Источник нейтронов
| Наука с нейтронами |
|---|
 |
| Фонды |
| Рассеяние нейтронов |
| Другие приложения |
|
| Инфраструктура |
|
| Нейтронные установки |
Источником нейтронов является любое устройство, излучающее нейтроны , независимо от механизма, используемого для производства нейтронов. Источники нейтронов используются в физике, технике, медицине, ядерном оружии, разведке нефти, биологии, химии и ядерной энергетике. Переменные источника нейтронов включают энергию нейтронов, испускаемых источником, скорость нейтронов, испускаемых источником, размер источника, стоимость владения и обслуживания источника, а также правительственные постановления, связанные с источником.
Маленькие устройства
[ редактировать ]Спонтанное деление
[ редактировать ]Некоторые изотопы подвергаются спонтанному делению (СФ) с испусканием нейтронов . Наиболее распространенным источником спонтанного деления является изотоп калифорний -252. 252 Cf и все другие источники нейтронов SF производятся путем облучения урана или трансуранового элемента в ядерном реакторе , где нейтроны поглощаются исходным материалом и его последующими продуктами реакции, превращая исходный материал в изотоп SF. 252 Источники нейтронов Cf обычно имеют диаметр от 1/4 до 1/2 дюйма и длину от 1 до 2 дюймов. Типичный 252 Источник нейтронов Cf излучает 10 7 до 10 9 нейтронов в секунду в новом состоянии; но при периоде полураспада 2,6 года выход нейтронов падает вдвое за 2,6 года.
Альфа-распад
[ редактировать ]Нейтроны образуются, когда альфа-частицы сталкиваются с любым из нескольких легких изотопов, включая изотопы бериллия , углерода или кислорода . Таким образом, источник нейтронов можно изготовить путем смешивания альфа-излучателя, такого как радий , полоний или америций , с изотопом с низким атомным весом, обычно путем смешивания порошков двух материалов. Источники альфа-нейтронов обычно производят ~10 6 –10 8 нейтронов в секунду. Источник нейтронов из альфа-бериллия может производить около 30 нейтронов на 10 6 альфа-частицы. Полезный срок службы таких источников зависит от периода полураспада радиоизотопа. Размер и стоимость этих источников нейтронов сопоставимы с источниками спонтанного деления. Обычными комбинациями материалов являются плутоний -бериллий (PuBe), америций-бериллий (AmBe) или америций- литий (AmLi).
Фотораспад
[ редактировать ]Гамма-излучение с энергией, превышающей энергию связи нейтрона в ядре, может выбросить нейтрон - процесс, известный как фотораспад. Два примера реакций:
Генераторы нейтронов с герметичными трубками
[ редактировать ]на базе ускорителей Некоторые нейтронные генераторы вызывают синтез пучков ионов дейтерия и/или трития и металлогидридных мишеней , которые также содержат эти изотопы.
Устройства среднего размера
[ редактировать ]Плотный плазменный фокус
[ редактировать ]Источник нейтронов с фокусом плотной плазмы производит управляемый ядерный синтез , создавая плотную плазму, внутри которой нагревается ионизированный газообразный дейтерий и/или тритий до температур, достаточных для создания термоядерного синтеза.
Инерционное электростатическое удержание
[ редактировать ]Устройства инерционного электростатического удержания, Фарнсворта-Хирша, такие как фузор используют электрическое поле для нагрева плазмы до условий термоядерного синтеза и производства нейтронов. Были разработаны различные приложения, от хобби-энтузиастов до коммерческих приложений , в основном в США.
Ускорители легких ионов
[ редактировать ]Традиционные ускорители частиц с источниками ионов водорода, дейтерия или трития могут использоваться для производства нейтронов с использованием мишеней из дейтерия, трития, лития, бериллия и других материалов с низким Z. [ нужна ссылка ] Обычно эти ускорители работают с энергиями в диапазоне > 1 МэВ.
тормозного излучения Системы
[ редактировать ]В системе тормозного излучения нейтроны производятся, когда фотоны, превышающие энергию ядерной связи вещества, падают на это вещество, заставляя его подвергаться гигантскому дипольному резонансу, после которого оно либо испускает нейтрон (фотонейтрон), либо подвергается делению ( фотоделению ). Количество нейтронов, выделяемых при каждом акте деления, зависит от вещества. Обычно фотоны начинают производить нейтроны при взаимодействии с обычной материей при энергиях от 7 до 40 МэВ , а это означает, что установки лучевой терапии, использующие мегавольтное рентгеновское излучение, также производят нейтроны, а некоторые требуют нейтронной защиты. [ нужна ссылка ] Кроме того, электроны с энергией более 50 МэВ могут вызывать гигантский дипольный резонанс в нуклидах по механизму, обратному внутренней конверсии , и, таким образом, производить нейтроны по механизму, аналогичному механизму фотонейтронов. [1]
Большие устройства
[ редактировать ]Ядерные реакторы деления
[ редактировать ]Ядерное деление внутри реактора производит много нейтронов и может использоваться для различных целей, включая выработку энергии и эксперименты. Исследовательские реакторы часто специально проектируются так, чтобы можно было помещать образцы материалов в среду с высоким потоком нейтронов .
Системы ядерного синтеза
[ редактировать ]Ядерный синтез, синтез тяжелых изотопов водорода, потенциально может привести к образованию большого количества нейтронов. Небольшие термоядерные системы существуют для (плазменных) исследовательских целей во многих университетах и лабораториях по всему миру. Также существует небольшое количество крупномасштабных экспериментов по термоядерному синтезу, включая Национальную установку зажигания в США, JET в Великобритании и вскоре ИТЭР строящийся в настоящее время во Франции эксперимент . Ни один из них еще не используется в качестве источников нейтронов.
Инерционный термоядерный синтез потенциально может производить на порядки больше нейтронов, чем расщепление . [2] Это может быть полезно для нейтронной радиографии , которую можно использовать для определения местоположения атомов водорода в структурах, определения теплового движения атомов и изучения коллективного возбуждения ядер более эффективно, чем рентгеновские лучи .
Ускорители частиц высоких энергий
[ редактировать ]Источник расщепления — это источник с высоким потоком, в котором протоны , ускоренные до высоких энергий, попадают в цель, вызывая испускание нейтронов. Самые сильные источники нейтронов в мире, как правило, основаны на расщеплении, поскольку реакторы деления с высоким потоком имеют верхний предел количества производимых нейтронов. По состоянию на 2022 год самым мощным источником нейтронов в мире является источник нейтронов расщепления в Ок-Ридже, штат Теннесси . [3] Европейский источник расщепления в Лунде , Швеция, строится, чтобы стать самым мощным в мире источником импульсных нейтронов средней длительности.
В подкритических ядерных реакторах деления предлагается использовать источники расщепительных нейтронов и их можно использовать как для ядерной трансмутации (например, для производства медицинских радионуклидов или синтеза драгоценных металлов ), так и для выработки электроэнергии, так как энергия, необходимая для производства одного расщепительного нейтрона (~30 МэВ в настоящее время технологического уровня) почти на порядок ниже энергии, выделяемой при делении (~200 МэВ для большинства делящихся актинидов ).
Нейтронный поток
[ редактировать ]Для большинства приложений более высокий поток нейтронов предпочтительнее (поскольку он сокращает время, необходимое для проведения эксперимента, получения изображения и т. д.). Любительские термоядерные устройства, такие как термоядер , генерируют всего около 300 000 нейтронов в секунду. Коммерческие термоядерные устройства могут генерировать порядка 10 9 нейтронов в секунду, следовательно, полезный поток менее 10 5 н/(см 2 с). Большие нейтронные пучки по всему миру достигают гораздо большего потока. Реакторные источники теперь производят 10 15 н/(см 2 с), а источники откола генерируют > 10 17 н/(см 2 с).
См. также
[ редактировать ]- Нейтронная температура («быстрая» или «медленная»)
- Стартовый источник нейтронов
- Зетатрон
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Выходы нейтронов гигантского дипольного резонанса, производимые электронами, как функция материала и толщины мишени
- ^ Тейлор, Эндрю; Данн, М; Беннингтон, С; Анселл, С; Гарднер, я; Норрейс, П; Брум, Т; Финдли, Д; Нельмес, Р. (февраль 2007 г.). «Путь к самому яркому источнику нейтронов?». Наука . 315 (5815): 1092–1095. Бибкод : 2007Sci...315.1092T . дои : 10.1126/science.1127185 . ПМИД 17322053 . S2CID 42506679 .
- ^ «Источник расщепленных нейтронов SUF (S... | Управление науки (SC) Министерства энергетики США» . science.osti.gov . 29 апреля 2022 г. Проверено 19 октября 2022 г. .