Л.С. ЕВТЕРЕВ, А.Л. ИГНАТЬЕВ, С.И. КОСЯКОВ,

А.А. ПАНШИН

 

Центральный физико-технический институт МО РФ, Сергиев Посад

 

ОБ ЭФФЕКТЕ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ИЗОТОПОВ

ПРИ ВЗРЫВЕ

 

 

Обсуждается эффект фракционирования изотопов плутония при неядерных взрывах с плутоний содержащими компонентами. Предлагается объяснение эффекта на основе нели­нейного механизма дисперсионного взаимодействия между неполярными атомами.

 

В работе [1] осуществлена систематизации опытных данных о содержании изотопов плутония и америция в почвенно-растительном покрове загрязненных площадок Невадского испытательного полигона, а также районов близ деревни Паломарес (Испания), авиабазы Туле (Гренландия). Отмечается существование устойчивого эффекта фракционирования изотопов плутония, который проявляется в изменении относительного содержания 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Pu в радиоактивных частицах по сравнению с их содержанием в исходном компоненте. Установлены зависимости коэффициентов фракционирования от эпицентрального расстояния, от глубины почвенного профиля, от размера радиоактивной частицы. Выявлено существенное влияние на процесс фракционирования приведенной вы­соты взрыва, то есть количества пыли в начальном облаке взрыва. В зависимости от условий взрыва, коэффициенты фракционирования могут изменяться в интер­вале значений 0,24-4,00.

Анализ всей совокупности данных показывает, что важным фактором при фракционировании, как и в классическом случае, является охлаждение парогазовой смеси в процессе ее динамического разлета. Так как в рассматриваемом случае наработка изотопов исключается, а теплофизические свойства изотопов очень близки, то для объяснения эффекта выдвигается следующая гипотеза. Из сил притяжения, действующих между атомами и включающих ориентационные, индукционные (поляризационные) и дисперсионные силы, наиболее значимыми с точки зрения рассматриваемого эффекта являются последние.

Дисперсионные силы превосходят по величине остальные и действуют между всеми атомами, так как механизм их появления не зависит от наличия у атомов постоянных дипольных моментов [2, 3]. Природа дисперсионного взаимодействия является квантовой. В среднем по времени дипольные моменты неполярных молекул (атомов) оказываются равными нулю, но мгновенное значение дипольного момента может быть отлично от нуля. Мгновенный диполь создает электрическое поле, поляризующее соседние атомы — возникает взаимодействие мгновенных диполей. Энергия дисперсионного взаимодействия есть средний результат взаимодействия таких мгновенных диполей.

Суть представляемой гипотезы в том, что потенциальная энергия дисперсионного взаимодействия атомов одноименных изотопов заметно превосходит соответствующие потенциальные энергии дисперсионного взаимодействия атомов-изотопов с различной атомной массой. Другими словами, так как сила дисперсионного притяжения наибольшая между атомами 239Рu, то именно данный изотоп начинает конденсироваться первым из изотопов плутония (по мере снижения температуры и скорости разлета парогазовой смеси). Далее наступает очередь изотопа 240Рu, потом 238Рu и, наконец, 241Рu.

В рамках данной гипотезы эффект фракционирования не ограничивается только радиоактивными изотопами, а должен проявляться и тогда, когда в процесс вовлечены стабильные изотопы какого-то химического элемента. Другими словами, при прочих равных условиях, формирующихся при взрывном испарении вещества, атомы одноименных изотопов притягиваются друг к другу с большей силой, чем к атомам изотопов другой массы, что и обеспечивает фракционирование изотопов.

Описанный механизм создает только предпосылки к фракционированию изотопов. Для того, чтобы оно могло осуществляться практически, необходимо выполнение определенных условий. Эти условия создаются при взрыве и включают сильную дивергенцию (расходимость в пространстве) паровой фазы, высокие средние скорости направленного движения атомов и обусловленную этим силь­ную термодинамическую неравновесность.

 

Список литературы

 

1.        Берчик В.П., Евтерев Л.С., Игнатьев А.Л., Косяков С.И.. Паншин А.А. О фракционировании изотопов плутония в аэрозольных выпадениях на местности при аварийных неядерных взрывах. //  Тезисы докладов на международной конференции “Радиоактивность при ядерных взрывах и ава­риях”. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000, С. 394.

2.        Коулсон К. Межатомные силы — от Максвела до Шредингера. // Успехи физических наук, 1963. Т. 81. Вып. 3.

3.        Радченко И.В. Молекулярная физика. М.: Физматлит, 1965.