Нейтронная активация

Нейтронная активация — это процесс, при котором нейтронное излучение вызывает радиоактивность в материалах и происходит, когда атомные ядра захватывают свободные нейтроны , становятся тяжелее и переходят в возбужденное состояние . Возбужденное ядро немедленно распадается, испуская гамма-лучи или такие частицы, как бета-частицы , альфа-частицы , продукты деления и нейтроны (при ядерном делении ). Таким образом, процесс захвата нейтрона даже после любого промежуточного распада часто приводит к образованию нестабильного продукта активации . Такие радиоактивные ядра могут иметь период полураспада от небольших долей секунды до многих лет.

Нейтронная активация — единственный распространенный способ превратить стабильный материал в радиоактивный по своей природе. Все природные материалы, включая воздух, воду и почву, могут быть индуцированы (активированы) путем нейтронного захвата в определенное количество радиоактивности в той или иной степени в результате производства радиоизотопов, богатых нейтронами . ^{[ нужна ссылка ]} Некоторым атомам требуется более одного нейтрона, чтобы стать нестабильными, что затрудняет их активацию, поскольку вероятность двойного или тройного захвата ядром ниже, чем вероятность однократного захвата. Вода, например, состоит из водорода и кислорода. Водород требует двойного захвата, чтобы достичь нестабильности в виде трития ( водород-3 ), в то время как природный кислород ( кислород-16 ) требует трех захватов, чтобы стать нестабильным кислородом-19 . Таким образом, воду относительно трудно активировать по сравнению с хлоридом натрия ( NaCl . ), в котором атомы натрия и хлора становятся нестабильными при однократном захвате каждого Эти факты были подтверждены во время серии атомных испытаний в рамках операции «Перекресток» в 1946 году.

Примеры

Пример такого рода ядерной реакции происходит при производстве кобальта-60 в ядерном реакторе :Затем кобальт-60 распадается за счет испускания бета-частицы и гамма-лучей на никель -60. Период полураспада этой реакции составляет около 5,27 лет, и благодаря наличию кобальта-59 (100% его естественного содержания ) этот бомбардируемый нейтронами изотоп кобальта является ценным источником ядерного излучения (а именно гамма-излучения) для лучевой терапии. . ^[1]

⁵⁹
₂₇ Ко
+ ¹
₀ н
→ ⁶⁰
₂₇ Ко

В других случаях, в зависимости от кинетической энергии нейтрона, захват нейтрона может вызвать деление ядра — расщепление атомного ядра на два ядра меньшего размера. Если деление требует затрат энергии, то это происходит за счет кинетической энергии нейтрона. Пример такого рода деления легкого элемента может произойти, когда стабильный изотоп лития , литий-7 , бомбардируется быстрыми нейтронами и подвергается следующей ядерной реакции:

⁷
₃ Ли
+ ¹
₀ н
→ ⁴
₂ Он
+ ³
₁ час
+ ¹
₀ н
+ гамма-лучи + кинетическая энергия

Другими словами, захват нейтрона литием-7 приводит к его разделению на энергичное ядро гелия ( альфа-частица ), ядро водорода-3 ( тритий ) и свободный нейтрон. Авария в Касл-Браво , в ходе которой при испытании термоядерной бомбы на атолле Бикини в 1954 году произошел взрыв с мощностью, в 2,5 раза превышающей ожидаемую, была вызвана неожиданно высокой вероятностью этой реакции.

В зоне вокруг реактора с водой под давлением или реактора с кипящей водой во время нормальной работы образуется значительное количество радиации из-за активации быстрыми нейтронами кислорода охлаждающей воды посредством (n,p)-реакции . Активированное ядро кислорода-16 испускает протон (ядро водорода) и превращается в азот-16, который имеет очень короткую жизнь (7,13 секунды), прежде чем снова распадается на кислород-16 (испуская бета-частицы с энергией 6,13 МэВ). ^[2]

¹⁶
₈ О
+ ¹
₀ н
→ ¹
₁ р
+ ¹⁶
₇ Н
(быстро разлагается)

¹⁶
₇ Н
→
с
+ ⁰
_-1 е ^-
+ ¹⁶
₈ О

Такая активация охлаждающей воды требует дополнительной биологической защиты вокруг атомной реакторной установки. Наибольшее беспокойство вызывает гамма-излучение высокой энергии во второй реакции. Вот почему вода, недавно находившаяся внутри активной зоны ядерного реактора, должна быть экранирована до тех пор, пока это излучение не утихнет. Обычно одной-двух минут бывает достаточно.

На объектах, где располагался циклотрон, железобетонный фундамент может стать радиоактивным из-за нейтронной активации. Шесть важных долгоживущих радиоактивных изотопов ( ⁵⁴Мн, ⁵⁵Фе, ⁶⁰Ко, ⁶⁵Зн, ¹³³Ба, и ¹⁵²Eu) можно найти в конкретных ядрах, на которые воздействуют нейтроны. ^[3] Остаточная радиоактивность обусловлена преимущественно присутствием микроэлементов, и поэтому количество радиоактивности, возникающей в результате активации циклотрона, незначительно, т.е. pCi/г или Бк/г . Предел выбросов для объектов с остаточной радиоактивностью составляет 25 мбэр/год. ^[4] Пример ⁵⁵Производство железа в результате активации железа в арматурных стержнях, содержащихся в бетоне, показано ниже:

⁵⁴
₂₆ февраля
+ ¹
₀ н
→ ⁵⁵
₂₆ февраля

возникновение

Нейтронная активация — единственный распространенный способ превратить стабильный материал в радиоактивный по своей природе. Нейтроны свободны в количестве только в микросекунды взрыва ядерного оружия, в активном ядерном реакторе или в источнике расщепительных нейтронов.

В атомном оружии нейтроны генерируются всего от 1 до 50 микросекунд, но в огромных количествах. Большинство из них поглощается металлическим корпусом бомбы, который только начинает подвергаться воздействию взрыва внутри него. Нейтронная активация металла, который вскоре испарится, ответственна за значительную часть ядерных выпадений при ядерных взрывах высоко в атмосфере. При других типах активации нейтроны могут облучать почву, которая рассеяна в грибовидном облаке на поверхности Земли или вблизи нее, что приводит к выпадению осадков в результате активации химических элементов почвы.

Влияние на материалы с течением времени

В любом месте с высокими потоками нейтронов , например, в активных зонах ядерных реакторов, нейтронная активация способствует эрозии материала, и периодически сами материалы футеровки необходимо утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы . Некоторые материалы более подвержены нейтронной активации, чем другие, поэтому правильно выбранный материал с низкой активацией может значительно уменьшить эту проблему (см. Международную установку по облучению термоядерных материалов ). Например, хром-51 образуется в результате нейтронной активации в хромистой стали (которая содержит Cr-50), которая подвергается воздействию типичного реакторного нейтронного потока. ^[5]

Углерод-14 , чаще всего, но не только, образуется в результате нейтронной активации атмосферного азота-14 тепловым нейтроном (вместе с его доминирующим естественным путем производства в результате взаимодействия космических лучей с воздухом и историческим производством в результате атмосферных ядерных испытаний ) также образуется в сравнительно небольших количествах внутри многих конструкций ядерных реакторов, которые содержат примеси газообразного азота в оболочке топлива , охлаждающей воде и в результате нейтронной активации кислорода, содержащегося в самой воде. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах (FBR) производят примерно на порядок меньше C-14, чем реакторы наиболее распространенного типа, водо-водяные реакторы , поскольку в FBR не используется вода в качестве теплоносителя первого контура. ^[6]

Использование

Радиационная безопасность

Для врачей и специалистов по радиационной безопасности активация натрия в организме человека до натрия-24 и фосфора до фосфора-32 может дать хорошую непосредственную оценку острого случайного нейтронного облучения. ^[7]

Обнаружение нейтронов

Один из способов продемонстрировать, что ядерный синтез произошел внутри термоядерного устройства, — это использовать счетчик Гейгера для измерения радиоактивности гамма-лучей, которые производятся листом алюминиевой фольги .

В подходе термоядерного синтеза ICF выход термоядерного синтеза в эксперименте (прямо пропорциональный производству нейтронов) обычно определяется путем измерения гамма-излучения алюминиевых или медных мишеней нейтронной активации. ^[8] Алюминий может захватывать нейтроны и генерировать радиоактивный натрий-24 , период полураспада которого составляет 15 часов. ^[9]^[10] и энергия бета-распада 5,514 МэВ. ^[11]

Активация ряда тестовых целевых элементов, таких как сера , медь, тантал и золото , использовалась для определения выхода как чистого деления ^[12]^[13] и термоядерное оружие . ^[14]

Анализ материалов

Нейтронно-активационный анализ является одним из наиболее чувствительных и точных методов анализа микроэлементов. Он не требует подготовки образца или растворения и поэтому может применяться к объектам, которые необходимо сохранить в целости и сохранности, например, к ценным произведениям искусства. Хотя активация вызывает радиоактивность объекта, ее уровень обычно низок, а время жизни может быть коротким, поэтому ее эффекты вскоре исчезают. В этом смысле нейтронная активация является методом неразрушающего анализа.

Нейтронно-активационный анализ можно провести на месте. Например, алюминий (Al-27) можно активировать путем захвата нейтронов относительно низкой энергии с получением изотопа Al-28 , который распадается с периодом полураспада 2,3 минуты и энергией распада 4,642 МэВ. ^[15] Этот активированный изотоп используется при бурении нефтяных скважин для определения содержания глины (глина обычно представляет собой алюмосиликат ) в разведываемой подземной зоне. ^[16]

Историки могут использовать случайную активацию нейтронов для подтверждения подлинности атомных артефактов и материалов, подвергшихся воздействию нейтронных потоков в результате инцидентов деления. Например, один из редких изотопов, обнаруженных в тринитите , и, следовательно, его отсутствие, вероятно, указывает на поддельный образец минерала, представляет собой продукт нейтронной активации бария, барий в устройстве Тринити поступает из медленной взрывной линзы, используемой в устройстве. известный как Баратол . ^[17]

Полупроводниковое производство

Нейтронное облучение может использоваться для ) в плавающей зоне срезов кремния ( пластин , чтобы вызвать фракционную трансмутацию атомов Si в фосфор (P) и, следовательно, легирование его в кремний n-типа. ^[18]^: 366

{\ce {_14^{30}Si}}+neutron\xrightarrow {} {\ce {_14^{31}Si}}+\gamma -ray\xrightarrow {2.62hr} {\ce {_15^{31}P}}+\beta -ray

См. также

Наведенная радиоактивность
Нейтронно-активационный анализ
Нейтронное охрупчивание
Фосфор-32 образуется, когда сера захватывает нейтрон.
Соленая бомбочка
Таблица нуклидов

Ссылки

^ Руководство по радиоизотопам, произведенным в реакторе, от Международного агентства по атомной энергии.
^ Нееб, Карл Хайнц (1997). Радиохимия атомных электростанций с легководными реакторами . Берлин-Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п. 227. ИСБН 3-11-013242-7 .
^ Вичи, Сара (2016). «Калибровка эффективности портативного CZT-детектора». Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах . 171 : 705–713. дои : 10.1080/10420150.2016.1244675 . S2CID 99556734 .
^ Комиссия по ядерному регулированию 10 CFR 20.1402. «Стандарты защиты от радиации» . {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ «Таблица данных о распаде изотопов» . Архивировано из оригинала 5 марта 2014 года . Проверено 5 марта 2014 г.
^ «Серия технических отчетов МАГАТЭ № 421, Управление отходами, содержащими тритий и углерод-14» (PDF) .
^ Отчет ORNL, архивированный 1 октября 2013 г. в Wayback Machine, об определении дозы в результате аварий с критичностью.
^ Стивен Падалино; Хизер Оливер и Джоэл Найквист. «Измерения выхода нейтронов DT с использованием нейтронной активации алюминия» . Соавторы LLE: Владимир Смалюканд, Нэнси Роджерс.
^ «4 Идентифицированных радиоактивных изотопа» . Аанда.орг. 2 марта 1998 года . Проверено 14 ноября 2019 г.
^ «Ядерные реакции» . 29 ноября 2014 г. Архивировано из оригинала (PPT) 29 ноября 2014 г.
^ [1] Архивировано 5 июля 2006 г. в Wayback Machine.
^ Керр, Джордж Д.; Янг, Роберт В.; Каллингс, Гарри М.; Кристи, Роберт Ф. (2005). «Параметры бомбы» (PDF) . Роберт В. Янг, Джордж Д. Керр (ред.). Переоценка дозиметрии радиации атомной бомбы для Хиросимы и Нагасаки – Система дозиметрии, 2002 г. Фонд исследования радиационных эффектов. стр. 42–43. Архивировано из оригинала (PDF) 10 августа 2015 года . Проверено 13 марта 2014 г.
^ Малик, Джон (сентябрь 1985 г.). «Результаты взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 9 марта 2014 г.
^ Армия США (1952 г.). Итоговый отчет операции «Плющ» Объединенной оперативной группы 132 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 марта 2014 г.
^ [2] Архивировано 5 июля 2006 г. в Wayback Machine.
^ «Результаты поиска — глоссарий Schlumberger Oilfield» . www.glossary.oilfield.slb.com .
^ Парех, ПП; Семков, ТМ; Торрес, Массачусетс; Хейнс, ДК; Купер, Дж. М.; Розенберга, премьер-министр; Киттоа, Мэн (2006). «Радиоактивность в Тринитите шесть десятилетий спустя» (PDF) . Журнал радиоактивности окружающей среды . 85 (1): 103–120. CiteSeerX 10.1.1.494.5179 . дои : 10.1016/j.jenvrad.2005.01.017 . ПМИД 16102878 .
^ Сзе, С.М. (2012). Полупроводниковые приборы: физика и технология . МК Ли (3-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уайли. ISBN 978-0-470-53794-7 . OCLC 869833419 .

Внешние ссылки

Сеть нейтронно-активационного анализа
Справочник по сечениям ядерной активации, МАГАТЭ, 1974 г.
Данные о распаде в формате MIRD из Национального центра ядерных данных Брукхейвенской национальной лаборатории.
Захват нейтронов в связи с нуклеосинтезом
Нейтронный захват и Карта нуклидов
Карта нуклидов
Открытие изотопов хрома, хрома-55, путем нейтронного захвата Cr-54.
ORILL : 1D трансмутация, истощение топлива и код радиологической защиты.

Дальнейшее чтение

Армия США (1952 г.). Итоговый отчет операции «Плющ» Объединенной оперативной группы 132 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 марта 2014 г.

[1] Руководство по радиоизотопам, произведенным в реакторе, от Международного агентства по атомной энергии.

[Neeb-2] Нееб, Карл Хайнц (1997). Радиохимия атомных электростанций с легководными реакторами . Берлин-Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п. 227. ИСБН 3-11-013242-7 .

[3] Вичи, Сара (2016). «Калибровка эффективности портативного CZT-детектора». Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах . 171 : 705–713. дои : 10.1080/10420150.2016.1244675 . S2CID 99556734 .

[NRC-4] Комиссия по ядерному регулированию 10 CFR 20.1402. «Стандарты защиты от радиации» . {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[5] «Таблица данных о распаде изотопов» . Архивировано из оригинала 5 марта 2014 года . Проверено 5 марта 2014 г.

[6] «Серия технических отчетов МАГАТЭ № 421, Управление отходами, содержащими тритий и углерод-14» (PDF) .

[7] Отчет ORNL, архивированный 1 октября 2013 г. в Wayback Machine, об определении дозы в результате аварий с критичностью.

[8] Стивен Падалино; Хизер Оливер и Джоэл Найквист. «Измерения выхода нейтронов DT с использованием нейтронной активации алюминия» . Соавторы LLE: Владимир Смалюканд, Нэнси Роджерс.

[9] «4 Идентифицированных радиоактивных изотопа» . Аанда.орг. 2 марта 1998 года . Проверено 14 ноября 2019 г.

[10] «Ядерные реакции» . 29 ноября 2014 г. Архивировано из оригинала (PPT) 29 ноября 2014 г.

[11] [1] Архивировано 5 июля 2006 г. в Wayback Machine.

[Kerr2005-12] Керр, Джордж Д.; Янг, Роберт В.; Каллингс, Гарри М.; Кристи, Роберт Ф. (2005). «Параметры бомбы» (PDF) . Роберт В. Янг, Джордж Д. Керр (ред.). Переоценка дозиметрии радиации атомной бомбы для Хиросимы и Нагасаки – Система дозиметрии, 2002 г. Фонд исследования радиационных эффектов. стр. 42–43. Архивировано из оригинала (PDF) 10 августа 2015 года . Проверено 13 марта 2014 г.

[Malik1985-13] Малик, Джон (сентябрь 1985 г.). «Результаты взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 9 марта 2014 г.

[14] Армия США (1952 г.). Итоговый отчет операции «Плющ» Объединенной оперативной группы 132 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 марта 2014 г.

[15] [2] Архивировано 5 июля 2006 г. в Wayback Machine.

[16] «Результаты поиска — глоссарий Schlumberger Oilfield» . www.glossary.oilfield.slb.com .

[17] Парех, ПП; Семков, ТМ; Торрес, Массачусетс; Хейнс, ДК; Купер, Дж. М.; Розенберга, премьер-министр; Киттоа, Мэн (2006). «Радиоактивность в Тринитите шесть десятилетий спустя» (PDF) . Журнал радиоактивности окружающей среды . 85 (1): 103–120. CiteSeerX 10.1.1.494.5179 . дои : 10.1016/j.jenvrad.2005.01.017 . ПМИД 16102878 .

[:0-18] Сзе, С.М. (2012). Полупроводниковые приборы: физика и технология . МК Ли (3-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уайли. ISBN 978-0-470-53794-7 . OCLC 869833419 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]