На последнем саммите по климату нынешний глава Росатома А.Е. Лихачев попытался включить атомные станции в разряд объектов зеленой энергетики. Его поддержали лишь французские специалисты. Все прочие указали на главный опасный экологический фактор эксплуатации атомных станций – наличие большого количества радиоактивных отходов, которые в настоящий момент имеют единственный способ утилизации – захоронение.
И пока не будут отработаны технологии дезактивации радиоактивных изотопов, ядерная энергетика никогда не будет включена в разряд экологически чистых источников энергии.
За последние 20 лет были разработаны различные способы дезактивации радиоактивных изотопов, информация о которых размещена в интернете в виде патентов, в которых приведены и результаты экспериментального подтверждения предлагаемых способов.
Попробую перечислить некоторые из них.
- облучение радиоактивных материалов СВЧ излучением,
- облучение радиоактивных материалов жестким гамма-излучением,
- облучение характеристическим рентгеновским излучением,
- использование кавитации в жидких средах,
- использование ультразвукового облучения объектов, подлежащих дезактивации,
- использование импульсного лазерного облучения,
- использование генераторов продольных волн для ускорения распада долгоживущих изотопов,
- использование микроорганизмов (микробов) для дезактивации жидких сред, и загрязненных поверхностей.
Не смотря на значительное количество экспериментальных подтверждений всех этих способов дезактивации, они до сих пор еще не вышли на уровень промышленного внедрения, а остаются на уровне демонстрационных экспериментов.
Объясняю почему. Их внедрение – это лишние затраты, которые не рентабельны. А захоронение ядерных отходов со всей Европы на территории России – это прибыль, и весьма не малая. Монопольная корпорация Росатома не заитересована терять свои доходы, и практически игнорирует внедрение этих технологий. Ни один из патентов по дезактивации не принадлежит Росатому. Владельцы патентов – частные организации, у которых нет доступа к отходам ядерной промышленности.
Из всех предложенных технологий прошла полупромышленную апробацию лишь методика дезактивации элементов конструкций ультразвуком, которая подтвердила возможность уменьшения радиоактивного фона вокруг конструкций в 5-200 раз, в зависимости от уровня загрязнений.
Перспективные методы дезактивации твердых радиоактивных отходов
Доклад на IV научно-техническом семинаре «Проблемы переработки и кондиционирования радиоактивных отходов», Санкт-Петербург, Техническая академия «Росатома», 14—18 июня 2021 г.
Н. М. Лебедев, А. Н. Грот, А. А. Калий (ООО «Александра-Плюс», Вологда, Россия)
А. П. Васильев (АО «НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля», Москва, Россия)
В. А. Доильницын, А. А. Акатов (СПбГТИ (ТУ), Санкт-Петербург, Россия)
Как видим по этому докладу, кое-какие меры по дезактивации уже принимаются.
Физические процессы, уменьшающие время жизни радиоактивных изотопов пока остаются загадкой для всех методов дезактивации.
Собственно именно это и является основной целью моей публикации – теоретичское обоснование или объяснение экспериментальных результатов, полученных во всех этих экспериментах. И начнем с ультразвука.
Радиоактивные изотопы являются возбужденным состоянием ядер с большим временем возбужденного состояния.
Как известно лучшим способом дезактивации радиактивных изотопов мог бы стать гамма- лазер для селективного перевода ядер из возбужденного состояния в нормальное с высвечиванием гамма кванта, или инициирования бета распада. Почему такого лазера пока не существует. Это связано с тем, что при излучении гамма кванта ядро приобретает импульс отдачи и его частота смещается из-за эффекта Доплера. Смещение частоты не позволяет обеспечить резонансное взаимодействие между возбужденными ядрами, т.е. не позволяет осуществить индуцированное излучения возбужденного ядра. Чтобы этого достичь излучаюшее ядро должно двигаться с резонансной скоростью, чтобы компенсировать эффект отдачи. Величина этой скорости давно посчитана. Для ядерного или рентгеновского уровня с энергией кванта 10 кэВ это величина должна быть порядка 30 м/с, а для энергии кванта 1 МэВ – 300м/c. При распространении УЗ волны в объеме жидкости, в твердом теле или металле скорость волны лежит в диапазоне 0.5-1.5 км/с, волна продольная, и по контуру волны частицы движутся возвратно поступательно, и на фронтах волны всегда есть участки, имеющие резонансную скорость. В случае излучения возбужденного ядра у излученного кванта есть возможность инициировать возбуждение другого ядра, с последующим переводом его в нормальное состояние, т.е. осуществить индуцированный распад соседнего ядра. Такая система является своеобразным миниатюрным гамма лазером, инициируемым УЗ волной, работающим в режиме сверх излучения с коэффициентом усиления 2, т.е. ускоряющей распад долгоживущих изотопов примерно в 2 раза при каждом проходе УЗ волны, через объем жидкости или металла. Чем меньше длина УЗ волны, тем выше эффективность распада. По-видимму оптимум, это когда длина УЗ волны примерно совпадает с длиной пробега или поглощения гамма кванта в среде. Но существует предельная частота поглощения УЗ для металлов – примерно 2 МГц, поэтому не всегда можно работать в оптимальном режиме. Как этот эффект можно зарегистрировать экспериментально. По интегральному фону гамма излучения. Он должен увеличиться в 1.5 -2 раза. И при детальном изучении можно обнаружить на общем фоне естественного распада изотопов, небольшие пички усиленного излучения с амплитудой в 2 раза большей фонового, с частотой следования импульсов в раза выше, чем частота УЗ волны. Так работает эффект ускорения распада радиоактивных изотопов под воздействием УЗ волны.
Кавитация – это способ создания высокочастотной УЗ в объеме жидкости, с большой амлитудой, т.е. все процессы ускорения распада радиоактивных изотопов соответствуют воздействию УЗ волны на вещество. В данном случае в жидкости.
Использование микроорганизмов – это способ создания кавитационных процессов в жидкости в результате их жизнедеятельности и выделения газов.
Воздействие СВЧ излучения, облучение продольными волнами и облучение импульсным лазерным излучением – это способ создания УЗ колебаний в металле благодаря скин – эффекту.
Данные рассуждения применимы только к распадам, в которых энергия квантов не превышает 1 МэВ. Для энергии гамма квантов выше порога возникновения электрон-позитронных пар необходимо учитывать возможность еще одного механизма инициирования индуцированного бета –распада, а именно распады гамма квантов высокой и малой энергии в поле ядра. Эти процессы подробно рассмотрены в моем приложении.
В данной публикации я не стал описывать специфические эффекты инициирования реакций холодного ядерного синтеза, чтобы не запутать полную картину, а остановился на основном механизме инициирования распадов радиоактивных изотопов. Влияние реакций холодного ядерного синтеза на ускорение распада изотопов будет рассмотрена особо.
У меня есть маленькая надежда, что мои рассуждения хоть как-то ускорят внедрения этих способов дезактивации отходов, но судя по всему, мне уже до этого не дожить. Ядерная энергетика со своими отходами так и не станет зеленой. Накопление ядерных отходов со временем растет по экспоненте. И пока они распадаются естественным путем.
Приложение.
Индуциированный β-распад при взаимодействии
тяжелого ядра с γ-квантом малой энергии.
Теоретические и экспериментальные результаты фотоядерного эффекта достаточно подробно изложены в работах [1,2], где приводится обширный перечень работ связанный с исследованиями взаимодействия γ-квантов с различными ядрами в диапазоне энергий 6-20Мэв.
В работах отмечается наличие гигантского резонанса в сечении взаимодействия γ-квантов с ядром и наблюдение выхода нейтронов из ядер практически всех элементов с характерной энергией реакции выхода 8Мэв на один нуклон. Основным механизмом поглощения кванта в этих процессах по мнению большинства авторов является дипольное и квадрупольное электромагнитное взаимодействие кванта с ядром. Проведенные на основе этих предположений расчеты в ряде случаев удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов. Здесь рассматривается возможность осуществления ядерной реакции при меньших энергиях, когда реакция поглощения ядром γ-кванта не сопровождается выходом нейтрона , а приводит к его распаду внутри ядра с испусканием электрона либо позитрона. В качестве основного механизма взаимодействия между квантом и ядром рассматривается процесс рождения пары электрон позитрон в поле ядра с последующим захватом электрона, аналогично процессу возникающему при Е-захвате электрона возбужденным ядром с внутренних оболочек атома. Процесс захвата электрона пары может протекать более эффективно чем захват электрона оболочки, так как образование пары может происходить на более близких расстояниях от ядра, кроме того ядро испытывает сильное электромагнитное влияние поля γ-кванта и электрона пары.
Этот эффект может быть особенно заметен при взаимодействии γ-квантов с радиоактивными изотопами.
Существует два типа изотопов тяжелых элементов - с избыточным количеством нейтронов в ядре, которые переходят в устойчивое состояние путем испускания электронов, и с недостатком количества нейтронов в ядре, которые переходят в устойчивое состояние с испусканием позитронов или в результате К-захвата электронов с внутренних электронных оболочек атома.
1.В качестве инициирующего процесса рассмотрим процесс распада γ-кванта в поле ядра на электрон и позитрон при энергиях γ-квантов E > 2mc2.
Рассмотрим для начала случай устойчивых изотопов, т.е. изотопов с равновесным сочетанием протонов и нейтронов в ядре.
Поскольку распад γ-кванта происходит в непосредственнной близости от ядра электрон испытывает притяжение к ядру, а позитрон –силу отталкивания.
При малых расстояниях между электроном и ядром и малых значениях энергии электрона электрон пары может быть захвачен протоном ядра аналогично процессу Е-захвата с образованием дополнительного нейтрона с последующим его распадом по стандартному механизму с испусканием электрона с характерным спектром и постоянной распада,
определяемой известной формулой
g2 me5c4
= -------------⎜Hik⎜2 FE(ε0,Z), где
2π3h7
⎛2πZe2⎞3 1 ⎛2πZe2⎞2
FE(ε0,Z) = 2π ⎢--------⎢ [ ε0 + 1 - --- ⎢--------⎢ ]2
⎝ hc ⎠ 2 ⎝ hc ⎠
ε0 = E0/me c2
E0 – максимальное значение спектра энергии электрона,
Hik – матричный элемент ядерных переходов,
g=1.4 x 10-49 эрг . см3 – константа слабого взаимодействия.
Анализ приведенной формулы показывает, что единственным изменяемым параметром формулы является максимальное значение энергии спектра электронов, испускаемых ядром. Для захвата электрона с электронной оболочки атома эта величина является неизменной, но в случае захвата электрона при рождении пары в поле ядра значение энергии электронов может варироваться, что в конечном итоге приведет к изменению постоянной времени распада.
Экспериментально этот процесс можно наблюдать в виде наведенной β-активности с характерным временем запаздывания излучения после выключения первоначального внешнего источника γ - квантов.
2.Для изотопов с избыточным количеством нейтронов в ядре поглощение электрона пары приводит ядро в еще более неустойчивое состояние и дальнейшая эволюция может происходить либо путем последовательного испускания двух электронов с энергиями Е1 и Е2, отличными от энергии Е0 –максимальной энергии
β-электрона естественного распада изотопа, либо с испусканием нейтрона в случае когда Е1 +Е2 > E=6-8Мэв,
т.е. когда суммарная энергия захваченного электрона и
электрона распада больше, чем энергия связи нуклона в ядре. В целом процесс выглядит следующим образом
zМ2z+1(e-)+ γ0(e+e-) =z+1M2z+1 +2e- +e+ или
zМ2z+1(e-)+ γ0(e+e-) =z-1M2z +n +e+
Приведенная формула для постоянной распада применима и в этом случае при замене значения энергии электрона Е0 на Е1 или Е2. Следует учесть, что матричный элемент ядерных переходов в этом случае будет отличен от матричного элемента самораспада.
3. Для изотопов с малым количеством нейтронов процесс поглощения электрона пары приводит к образованию более устойчивого состояния и устраняет необходимость излучения позитрона, что соответствует процессу аннигиляции электрона и позитрона в ядре с излучением характерных аннигиляционных квантов. Поскольку кванты разлетаются в противоположных направлениях ядро не испытывает отдачи и энергия квантов должна быть
близкой к Eγ=mec2.
В целом процесс выглядит следующим образом
zМ2z-1(e+)+ γ0(e+e-) =z-1M2z-1 +2γ1 +e+
В отличии от аннигиляции позитрона на электронах проводимости или на электронах внешних оболочек атома,
аннигиляция позитрона в ядре приведет к заметному изменению времени задержки излучения квантов.
Анализ экспериментальных данных приведенный в [3] для многих веществ показывает, что излучение аннигиляционных квантов имеет 3 характерных времени задержки τ1 < 0.5нс, τ2 < 5нс, τ3> 10 нс, которые не имеют однозначных предположений. В данном случае эти результаты можно интерпретировать как образование и аннигиляция позитронов на электронах проводимости,
на электронных оболочках атомов и аннигиляция электронов Е-захвата на позитронах, возникающих при образовании нейтронов внутри ядра.
Можно привести известное отношение вероятности
К-захвата к вероятности β+ распада полученное в нерелятивистской теории Ферми
wk
---- = 420πZ3(e2/hc)3(mec2/2E)7/2
wβ
где Е - максимальное значение энергии позитрона распада,
из которого видно уменьшение вероятности К-захвата с повышением энергии испускаемого позитрона. При увеличении энергии позитрона при самораспаде в результате К-захвата, по-видимому, происходит трехфотонная аннигиляция электрона и позитрона с промежуточным образованием ортопозитрония, который как известно распадается на три кванта.
4. Для энергий электронов Е < 2mec2 образование электронной пары не происходит, однако при взаимодействии кванта с внутренним электроном оболочки
атома передача части энергии кванта электрону может привести к инициированию захвата электрона ядром, при этом постоянная распада будет отлична от постоянной самораспада из-за увеличения энергии захваченного электрона. В дальнейшем процесс протекает аналогично предыдущему. В данном механизме важно инициирование реакции в ядре квантом с энергией меньшей, чем энергия кванта, возникающая в результате аннигиляции, т.е возможен процесс размножения квантов и осуществление самоподдерживающего процесса распада активного изотопа.
Использование характеристического рентгеновского излучения для дезактивации ядер – это реализация данного механизма ускорения распада радиоактивных ядер.
Литература.
1.В.П.Ковалев. Вторичные излучения ускорителей электронов. М. Атомиздат,1979г., 198стр.
2.Г.П.Антропов. Экспериментальные исследования фотоядерных реакций. В сб. Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики.
Л. Наука. 1984г. стр.120-131.
3. Singru R. M., Lal K. B., Tao S.J. Positron-annigilation data tables. Atomic Date and Tables, 1976,v.17, N4, p. 271-409.
