Пути наработки трития в результате проведения ядерных взрывов

УДК 577.4:504.064:546.02.11

 

Ляхова Оксана Николаевна

 

ТРИТИЙ КАК ИНДИКАТОР МЕСТ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТНИЙ

 

Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР

молодых ученых и специалистов

Национального ядерного центра Республики Казахстан

(прикладная)

 

Курчатов 2011

Ляхова Оксана Николаевна

Руководитель группы, ИРБЭ НЯЦ РК,

1977 г.р.

образование высшее (2000 г., Восточно-Казахстанский Государственный Университет),

специальность – физика,

квалификация по диплому – спектрометрия,

работает с 2006 г в Отделе разработки систем мониторинга окружающей среды общий стаж работы – 11 лет.

ЛЯХОВА ОКСАНА НИКОЛАЕВНА

ТРИТИЙ КАК ИНДИКАТОР МЕСТ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТНИЙ

 

Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан

Дочернее государственное предприятие «Институт радиационной безопасности и экологии»

Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» (ДГП ИРБЭ РГП НЯЦ РК).

071100, г. Курчатов, Красноармейская 2, тел. (722)51-2-34-13,

Факс (722)51-2-28-06, E_mail: Lyahova@nnc.kz

 

РЕФЕРАТ

 

Работа содержит 18 страниц, 12 рисунков, 1 таблицу, 12 источников.

Объектами исследования является атмосферный воздух в местах расположения ПЯВ – на территории горного массива Дегелен и испытательной площадки «Балапан».

В настоящее время, учитывая Международный Договор о Нераспространении ядерного оружия, быстрые темпы развития атомной промышленности, стремлением ряда стран к ядерной независимости, весьма актуальными являются работы, направленные на осуществление контроля деятельности ядерных установок, а так же идентификации мест возможного проведения ядерных испытаний.

Цель работы - проведение оценки возможности использования радионуклида тритий в качестве индикатора мест проведения подземных ядерных взрывов.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

Исследование уровня и характера распространения трития в воздушной среде на территории горного массива Дегелен в месте расположения штолен, а так же в месте расположения боевых скважин на территории площадки «Балапан».

На площадке «Дегелен» проведено исследование содержания трития на приустьевых участках штолен, проведено исследование характера распределения трития внутри полости штолен, а так же в зоне расположении эпицентра взрыва.

На площадке «Балапан» проведено площадное исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде на приустьевых участках скважин.

Методы исследования.Исследования на территории выбранных площадок осуществлялись путем проведения полевых и лабораторных работ, заключавшихся в отборе проб водяных паров воздуха и исследовании отобранных проб методом жидкосцинтилляционной спектрометрии в соответствии с гостированными методическими указаниями на поверенной лабораторной аппаратуре. Определение концентрации трития проводили по методике [1,2].

Отбор проб водяных паров воздуха проводился в соответствии со стандартными методическими рекомендациями по отбору проб объектов окружающей среды и подробно описаны в одной из предыдущих работ [3].

В ходе выполнения данной работы все поставленные задачи были решены в полном объеме, поставленная цель достигнута.

В данной работе проведена оценка уровня и характера содержания трития в воздушной среде в местах проведения подземных ядерных взрывов, представлен принципиально новый, ранее не рассматриваемый метод индикации мест проведения ядерных испытаний используя в качестве индикатора радионуклид тритий.

Личный вклад автора:непосредственное участие во всех этапах эксперимента – отбор проб воздуха, проведение измерений, обработка и анализ полученных данных, разработка методологии исследования концентрации трития в атмосферном воздухе.

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ_ 5

1 ПУТИ НАРАБОТКИ ТРИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ 6

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ И ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ПЯВ НА ТЕРРИТОРИИ ПЛОЩАДКИ «ДЕГЕЛЕН». 9

2.1 Исследование уровня и характера распределения трития в воздушной среде внутри полости штолен __________________________________________________________________________________11

2.2 Исследование уровня содержания трития в месте расположения вертикальных геологических скважин_ 12

2.3 Исследование уровня содержания трития в эпицентральной зоне ПЯВ_ 12

2.4 Исследование уровня содержания трития в воздушной среде на приустьевых участках штолен 13

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ И ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ПЯВ НА ТЕРРИТОРИИ ПЛОЩАДКИ «БАЛАПАН». 13

3.1 Исследование уровня содержания трития в месте расположения скважин_ 16

3.2 Изучение уровня и характера распределения трития в воздушной среде на приустьевых участках скважин_ 16

ВЫВОДЫ_ 19

ЛИТЕРАТУРА_ 19

 

ВВЕДЕНИЕ

Ядерный Договор о нераспространении ядерного оружия (NPT) является соглашением, c целью ограничения распространения ядерного оружия. 5 марта 1970 соглашение вступало в силу. В связи с настоящим Договором, вопрос о достоверной верификации мест проведения ядерных взрывов является чрезвычайно важным.

В настоящее время существует ряд различных направлений и методик, применяемых для индикации мест проведения ядерных взрывов - геологические, гидрогеологические, радиационные, в основу которых положены такие основные методы исследования как термометрия, тектоника, гамма-каротаж, исследование концентрации Xe¹³¹ (и ряда других благородных газов). Другими словами, с целью определения места проведения ядерного взрыва, проводится исследование всевозможных видимых и не видимых последствий.

В данной работе предлагается рассмотреть принципиально новый метод верификации мест проведения подземных ядерных взрывов – использование трития в качестве индикатора.

Тритий по ряду причин занимает особое место при использовании его в качестве индикатора.

Во-первых, исследования концентрации трития в воздушной среде в местах проведения подземных ядерных взрывов показали, что содержание трития в штольневом воздухе в местах расположения штолен на площадке «Дегелен» в настоящее время достигает сотен Бк/м³ [[i]].

Во-вторых, в отличие от химически инертных РБГ, тритий как изотоп водорода эффективно включается в состав атмосферного воздуха и при создании определенных условий отбора проб может быть зафиксирован даже в достаточно малых количествах порядка 1 Бк/м³.

В-третьих, тритий обладает периодом полураспада равным 12,4 года, что позволяет идентифицировать его в воздушной среде не только в момент проведения взрыва, но спустя достаточно большой промежуток времени.

В ходе проведения испытаний ядерного оружия на территории СИП сформировались локальные участки тритиевого загрязнения. В основном это касается двух испытательных площадок – «Балапан» и «Дегелен»– где было проведено более 300 ядерных испытаний в вертикальных скважинах и горизонтальных горных туннелях. Не смотря на то, что практически все испытания на исследуемой территории являлись подземными, вблизи расположения мест проведения ПЯВ зафиксированы численные значения трития в атмосферном воздухе, и это, учитывая, что с момента последнего взрыва прошло не одно десятилетие.

Тритий появляется в атмосфере двумя основными путями. Первый путь - это космогенный тритий, или природный, образующийся в атмосфере. Вторым источником поступления трития в атмосферу являются испытания ядерного оружия.

В настоящий момент существует и третий источник поступления трития в окружающую среду, которым являются предприятия атомной промышленности. Но учитывая специфические особенности Семипалатинского полигона, такой источник поступления трития в атмосферу, как работа предприятий атомной промышленности, в данной работе рассматривать не актуально.

Существует три основных реакции образования космогенного трития, которые представлены в таблице в соответствии со скоростью образования (Таблица 1).

Таблица 1

Реакции образования космогенного трития

Реакция образования	Скорость образования, атомов/см2 *с
14N + n = 3H + 12C	0,1 – 0,2
16О + р = 3Н + 14О	0,08
14N + р = 3H + 12N	0,05

Равновесное количество трития на Земле, генерируемое космическими лучами, составляет от 3 до 10 кг. Основная часть всего образовавшегося таким путем трития (~ 93%) содержится в гидросфере и лишь 7% в атмосфере. Ввиду очень малого количества природного трития его концентрацию в объектах окружающей среды принято выражать в тритиевых единицах (ТЕ). Тритиевая единица соответствует содержанию одного атома трития на 10¹⁸ атомов протия [4]. Согласно оценкам фонового содержания трития в 1 л воды в среднем содержится 1,1·10^–1 Бк трития, в 1 л воздуха – 5,7·10^–4 Бк. Количество космогенного трития во внешней среде, гидросфере и атмосфере, составляет порядка 3,0-3,5 кг, что соответствует равновесно объемной активности порядка (1,11-1,30)·10⁹ ГБк.

Принимая во внимание, что после проведения испытаний ядерного оружия содержание трития в атмосфере увеличились в сотни и тысячи раз, этот источник поступления трития так же можно считать не значительным применительно к исследованиям, проводимым в местах проведения ПЯВ.

ПУТИ НАРАБОТКИ ТРИТИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ

Изменения концентрации трития зависят от времени ядерных испытаний, их типа и места проведения, а также от особенностей отдельных ливней, характера местных ветров и количества осадков.

В общей сложности, взрыв водородной бомбы мощностью 1 мегатонна (Мт) приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. При проведении взрывов реакция синтеза дает ~7*10¹⁴ Бк/кт, реакция деления ~4*10¹⁰ Бк/кт. Подземные взрывы увеличивают эти цифры за счет ядерных реакций на боре и литии, находящихся в скальных породах.

Базовой величиной для долговременного прогноза выхода трития (Т) из полости, образованной подземным ядерным взрывом является начальное количество остаточного и наработанного в ядерных реакциях трития – N_T(t = 0). Величина N_T(t = 0) зависит от типа взрыва (одно, двух и трехфазный), его мощности, конструктивных особенностей устройства и химического состава породы в месте проведения взрыва. Для однотипных зарядов и одинакового химического состава породы наработка трития будет приблизительно прямо пропорциональна мощности взрыва. Поэтому, при проведении численных расчетов наработки трития обычно используется величина наработки во взрыве мощностью 1 килотонна тротилового эквивалента.

Начальным общим этапом любого ядерного взрыва является цепная ядерная реакция деления ядер ²³⁵U или ²³⁹Pu нейтронами из осколков деления. Поэтому, целесообразно сначала рассмотреть наработку в «чистом» взрыве деления. В таком взрыве тритий нарабатывается в результате следующих процессов:

1. При распаде делящегося ядра на 3 фрагмента (тройного деления), одним из которых (самым легким) является тритий.

2. Образование трития в результате взаимодействия избыточных нейтронов из осколков деления с ядрами легких элементов окружающей среды, т.е. ядерных реакций типа ⁶Li(n,T).

3. Наработка трития при взаимодействии высокоэнергетических γ-квантов из осколков с ядрами легких элементов окружающей среды, т.е. фотоядерных реакций типа ⁷Li(γ,T).

Оценим наработку Т для взрыва мощностью 1 кТ по этим 3 каналам. Взрыв ядерного заряда в 1кТ обеспечивается числом актов деления N_f, которое составляет N_f»1.42*10²³ для ²³⁵U или N_f»1.38*10²³ для ²³⁹Pu [5]. Так как эти значения близки, для дальнейших оценок полагаем, что взрыв 1кТ соответствует 1.4*10²³ актам деления.

В первом случае, (процессе тройного деления) атомы трития вылетают из шейки делящегося ядра. Вероятность таких актов деления очень мала и составляет порядка 1/6000 ядер ³H на 1 акт двойного деления [5]. Исходя из этого, для взрыва в 1 кТ имеем: N_T = N_f*(1/6000) ≈ 2.3*10¹⁹ ядер трития или активность по тритию A_T = N_T *[ln2/T_1/2 (c)] = 2.3*10¹⁹*1.7813*10^-9 = 4.1*10¹⁰ Бк.

Во втором случае (наработки Т в горной породе нейтронами из осколков деления) для оценки наработки Т необходимо знать полное число нейтронов поглощенных породой и относительную вероятность поглощения нейтрона с образованием трития. Для взрывов, при делении ядер ²³⁵U или ²³⁹Pu образуется ~ 2,6 нейтрона, со средней энергией E_n ≈ 2 МэВ [5]. Из них, 1 нейтрон инициирует деление другого ядра, порядка 0,6 нейтрона поглощается в конструкционных материалах ядерного устройства, и ~1 нейтрон остается «свободным». Т.о. при взрыве 1 кТ в окружающую среду уходит ~1.4*10²³ нейтрона.

При прохождении этих нейтронов через вещество окружающей среды происходит упругое и неупругое рассеяние нейтронов с потерей кинетической энергии нейтронов, т.е. процесс замедления. Одновременно с этим идут и ядерные реакции с поглощением нейтронов, вероятность которых быстро растет с уменьшением E_n. В результате этих процессов быстро формируется равновесный энергетический спектр нейтронов. В конечном итоге, эти нейтроны полностью поглощаются ядрами среды, образуя новые стабильные и радиоактивные изотопы.

Часть из этих нейтронов может быть поглощена ядрами легких элементов, содержащимися в породе и образовать тритий. В принципе, Т может нарабатываться в малых количествах на всех ядрах с массовым числом А< 20, однако, заметный вклад в наработку Т дают только несколько реакций.

Основными каналами наработки трития являются реакции:

⁶Li₃ + n → ⁴He₂ + Т

¹⁰B₅ +n → 2⁴ He₂ + Т

¹⁴N+n→¹²C+T

Сечение реакции на тепловых нейтронах для ⁶Li составляет порядка 940 барн или 70,7 барн для естественного лития [6], на ¹⁰В – порядка 5*10^-3  барн [7]. Реакция ¹⁴N(n,T) пороговая (Q_r» 4 МэВ) и при E_n =5-7 МэВ её сечение ~2*10^-2 барна [7]. Отсюда видно, что (при сопоставимых концентрациях) основным каналом наработки трития является реакция ⁶Li(n,T).

Для оценки наработки Т в этой реакции для взрыва 1 кТ можно использовать приближенное соотношение N_T = N_F * h_Li*s_oLi/ S_ih_i*s_oi, где h_I,s_oi - атомные концентрации в % и сечения поглощения тепловых нейтронов i – го химического элемента в породе.

Типичный состав гранита (SiO₂ = 70,18; TiO₂ = 0,34; Al₂O₃ = 14,98; MgO = 1,08; Fe₂O₃ = 1,62; FeO = 1,66; CaO = 2,20; Na₂O = 3,28; K₂O = 3,95; H₂O = 0,78; Р₂О₅ = 0,27) можно взять из работы [8], а сечения s_oi из работы [6]. Исходя из этих данных (при относительно малых концентрациях лития h_Li < 0.1%) наработка трития будет равна N_T = N_F * 5.15* h_Li%. Так например, для кларкового содержания Li в граните (~10г/т или h_Li% ≈ 0,003 атомных процентов) имеем N_T = 2.16*10²¹ ядер Т или активность по Т на 1кТ взрыва А_Т ≈ 3.8*10¹² Бк.

Третий механизм - наработка трития высокоэнергетическими γ-квантами деления на ядрах легких элементов имеет высокий энергетический порог (обычно Еγ >10 МэВ) и даже для наиболее выгодной реакции ⁷Li(γ,T) при Еγ > 6 МэВ сечение составляет ~ 10^-4 барна [7]. Так как, в спектре деления доля γ – квантов с Еγ > 6 МэВ составляет только ~ 10^-2 γ – квантов на акт деления [5] и типичное содержание лития в породе мало (~10г/т), то наработкой Т в фотоядерных реакция можно пренебречь.

Существует мнение, что тритий до сих пор нарабатывается в полостях штолен. В принципе, после взрыва тритий может нарабатываться в результате спонтанного деления и альфа распада. Однако, легко показать, что поствзрывной наработкой можно пренебречь. Период полураспада ²³⁹Pu по спонтанному делению равен Т_1/2 = 8*10¹⁵ лет [6], что на 1кг ²³⁹Pu за 1 секунду дает 7 актов деления или ~ 20 нейтронов, т.е. (см. наработку Т нейтронами) ~ 10^-9 Бк трития. Период полураспада ²³⁹Pu по α-распаду равен Т_1/2 = 2,411*10⁴ лет /2/, что на 1кг ²³⁹Pu за 1 секунду дает 2,3*10¹² α-частиц. На этих α-частицах, в реакциях типа (α,Be)n на микропримесях самых легких элементах горной породы (Li,Be,B) образуются нейтроны, которые, опять-таки, при взаимодействии с микропримесями ⁶Li, могут производить тритий. Для чистого Be выход нейтронов на 1 α-частицу максимален и равен 10^-5 нейтрона [7], поэтому при кларковом содержании Be (4г/т) альфа распад дает ~100n/c на 1кг ²³⁹Pu или наработку Т на Li ~ 5*10^-9 Бк.

Из вышеизложенного следует, что в подземном «чистом» взрыве деления основной вклад в наработку трития вносит реакция ⁶Li(n,T), которая дает активность по Т ~3.8*10¹² Бк для взрыва 1кт. На конечной стадии взрыва эта активность сосредоточена в сравнительно тонком приповерхностном слое ядерной полости. Распределение трития по глубине этого слоя –h можно описать выражением: N_T(h) = N_T(h=0)*exp[-(ρ*h)/λ] /5/, где N_T(h=0) – число атомов Т на 1см² при h=0; ρ, λ – плотность породы в (г/см³) и длина релаксации нейтронов (г/см²) в ней. Для гранитов можно использовать значения ρ = 2,6 (г/см³ ) и λ ≈ 30 (г/см²), полученное в работе [9]. Исходя из этих данных получается, что, сразу после взрыва 95% активности Т сосредоточено в 35см приповерхностном слое полости. Далее, учитывая эффекты плавления и стекания стенок, эта активность сосредотачивается в наплывах на дне ядерной полости. Дальнейшее поведение трития определяется геохимическими процессами в окрестности полости.

Следует подчеркнуть, что для корректной оценки начального количества Т в полости следует учитывать не только вышеописанные процессы, но и количество так называемого остаточного трития. Это связано с тем, что для обеспечения высокой эффективности взрыва в конструкции большинства типов ядерных (не термоядерных) зарядов используются дополнительные мощные источники высокоэнергетических нейтронов, основанные на термоядерной реакции Т+D → α + n. Такими источниками являются:

а) нейтронная трубка (малогабаритный, импульсный ускоритель ионов трития и дейтериевая мишень), обеспечивающий интенсивный запуск цепной реакции деления;

 б) бустер (контейнер со смесью дейтерия и трития в центре ядерного заряда), в котором при развитии взрыва начинается термоядерная реакция и создается дополнительный поток нейтронов, что обеспечивает большее выгорание ²³⁵U или ²³⁹Pu и увеличивает мощность взрыва.

Количество дейтерия и трития в этих устройствах при сгорании должно обеспечивать число дополнительных нейтронов сравнимое с числом нейтронов от реакции деления, т.е ~ 10²³ нейтрона на 1кт взрыва. Это означает, что, даже при очень высокой эффективность выгорания смеси (Т+D) - порядка 90%, после взрыва в 1 кт в полости остается ~ 10²² атомов неиспользованного трития. Это соответствует активность остаточного трития на 1кТ взрыва А_Т ≈ 1.8*10¹³ Бк, что в 5 раз больше чем наработка в «чистом» взрыве деления.

Кроме того, как и в делении, около 50% нейтронов от термоядерной реакции уходит на активацию окружающей породы с наработкой трития в реакции ⁶Li(n,T). Количество трития наработанного на термоядерных нейтронах можно оценить по аналогии с нейтронами делении, что дает ~2*10¹² Бк по Т на 1кт взрыва.

С точки зрения наработки Т, особый интерес представляют подземные испытания нейтронных бомб. В этих устройствах многократное увеличение выхода нейтронов достигается за счет добавления к ядерному заряду избыточного количества смеси (Т+D) и это может дать до 10¹⁴ Бк остаточного Т на 1кт взрыва, т.е. примерно такую же величину как и при двухфазном термоядерном взрыве.

Напрашивается вывод – для образования большого количества трития в процессе взрыва необходимо, либо что бы тритий был внесен заранее в ядерное устройство для усиления эффективности взрыва (псевдо термоядерный взрыв), либо тритий использовался в заряде как основной компонент горючего. В таком случае речь уже идет не о взрыве деления, а о термоядерном взрыве.

Исходя из того, что концентрация трития в штольневых ручьях остается практически постоянной во времени величиной, можно предположить, что внутри котловой полости штольни происходит процесс постепенного вымывания трития (Т), наработанного во время проведения взрывов, из кристаллической структуры оплавленной поверхности внутренних стенок. Но оценить данный процесс достаточно сложно.

В данной работе представлены данные по исследованию содержания трития в воздушной среде в местах проведения подземных ядерных взрывов, с целью проведения оценки принципиальной возможности использования трития в качестве индикатора мест проведения ядерных испытаний.

Учитывая особенности проведения взрывов на территории Семипалатинского полигона, в качестве объектов исследования были выбраны площадки, где проводились подземные ядерные взрывы. Это испытательная площадка «Балапан» и площадка Дегелен.

Исследования уровня и характера распределения трития на территории выбранных площадок осуществлялись путем проведения полевых и лабораторных работ, заключавшихся в отборе проб водяных паров воздуха и исследовании отобранных проб методом жидкосцинтилляционной спектрометрии. Используемые методы отбора проб и проведения измерений неоднократно использовались ранее и детально описаны [3].