Радиоактивность

Криопанели инжекторов охлаждаются жидким гелием и предназначены  для поглощения газов, что позволяет  поддерживать достаточную скорость откачки при относительно высоком  разрежении.

Вакуумная система  обеспечивает откачку гелия, водорода и примесей из полости дивертора  или из окружающего плазму пространства в процессе работы реактора, а также  из рабочей камеры в паузах между  импульсами. Чтобы откачиваемый тритий не выбрасывался в окружающую среду, в системе необходимо предусмотреть  замкнутый контур с минимальным  количеством циркулирующего трития. Откачивать газ можно турбомолекулярными насосами, производительность которых  должна несколько превышать достигнутую  на сегодняшний день. Длительность паузы для подготовки рабочей  камеры к следующему импульсу при  этом не превышает 30 с.

Система энергопитания  существенно зависит от режима работы реактора. Она заметно проще для  токамака, работающего в непрерывном  режиме. При работе в импульсном режиме целесообразно использовать комбинированную систему питания - сеть и мотор-генератор. Мощность генератора определяется импульсными нагрузками и достигает 10 ⁶ кВт.

Бланкет реактора расположен за первой стенкой рабочей камеры и предназначен для захвата нейтронов, образующихся в DT-реакции, воспроизводства "сгоревшего" трития и превращения  энергии нейтронов в тепловую энергию. В гибридном термоядерном реакторе бланкет служит также для  получения делящихся веществ. Бланкет  — это, по существу, то новое, что  отличает термоядерный реактор от обычной  термоядерной установки. Опыта по конструированию  и эксплуатации бланкета пока нет, поэтому  потребуются инженерно-конструкторские  разработки литиевого и уранового  бланкетов.

Тритиевый контур состоит  из нескольких независимых узлов, обеспечивающих регенерацию откачиваемого из рабочей  камеры газа, его хранение и подачу для подпитки плазмы, извлечение трития из бланкета и возврат его в  систему питания, а также очистку  от него отработанных газов и воздуха.

Защита реактора делится на радиационную и биологическую. Радиационная защита ослабляет поток  нейтронов и снижает энерговыделение  в сверхпроводящих катушках. Для  нормальной работы магнитной системы  при минимальных энергозатратах необходимо ослабить нейтронный поток  в 10 ^s —10 ⁶ раз. Радиационная защита находится между бланкетом и катушками тороидального поля и закрывает всю поверхность рабочей камеры, за исключением каналов дивертора и вводов инжекторов. В зависимости от состава толщина защиты составляет 80- 130см.

Биологическая защита совпадает со стенами реакторного  зала и сделана из бетона толщиной 200 — 250 см. Она предохраняет окружающее пространство от излучения.

Системы дополнительного  нагрева плазмы и подпитки ее топливом занимают значительное пространство вокруг реактора. Если нагрев плазмы осуществляется пучками быстрых атомов, то радиационная защита должна окружать весь инжектор, что неудобно для расположения оборудования в реакторном зале и обслуживания реактора. Системы нагрева токами высокой частоты в этом смысле привлекательнее, так как их устройства ввода (антенны) более компактны, а  генераторы могут быть установлены  за пределами реакторного зала. Исследования на токамаках и разработка конструкции  антенн позволят сделать окончательный  выбор системы нагрева плазмы.

Система управления — неотъемлемая часть термоядерного  реактора. Как и в любом реакторе, из-за довольно высокого уровня радиоактивности  в пространстве, окружающем реактор, управление и обслуживание в нем  осуществляются дистанционно — как  во время работы, так и в периоды  остановок.

Источником радиоактивности  в термоядерном реакторе являются, во-первых, тритий, распадающийся с  испусканием электронов и низкоэнергетичных 7-квантов (период его полураспада  составляет около 13 лет), а во-вторых, радиоактивные нуклиды, образующиеся при взаимодействии нейтронов с  конструкционными материалами бланкета и рабочей камеры. Для наиболее распространенных из них (стали, сплавов  молибдена и ниобия) активность достаточно велика, но все же примерно в 10—100 раз  меньше, чем в ядерных реакторах  аналогичной мощности. В перспективе  в термоядерном реакторе предполагается использовать материалы, обладающие малой  наведенной активностью, например алюминий и ванадий. Пока же термоядерный реактор-токамак  проектируется с учетом дистанционного обслуживания, что предъявляет дополнительные требования к его конструкции. В  частности, он будет состоять из соединяемых  между собой одинаковых секций, которые  заполнят различными стандартными блоками (модулями). Это позволит в случае необходимости сравнительно просто заменять отдельные узлы с помощью  специальных манипуляторов.  

Ядерные реакции. Ядерная  энергетика.

Атомное ядро

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, массой М, спином J, магнитным и электрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом R, изотоническим спином Т и состоит из нуклонов - протонов и нейтронов.

Число нуклонов А  в ядре называется массовым числом . Число Z называют зарядовым числом ядра или атомным номером. Поскольку Z определяет число протонов, а А - число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами . В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов. Например, ²⁸ Si, ²⁹ Si, ³⁰ Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами , а с одинаковым числом нейтронов- изотонами .

Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства стабильных ядер остаются неизменными  неограниченно долго. Нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения .

Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные  с большой точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы  масс составляющих его нуклонов.

Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре (энергия связи на один нуклон).

Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением  является область легких ядер, где  средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра ¹² С.

Аналогично энергия  связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра относительно других составных его частей.

В отличие от средней  энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона  изменяется от ядра к ядру.

Часто вместо энергии  связи используют величину, называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа атомного ядра.

Гамма-Излучение 

Гамма-излучение  – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским  излучением, занимая область более  высоких частот. Гамма-излучение  обладает чрезвычайно малой длинной  волны (λ < 10 ^-8 см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией hν (ν – χ астота излучения, h – Планка постоянная).

Гамма- излучение  возникает при распадах радиоактивных  ядер, элементарных частиц, при аннигиляции  пар частицы-античастица, а также  при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается  при переходах ядра из более возбужденного  энергетического состояния в  менее возбужденное или в основное. Энергия γ – кванта равна разности энергий Δε ρ остояний, между которыми происходит переход.

Возбужденное состояние  

Е2  

hν  

Основное состояние  ядра Е1

Испускание ядром  γ-кванта не влечет за собой изменения  атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных  превращений. Ширина линий гамма-излучений  чрезвычайно мала (~10 ^-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося π ⁰ - мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми с скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и тормозное рентгеноовское излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв.

В межзвёзном пространстве гамма-излучение может возникать  в результате соударений квантов  более мягкого длинноволнового, электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными  магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному  излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Аналогичное явление  может иметь место в земных условиях при столновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных  пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому  фотону, который превращается в γ-квант. Таким образом, можно на практике превращать отдельные фотоны света  в кванты гамма-излучения высокой  энергии.

Гамма-излучение  обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие  толщи вещества без заметного  ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения  с веществом, - фотоэлектрическое  поглощение (фотоэффект), комптоновское  рассеяние (комптон-эффект) и образавание  пар электрон-позитрон. При фотоэффекте  происходит поглощение γ-кванта одним  из электронов атома, причём энергия  γ-кванта преобразуется ( за вычетом  энергии связи электрона в  атоме ) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность  фотоэффекта прямо пропорциональна  пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й  степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает  в области малых энергии γ-квантов ( £ 100 кэв ) на тяжелых элементах ( Pb, U).

При комптон-эффекте  происходит рассеяние γ-кванта на одном  из электронов, слабо связанных в  атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну волны ) и направление распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более  широким, а само излучение - более  мягким (длинноволновым ). Интенсивность  комптоновского рассеяния пропорциональна  числу электронов в 1см ³ вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.

Если жнергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным  процесс образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар  пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hν. Поэтому при hν ~10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается  образование пар.