ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ С ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ АЛЬФА-ЧАСТИЦ РАДИОНУКЛИДОВ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦЕПОЧКЕ РАСПАДА УРАНА

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается перераспределение энергии альфа-частиц, возникающих при распаде ядер урана, на микроуровне среды. Особое внимание уделяется влиянию плотности, пористости и влажности на локальное поглощение энергии и формирование зон высокой плотности ионизации. Теоретически обоснованы механизмы передачи энергии по ионизационным, тепловым и механическим каналам, а также влияние микроструктуры материала на поглощение энергии. Рассмотрены практические последствия для материалов радиационной защиты, хранения урановых отходов, оценки фонового радиационного уровня и анализа радиационных свойств различных материалов. Предложенный подход позволяет оценивать не только дозу излучения, но и реальные эффекты перераспределения энергии в веществе.

ABSTRACT

This article examines the redistribution of energy of alpha particles generated during the decay of uranium nuclei at the microenvironment level. Special attention is given to the influence of density, porosity, and moisture on local energy absorption and the formation of high ionization density zones. Theoretical mechanisms of energy transfer through ionization, thermal, and mechanical channels are justified, as well as the effect of material microstructure on energy absorption. Practical implications for radiation shielding materials, uranium waste storage, assessment of background radiation levels, and analysis of the radiological properties of construction materials are discussed. The proposed approach allows evaluation not only of the radiation dose but also of the actual effects of energy redistribution in matter.

Ключевая слова: альфа-частицы, уран, микроокружение, поглощение энергии, пористость, влажность, радиационная защита, локальная ионизация, Bragg-пик, радиолиз

Keywords: alpha particles, uranium, microenvironment, energy absorption, porosity, moisture, radiation protection, local ionization, Bragg peak, radiolysis

Введение. В отличие от традиционных методов определения поглощения энергии альфа-частиц радионуклидов - ²³⁴U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Po, ²¹⁰Pb, образующихся в процессе распада материнского ядер - ²³⁸U, особое значение приобретает исследовать их поведений в средах на расстояниях в нескольких микрометров или микроуровнях. Под расстояниями в нескольких микрометров или микроуровнях понимаются минеральные зерна и их границы, капиллярные слои воды, газовая фаза, а также области контакта твёрдой и жидкой фаз. Альфа-частицы, сталкиваясь именно с элементами этой среды, передают свою энергию неравномерно. В результате формируются локальные зоны повышенной плотности поглощённой энергии.

Высокая ионизирующая способность альфа-частиц и их малая длина свободного пробега свидетельствуют о микроструктурном перераспределении энергии в исследуемом веществе. В данной статье теоретически обосновывается неравномерное распределение энергии альфа-частиц радионуклидов - ²³⁴U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Po, ²¹⁰Pb по ионизационным, тепловым и механическим каналам, а также обсуждаются практические последствия данного явления в области защитных экранов, радиационной безопасности и материаловедения.

Во многих исследованиях, связанных с процессом распада материнского ядер - ²³⁸U, основное внимание уделяется определение удельной активности каждого из этих радионуклидов в данной цепочке, определение значений мощности эквивалентной дозы данного образца и радиационного воздействия на окружающую среду. При этом вопросам, где и в каком масштабе поглощается высвобождаемая при распаде энергия альфа-частиц радионуклидов - ²³⁴U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Po, ²¹⁰Pb как правило, уделяется недостаточное внимание. Особенно в случае альфа-распада, характеризующегося малой дальностью пробега и высокой плотностью ионизации, взаимодействие альфа-частиц с веществом необходимо рассматривать на уровне микроокружения.

Природный уран состоящей из материнских ядер - ²³⁸U начинает цепочку радиоактивного распада, в ходе которого испускаются альфа-частицы с энергией - ²³⁴U – 4,859, ²³⁰Th – 4,770, ²²⁶Ra – 4,784, ²²²Rn – 5,489, ²¹⁸Po – 6,115, ²¹⁴Pb – 7,833, ²¹⁰Pb – 5,305 МэВ. В результате альфа-распада одного ядра урана приводит к выделению энергии - ≈ 4,27 MeV.

Связывая удельную активность процесса распада соотношением

A=λN_A                                                                           (1)

где λ - постоянная распада,  постоянная Авогадро, можно определить мощность энергии, выделяющейся за единицу времени:

                                                                   (2)

где А - удельная активность, Е_α – начальная энергия альфа-частицы.

На основе уравнений (1) и (2) мы можем определить энергию альфа-частиц, испускаемых за единицу времени:

                                                             (3)

Большая масса альфа-частиц и их крайне малая длина пробега (порядка нескольких десятков микрометров) обусловливают интенсивное поглощение энергии на очень малых расстояниях.

Альфа-частицы являются сильно ионизирующим излучением, последовательно ионизирующим атомы и молекулы вещества. Это приводит к временному накоплению электрических зарядов в малых объёмах. Часть энергия ионизации преобразуется в тепловую энергию. Хотя это не вызывает заметных макроскопических изменений температуры, на микроуровне происходят структурные преобразования. Локальное повышение температуры можно выразить соотношением:

                                                                  (3)

где, м - масса микрообъёма, С - удельная теплоёмкость вещества.

Подобные изменения температуры не регистрируются макроскопическими термометрами. Однако на уровне микроструктуры инициируются фазовые превращения. Данный процесс имеет важное значение для материалов защитного экранирования.

Потери энергии альфа-частиц при прохождение определенной расстояние определяется нижеприведенным выражением:

                                                           (4)

где, величина  - характеризует изменение энергии частицы в зависимости от пройденного расстояния, а S(Е) – поглашающая способность среды, зависящую от энергии альфа-частицы и свойств вещества.

Теоретический анализ показывает, что энергия альфа-частиц поглощается в веществе кластеризованным образом. На данный процесс влияют следующие факторы: плотность среды, уровень влажности, степень пористости (отношение объёма пор к общему объёму материала), а также количество межфазных границ. В результате в сухих и плотных средах энергия преимущественно расходуется на ионизационные и механические воздействия, тогда как во влажных и пористых средах преобладают тепловые процессы.

                                                (5)

где, ρ - плотность среды, φ - пористость, ω - влажность.

Различие сред по уровню влажности, пористости и плотности позволяет проанализировать степень поглощения энергии, что наглядно представлено в следующей таблице 1:

Таблица 1.

Степень поглощения энергии в зависимости от уровня влажности, пористости и плотности различных природных сред

Традиционно применяемые сухие бетоны вследствие внутренней пористости и низкой влажности обладают пониженной эффективностью поглощения энергии. В пористых средах мест хранения отходов энергия альфа-частиц затухает быстрее, однако при этом усиливается выделение радона. В связи с этим рекомендуется обеспечивать замкнутую пористость материала и поддерживать стабильный уровень влажности. Баритовый бетон в сочетании с контролируемой влажностью является одним из наиболее оптимальных решений.

Между плотностью вещества и поглощением энергии существует формула Бете - Блоха:

                                                     (6)

где, функция энергетического расстояния,   плотность окружающей среды, количество протонов в окружающих атомах,   скорость альфа-частиц,  масса электронов в окружающих атомах,  средний потенциал ионизации вещества.

В результате это показывает, что степень поглощения энергии или поглощённая энергия по пройденному расстоянию не связаны линейно с плотностью вещества. По мере уменьшения скорости частицы поглощение увеличивается, формируется пиковое значение - пика Брэгга. На основании средней и максимальной плотности материала можно определить зависимость между энергией альфа-частиц и поглощённой энергией:

                                                 (7)

где, - энергия альфа-частицы, ρ - средняя плотность вещества,  - максимальная плотность.

Между эффективной плотностью и пористостью существует следующая зависимость:

                                                (8)

где, - энергия альфа-частицы, ρ - средняя плотность вещества,  - максимальная плотность. Обычно .

Исходя из уравнений (7) и (8), можно определить зависимость между поглощённой энергией и пористостью:

                                             (9)

Энергетическая зависимость длины свободного пробега α-частиц

                                                    (10)

где, R — длина свободного пробега, E — энергия α-частиц. Экспериментальные исследования подтверждают наличие линейной зависимости между коэффициентом - k и энергией.

                                  (11)

Таким образом, зависимость между пористостью и поглощённой энергией нелинейная, то есть с увеличением пористости энергия резко уменьшается рис. 1.

Рисунок 1. График зависимости между к-коэффициентом и поглощённой энергией

Кроме них исследованы коэффициенты между энергией альфа-излучения со длина свободного пробега данной частиц в различных средах таб. 2.

Таблица 2.

Данные к-коэффициентов в зависимости энергия альфа-излучения со длина свободного пробега альфа нуклидов

При низкой влажности молекулы жидкости в основном находятся в порах. В этом случае альфа-частицы оказывают большее ионизирующее воздействие по сравнению с сухой средой и инициируют радиолиз молекул воды. Часть энергии направляется на локальное (частичное) повышение температуры и химические реакции. В результате даже незначительные изменения влажности приводят к резким колебаниям энергии. Этот процесс продолжается до определённого значения влажности, после чего наступает процесс насыщения. В этом случае возникает закон экспоненциального насыщения энергии:

где, поглощённая— зависимость поглощённой энергии альфа-частиц от влажности, — максимальная энергия, которая может быть поглощена при данных условиях влажности, k — эмпирический коэффициент, зависящий от свойств среды, ω — доля влажности.

Согласно выражению (8), увеличение влажности способствует росту поглощения энергии. Однако при достижении высоких значений влажности поглощение энергии стабилизируется и остаётся постоянным.

Понимание перераспределения энергии альфа-частиц на микроуровне важно для следующих практических областей:

• выбор материалов радиационной защиты;
• обеспечение безопасности хранения отходов урана;
• оценка фонового уровня на карьерах и прилегающих территориях;
• анализ радиационных свойств строительных материалов.

Данный подход позволяет проводить планомерные работы, основываясь не только на оценке дозы, но и на реальных последствиях распределения энергии.

Список литературы:

1. Сивухин Д.В. Общая физика. Т. V. Ядро и элементарные частицы, М.: Наука, 2008.
2. Knoll, G.F. Radiation Detection and Measurement, 4th ed., Wiley, 2010.
3. National Institute of Standards and Technology (NIST) (2022), NIST Stopping-Power & Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions - SRD 124: Metadata Updated July 29, 2022.
4. Berger, M. J., Hubbell, J. H., Seltzer, S. M., Chang, J., Coursey, J. S., Sukumar, R., Zucker, D. S. va Olsen, K. (2010), XCOM: Photon Cross Section Database (version 1.5). Berger, M. J., Hubbell, J. H., va Seltzer, S. M. (1995), Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass-Energy Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z=1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest, NISTIR 5632.
5. ICRU (1993), International Commission on Radiation Units and Measurements. ICRU Report 49, Stopping Powers and Ranges for Protons and Alpha Particles.
6. Музафаров А.М., Аллаберганова Г.М., Кулматов Р.А. Оценка радиационной опасности урановых предприятий для объектов окружающей среды // XXI век. Техносферная безопасность. Москва, Том 6. №1., 2021. - С. 94-102
7. Музафаров А.М., Аллаберганова Г.М., Турабджанов С.М., Аллаяров Р.М. Новый способ рекультивации загрязненных радионуклидами почв участков подземного выщелачивания урана // Universum: Технические науки. Москва. Выпуск: 6(75). Июнь. 2020. Часть 2. – С. 91-96.
8. Музафаров А.М., Аллаберганова Г.М., Кулматов Р.А. Оценка радиационной опасности урановых предприятий для объектов окружающей среды // XXI век. Техносферная безопасность. Москва, Том 6. №1., 2021. - С. 94-102
9. Музафаров А.М., Аллаберганова Г.М., Турабджанов С.М., Аллаяров Р.М. Новый способ рекультивации загрязненных радионуклидами почв участков подземного выщелачивания урана // Universum: Технические науки. Москва. Выпуск: 6(75). Июнь. 2020. Часть 2. – С. 91-96.
10. Аллаяров Р.М., Назаров Ж.Т., Аллаберганова Г.М., Музафаров А.М. Исследование коэффициентов обогащения химических элементов в урановых отвалах методом инструментального нейтронно-активационного анализа. Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2022. – №4 (91). – С. 102-109 (05.00.00; №7