7.4. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ В ЛИТОСФЕРЕ

Основные источники ядерных реакций в литосфере - излучение природных радионуклидов, а также вторичные нейтроны, образующиеся в результате некоторых из этих реакций. Роль космического излучения в возникновении ядерных реакций здесь ничтожно мала, так как основная его часть поглощается самым верхним слоем земной коры. Быстрое поглощение и рассеяние природного излучения в горных породах приводят к весьма локальным случаям возникновения ядерных реакций в этих условиях. Образующиеся при этом радионуклиды присутствуют в ничтожных концентрациях и не имеют геохимического значения.

Ядерные реакции в литосфере происходят под действием γ-фотонов, α-частиц и нейтронов. Энергия β-частиц, возникающих при естественном β-распаде, недостаточна, чтобы вызвать ядерные реакции.

1. Источником γ-излучения в литосфере являются естественные радионуклиды. Энергия природных γ-фотонов не превышает

172

3 МэВ, что значительно меньше энергии связи нуклонов в ядре для большинства элементов. В связи с этим в природе под действием γ-излучения могут протекать реакции типа (γ, n) только на дейтерии и бериллии:

2

1

H + γ + 

1

1

H + n; 

9

4

Be + γ → 

8

4

Be + n.

По реакции на бериллии возникает неустойчивый изотоп бериллия ⁸Ве и нейтрон. ⁸Ве почти мгновенно (Т_1/2 = 10^-15 с) распадается на две α-частицы:

8

4

Be → 2

4

2

He. Таким образом, обе реакции являются природным источником нейтронов, а вторая, кроме того, - источником α-частиц.

2. Под действием природных α-частиц могут протекать реакции типа (α, n) и (α, р) на ядрах более легких, чем ядра калия (Li, Be, В, N, О, F, Na, Mg, Al, С, S, Cl). Учитывая малую проникающую способность α-частиц, можно предполагать, что подобные реакции будут возникать в том случае, если атомы - источники излучения (U, Th) и атомы-мишени сосредоточены в одном минерале. Наиболее интенсивно протекает реакция (α, n) на бериллии:

9

4

Be + 

4

2

He → 

12

6

C + n.

Реакция является важнейшим источником нейтронов. Радиоактивные минералы, содержащие ничтожную примесь бериллия, такие, как чевкинит, ортит, цитролит, оранжит, ниоботанталаты, могут представлять собой естественные нейтронные источники.

3. Среди ядерных реакций, протекающих в литосфере, наиболее интенсивны реакции, возникающие под действием нейтронов. Источниками нейтронов в литосфере служат реакции типа (α, n), (γ, n), спонтанное деление урана, космические нейтроны. Основной источник нейтронов - реакции типа (α, n). Они дают более 80% нейтронов, встречаемых в земном веществе.

В различных породах величина нейтронного потока различна. Измерения показали, что в сланцах и мраморах она равна 5 нейтронов/(сут · см²), в гранитах рапакиви - 13 нейтронов/(сут · см²), в породах бериллиевого месторождения - 1500 нейтронов/(сут · см²). В урановых минералах более половины нейтронов (до 90%) обязано своим происхождением спонтанному делению. На одно деление в среднем приходится приблизительно 2,6 нейтрона. Подавляющее число актов спонтанного деления обусловлено ²³⁸U, так как его полупериод спонтанного деления T_s значительно меньше, чем у ²³²Th и ²³⁵U (T_s ≥10²² лет для ²³²Th, T_s = 1,8 · 10¹⁸ лет для ²³⁵U и T_s = 8,7 · 10¹⁷ лет для ²³⁸U; Шуколюков, 1970). Характер

173

ядерных реакций, вызываемых нейтронами, зависит от энергии. В породах обнаружены как быстрые, так и медленные нейтроны.

Нейтроны, образованные в породах по реакциям (α, n) и (γ, n), обладают сравнительно небольшой энергией. Основным видом их взаимодействия с ядрами элементов являются реакции типа (n, γ) на ядрах с большим эффективным сечением (Cd, В, С;, Мn, редкоземельные элементы и т.д.). Для некоторых легких элементов (Li, В) происходит реакция типа (n, α), например

6

3

Li + n → ³H + α.

Скорость образования трития в литосфере - 10^-3 атомов/(см² · с). Однако в поровых водах гранитов с высокими содержаниями U и Th (источников нейтронов), Li (ядра-мишени) и низким содержанием В (поглотителя нейтронов) содержание трития может достигать 2,5 ТЕ.

Помимо этого тепловые нейтроны способны вызывать деление ядер ²³⁵U. При делении освобождаются дополнительные нейтроны, вклад которых в общий нейтронный поток на урановых месторождениях может иногда достигать 50%.

Быстрые нейтроны имеют космическое происхождение или возникают при делении тяжелых ядер. Они могут вступать в реакции с тяжелыми ядрами. За счет таких реакций объясняют появление ²³⁹Рu в урановых минералах:

²³⁸U + n → ²³⁹U

β

─────→

 ²³⁹Np

β

─────→

²³⁹Pu

α

─────→

²³⁵U.

В результате спонтанного деления ²³⁵U в породах накапливаются радиоактивные осколки, количество которых в литосфере ничтожно. Осколки дают начало цепочкам радионуклидов. Каждая из 70 радиоактивных цепочек, возникающих при делении, оканчивается стабильным нуклидом. Концентрация образовавшихся таким путем изотопов элементов на 5 - 9 порядков ниже концентрации этих же изотопов, входящих в состав земного вещества с момента его формирования. Исключение составляют изотопы криптона и ксенона, количество которых, возникающее в результате спонтанного деления, лишь на 2 - 3 порядка меньше их первичной концентрация.

174