Файл: Филиппов, Е. М. Ядерные разведчики земных и космических объектов.pdf

§ 4. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР II ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО ИЗЛУЧЕНИИ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРОБ

Как уже отмечалось, первый ядерный (атомный) реактор был разработан в США под руководством Э. Ферми в декабре 1942 г. В СССР аналогичные исследования проводились группой ученых под руководством И. В. Курчатова, и первый ядерный реактор в нашей стране был запущен в декабре 1946 г. К настоящему времени созданы реакторы самых разнообразных типов. Ядерные реакторы — это критические системы. Во время работы в них протекает самоподдерживающаяся управляемая реакция. На рис. 3.4 дано схематическое устройство простейшего урано­ графитового реактора. Реактор начинает действовать после из­ влечения из него регулирующих стержней, изготовленных из бо­ ра или кадмия. Экспериментальные каналы этого реактора пред­ назначены для вывода пучков нейтронов наружу. Для облучения образцов в нем имеются специальные каналы внутри активной

Для активационного анализа геологических образцов в СССР

разработан специальный ядерный реактор РГ-1 на двуокиси ура­ на, обогащенного на 10% ураном-235. Реактор снабжен 11 кана­ лами, два из которых оснащены пневмопочтой. Один из этих ка­ налов имеет кадмиевый экран и обеспечивает возможность акти­ вации надтепловыми нейтронами. Пневмопочта позволяет со

41

С помощью излучения ядерных реакторов на тепловых ней­ тронах можно активировать и вести анализ с большим порогом чувствительности подавляющего числа химических элементов периодической системы. Из 84 стабильных элементов и двух ра­ диоактивных с большим периодом полураспада (уран и торий) по активации тепловыми нейтронами можно определять 74. Эта методика неблагоприятна для определения 10 самых легких эле­ ментов— водорода, гелия, лития, бериллия, бора, углерода, азо­ та, кислорода, фтора и неона. Восемь из этих элементов имеют весьма низкие сечения захвата тепловых нейтронов (менее 1 мбарна), кроме бора и лития. Часть из них имеет очень корот­ кие (кислород, фтор, азот, неон, бор), а часть очень большие

42

TR Lg^Ceq ^Pr Nd Pm Sir. Е‘1.ыLTbl°> Ho Er Tu Yb Lu

в геологических пробах при облучении в ядерных реакторах.

(литий, водород, гелий, углерод, бериллий) периоды полураспа­ да возникающих радиоактивных изотопов.

Сказанное по поводу элементов, образующих короткоживущне изотопы, справедливо в случае, если определительские ла­ боратории расположены вдали от реакторов. Если эти лаборато­ рии находятся вблизи реактора и сообщаются с ним пневмопоч­ той, то элементы кислород, фтор, азот, неон и бор можно анали­ зировать по методике активации быстрыми нейтронами. В этом случае реакторы могут применяться для анализа 78 элементов.

Методика с активацией на тепловых нейтронах малопригодна для определения серы, циркония, кальция, железа и свинца из-за их малых сечений активации и больших периодов полураспада. Их выгодно определять лишь при активации в больших потоках (1014 нейтр/см2-с). Порог чувствительности при этом может быть достигнут 10-7 г. Остальные 69 элементов, активирующиеся под действием тепловых нейтронов, достаточно легко определя­ ются при активации в реакторах со средними потоками (10иЧ-1013 нейтр/см2-с). Так, реактор РГ-1 может быть использован для определения в породах и рудах 44 химических элементов.

О возможности определения в геологических образцах 57 хи­ мических элементов с использованием излучения ядерных реак­ торов можно судить по данным рис. 3.6. Большая часть пере­ численных элементов определяется инструментальным способом без химического разрушения проб пород. Однако наиболее вы­ сокие пороги чувствительности достигаются при активационном анализе с радиохимическим разделением.

Большой интерес для измерений по методике с активацией тепловыми нейтронами представляет применение растворных им­

43

пульсных реакторов типа ИИН с потоками 1014 нейтр/см2 в им­ пульсе. С его помощью можно определять в породе целый ряд

ядер атомов химических элементов потоками нейтронов, но и вторичными частицами, которые образуются в ядерных реакци­ ях,— (п, а ), (п, р ), (п, d ), (11, t) и др. Под действием возникаю­ щих при этом заряженных частиц могут возникать различные ядерные реакции, приводящие к образованию радиоактивных изотопов. Измеряя их наведенную активность, можно анализиро­ вать разнообразные химические элементы и их изотопы. В по­ следние годы все больше внимания уделяется изучению содер­ жания разнообразных изотопов в геологических объектах. Реше­ ние этой проблемы применительно к определенным химическим элементам и их соединениям позволит, по мнению геологов, поновому подойти к вопросам происхождения различных место­ рождений полезных ископаемых и т. п.

§ 5. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЯДЕР АТОМОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КОРЕННЫХ ЗАЛЕГАНИЯХ ГОРНЫХ ПОРОД И РУД

Преимущество определения химических элементов непосред­ ственно на месте залегания пород бесспорно. Не удивительно, что рассматриваемый метод вначале применялся для изучения разрезов скважин (1953 г.) и только через четыре года его на­ чали использовать для анализа образцов. В последнее время этим методом определяют некоторые химические элементы на плоской поверхности пород — при пешеходных и автомобильных исследованиях.

Методика изучения разреза скважин по наведенной актив­ ности возникающих изотопов получила название нейтронного активационного каротажа. Изотопы с малыми периодами полу­ распада (несколько минут) при этом могут определяться в про­ цессе движения скважинного прибора. Изотопы с более высоки­ ми периодами полураспада определяются только при остановке прибора — точечные или дискретные замеры. Для устранения влияния на показания детектора нейтронного гамма-излучения источник нейтронов с выходом около 1-107 нейтр/с располагает­ ся на расстоянии 1,5—2 м, а иногда и 3—4 м от детектора.

К настоящему времени с помощью рассматриваемого метода ведется определение в породах и рудах фтора, алюминия, крем­ ния, марганца и меди.

Содержание фтора в породах определяется по активации быстрыми нейтронами. При регистрации с помощью сцинтилляционных счетчиков гамма-квантов с энергией от 2,5-эЗ МэВ и выше можно практически избавиться от влияния всех меша­ ющих излучений и надежно определять содержание фтора в по­ родах. Определение его по разрезам скважин ведется на скоро­

44