Войти
Нейтронное излучение - это форма ионизирующего излучения, которая представлена как свободные нейтроны. Типичными явлениями являются ядерное деление или ядерный синтез, вызывающее высвобождение свободных нейтронов, которые затем реагируют с ядрами других атомов. с образованием новых изотопов, которые, в свою очередь, могут вызвать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны: распадаются на протон, электрон плюс антиэлектронное нейтрино со средним временем жизни 887 секунд (14 минут, 47 секунд).
Нейтроны могут испускаться в результате ядерного синтеза или деление ядер, или от других ядерных реакций, таких как радиоактивный распад или взаимодействия частиц с космическими лучами или внутри ускорителей частиц. Большие нейтронные источники встречаются редко и обычно ограничиваются крупногабаритными устройствами, такими как ядерные реакторы или ускорители частиц, включая Источник нейтронов расщепления.
. Нейтронное излучение было обнаружено из наблюдая столкновение альфа-частицы с ядром бериллия , которое превратилось в углеродное ядро , испуская нейтрон, Be (α, n )C. Комбинация излучателя альфа-частиц и изотопа с большой (α, n ) вероятность ядерной реакции по-прежнему является обычным источником нейтронов.
Нейтроны в ядерной Реакторы, как правило, делятся на медленные (тепловые) нейтроны или быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. Тепловые нейтроны аналогичны по распределению энергии (распределение Максвелла – Больцмана ) в газ в термодинамическом равновесии ; но легко захватываются атомными ядрами и являются основным средством, с помощью которого элементы претерпевают ядерную трансмутацию.
Для достижения эффективной цепной реакции деления нейтроны, образующиеся во время деления, должны быть захваченными 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 более низкого сечение для нейтронов более высоких энергий, поэтому a замедлитель нейтронов должен быть введен для замедления быстрых нейтронов до тепловых скоростей, чтобы обеспечить достаточное поглощение. Обычные замедлители нейтронов включают графит, обычную (легкую) воду и тяжелую воду. Несколько реакторов (реакторы на быстрых нейтронах ) и все ядерное оружие полагаются на быстрые нейтроны. Это требует определенных изменений конструкции и необходимого ядерного топлива. Элемент бериллий особенно полезен из-за его способности действовать как отражатель нейтронов или линза. Это позволяет использовать меньшие количества делящегося материала и является основной технической разработкой, которая привела к созданию нейтронных бомб.
Космогенных нейтронов, нейтронов, образованных космическим излучением в атмосфере или на поверхности Земли, а те, которые вырабатываются в ускорителях частиц, могут иметь значительно более высокую энергию, чем те, которые встречаются в реакторах. Большинство из них активируют ядро, не достигнув земли; некоторые реагируют с ядрами в воздухе. Реакции с азотом-14 приводят к образованию углерода-14 (C), широко используемого в радиоуглеродном датировании.
Холодное, термическое и горячее нейтронное излучение наиболее часто используется в экспериментах по рассеянию и дифракции для оценки свойств и структуры материалов в кристаллографии, конденсированных средах. физика, биология, химия твердого тела, материаловедение, геология, минералогия и др. науки. Нейтронное излучение также используется в боронейтронно-захватной терапии для лечения раковых опухолей из-за его высокой проникающей способности и повреждающего характера для клеточной структуры. Нейтроны также могут использоваться для визуализации промышленных деталей, называемой нейтронной радиографией при использовании пленки, нейтронной радиоскопией при получении цифрового изображения, например, через электронные матрицы, и нейтронной томографией для трехмерного изображения. изображений. Нейтронная визуализация широко используется в ядерной, космической и аэрокосмической отраслях, а также в производстве взрывчатых веществ высокой надежности.
Нейтронное излучение часто косвенно называют ионизирующим излучением. Он не ионизирует атомы так же, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны (возбуждая электрон), потому что нейтроны не имеют заряда. Однако нейтронные взаимодействия в значительной степени ионизируют, например, когда поглощение нейтронов приводит к гамма-излучению, а гамма-излучение (фотон) впоследствии удаляет электрон из атома, или ядро, отскакивающее от нейтронного взаимодействия, ионизируется и вызывает более традиционна последующая ионизация в других атомах. Поскольку нейтроны не заряжены, они проникают лучше, чем альфа-излучение или бета-излучение. В некоторых случаях они обладают большей проникающей способностью, чем гамма-излучение, которое затруднено в материалах с высоким атомным номером . В материалах с низким атомным номером, таких как водород, гамма-излучение низкой энергии может быть более проникающим, чем нейтрон высокой энергии.
В физике здоровья нейтронное излучение является одним из видов радиационной опасности. Другой, более серьезной опасностью нейтронного излучения является активация нейтронов, способность нейтронного излучения вызывать радиоактивность в большинстве веществ, с которыми он сталкивается, включая ткани тела. Это происходит за счет захвата нейтронов атомными ядрами, которые превращаются в другой нуклид, часто радионуклид. Этот процесс составляет большую часть радиоактивного материала, выделяемого в результате взрыва ядерного оружия. Это также проблема в установках ядерного деления и термоядерного синтеза, так как оборудование постепенно становится радиоактивным, и в конечном итоге его необходимо заменить и утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы.
Нейтроны радиационная защита полагается на радиационную защиту. Из-за высокой кинетической энергии нейтронов это излучение считается наиболее серьезным и опасным излучением для всего тела при воздействии внешних источников излучения. По сравнению с обычным ионизирующим излучением, основанным на фотонах или заряженных частицах, нейтроны многократно отражаются и замедляются (поглощаются) легкими ядрами, поэтому богатый водородом материал более эффективен в защите, чем ядра железа. Легкие атомы служат для замедления нейтронов за счет упругого рассеяния, поэтому они могут затем поглощаться ядерными реакциями. Однако в таких реакциях часто возникает гамма-излучение, поэтому для его поглощения необходимо обеспечить дополнительную защиту. Следует проявлять осторожность, чтобы избежать использования ядер, которые подвергаются делению или захвату нейтронов, который вызывает радиоактивный распад ядер с образованием гамма-излучения.
Нейтроны легко проходят через большую часть материала, и, следовательно, поглощенная доза (измеренная в серых ) от данного количества излучения мала, но взаимодействует достаточно, чтобы вызвать биологическое повреждение. Наиболее эффективными защитными материалами являются вода или углеводороды, такие как полиэтилен или парафиновый воск. Водорастворимый полиэстер (WEP) эффективен в качестве экранирующей стены в суровых условиях окружающей среды благодаря высокому содержанию водорода и огнестойкости, что позволяет использовать его в ядерной, медицинской и оборонной отраслях. Материалы на водородной основе подходят для защиты, поскольку они являются надлежащими барьерами от излучения.
Бетон (где значительное количество молекул воды химически связывается с цементом) и гравий обеспечивают дешевое решение из-за к их комбинированной 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 с карбидом бора, экраном, обычно используемым там, где бетон был бы слишком дорогим. В промышленных масштабах резервуары для воды или мазута, бетона, гравия и B 4 C являются обычными экранами, которые окружают области с большим количеством нейтронного потока, например ядерные реакторы. Пропитанное бором кварцевое стекло, стандартное боросиликатное стекло, сталь с высоким содержанием бора, парафин и оргстекло имеют нишевое применение.
Поскольку нейтроны, ударяющиеся о ядро водорода (протон или дейтрон ), передают энергию этому ядру, они, в свою очередь, разрываются от своих химических связей и перемещаются на небольшое расстояние. перед остановкой. Такие ядра водорода являются частицами с высокой линейной передачей энергии и, в свою очередь, останавливаются ионизацией материала, через который они проходят. Следовательно, в живой ткани нейтроны имеют относительно высокую относительную биологическую эффективность и примерно в десять раз более эффективны при нанесении биологического ущерба по сравнению с гамма- или бета-излучением эквивалентной энергии. Эти нейтроны могут либо вызвать изменение функций клеток, либо полностью прекратить репликацию, что со временем приведет к повреждению организма. Нейтроны особенно повреждают мягкие ткани, такие как роговица глаза.
Нейтроны высокой энергии повреждают и разрушают материалы с течением времени; бомбардировка материалов нейтронами создает каскады столкновений, которые могут вызывать точечные дефекты и дислокации в материале, создание которых является основной движущей силой микроструктурных изменений, происходящих в течение время в материалах, подвергшихся радиационному воздействию. При высоких флюенсах это может привести к охрупчиванию металлов и других материалов и к нейтронно-индуцированному распуханию некоторых из них. Это создает проблему для корпусов ядерных реакторов и значительно ограничивает их срок службы (который можно несколько продлить за счет контролируемого отжига корпуса, уменьшающего количество образовавшихся дислокаций). Графитовые блоки замедлителя нейтронов особенно восприимчивы к этому эффекту, известному как эффект Вигнера, и их необходимо периодически отжигать. Возгорание Windscale было вызвано аварией во время такой операции отжига.
Радиационное повреждение материалов возникает в результате взаимодействия энергичной падающей частицы (нейтрона или иного) с атомом решетки в материале. Столкновение вызывает массивную передачу кинетической энергии к атому решетки, который смещается из своего узла решетки, становясь тем, что известно как первичный ударный атом (PKA). Поскольку PKA окружена другими атомами решетки, ее смещение и прохождение через решетку приводит ко многим последующим столкновениям и созданию дополнительных ударов по атомам, вызывая то, что известно как каскад столкновений или каскад смещения. Ударные атомы теряют энергию при каждом столкновении и заканчиваются как междоузлия, эффективно создавая серию дефектов Френкеля в решетке. Тепло также создается в результате столкновений (из-за потери электронной энергии), как и, возможно, преобразованные атомы. Величина повреждения такова, что один нейтрон с энергией 1 МэВ, создающий PKA в решетке железа, производит приблизительно 1100 пар Френкеля. Все каскадное событие происходит в масштабе времени 1 × 10 секунд, и поэтому его можно «наблюдать» только при компьютерном моделировании события.
Ударные атомы оканчиваются в неравновесных положениях межузельной решетки, многие из них аннигилируют, диффундируя обратно в соседние свободные узлы решетки и восстанавливают упорядоченную решетку. Те, которые не оставляют или не могут покинуть вакансии, что вызывает локальный рост концентрации вакансий, намного превышающий равновесную концентрацию. Эти вакансии имеют тенденцию мигрировать в результате термодиффузии к стокам вакансий (т.е. границ зерен, дислокаций ), но существуют в течение значительного количества времени, в течение которого дополнительные частицы высокой энергии бомбардируют решетку, создавая каскады столкновений и дополнительные вакансии, которые мигрируют в сторону стоков. Основной эффект облучения в решетке - это значительный и постоянный поток дефектов к стокам в так называемом. Вакансии также могут аннигилировать, объединяясь друг с другом с образованием дислокационных петель и более поздних, решеточных пустот.
Каскад столкновений создает в материале гораздо больше вакансий и межузельных атомов, чем равновесие для данной температуры, и В результате коэффициент диффузии в материале резко увеличивается. Это приводит к так называемому эффекту, который со временем приводит к эволюции микроструктуры материала. Механизмов, ведущих к эволюции микроструктуры, много, они могут изменяться в зависимости от температуры, потока и плотности энергии и являются предметом обширного исследования.
Механические эффекты этих механизмов включают, охрупчивание, ползучесть и растрескивание с помощью окружающей среды. Группы дефектов, дислокационные петли, пустоты, пузырьки и выделения, образовавшиеся в результате излучения в материале, все вносят вклад в упрочнение и охрупчивание (потеря пластичности ) в материале. Хрупкость представляет особую озабоченность для материала, составляющего корпус реактора под давлением, в результате чего энергия, необходимая для разрушения корпуса, значительно уменьшается. Восстановить пластичность можно путем отжига дефектов, и большая часть продления срока службы ядерных реакторов зависит от способности делать это безопасно. Ползучесть также значительно ускоряется в облученных материалах, хотя и не в результате повышенной диффузионной способности, а, скорее, в результате взаимодействия между напряжением решетки и развивающейся микроструктурой. Растрескивание, вызванное воздействием окружающей среды, или, более конкретно, (IASCC), особенно в сплавах, подверженных нейтронному излучению и контактирующих с водой, наблюдается в результате поглощения водорода на концах трещин в результате радиолиза воды, что приводит к снижению энергии, необходимой для распространения трещины.
https: // journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501
