 < А < 210;
• в создании комплекса программ для автоматического расчета трансмутационной цепочки для любого энергетического спектра 7-
9
излучения с верхней границей спектра фотонов до ЗОМэВ
Актуальность работы связана с непрерывно увеличивающейся потребностью в изучении взаимодействия концентрированных потоков энергии с материалами, в частности взаимодействия интенсивных потоков 7-квантов с веществом. Такие данные необходимы для решения различных фундаментальных и прикладных задач: образование химических элементов во Вселенной[1, 2, 3, 4]; введение примесей в материалы [5, б, 7]; разрушение долгоживущих составляющих радиоактивных отходов, образующихся при работе ядерных реакторов и в атомной промышленности [8, 9,10]; возможность получения и дальнейшего исследования ядер вдали от полосы /3-стабильности; активационные задачи.
Научная новизна работы. Впервые предложена модель оценки сечения фотоядерных реакций для ядер с 50 < А < 210, основанная на анализе огромного массива экспериментальных данных по сечениям фотоядерных реакций накопленном в Центре данных фотоядерных экспериментов НИИЯФ МГУ, что позволило получить приемлемую точность для проведения модельных расчетов.
Создан уникальный комплекс программ, позволяющий производить
10
в автоматическом режиме расчеты трансмутационных цепочек для любого заданного исходного изотопа или смеси изотопов.
Система построена таким образом, что позволяет производить модельные расчеты для любого заданного энергетического спектра 7-излучения с верхней границей спектра фотонов до ЗОМэВ.
Система построена так, что позволяет задавать для ядер экспериментальные выходы или сечения реакций, что дает возможность моделировать трансмутационные процессы для легких ядер, так как в этих случаях сечения фотоядерных реакций для соседних изотопов могут сильно различаться.
Впервые произведен расчет трансмутационного процесса для широкого диапазона ядер (23 изотопов) и различных интенсивностей потока 7~излучения(51 вариантов расчетов).
Впервые исследовано влияние интенсивности и дозы 7-излучения на трансмутационные процессы.
Впервые произведена оценка роли каналов реакций (7,2п) и (7,р) на процессы трансмутации под действием интенсивных потоков 7-квантов.
Впервые изучено влияние начального ядра и его «окружения» на процесс трансмутации атомных ядер.
Практическая значимость работы. Созданный комплекс программ позволяет проводить расчеты активации тормозным излучением конструкционных материалов в процессе их эксплуатации.
Исследована зависимость конечной активности для некоторых составляющих радиоактивных отходов для различных потоков и времени
11
облучения тормозного 7-излучения.
Исследован эффект «окружения» исходного изотопа — зависимость процесса трансмутации от характеристик начального изотопа и его ядер-соседей.
Исследована роль каналов (7,2п) и (7,р) в образовании легких, удаленных от начального ядра изотопов. Обнаружено, что несмотря на небольшие величины сечений этих каналов реакций, они играют большую роль в образовании легчайших изотопов химических элементов, и, в частности, в образовании обойденных ядер.
В результате исследования зависимости процессов трансмутации атомных ядер от интенсивности облучения, показано существование эффекта аналогичного нейтронным б- и г- процессам. При достижении интенсивности потока тормозного излучения определенной величины, зависящей от свойств изотопов расположенных рядом с начальным изотопом по Л и Z, менялся характер процесса трансмутации изотопа. Если при малых значениях интенсивности образование легких изотопов данного химического элемента происходило путем скольжения вниз вдоль левой границы долины стабильности — мы назвали это процесс медленным 7- процессом, то при увеличении интенсивности, образование легких стабильных изотопов химических элементов происходило через взрывное образование сильно перегруженных протонами изотопов с последующим /3+-распадом протоноизбыточных ядер. Мы назвали этот процесс быстрым 7-процессом
Автор выносит на защиту следующие основные положения:
• результаты модельных исследований по взаимодействию интенсив-
ных потоков 7-квантов с атомными ядрами в широком диапазоне начальных изотопов:
- зависимость процесса трансмутации атомных ядер от характеристик начального изотопа и его ядер-соседей;
- роль каналов (7,2п) и (7,р) в образовании легких изотопов, удаленных от начального изотопа;
- быстрый и медленный 7- процессы трансмутации атомных ядер в результате реакций (7, п) и (7,2п);
- зависимость процесса трансмутации от интенсивности потока и дозы 7-излучения;
- зависимость процесса трансмутации от начального изотопа;
• разработан комплекс программ, позволяющий производить в автоматическом режиме расчет трансмутационной цепочки для любого заданного изотопа или смеси изотопов;
• предложена модель оценки сечения фотоядерных реакций для ядер с 50 < А < 210;
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на школе-семинарс научно-образовательного центра по подготовке специалистов по проблеме «Концентрированные потоки энергии и их воздействие на материалы»(Москва, 2000 г.), на межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г.), международной конференции по ядерной физике «Кластеры в
13
ядерной физике»(Санкт-Петербург,2000 г.), международной конференции Waste Management 2000 Symposium (Tucson, Arizona, USA , 2000 г.), 52 международном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра «ЯДРО-2002»(Москва, 2002 г.). На VII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000» представленная работа была удостоена диплома. Результаты работы неоднократно докладывались на научных семинарах, международных совещаниях! 14, 15, 16, 17, 18], а также были опубликованы в периодических изданиях [19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28](препринты, статьи в журналах «Вестник Московского Университета»,«Перспективные материалы», «Ядерные константы»).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из трех глав, заключения и перечня цитируемой литературы, она изложена на 153 страницах, включает в себя 45 рисунков, 33 таблицы и 1 приложение. Список литературы содержит 86 ссылок.
В первой, вводной главе диссертации, обсуждается актуальность работы, цель и задачи исследования, защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность работы, приводятся данные о публикациях по теме работы и апробации работы.
Во второй главе диссертации подробно излагается процесс моделирования трансмутации атомных ядер иод действием интенсивных потоков 7-квантов, предлагается метод оценки сечения фотоядерных реакций; дается краткое описание программного обеспечения; вводится понятие тра-
- Київ+380960830922