Promieniowanie neutronowe

Promieniowanie neutronowe jest formą promieniowania jonizującego , które przedstawia się jako wolne neutrony . Typowe zjawiska to rozszczepienie jądrowe lub fuzja jądrowa powodujące uwolnienie wolnych neutronów, które następnie reagują z jądrami innych atomów , tworząc nowe nuklidy — co z kolei może wyzwalać dalsze promieniowanie neutronowe. Swobodne neutrony są niestabilne, rozpadają się na proton , elektron i antyneutrino elektronowe . Swobodne neutrony mają średni czas życia 887 sekund (14 minut, 47 sekund).

Promieniowanie neutronowe różni się od promieniowania alfa , beta i gamma .

Źródła

Neutrony mogą być emitowane w wyniku syntezy jądrowej lub rozszczepienia jądrowego lub innych reakcji jądrowych , takich jak rozpad promieniotwórczy lub interakcje cząstek z promieniami kosmicznymi lub w akceleratorach cząstek . Duże źródła neutronów są rzadkie i zwykle ograniczone do dużych urządzeń, takich jak reaktory jądrowe lub akceleratory cząstek , w tym Spallation Neutron Source .

Promieniowanie neutronowe zostało odkryte podczas obserwacji zderzenia cząstki alfa z jądrem berylu , które zostało przekształcone w jądro węgla podczas emisji neutronu Be ( α , n ) C. Połączenie emitera cząstek alfa i izotopu o dużym ( α , n ) prawdopodobieństwie reakcji jądrowej jest nadal powszechnym źródłem neutronów.

Promieniowanie neutronowe z rozszczepienia

Neutrony w reaktorach jądrowych są ogólnie klasyfikowane jako wolne (termiczne) neutrony lub szybkie neutrony , w zależności od ich energii. Neutrony termiczne mają podobny rozkład energii ( rozkład Maxwella – Boltzmanna ) do gazu w równowadze termodynamicznej ; ale są łatwo wychwytywane przez jądra atomowe i są głównym środkiem, za pomocą którego pierwiastki przechodzą transmutację jądrową .

Aby osiągnąć efektywną reakcję łańcuchową rozszczepienia, neutrony powstające podczas rozszczepienia muszą zostać wychwycone przez rozszczepialne jądra, które następnie rozszczepiają się, uwalniając więcej neutronów. W większości projektów reaktorów rozszczepialnych paliwo jądrowe nie jest wystarczająco rafinowane, aby wchłonąć wystarczającą liczbę neutronów szybkich, aby przeprowadzić reakcję łańcuchową, ze względu na niższy przekrój poprzeczny dla neutronów o wyższej energii, dlatego należy wprowadzić moderator neutronów , aby spowolnić szybkie neutrony w dół prędkościom termicznym, aby umożliwić wystarczającą absorpcję. Typowe moderatory neutronów obejmują grafit , zwykłą (lekką) wodę i ciężka woda . Kilka reaktorów ( reaktory na neutrony szybkie ) i cała broń jądrowa opiera się na neutronach szybkich.

Neutrony kosmogeniczne

Neutrony kosmogeniczne, neutrony wytwarzane z promieniowania kosmicznego w atmosferze lub na powierzchni Ziemi oraz te wytwarzane w akceleratorach cząstek mogą mieć znacznie wyższą energię niż te spotykane w reaktorach. Większość z nich aktywuje jądro przed dotarciem do ziemi; kilka reaguje z jądrami w powietrzu ^{[ wymagane wyjaśnienie ]} . Reakcje z azotem-14 prowadzą do powstania węgla-14 ( ¹⁴ C), szeroko stosowanego w datowaniu radiowęglowym .

Używa

Zimne , termiczne i gorące promieniowanie neutronowe jest najczęściej stosowane w eksperymentach rozpraszania i dyfrakcji , do oceny właściwości i struktury materiałów w krystalografii , fizyce materii skondensowanej , biologii , chemii ciała stałego , materiałoznawstwie , geologii , mineralogii i naukach pokrewnych. Promieniowanie neutronowe jest również wykorzystywane w terapii wychwytu neutronów borowych do leczenia guzów nowotworowych ze względu na jego wysoce penetrujący i niszczący charakter struktury komórkowej. Neutrony mogą być również wykorzystywane do obrazowania części przemysłowych określanych jako radiografia neutronowa przy użyciu kliszy, radioskopia neutronowa podczas robienia obrazu cyfrowego, na przykład przez płyty obrazowe, oraz tomografia neutronowa dla obrazów trójwymiarowych. Obrazowanie neutronowe jest powszechnie stosowane w przemyśle nuklearnym, kosmicznym i lotniczym, a także w przemyśle materiałów wybuchowych o wysokiej niezawodności.

Mechanizmy i właściwości jonizacji

Promieniowanie neutronowe jest często nazywane pośrednim promieniowaniem jonizującym . Nie jonizuje atomów w taki sam sposób, jak robią to naładowane cząstki, takie jak protony i elektrony (wzbudzając elektron), ponieważ neutrony nie mają ładunku. Jednak interakcje neutronów są w dużej mierze jonizujące, na przykład gdy absorpcja neutronów powoduje emisję gamma i promieniowanie gamma (foton) następnie usuwa elektron z atomu lub jądro odbijające się od interakcji neutronów jest jonizowane i powoduje bardziej tradycyjną późniejszą jonizację w innych atomach. Ponieważ neutrony są nienaładowane, są bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa lub promieniowanie beta . W niektórych przypadkach są one bardziej przenikliwe niż promieniowanie gamma, które jest utrudnione w materiałach o dużej liczbie atomowej . W materiałach o niskiej liczbie atomowej, takich jak wodór , promień gamma o niskiej energii może być bardziej przenikliwy niż neutron o wysokiej energii.

Zagrożenia i ochrona zdrowia

W fizyce zdrowia promieniowanie neutronowe jest rodzajem zagrożenia radiacyjnego. Innym, poważniejszym zagrożeniem związanym z promieniowaniem neutronowym jest aktywacja neutronowa , czyli zdolność promieniowania neutronowego do indukowania radioaktywności w większości napotkanych substancji, w tym w tkankach ciała. Dzieje się tak poprzez wychwytywanie neutronów przez jądra atomowe, które przekształcają się w inny nuklid , często radionuklid . Proces ten odpowiada za znaczną część materiału radioaktywnego uwolnionego w wyniku detonacji broni jądrowej . Jest to również problem w instalacjach do rozszczepienia jądrowego i syntezy jądrowej, ponieważ stopniowo powoduje, że sprzęt staje się radioaktywny, tak że ostatecznie musi zostać wymieniony i usunięty jako niskoaktywne odpady promieniotwórcze .

Ochrona przed promieniowaniem neutronowym polega na ekranowaniu promieniowania . Ze względu na dużą energię kinetyczną neutronów, promieniowanie to jest uważane za najpoważniejsze i najniebezpieczniejsze promieniowanie dla całego ciała, gdy jest ono wystawione na działanie zewnętrznych źródeł promieniowania. W porównaniu z konwencjonalnym promieniowaniem jonizującym opartym na fotonach lub naładowanych cząstkach, neutrony są wielokrotnie odbijane i spowalniane (absorbowane) przez lekkie jądra, więc materiał bogaty w wodór jest bardziej skuteczny w ekranowaniu niż jądra żelaza . Lekkie atomy służą do spowalniania neutronów poprzez elastyczne rozpraszanie , dzięki czemu mogą zostać wchłonięte reakcje jądrowe . Jednak w takich reakcjach często powstaje promieniowanie gamma, dlatego należy zapewnić dodatkowe ekranowanie, aby je pochłonąć. Należy unikać stosowania materiałów, których jądra ulegają rozszczepieniu lub wychwytowi neutronów , co powoduje radioaktywny rozpad jąder, wytwarzając promienie gamma.

Neutrony z łatwością przechodzą przez większość materiałów, a zatem dawka pochłonięta (mierzona w szarościach ) z danej ilości promieniowania jest niska, ale oddziałuje na tyle, aby spowodować uszkodzenia biologiczne. Najskuteczniejszymi materiałami ekranującymi są woda lub węglowodory , takie jak polietylen lub wosk parafinowy . Poliester rozciągany wodą (WEP) jest skuteczny jako ściana osłonowa w trudnych warunkach ze względu na wysoką zawartość wodoru i odporność na ogień, co pozwala na stosowanie go w wielu gałęziach przemysłu jądrowego, fizyki zdrowotnej i obronnej. Materiały na bazie wodoru nadają się do ekranowania, ponieważ stanowią odpowiednią barierę przed promieniowaniem.

Beton (gdzie znaczna liczba cząsteczek wody wiąże się chemicznie z cementem) i żwir stanowią tanie rozwiązanie ze względu na połączone ekranowanie zarówno promieni gamma, jak i neutronów. Bor jest również doskonałym pochłaniaczem neutronów (a także ulega pewnemu rozpraszaniu neutronów). Bor rozpada się na węgiel lub hel i praktycznie nie wytwarza promieniowania gamma z węglikiem boru , tarczą powszechnie stosowaną tam, gdzie beton byłby zbyt kosztowny. W handlu zbiorniki na wodę lub olej opałowy, beton, żwir i B ₄ C są powszechnymi tarczami otaczającymi obszary o dużej ilości strumień neutronów , np. reaktory jądrowe. Szkło krzemionkowe impregnowane borem, standardowe szkło borokrzemianowe , stal o wysokiej zawartości boru , parafina i pleksiglas mają zastosowania niszowe.

Ponieważ neutrony, które uderzają w jądro wodoru ( proton lub deuteron ), przekazują energię temu jądru, z kolei zrywają się z wiązań chemicznych i pokonują niewielką odległość, zanim się zatrzymają. Takie jądra wodoru są cząstkami o wysokim liniowym przenoszeniu energii i są z kolei zatrzymywane przez jonizację materiału, przez który przechodzą. W rezultacie w żywej tkance neutrony mają stosunkowo wysoką względną skuteczność biologiczną i są mniej więcej dziesięć razy bardziej skuteczne w powodowaniu szkód biologicznych w porównaniu z promieniowaniem gamma lub beta o równoważnej ekspozycji energetycznej. Te neutrony mogą albo spowodować zmianę funkcjonalności komórek, albo całkowite zatrzymanie replikacji, powodując z czasem uszkodzenia ciała. Neutrony są szczególnie szkodliwe dla tkanek miękkich, takich jak rogówka oka.

Wpływ na materiały

Wysokoenergetyczne neutrony z czasem uszkadzają i degradują materiały; bombardowanie materiałów neutronami tworzy kaskady zderzeń , które mogą powodować defekty punktowe i dyslokacje w materiale, których tworzenie jest głównym motorem zmian mikrostrukturalnych zachodzących w czasie w materiałach narażonych na promieniowanie. Przy wysokich fluencjach neutronów może to prowadzić do kruchości metali i innych materiałów oraz do pęcznienia wywołanego neutronami w niektórych z nich. Stanowi to problem dla zbiorników reaktorów jądrowych i znacznie ogranicza ich żywotność (którą można nieco wydłużyć poprzez kontrolowane wyżarzanie zbiornika, zmniejszając liczbę nawarstwiających się dyslokacji). Grafitowe moderatora neutronów są szczególnie podatne na ten efekt, znany jako efekt Wignera i muszą być okresowo wyżarzane. Pożar Windscale został spowodowany nieszczęśliwym wypadkiem podczas takiej operacji wyżarzania.

Uszkodzenie materiałów przez promieniowanie występuje w wyniku interakcji padającej cząstki energetycznej (neutronu lub innego) z atomem sieci krystalicznej w materiale. Zderzenie powoduje masowy transfer energii kinetycznej do atomu sieci, który jest przemieszczany z miejsca sieci, stając się tak zwanym pierwotnym atomem dobijającym (PKA). Ponieważ PKA jest otoczona innymi atomami sieci krystalicznej, jej przemieszczenie i przejście przez siatkę skutkuje wieloma kolejnymi zderzeniami i utworzeniem dodatkowych atomów uderzających, tworząc tak zwaną kaskadę zderzeń lub kaskadę przemieszczeń. Atomy uderzające tracą energię przy każdym zderzeniu i kończą się jako śródmiąższowe , skutecznie tworząc serię defektów Frenkla w sieci. W wyniku zderzeń powstaje również ciepło (w wyniku utraty energii elektronowej), podobnie jak prawdopodobnie transmutowane atomy . Wielkość uszkodzeń jest taka, że pojedynczy 1 MeV neutron tworzący PKA w żelaznej siatce daje około 1100 par Frenkla. Całe zdarzenie kaskadowe zachodzi w skali czasowej 1 × 10-13 ^sekund i dlatego można je „obserwować” tylko w komputerowych symulacjach zdarzenia.

Atomy uderzające kończą się w nierównowagowych pozycjach sieci śródmiąższowej, z których wiele unicestwia się poprzez dyfuzję z powrotem do sąsiednich wolnych miejsc sieci i przywraca uporządkowaną sieć. Te, które nie opuszczają lub nie mogą opuszczać wakatów, co powoduje lokalny wzrost koncentracji wakatów znacznie powyżej koncentracji równowagowej. Te wakaty mają tendencję do migracji w wyniku dyfuzji termicznej ^{[ potrzebne ujednoznacznienie ]} w kierunku zagłębień wakatów (tj. granic ziaren , dyslokacji ), ale istnieją przez znaczną ilość czasu, podczas którego dodatkowe cząstki o wysokiej energii bombardują sieć, tworząc kaskady kolizji i dodatkowe wolne miejsca, które migrują w kierunku pochłaniaczy. Głównym skutkiem napromieniowania w sieci jest znaczny i trwały strumień defektów do pochłaniaczy w tak zwanym wietrze defektowym. Wakaty mogą również anihilować, łącząc się ze sobą, tworząc pętle dyslokacji , a później puste przestrzenie sieciowe .

Kaskada kolizji tworzy w materiale o wiele więcej wolnych miejsc i śródmiąższowych niż równowaga dla danej temperatury, w wyniku czego dyfuzyjność w materiale dramatycznie wzrasta. Prowadzi to do efektu zwanego dyfuzją wzmocnioną promieniowaniem, która prowadzi do ewolucji mikrostrukturalnej materiału w czasie. Istnieje wiele mechanizmów prowadzących do ewolucji mikrostruktury, które mogą zmieniać się w zależności od temperatury, strumienia i fluencji i są przedmiotem szeroko zakrojonych badań.

Segregacja wywołana promieniowaniem wynika ze wspomnianego strumienia wakatów do zlewów, co implikuje przepływ atomów sieci z dala od zlewów; ale niekoniecznie w tej samej proporcji do składu stopu w przypadku materiału stopowego. Strumienie te mogą zatem prowadzić do zubożenia pierwiastków stopowych w pobliżu zapadlisk. W przypadku strumienia cząstek śródmiąższowych wprowadzonych przez kaskadę efekt jest odwrotny: cząstki śródmiąższowe dyfundują w kierunku zlewów, powodując wzbogacenie stopu w pobliżu zlewu.
Pętle dyslokacji powstają, gdy wakaty tworzą skupiska na płaszczyźnie sieci. Jeśli ta koncentracja pustostanów rozszerzy się w trzech wymiarach, pustka . Z definicji puste przestrzenie znajdują się pod próżnią, ale mogą zostać wypełnione gazem w przypadku promieniowania cząstek alfa (helu) lub jeśli gaz jest wytwarzany w wyniku reakcji transmutacji . Pustka jest wtedy nazywana bańką i prowadzi do niestabilności wymiarowej (pęcznienia wywołanego neutronami) części poddanych promieniowaniu. Pęcznienie stanowi poważny długoterminowy problem projektowy, zwłaszcza w przypadku elementów reaktora wykonanych ze stali nierdzewnej. Stopy z krystalograficznymi izotropowe , takie jak Zircaloys , podlegają tworzeniu się pętli dyslokacyjnych, ale nie wykazują powstawania pustych przestrzeni. Zamiast tego pętle tworzą się na określonych płaszczyznach sieci i mogą prowadzić do wzrostu wywołanego napromieniowaniem, zjawiska różniącego się od pęcznienia, ale które może również powodować znaczne zmiany wymiarów stopu.
Napromieniowanie materiałów może również wywoływać przemiany fazowe w materiale: w przypadku roztworu stałego wzbogacenie lub zubożenie substancji rozpuszczonej w opadach segregacja wywołana promieniowaniem może prowadzić do wytrącania się nowych faz w materiale.

Mechaniczne efekty tych mechanizmów obejmują utwardzanie przez napromieniowanie, kruchość , pełzanie i pękanie wspomagane środowiskiem . Skupiska defektów, pętle dyslokacji, puste przestrzenie, pęcherzyki i osady powstające w wyniku promieniowania w materiale przyczyniają się do wzmocnienia i kruchości (utraty plastyczności ) w materiale. Kruchość jest szczególnie niepokojąca w przypadku materiału, z którego składa się zbiornik ciśnieniowy reaktora, w wyniku czego energia wymagana do pęknięcia naczynia znacznie się zmniejsza. Możliwe jest przywrócenie ciągliwości poprzez wyżarzanie defektów, a wydłużenie żywotności reaktorów jądrowych w dużej mierze zależy od możliwości bezpiecznego wykonania tego. Skradać się jest również znacznie przyspieszony w napromieniowanych materiałach, chociaż nie w wyniku zwiększonej dyfuzyjności, ale raczej w wyniku interakcji między naprężeniami sieciowymi a rozwijającą się mikrostrukturą. Pękanie wspomagane środowiskowo, a dokładniej pękanie korozyjne naprężeniowe wspomagane promieniowaniem (IASCC), obserwuje się zwłaszcza w stopach poddanych promieniowaniu neutronowemu i kontaktowi z wodą, spowodowane absorpcją wodoru na wierzchołkach pęknięć w wyniku radiolizy wody , co prowadzi do zmniejszenie energii wymaganej do propagacji pęknięcia.

Zobacz też

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501

Linki zewnętrzne