Нейтронное излучение

Нейтронное излучение — это форма ионизирующего излучения , которое представляет собой свободные нейтроны . Типичными явлениями являются ядерное деление или ядерный синтез, вызывающий высвобождение свободных нейтронов, которые затем реагируют с ядрами других атомов с образованием новых нуклидов , что, в свою очередь, может вызвать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны и распадаются на протон , электрон и электронное антинейтрино . Свободные нейтроны имеют среднее время жизни 887 секунд (14 минут 47 секунд). ^[1]

Нейтронное излучение отличается от альфа- , бета- и гамма- излучения.

Источники [ править ]

Нейтроны могут испускаться в результате ядерного синтеза или деления ядер , а также в результате других ядерных реакций, таких как радиоактивный распад или взаимодействие частиц с космическими лучами или внутри ускорителей частиц . Крупные источники нейтронов встречаются редко и обычно ограничиваются устройствами большого размера, такими как ядерные реакторы или ускорители частиц , включая источник расщепленных нейтронов .

Нейтронное излучение было обнаружено при наблюдении альфа-частицы сталкивающейся с бериллия ядром , которое превращалось в углерода ядро при испускании нейтрона , Be ( α , n ) C . Комбинация эмиттера альфа-частиц и изотопа с большой ( α , n ) вероятностью ядерной реакции до сих пор является распространенным источником нейтронов.

Нейтронное излучение от деления [ править ]

Нейтроны в ядерных реакторах обычно делятся на медленные (тепловые) нейтроны или быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. ) подобны Тепловые нейтроны по распределению энергии ( распределение Максвелла-Больцмана газу, находящемуся в термодинамическом равновесии ; но легко захватываются атомными ядрами и являются основным средством, с помощью которого элементы подвергаются ядерной трансмутации .

Для достижения эффективной цепной реакции деления нейтроны, образующиеся при делении, должны захватываться делящимися ядрами, которые затем расщепляются, высвобождая больше нейтронов. В большинстве конструкций реакторов деления ядерное топливо недостаточно очищено, чтобы поглотить достаточно быстрых нейтронов для продолжения цепной реакции из-за меньшего сечения нейтронов более высоких энергий, поэтому замедлитель нейтронов, необходимо ввести чтобы замедлить быстрые нейтроны. тепловых скоростей, чтобы обеспечить достаточное поглощение. К распространенным замедлителям нейтронов относятся графит , обычная (легкая) вода и тяжелая вода . Несколько реакторов ( реакторы на быстрых нейтронах ) и все ядерное оружие основаны на быстрых нейтронах.

Космогенные нейтроны [ править ]

Космогенные нейтроны, нейтроны, образующиеся в результате космического излучения в атмосфере или на поверхности Земли, а также нейтроны, производимые в ускорителях частиц, могут иметь значительно более высокую энергию, чем те, которые встречаются в реакторах. Большинство из них активируют ядро еще до того, как достигнут земли; некоторые реагируют с ядрами в воздухе ^{[ нужны разъяснения ]}. Реакции с азотом-14 приводят к образованию углерода-14 ( ¹⁴С), широко используемый в радиоуглеродном датировании .

Использует [ править ]

Холодное , тепловое и горячее нейтронное излучение чаще всего используется в экспериментах по рассеянию и дифракции , для оценки свойств и структуры материалов в кристаллографии , физике конденсированного состояния , биологии , химии твердого тела , материаловедении , геологии , минералогии и смежных науках. Нейтронное излучение также используется в бор-нейтронозахватной терапии для лечения раковых опухолей из-за его высокой проникающей способности и повреждающего клеточную структуру. Нейтроны также можно использовать для визуализации промышленных деталей, называемой нейтронной радиографией при использовании пленки, нейтронной радиоскопией при получении цифрового изображения, например, с помощью пластин изображения, и нейтронной томографией для трехмерных изображений. Нейтронная визуализация обычно используется в атомной, космической и аэрокосмической промышленности, а также в производстве высоконадежных взрывчатых веществ.

Механизмы и свойства ионизации [ править ]

Нейтронное излучение часто называют косвенно ионизирующим излучением . Он не ионизирует атомы так, как это делают заряженные частицы, такие как протоны и электроны (возбуждая электрон), поскольку нейтроны не имеют заряда. Однако взаимодействия нейтронов в значительной степени ионизирующие, например, когда поглощение нейтрона приводит к гамма-излучению, а гамма-луч (фотон) впоследствии удаляет электрон из атома, или ядро, отталкивающееся от взаимодействия нейтрона, ионизируется и вызывает более традиционную последующую ионизацию в других случаях. атомы. Поскольку нейтроны не заряжены, они обладают большей проникающей способностью, чем альфа- или бета-излучение . В некоторых случаях они более проникающие, чем гамма-излучение, которому препятствуют материалы с высоким атомным номером . В материалах с низким атомным номером, таких как водород , гамма-лучи низкой энергии могут быть более проникающими, чем нейтроны высокой энергии.

Опасности для здоровья и защита [ править ]

В физике здравоохранения нейтронное излучение является видом радиационной опасности. Другой, более серьезной опасностью нейтронного излучения является нейтронная активация , способность нейтронного излучения вызывать радиоактивность в большинстве веществ, с которыми оно сталкивается, включая ткани тела. ^[2] Это происходит за счет захвата нейтронов атомными ядрами, которые преобразуются в другой нуклид , часто радионуклид . На этот процесс приходится большая часть радиоактивного материала, высвобождаемого при взрыве ядерного оружия . Это также проблема для установок ядерного деления и ядерного синтеза, поскольку оно постепенно делает оборудование настолько радиоактивным, что в конечном итоге его необходимо заменить и утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы .

нейтронного Защита от излучения основана на радиационной защите . Из-за высокой кинетической энергии нейтронов это излучение считается наиболее тяжелым и опасным для всего организма при воздействии на него внешних источников радиации. По сравнению с обычным ионизирующим излучением, основанным на фотонах или заряженных частицах, нейтроны многократно отскакивают и замедляются (поглощаются) легкими ядрами, поэтому богатый водородом материал более эффективен для защиты, чем ядра железа . Легкие атомы служат для замедления нейтронов за счет упругого рассеяния , чтобы затем они могли быть поглощены ядерными реакциями . Однако в таких реакциях часто образуется гамма-излучение, поэтому для его поглощения необходимо обеспечить дополнительную защиту. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать использования материалов, ядра которых подвергаются делению или захвату нейтронов , вызывающему радиоактивный распад ядер с образованием гамма-лучей.

Нейтроны легко проходят через большую часть материала, и, следовательно, поглощенная доза (измеренная в греях ) от данного количества радиации невелика, но взаимодействует достаточно, чтобы вызвать биологический ущерб. Наиболее эффективными защитными материалами являются вода или углеводороды , такие как полиэтилен или парафин . Водно-наполненный полиэстер (WEP) эффективен в качестве защитной стены в суровых условиях благодаря высокому содержанию водорода и огнестойкости, что позволяет использовать его в ряде ядерной, медицинской физики и оборонной промышленности. ^[3] Материалы на основе водорода подходят для защиты, поскольку они являются надежными барьерами против радиации. ^[4]

Бетон (где значительное количество молекул воды химически связывается с цементом) и гравий представляют собой дешевое решение благодаря их совместной защите как от гамма-лучей, так и от нейтронов. Бор также является отличным поглотителем нейтронов (а также подвергается некоторому рассеянию нейтронов). Бор распадается на углерод или гелий и практически не производит гамма-излучения при использовании карбида бора — защиты, обычно используемой там, где стоимость бетона была бы непомерно высокой. С коммерческой точки зрения резервуары с водой или мазутом, бетоном, гравием и B ₄ C являются обычными щитами, окружающими области с большим количеством нейтронного потока , например, ядерные реакторы. Кварцевое стекло, пропитанное бором, стандартное боросиликатное стекло , сталь с высоким содержанием бора , парафин и оргстекло имеют нишевое применение.

Поскольку нейтроны, поражающие ядро водорода ( протон или дейтрон ), передают энергию этому ядру, они, в свою очередь, разрывают свои химические связи и проходят небольшое расстояние, прежде чем остановиться. Такие ядра водорода представляют собой частицы с высокой линейной передачей энергии и, в свою очередь, останавливаются из-за ионизации материала, через который они проходят. Следовательно, в живых тканях нейтроны обладают относительно высокой относительной биологической эффективностью и примерно в десять раз более эффективны в причинении биологических повреждений по сравнению с гамма- или бета-излучением эквивалентного энергетического воздействия. Эти нейтроны могут либо привести к изменению функциональности клеток, либо к полной остановке репликации, что со временем приведет к повреждению организма. ^[5] Нейтроны особенно повреждают мягкие ткани, такие как роговица глаза.

Воздействие на материалы [ править ]

Нейтроны высокой энергии со временем повреждают и разрушают материалы; бомбардировка материалов нейтронами создает каскады столкновений , которые могут вызывать точечные дефекты и дислокации в материале, создание которых является основной причиной микроструктурных изменений, происходящих с течением времени в материалах, подвергшихся воздействию радиации. При высоких флюенсах нейтронов это может привести к охрупчиванию металлов и других материалов, а также к нейтронному распуханию некоторых из них. Это создает проблемы для корпусов ядерных реакторов и существенно ограничивает их срок службы (который можно несколько продлить за счет контролируемого отжига корпуса, уменьшающего количество наращенных дислокаций). Графитовые блоки замедлителя нейтронов особенно подвержены этому эффекту, известному как эффект Вигнера , и их необходимо периодически отжигать. Пожар в Виндскейле был вызван неудачей во время такой операции отжига.

Радиационное повреждение материалов происходит в результате взаимодействия энергетической падающей частицы (нейтрона или другой) с атомом решетки в материале. Столкновение вызывает массивную передачу кинетической энергии атому решетки, который смещается из своего узла решетки, становясь тем, что известно как первичный атом-выбой (PKA). Поскольку ПКА окружен другими атомами решетки, его смещение и прохождение через решетку приводит ко многим последующим столкновениям и созданию дополнительных атомов-стуков, создавая так называемый каскад столкновений или каскад смещений. Выбитые атомы теряют энергию при каждом столкновении и превращаются в межузельные атомы , эффективно создавая серию дефектов Френкеля в решетке. В результате столкновений (из-за потери электронной энергии) также создается тепло, как и, возможно, трансмутированные атомы . Масштаб ущерба таков, что один нейтрон с энергией 1 МэВ , создающий ПКА в решетке железа, производит примерно 1100 пар Френкеля. ^[6] Все каскадное событие происходит в течение времени 1 × 10 ⁻¹³ секунды, и поэтому их можно «наблюдать» только в компьютерном моделировании события. ^[7]

Выбитые атомы оканчиваются в неравновесных межузельных позициях решетки, многие из которых аннигилируют путем диффузии обратно в соседние вакантные узлы решетки и восстанавливают упорядоченную решетку. Те, которые не оставляют или не могут оставлять вакансии, что вызывает локальное повышение концентрации вакансий, намного превышающее равновесную концентрацию. Эти вакансии имеют тенденцию мигрировать в результате термодиффузии к стокам вакансий (т. е. границам зерен , дислокациям ), но существуют в течение значительного времени, в течение которого дополнительные частицы высокой энергии бомбардируют решетку, создавая каскады столкновений и дополнительные вакансии, которые мигрируют. в сторону раковин. Основным эффектом облучения в решетке является значительный и постоянный поток дефектов к стокам, так называемый ветер дефектов . Вакансии также могут аннигилировать, объединяясь друг с другом, образуя дислокационные петли , а затем и пустоты решетки . ^[6]

Каскад столкновений создает в материале гораздо больше вакансий и междоузлий, чем равновесие при данной температуре, и в результате диффузия в материале резко увеличивается. Это приводит к эффекту, называемому усиленной радиацией диффузией , который со временем приводит к микроструктурной эволюции материала. Механизмов, приводящих к эволюции микроструктуры, много, они могут меняться в зависимости от температуры, потока и флюенса и являются предметом обширных исследований. ^[8]

Радиационно-индуцированная сегрегация возникает в результате вышеупомянутого потока вакансий к стокам, что подразумевает отток атомов решетки от стоков; но не обязательно в той же пропорции к составу сплава в случае легированного материала. Следовательно, эти флюсы могут привести к обеднению легирующих элементов вблизи раковин. Для потока внедренных каскадом междоузлий эффект обратный: межузельные частицы диффундируют в сторону стоков, что приводит к обогащению сплава вблизи стока. ^[6]
Дислокационные петли образуются, если вакансии образуют кластеры на плоскости решетки. Если эта концентрация вакансий расширяется в трех измерениях, образуется пустота . По определению пустоты находятся под вакуумом, но могут стать газонаполненными в случае излучения альфа-частиц (гелия) или если газ образуется в результате реакций трансмутации . Пустоту тогда называют пузырем, и она приводит к нестабильности размеров (нейтронно-индуцированному распуханию) частей, подвергающихся воздействию радиации. Набухание представляет собой серьезную долгосрочную проблему проектирования, особенно в компонентах реактора, изготовленных из нержавеющей стали. ^[9] Сплавы с кристаллографической изотропией , такие как циркалои, подвержены образованию дислокационных петель, но не демонстрируют образования пустот. Вместо этого петли образуются в определенных плоскостях решетки и могут привести к индуцированному облучением росту — явлению, отличному от набухания, но которое также может привести к значительным изменениям размеров в сплаве. ^[10]
Облучение материалов также может вызвать фазовые превращения в материале: в случае твердого раствора обогащение или обеднение растворенного вещества на стоках, радиационно-индуцированная сегрегация, может привести к выделению новых фаз в материале. ^[11]

Механические эффекты этих механизмов включают радиационное упрочнение , охрупчивание , ползучесть и растрескивание под воздействием окружающей среды . Скопления дефектов, дислокационные петли, пустоты, пузыри и выделения, образующиеся в результате радиации в материале, способствуют упрочнению и охрупчиванию (потере пластичности ) материала. ^[12] Охрупчивание представляет собой особую проблему для материала, из которого состоит корпус реактора, поскольку в результате энергия, необходимая для разрушения корпуса, значительно снижается. Можно восстановить пластичность путем отжига дефектов, и продление срока службы ядерных реакторов во многом зависит от способности сделать это безопасно. Ползучесть также значительно ускоряется в облученных материалах, но не в результате увеличения коэффициента диффузии, а скорее в результате взаимодействия между напряжением решетки и развивающейся микроструктурой. Растрескивание под воздействием окружающей среды или, более конкретно, коррозионное растрескивание под напряжением под воздействием облучения (IASCC) наблюдается особенно в сплавах, подверженных нейтронному излучению и при контакте с водой, вызванное поглощением водорода в кончиках трещин в результате радиолиза воды, что приводит к уменьшение затрат энергии на распространение трещины. ^[6]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Юэ, АТ; Дьюи, MS; Гиллиам, DM; Грин, ГЛ; Лаптев А.Б.; Нико, Дж. С.; Сноу, ВМ; Витфельдт, FE (27 ноября 2013 г.). «Улучшенное определение времени жизни нейтрона». Письма о физических отзывах . 111 (22): 222501. arXiv : 1309.2623 . Бибкод : 2013PhRvL.111v2501Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.222501 . ПМИД 24329445 . S2CID 17006418 .
^ «Как радиация повреждает ткани» . Мичиганский государственный университет . Проверено 21 декабря 2017 г.
^ «Защита от нейтронного излучения» . www.frontier-cf252.com . Корпорация Frontier Technology . Проверено 21 декабря 2017 г.
^ Каррильо, Эктор Рене Вега (15 мая 2006 г.). «Характеристики нейтронной защиты водонаполненного полиэстера» (PDF) . ТА-3 Дозиметрия и приборостроение . Проверено 21 декабря 2017 г.
^ Специалист WPI, Службы экологической информации – Шон Денни, информационный архитектор; Майк Пиццути, графический дизайнер; Челин Нил, специалист по веб-информации; Кейт Бессьер, Интернет-информация. «Заключительный отчет Консультативного комитета по экспериментам с облучением человека» . ehss.energy.gov . Проверено 21 декабря 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дюнанд, Дэвид. «Материалы в атомной энергетике». Материаловедение и инженерия 381: Материалы для энергоэффективных технологий. Северо-Западный университет, Эванстон. 3 февраля 2015. Лекция
^ А. Стручбери, Е. Безакова «Время жизни термического пика из-за эффектов предравновесия пикосекундной длительности в сверхтонких магнитных полях после ионной имплантации». 3 мая. 1999.
^ Томе, Л.; Молл, С.; Дебель, А.; Гарридо, Ф.; Саттонней, Г.; Ягельски, Дж. (1 июня 2018 г.). «Радиационные эффекты в ядерной керамике» . Достижения в области материаловедения и инженерии . 2012 : 1–13. дои : 10.1155/2012/905474 .
^ КОТОРН, К.; ФАЛТОН, Э.Дж. (1 ноября 1967 г.). «Пустоты в облученной нержавеющей стали». Природа . 216 (5115): 575–576. Бибкод : 1967Natur.216..575C . дои : 10.1038/216575a0 . S2CID 4238714 .
^ Адамсон, Р. «Влияние нейтронного излучения на микроструктуру и свойства циркалоя» 1977. 8 февраля 2015 г.
^ Хён Джу Джин, Тэ Гю Ким. «Эффективность нейтронного облучения Циркалой-4 в условиях эксплуатации исследовательского реактора». Анналы ядерной энергетики. 13 сентября 2014 г. Интернет. 08 февраля 2015 г.
^ Бароч, CJ (1975). «Влияние облучения при 130, 650 и 775 ° F на свойства растяжения циркалоя-4 при 70, 650 и 775 ° F» . Воздействие радиации на конструкционные материалы . АСТМ Интернешнл. стр. 129–129–14. дои : 10.1520/STP33683S . ISBN 978-0-8031-0539-3 . {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )

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

Внешние ссылки [ править ]

[1] Юэ, АТ; Дьюи, MS; Гиллиам, DM; Грин, ГЛ; Лаптев А.Б.; Нико, Дж. С.; Сноу, ВМ; Витфельдт, FE (27 ноября 2013 г.). «Улучшенное определение времени жизни нейтрона». Письма о физических отзывах . 111 (22): 222501. arXiv : 1309.2623 . Бибкод : 2013PhRvL.111v2501Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.222501 . ПМИД 24329445 . S2CID 17006418 .

[2] «Как радиация повреждает ткани» . Мичиганский государственный университет . Проверено 21 декабря 2017 г.

[3] «Защита от нейтронного излучения» . www.frontier-cf252.com . Корпорация Frontier Technology . Проверено 21 декабря 2017 г.

[4] Каррильо, Эктор Рене Вега (15 мая 2006 г.). «Характеристики нейтронной защиты водонаполненного полиэстера» (PDF) . ТА-3 Дозиметрия и приборостроение . Проверено 21 декабря 2017 г.

[5] Специалист WPI, Службы экологической информации – Шон Денни, информационный архитектор; Майк Пиццути, графический дизайнер; Челин Нил, специалист по веб-информации; Кейт Бессьер, Интернет-информация. «Заключительный отчет Консультативного комитета по экспериментам с облучением человека» . ehss.energy.gov . Проверено 21 декабря 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Lecture-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дюнанд, Дэвид. «Материалы в атомной энергетике». Материаловедение и инженерия 381: Материалы для энергоэффективных технологий. Северо-Западный университет, Эванстон. 3 февраля 2015. Лекция

[Thermal_Spike_Lifetime-7] А. Стручбери, Е. Безакова «Время жизни термического пика из-за эффектов предравновесия пикосекундной длительности в сверхтонких магнитных полях после ионной имплантации». 3 мая. 1999.

[Radiation_Effects_in_Nuclear_Ceramics-8] Томе, Л.; Молл, С.; Дебель, А.; Гарридо, Ф.; Саттонней, Г.; Ягельски, Дж. (1 июня 2018 г.). «Радиационные эффекты в ядерной керамике» . Достижения в области материаловедения и инженерии . 2012 : 1–13. дои : 10.1155/2012/905474 .

[Voids_in_Irradiated_Stainless_Steel-9] КОТОРН, К.; ФАЛТОН, Э.Дж. (1 ноября 1967 г.). «Пустоты в облученной нержавеющей стали». Природа . 216 (5115): 575–576. Бибкод : 1967Natur.216..575C . дои : 10.1038/216575a0 . S2CID 4238714 .

[Effects_of_Neutron_Radiation_on_Microstructure_and_Properties_of_Zircaloy-10] Адамсон, Р. «Влияние нейтронного излучения на микроструктуру и свойства циркалоя» 1977. 8 февраля 2015 г.

[Neutron_irradiation_performance_of_Zircaloy-4_under_research_reactor_operating_conditions-11] Хён Джу Джин, Тэ Гю Ким. «Эффективность нейтронного облучения Циркалой-4 в условиях эксплуатации исследовательского реактора». Анналы ядерной энергетики. 13 сентября 2014 г. Интернет. 08 февраля 2015 г.

[Effect_of_Irradiation-12] Бароч, CJ (1975). «Влияние облучения при 130, 650 и 775 ° F на свойства растяжения циркалоя-4 при 70, 650 и 775 ° F» . Воздействие радиации на конструкционные материалы . АСТМ Интернешнл. стр. 129–129–14. дои : 10.1520/STP33683S . ISBN 978-0-8031-0539-3 . {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]