Войти
Нейтронная активация - это процесс, в котором нейтронное излучение вызывает радиоактивность в материалах и возникает, когда атомные ядра захватывают свободные нейтроны, становятся более тяжелыми и переходят в возбужденные состояния. Возбужденное ядро немедленно распадается, испуская гамма-лучи или такие частицы, как бета-частицы, альфа-частицы, продукты деления и нейтроны ( в делении ядер ). Таким образом, процесс захвата нейтронов, даже после любого промежуточного распада, часто приводит к образованию нестабильного продукта активации. Такие радиоактивные ядра могут иметь период полураспада в диапазоне от малых долей секунды до многих лет.
Нейтронная активация - единственный распространенный способ заставить стабильный материал стать радиоактивным по своей природе. Все встречающиеся в природе материалы, включая воздух, воду и почву, могут быть индуцированы (активированы) нейтронным захватом до некоторого количества радиоактивности в различной степени в результате производства богатых нейтронами радиоизотопов. Некоторым атомам требуется более одного нейтрона, чтобы стать нестабильными, что затрудняет их активацию, поскольку вероятность двойного или тройного захвата ядром ниже, чем однократного захвата. Например, вода состоит из водорода и кислорода. Водород требует двойного захвата для достижения нестабильности, как тритий (водород-3 ), в то время как природный кислород (кислород-16) требует трех улавливает, чтобы стать нестабильным кислород-19. Таким образом, воду относительно трудно активировать по сравнению с хлоридом натрия (Na Cl ), в котором ионы натрия и хлора становятся нестабильными при однократном захвате каждого. Эти факты были получены из первых рук в ходе серии атомных испытаний Operation Crossroads в 1946 году.
Пример такого рода ядерной реакции происходит при производстве кобальта-60 в ядерном реакторе : затем кобальт-60 распадается с выделением бета-частица плюс гамма-лучи в никель -60. Эта реакция имеет период полураспада около 5,27 года, и из-за доступности кобальта-59 (100% его естественного содержания ) этот изотоп , подвергнутый бомбардировке нейтронами кобальт является ценным источником ядерного излучения (а именно гамма-излучения) для радиотерапии.
. В других случаях и в зависимости от кинетической энергии нейтрона, захват нейтрона может вызвать деление ядра - расщепление атомного ядра на два меньших ядра. Если деление требует ввода энергии, это происходит из кинетической энергии нейтрона. Пример такого деления в легком элементе может произойти, когда стабильный изотоп лития, литий-7, бомбардируется быстрыми нейтронами и претерпевает следующую ядерную реакцию:
Другими словами, захват нейтрона литием-7 заставляет его расщепляться на энергичное ядро гелия (альфа-частица ), ядро водорода-3 (тритий ) и свободный нейтрон. Авария Castle Bravo, в которой при испытании термоядерной бомбы на атолле Enewetak в 1954 году произошел взрыв с мощностью в 2,5 раза превышающей ожидаемую, была вызвана неожиданно высокой вероятностью этой реакции.
В зонах вокруг реакторов с водой под давлением или реакторов с кипящей водой во время нормальной работы создается значительное количество излучения из-за быстрых нейтронов активация кислорода охлаждающей воды посредством реакции (n, p). Активированное ядро кислорода-16 испускает протон (ядро водорода) и превращается в азот-16, который имеет очень короткую жизнь (7,13 секунды), прежде чем снова распадется на кислород-16 (испускает бета-частицы 6,13 МэВ).
Эта активация охлаждающей воды требует дополнительной биологической защиты вокруг ядерной реакторной установки. Основное беспокойство вызывает гамма-излучение высокой энергии во второй реакции. Вот почему вода, которая недавно была внутри активной зоны ядерного реактора, должна быть защищена до тех пор, пока это излучение не утихнет. Обычно достаточно одной-двух минут.
На объектах, на которых размещался циклотрон, железобетонный фундамент может стать радиоактивным из-за активации нейтронами. Шесть важных долгоживущих радиоактивных изотопов (Mn, Fe, Co, Zn, Ba и Eu) можно найти в конкретных ядрах, на которые воздействуют нейтроны. Остаточная радиоактивность в основном обусловлена присутствующими микроэлементами, и, таким образом, количество радиоактивности, полученное в результате циклотронной активации, ничтожно, то есть пКи / г или Бк / г. Предел выброса для установок с остаточной радиоактивностью составляет 25 мбэр / год. Пример производства Fe в результате активации железной арматуры показан ниже:
Нейтронная активация - единственный распространенный способ, которым стабильный материал может стать радиоактивным по своей природе. Нейтроны являются свободными только в микросекундах взрыва ядерного оружия, в активном ядерном реакторе или в источнике нейтронов расщепления.
В атомном оружии нейтроны генерируются в течение от 1 до 50 микросекунд, но в огромных количествах. Большинство из них поглощается металлической оболочкой бомбы, взрыв внутри которой только начинает воздействовать на нее. Нейтронная активация металла, который скоро испарится, ответственна за значительную часть ядерных осадков при ядерных взрывах высоко в атмосфере. При других типах активации нейтроны могут облучать почву, которая рассеивается в грибовидном облаке на поверхности Земли или вблизи нее, что приводит к выпадению осадков в результате активации химических элементов почвы.
В любом месте с высокими потоками нейтронов, например, внутри активной зоны ядерных реакторов, активация нейтронов способствует эрозии материала; периодически сами облицовочные материалы необходимо утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы. Некоторые материалы более подвержены нейтронной активации, чем другие, поэтому подходящим образом выбранный малоактивационный материал может значительно уменьшить эту проблему (см. Международная установка по облучению термоядерных материалов ). Например, Хром-51 будет образовываться нейтронной активацией в хромистой стали (которая содержит Cr-50), которая подвергается воздействию типичного реакторного нейтронного потока.
Углерод-14, наиболее часто, но не исключительно, генерируется нейтронной активацией атмосферного азота-14 с помощью тепловых нейтронов, является (вместе с его доминирующим естественным путем взаимодействия космических лучей с воздухом и историческим производством из атмосферные ядерные испытания ) также генерируются в сравнительно небольших количествах внутри многих конструкций ядерных реакторов, которые содержат примеси газообразного азота в их оболочке твэлов, а также 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, реактор с водой под давлением, поскольку в реакторах FBR вода не используется в качестве теплоносителя первого контура..
Для врачей и сотрудников службы радиационной безопасности активация натрия в организме человека до натрия-24 и фосфора до фосфора-32 может дать хорошая немедленная оценка острого аварийного нейтронного облучения.
Одним из способов продемонстрировать, что ядерный синтез произошел внутри фузорного устройства, является использовать счетчик Гейгера для измерения радиоактивности гамма-излучения, производимого из листа алюминиевой фольги.
. В подходе слияния ICF выход слияния эксперимента (прямо пропорционально производству нейтронов) обычно определяется путем измерения гамма-излучения алюминиевых или медных мишеней активации нейтронов. Алюминий может захватывать нейтрон и генерировать радиоактивный натрий-24 с периодом полураспада 15 часов и энергией бета-распада 5,514 МэВ.
Активация ряда тестовых элементов-мишеней такие как сера, медь, тантал и золото, были использованы для определения выхода как чистого деления, так и термоядерного оружие.
Нейтронно-активационный анализ - один из самых чувствительных и точных методов анализа следовых элементов. Он не требует подготовки образцов или солюбилизации и поэтому может применяться к объектам, которые необходимо сохранить в неприкосновенности, например, к ценным предметам искусства. Хотя активация вызывает радиоактивность в объекте, ее уровень, как правило, низкий, а время жизни может быть коротким, так что ее эффекты вскоре исчезают. В этом смысле нейтронная активация - это метод неразрушающего анализа.
Анализ нейтронной активации можно проводить на месте. Например, алюминий (Al-27) может быть активирован путем улавливания нейтронов относительно низкой энергии с образованием изотопа Al-28, который распадается с периодом полураспада 2,3 минуты и энергией распада 4,642 МэВ.. Этот активированный изотоп используется при бурении нефтяных скважин для определения содержания глины (глина обычно представляет собой алюмосиликат ) в подземной области при разведке.
Историки могут использовать случайная активация нейтронов для аутентификации атомных артефактов и материалов, подвергшихся нейтронным потокам от инцидентов деления. Например, одним из довольно уникальных изотопов, обнаруженных в тринитите, и, следовательно, его отсутствие, вероятно, указывает на поддельный образец минерала, является продукт активации нейтронов бария, барий в Устройство Trinity, исходящее от медленной взрывчатой линзы, используемой в устройстве, известное как Baratol.
