Нейтроны, высвобождаемые в термоядерных реакциях, обладают высокой
проникающей способностью и могут инициировать ядерные реакции в
материалах, из которых изготовлены конструктивные элементы термоядерного
реактора. Эти реакции приводят к активации материалов,
то есть к превращению стабильных изотопов в радиоактивные. Основными
процессами, ответственными за активацию, являются:
- (n,γ)-реакции: захват нейтрона с последующим
излучением γ-кванта. Являются преобладающими для легких элементов, таких
как алюминий, титан и железо.
- (n,p)-реакции и (n,α)-реакции: приводят к выбросу
протона или α-частицы и образованию нового изотопа, часто
радиоактивного.
- (n,2n)-реакции: требуют нейтронов с энергией выше
пороговой и приводят к выбросу двух нейтронов и активации
материала.
Ключевой момент: скорость и интенсивность активации
материала зависят от спектра нейтронов, материала конструкции и времени
его воздействия.
Основные материалы и их
активация
Металлы первой стенки и структурные сплавы:
- Титан и титановые сплавы: активация ограничена в
основном из-за образования ^46Sc, ^47Sc и ^48V, с периодами полураспада
от дней до нескольких месяцев.
- Нержавеющая сталь (Fe–Cr–Ni): высокая вероятность
(n,γ)-реакций, образование ^55Fe, ^59Fe, ^60Co, ^63Ni. Среди них ^60Co —
особенно важный с точки зрения радиационной безопасности, т.к. имеет
высокий γ-флюкс и длительный период полураспада (5,27 лет).
- Медные сплавы: активация через ^64Cu и ^65Zn, с
периодами полураспада до нескольких недель и лет.
Бланкетные материалы:
- Литий-содержащие композиты: активация ограничена,
но образуются тритий и радиоизотопы ^7Be.
- Бериллий: при облучении нейтронами формирует ^10Be,
который имеет чрезвычайно долгий период полураспада (≈1,39·10^6
лет).
Ключевой момент: материалы с малым числом тяжелых
ядер и низкой вероятностью захвата нейтронов предпочтительны для
снижения долгоживущей радиоактивности.
Спектр нейтронов и
влияние на активацию
Энергетическое распределение нейтронов в термоядерной плазме влияет
на типы ядерных реакций:
- Тепловые нейтроны (≤0,5 эВ) чаще инициируют
(n,γ)-реакции.
- Эпитепловые и быстрые нейтроны (1 эВ – 14 МэВ)
способны вызывать (n,p), (n,α), (n,2n) реакции.
Пример: для дейтерий–тритиевой реакции характерны 14
МэВ нейтроны, которые обладают высокой проникающей способностью и
высокой вероятностью (n,2n) реакций в стальных и медных компонентах.
Эффекты активации на
эксплуатацию реактора
- Радиационная опасность: активация приводит к
накоплению радиоактивных изотопов в материалах, что ограничивает доступ
персонала и требует особых мер при техническом обслуживании.
- Изменение свойств материала: помимо структурной
эрозии, активация сопровождается накоплением дефектов кристаллической
решетки, что может снижать механическую прочность и
теплопроводность.
- Утилизация и переработка: долгоживущие изотопы,
такие как ^60Co или ^10Be, создают сложности при демонтаже и хранении
отработанных конструкций.
Ключевой момент: выбор материала с низкой
активационной способностью и коротким периодом полураспада образующихся
изотопов критически важен для уменьшения радиационных рисков.
Методы оценки и снижения
активации
- Моделирование нейтронных потоков: вычислительные
коды (например, MCNP, FISPACT) позволяют прогнозировать распределение
дозы и состав активированных изотопов.
- Оптимизация состава сплавов: снижение содержания
элементов с высоким сечением захвата нейтронов (например, Co, Ni, Nb)
уменьшает долгоживущую активацию.
- Использование легких металлов и композитов:
алюминий, титан, бериллий, углеродные материалы формируют
преимущественно короткоживущие изотопы.
- Толщина и геометрия защитного слоя: создание
экранов и слоев поглощения нейтронов уменьшает поток нейтронов на
критические элементы.
Характеристики
радиоактивности и периоды полураспада
| Материал |
Основные радиоизотопы |
Период полураспада |
Энергия γ-излучения |
| Нержавеющая сталь |
^55Fe, ^59Fe, ^60Co, ^63Ni |
2,7 г; 44,5 д; 5,27 л; 100,1 л |
1,173–1,332 МэВ (^60Co) |
| Титан |
^46Sc, ^47Sc, ^48V |
84 д; 3,35 д; 16 д |
0,889–2,7 МэВ |
| Медь |
^64Cu, ^65Zn |
12,7 ч; 244 д |
0,511–1,116 МэВ |
| Бериллий |
^10Be |
1,39·10^6 л |
β-излучение без γ |
Ключевой момент: выбор материала должен учитывать не
только механические свойства, но и активационный
профиль, чтобы минимизировать радиационную опасность и
облегчить обработку после эксплуатации.