Неорганические соединения

При взаимодействии ионизирующих излучений с веществом происходит возбуждения атомов или молекул, ионизация. Возбуждение снимается испусканием флуоресцентного излучения за время в пределах около 10^‑8 с. Ионизация может завершиться просто захватом электронов или образованием электронных дырок в решетке диэлектрика (чаще в положениях, занимаемых атомами примесей). Возникающий локальный избыток (или дефицит) заряда приводит к электронным состояниям с полосами поглощения в видимой и УФ областях спектра. Например, облучение LiCl приводит к изменению цвета соединения от белого к желтому, LiF – становится черным, KCl – голубым и т.п. Облучение ионных кристаллов приводит к изменению и других физических свойств: твердости, прочности и т.д.

При нагреве первоначальные (или близкие к ним) свойства и цветчасто возвращаются, что сопровождается эмиссией света. Такое явление лежит в основе метода измерения дозы излучения и называется термолюминесцентной дозиметрией.

Вслед за соударением между тяжелой бомбардирующей частицей (n, p, α) и атомом поглотителя в кристаллическом веществе ион отдачи образует вакансии в решетке, а сам может занимать неравновесное междоузлие (дефект по Френкелю) или выйти на поверхность, а образовавшаяся при этом вакансия затем мигрирует вглубь кристалла(дефект по Шоттки).Образование дефектов Шоттки увеличивает объём кристалла, поэтому плотность кристалла уменьшается. В отличие от дефектов по Шоттки образование дефектов по Френкелю не влияет на плотность кристалла, поскольку миграция иона не приводит к изменению объёма.

Дефект по Френкелю Дефект по Шоттке Эффект Вигнера в графите

Во время нормальной эксплуатации реактора нейтроны, бомбардирующие графит, приводят к изменению его кристаллической структуры. Выбивание атомов в междоузлия делает графитовый замедлитель в ядерных реакторах более твердым и хрупким. Смещенные атомы имеют бóльшую энергию, чем обычные атомы решетки, и дислокации аккумулируют довольно значительную часть энергии в облученном материале (энергия или эффект Вигнера). В случае реакторного графита при 30 ⁰С и потоке 2·10²¹ эта запасенная энергия может достигать очень большой величины 2 кДж/г. Скорость возвращения смещенных атомов в свои обычные положения сильно зависит от температуры. Однако, если возвращение произойдет слишком быстро, то выделение энергии может вызвать нагревание материала до температуры воспламенения. Это явление было причиной пожара на реакторе с графитовым замедлителем в Великобритании в 1957 г. с выделением в окружающую среду радиоактивных веществ.

Авария в Уиндскейле 10.10.1957 (атомный комплекс Селлафилд). Процесс контролируемого отжига использовался для восстановления структуры графита и высвобождения энергии Вигнера. Для его инициации выключали газодувки (СО₂) охлаждающего контура, в результате чего реактор разогревался до температуры, при которой начинала выделяться аккумулированная в графите энергия. Из-за отсутствия контрольно-измерительных приборов и ошибок персонала процесс вышел из-под контроля. В результате слишком большого энерговыделения металлическое урановое топливо в одном из топливных каналов вступило в реакцию с воздухом и загорелось. В результате пожара в графитовом реакторе с воздушным охлаждением для производства оружейного плутония произошёл крупный (550-750 TБк) выброс радиоактивных веществ. Авария соответствует 5-му уровню по международной шкале ядерных событий и является крупнейшей в истории ядерной индустрии Великобритании.

Многие неорганические соединения под действием больших потоков нейтронов и γ‑излучений в ядерных реакторах разлагаются. Например,

KNO₃®KNO₂ + ½ O₂.

При высоких потоках нейтронов давление О₂ в KNO₃ вызывает растрескивание кристалла. Однако некоторые кристаллы довольно радиационно устойчивы, хотя могут изменять окраску, например, Li₂SO₄, K₂SO₄, KCrO₄, CaCO₃.

Пока еще теория не разработана до такой степени, чтобы можно было количественно рассчитать радиационную устойчивость соединений. Однако известно, что ковалентные бинарные соединения наиболее устойчивы к действию излучения. Примерами таких соединений являются оксиды, карбиды и нитриды урана, стойкость которых к воздействию излучения позволяет использовать их в качестве ядерного топлива. Еще одно бинарное соединение СО₂ используется в некоторых реакторах в качестве теплоносителя, хотя при облучении СО₂ разлагается, образуя графит и полимерные соединения.

В смесях неорганических соединений могут протекать более сложные нежелательные процессы. Например, при радиолизе жидкого воздуха образуется озон, а при облучении влажного воздуха – HNO₃.

Одно из первых наблюдаемых изменений вызванных излучением, было пожелтение стекла. Стекло часто содержит железо, марганец или другие металлы с переменной степенью окисления, различающихся по окраске. В результате облучения степень окисления может меняться. Дислокации и свободные электроны также вносят вклад в изменение цвета стекла. При химических и металлургических работах с высокоактивными веществами за ходом эксперимента необходимо следить через толстое стеклянное окошко, которое обеспечивает защиту от излучения. Чтобы избежать окраски стекла, в него добавляют небольшое количество (1-2 %) элемента, который может служить улавливателем электронов, например, СеО₂, участвующего в реакции . После облучения дозой 10 кГр прозрачность обычного стекла снижается до 44 %, а цериевого стекла – до 89 % от первоначальной.Стекло отличается очень высокой стойкостью к повреждающему действию излучения благодаря своей некристаллической структуре «твердой жидкости». Поэтому дислокации в такой структуре поглощаются практически в любом месте. Это обстоятельство обусловило выбор стекла в качестве матрицы для фиксации ВАО. Большие дозы до 10⁹ Гр, соответствующие ~ 10¹⁸ α‑распадам на 1 г стекла, приводит к ничтожным изменениям.

Дата добавления: 2014-11-16