Теоретически основой для получения искусственных управляемых термоядерных реакций являются реакции, происходящие в дейтериевой высокотемпературной плазме. Задача заключается, однако, не только в создании условий, необходимых для интенсивного выделения энергии в термоядерных процессах, но главным образом в поддержании этих условий. Для осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции нужно, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы.

Расчеты показывают, что для обеспечения самоподдерживающейся управляемой термоядерной реакции необходимо довести температуру дейтериевой плазмы до нескольких сотен миллионов градусов. При температурах порядка 108 градусов термоядерные реакции обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. Так, при температуре порядка 108 градусов мощность, выделяемая в единице объема плазмы при соединении дейтериевых ядер, составляет примерно 3 квт!м3, в то время как при температуре ~106 градусов она равна всего лишь 10-17 вт/м3.

Основной причиной потерь энергии высокотемпературной плазмой является ее огромная теплопроводность, быстро растущая (пропорционально Т'/«) при рассматриваемых высоких температурах. Отвод энергии из плазмы может происходить благодаря диффузии горячих частиц из области, где происходит реакция, на стенки аппарата, в котором находится плазма. Если плазму не теплоизолировать от контакта с любыми окружающими веществами, то ее нельзя нагреть даже до нескольких сот тысяч градусов, так как вся энергия, выделяющаяся в результате реакций синтеза, будет уходить на стенки. Иными словами, необходимо удержать плазму в заданном объеме, не допуская ее расширения.

Идея эффективной магнитной термоизоляции плазмы применительно к проблеме управляемого термоядерного синтеза была предложена в СССР А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 г. Если пропустить через плазму в форме столба вдоль его оси сильный электрический ток, то магнитное поле этого тока, которое имеет форму, обычную для прямолинейного проводника, создает электродинамические силы, которые будут стремиться сжать плазменный столб. Таким образом столб плазмы окажется оторванным от стенок и стянутым в плазменный шнур (§ 12.8). Очевидно, что сжатие плазмы может происходить до тех пор, пока давление, вызванное электродинамическими силами, не уравновесится газокинетическим давлением частиц самой плазмы. На рис шнур 2 изолирован от стенок 1 магнитным полем Н. Электрический ток /, пропущенный через газ, выполняет несколько функций:

а) в начальной стадии создает плазму благодаря интенсивной ионизации;

б) стягивает плазму в шнур;

в) за счет выделения джоулева тепла и сжатия нагревает плазму до высокой температуры.

В первоначальных опытах, проводившихся в СССР Л. А. Арцимовичем и его сотрудниками, в дейтерии, находящемся под давлением в 0,01-0,1 мм рт. ст., с помощью батареи конденсаторов большой емкости создавался мощный импульсный разряд. Максимальная сила тока в момент разрядного импульса достигала 105-10е а при длительности нарастания тока от нуля до максимума 5-10 мксек. Возникшая плазма сначала быстро стягивалась в шнур к оси разрядной трубки. В конце сжатия температура шнура достигала 10е градусов и даже нескольких миллионов градусов.

Однако удержать плазменный шнур в таком состоянии не удается: происходят быстрые радиальные его колебания - он то расширяется, то снова сжимается. Вследствие нестабильности, неустойчивости плазмы в плазменном шнуре возникают деформации, которые изменяют геометрическую форму шнура. Результатом этого является нарушение термоизоляции, интенсивное взаимодействие плазмы со стенками, приводящее к загрязнению дейтерия веществом стенок и к быстрому охлаждению плазмы. Все это происходит за время в несколько микросекунд, сравнимое с временем разрядного импульса. К моменту, когда достигнут максимум тока, температура плазмы уже снижается по сравнению с той, которая у нее была в момент окончания первого сжатия в шнур.

На рис. 46.6 представлены две простейшие деформации плазменного шнура - его местное сужение и изгиб. Для осуществления управляемых термоядерных реакций необходимо выяснить условия, при которых высокотемпературная плазма, помещенная в магнитном поле надлежащей конфигурации, может сохранять устойчивость. Решение этого вопроса, наряду с поисками путей повышения температуры плазмы до необходимой для самоподдерживающейся реакции синтеза, является главным направлением, в котором развиваются исследования по управляемым термоядерным реакциям.

Проблема устойчивости плазмы потребовала прежде всего тщательного изучения деформаций, которые могут возникнуть в плазменном шнуре. Не вдаваясь в детали, укажем, что в случае деформации, изображенной на рис. 46.6, и, в области сужения (перетяжки) плазмы возрастает напряженность магнитного поля, а вместе с ней возрастают и электродинамические силы, стягивающие шнур в этой области. Между тем давление самой плазмы во всех ее сечениях одинаково и плазма может свободно перетекать вдоль столба. Следовательно, в месте сужения возросшее электродинамическое давление не будет уравновешиваться давлением плазмы, и сужение будет продолжаться вплоть до разрыва шнура в области первоначального сужения. Аналогично можно показать, что возникшая в Плазменном шнуре деформация изгиба будет развиваться и приведет к дальнейшему изгибанию шнура.

В настоящее время детально изучены возможные виды неустойчивости плазмы. Для стабилизации плазмы применяются различные варианты использования дополнительных внешних магнитных полей, не связанных с током, проходящим через плазму.

Серьезным успехом на пути создания управляемых термоядерных реакций явилось осуществление в 1964 г. в Сибирском отделении Академии наук СССР под руководством Г. И. Будкера плазмы с контролируемой температурой в 100 млн. градусов. Это достигнуто с помощью сжатия плазмы и ее нагревания ударными волнами, возникающими в плазме в результате очень быстрого нарастания магнитного поля. Оказалось, что этот нагрев может быть осуществлен за время, меньшее времени развития неустойчивостей плазмы. При этом с помощью специальных разрядников за десятые доли микросекунды подводилась мощность порядка 200 млн. кет. В плазме с плотностью 1013-1014 м"3 осуществлена термоядерная реакция. Аналогичные результаты получены Е. К. Завойским о сотрудниками в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова.

Важнейшей задачей теперь является повышение времени существования устойчивого режима плазмы и ее плотности. Несмотря на то, что сложных нерешенных задач, связанных с созданием практически реализуемых термоядерных реакций, еще очень много, настойчивые усилия ученых приближают решение этой гигантской задачи - получение практически неиссякаемого источника энергии.

I.8. Биологическое действие излучения

Ядерное излучение оказывает сильное поражающее действие на все живые организмы. Характер этого действия зависит от поглощенной дозы излучения и его вида. О дозе излучения можно судить по энергии излучения и его ионизирующей способности.

Дозой поглощенного излучения называют величину, равную отношению энергии излучения, поглощенной облучаемым телом, к его массе:

За единицу дозы поглощенного излучения принят грэй (Гр): 1 Гр = 1 Дж/1 кг.

Экспозиционной дозой излучения называют величину, равную отношению суммарного заряда ионов одного знака, образованных излучением в некотором объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме:

За единицу экспозиционной дозы излучения принята интенсивность такого излучения, которое производит в 1 кг сухого воздуха такое число ионов, суммарный заряд которых составляет 1 Кл каждого знака:

1 ЭДИ = 1 Кл/кг.

На практике чаще используется внесистемная единица — рентген и ее дольные единицы:

1 Р = 2,58 • 10-4 Кл/кг.

При облучении живых организмов, в частности человека, поражающее действие излучения при одной и той же поглощенной дозе зависит от вида излучения. Поэтому принято сравнивать биологическое действие всех видов излучения с биологическим действием рентгеновского и у-излучения.

Коэффициент, показывающий во сколько раз поражающее действие данного вида излучения выше, чем рентгеновского, при одинаковой дозе поглощенного излучения, называют относительной биологической эффективностью (КОБЭ) или коэффициентом качества излучения.

Значения КОБЭ для основных типов излучения

Поэтому для оценки действия излучения на живые организмы введена специальная величина — эквивалентная доза.

Эквивалентной дозой поглощенного излучения называют величину, равную произведению поглощенной дозы на коэффициент биологической эффективности:

За единицу эквивалентной дозы принят зиверт (Зв).

Зиверт соответствует поглощенной дозе 1 грей при коэффициенте относительной биологической эффективности, равном единице.

На практике для измерения эквивалентной дозы поглощенного излучения часто используют внесистемную единицу бэр (биологический эквивалент рентгена):

1 Зв = 100 бэр.

Человек непрерывно подвергается действию радиоактивного излучения. Источником этого излучения являются: космические тела; недра Земли, содержащие радиоактивные вещества; здания, в которых мы живем (в граните, в кирпичах и железобетоне имеются радиоактивные вещества); рентгеновские аппараты; телевизионные приемники; даже в нашем теле содержится примерно 0,01 г радиоактивного калия ^К, который распадается со скоростью 4000 делений в секунду.

В течение года каждый человек в среднем получает дозу около 400 — 500 мбэр, которая распадается следующим образом:

1) космическое и земное излучение примерно 150 мбэр;

2) излучение, полученное при рентгеноскопии, около 140 мбэр;

3) излучение, полученное при просмотре телевизионных передач, около 100 мбэр;

4) прочие виды около 80 мбэр.

Это средние дозы поглощаемого излучения в год. Но такая доза не оказывает какого-либо отклонения в здоровье. Дело в том, что человек как биологический объект сформировался в условиях непрерывного облучения и наш организм привык к таким дозам. По данным Международной комиссии по радиологической защите, опасными являются дозы, превышающие 35 бэр в год.

Действие ядерных излучений на человека зависит не только и ее КОБЭ, но и от времени, в течение которого эта доза была получена. Одинаковые дозы, полученные человеком за короткое время и на протяжении длительного времени, оказывают разное воздействие на организм. В таблице приведен характер действия на организм человека разных доз радиоактивного излучения.

Обычно нормы радиационной безопасности устанавливают несколько категорий лиц, которые подвергаются излучениям. Это персонал атомных электростанций, ограниченная часть населения и остальная часть населения. Причем предельно допустимые дозы зависят не только от категории населения, но и от группы облученных органов, начиная от всего тела и заканчивая частичным облучением кисти, стопы и т.д.

I.9. Действие ядерных излучений на структуру вещества.

Энергия попадающих в вещество заряженных частиц и γ- квантов в основном тратится на ионизацию и возбуждение атомов. Ионизация в конечном итоге ведет к нагреванию вещества и обычно не вызывает в нем необратимых изменений. Однако некоторая, вполне заметная доля энергии потока заряженных частиц или γ - квантов, равно как и значительная доля энергии потока нейтронов, затрачивается на необратимое изменение структуры вещества. Совокупность этих изменений называется радиационным повреждением. Термином «повреждение» подчеркивается, что под влиянием излучений свойства вещества в большинстве случаев (хотя и не всегда) изменяются в худшую сторону.

 Изменение структуры твердого тела под действием ядерного излучения обуславливается следующим механизмами:

 а) Главным механизмом является ударное выбивание атомов из кристаллической решетки. Заряженные частицы и нейтроны выбивают атомы непосредственно, а γ- кванты - через промежуточные фотоэлектроны или комптоновские электроны. Это выбивание обычно сопровождается разнообразными и многоступенчатыми вторичными процессами.

 б) Часто бывает существенным появление в решетке новых атомов за счет внедрения падающих тяжелых частиц, а также ядерных реакций с возможными последующими распадами продуктов реакций. Такого рода явления, как правило, существенны при облучении нейтронами и практически отсутствуют при облучении электронами и γ- квантами с энергиями до 10-15 МэВ. Нейтроны любых энергий легко захватываются ядрами, причем получающиеся новые изотопы часто получаются

 β-активными. В результате распада этих изотопов в кристалле образуются примесные атомы. В делящихся материалах разнообразные примесные атомы возникают также в результате каскадного β- распада осколков деления. В частности, среди продуктов деления заметную долю составляют инертные газы криптон и ксенон. При интенсивном облучении в реакторе эти газы выделяются в столь заметных количествах, что приводят к пористости и разбуханию материала.

 в) Существенным бывает и воздействие на решетку через ионизацию. Так, отрицательный ион в ионном кристалле (например, ион хлора в кристалле поваренной соли) при выбивании из него двух электронов станет положительным и сам «выскочит» из своего места в решетке. Конечный результат такого ступенчатого воздействия - тот же, что и при прямом выбивании атома.

 Все эти процессы приводят к созданию дефектов решетки, т. е. к изменению микроструктуры кристалла. При достаточно мощном облучении за счет этих дефектов заметно изменяются и различные макроскопические свойства тела – механические и тепловые. Изменение решетки влияет на структуру электронных энергетических зон, т. е. на электрические и оптические свойства.

2. Рассмотрим подробнее механизм упругого выбивания. Для того чтобы выбить атом из его положения в кристаллической решетке, ему надо передать энергию выше некоторой пороговой Ed , представляющей собой разность энергий связи в нормальном положении и в междоузлии. Экспериментально энергия Ed определяется по минимальной энергии электронного пучка, необходимой для создания точечных дефектов кристаллической решетки. Величина Ed имеет порядок десятков эВ (для Cu Ed =22 эВ, для Fe Ed =24 эВ, для алмаза Ed =80 эВ). При упругом столкновении налетающая частица не может предать атому всю свою энергию из-за эффекта отдачи. Из законов сохранения энергии и импульса в применении к упругому удару следует, что максимальная энергия E m , которую налетающая частица энергии E и массы M1 может передать атому массы M2 , для нерелятивистских налетающих частиц определяется по формуле

 E m= (4M1M2) / (M1+M2)2 * E                           (1)

а для релятивистских - по формуле

 E m = 2EM2 *(2M1c2 + E) / ((M1 + M2)2c2 + 2M2E). (2)

При М 1 = 0 формула (1) применима для рассмотрения столкновения γ- кванта с атомом. Под E m , E в формуле (2) понимаются релятивистские кинетические (не полные) энергии соответствующих частиц. При столкновениях частиц ядерных излучений с атомами практически всегда М 2 >> M 1.Поэтому из (1), (2) следует, что для выбивания атомов энергия налетающих частиц должна намного превышать E d, особенно если эти частицы легкие. Например, даже такая сравнительно тяжелая частица, как нейтрон, имеющая энергию 2 МэВ, может передать при упругом столкновении атому углерода не более 0,5 МэВ, а атому урана – не более 0,033 МэВ. Электрон той же энергии может передать углероду не более 1кэВ, а урану – не более 0,05 кэВ. Для γ- кванта той же энергии соответствующие цифры в три раза меньше, чем для электрона.

 Для того чтобы выбивание атомов шло с заметной интенсивностью, необходимо, чтобы эффективное сечение выбивания было не очень мало по сравнению с сечениями других конкурирующих процессов. Для нейтронов это сечение имеет порядок нескольких барн (в области энергий, достаточных для выбивания) и вполне сравнимо с сечениями конкурирующих неупругих процессов. Для электронов сечение выбивания имеет порядок десятков барн, но сечения возбуждения и ионизации электронов (в пересчете на один атом) имеют значительно большую величину. Для γ - квантов в наиболее интересной для практики области энергий в несколько МэВ наибольшее сечение имеет процесс образования комптоновских электронов. Поэтому при γ- облучении атомы выбиваются из решетки в основном комптон - электронами. Но если электронный пучок создает выбитые атомы только в поверхностном слое, то γ -излучение выбивает атомы во всем объеме вещества.

Если энергия выбитого атома заметно превосходит Ed , то он способен выбить из решетки другой атом. Таким образом, в результате одного первичного столкновения в кристалле могут возникнуть несколько выбитых из решетки атомов. Для ориентировки укажем следующие теоретические оценки для меди. При столкновении нейтрона энергии 0,42 МэВ с атомами в результате вторичных столкновений в среднем возникает 328 смещенных атомов. Заряженная частица – дейтрон – с энергией 9 МэВ за одно столкновение создает в среднем 6,2 смещенных атома.

Смещенные атомы ионизированы. Поэтому они быстро тормозятся в веществе и останавливаются в междоузлиях. В результате в кристалле образуются два вида точечных дефектов решетки – вакантные узлы и атомы в междоузлиях. В ряде кристаллов смещенный атом может остановиться в «чужом» узле, выбив оттуда своего предшественника. Такие замещающие столкновения также меняют свойства многоатомных кристаллов. При достаточно мощном и продолжительном облучении плотность дефектов может возрасти до такой степени, что наступит полное разрушение кристаллической структуры. Такое явление наблюдается в некоторых урановых и ториевых руда: вылетающие из урана или тория α-частицы постепенно разрушают решетку и в конце переводят ее в коллоидоподобное, так называемое метамиктное состояние. Метамиктные минералы внешне сохраняют кристаллический облик, но по своим словам являются аморфными веществами. Они изотропны по оптическим, механическим и другим свойствам, дают раковистый излом. Устойчивость решетки относительно действия облучений сильно зависит от ее прочности. Так, при облучении дозой 1021 быстрых нейтронов на 1 см2 решетка кварца в значительной мере разрушается, а решетка алмаза почти не меняется. Некоторые кристаллы под действием облучения изменяют тип решетки. Например, моноклинная двуокись циркония ZrO2 действием нейтронного излучения переходит в кубическую модификацию.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7