Нейтронное излучение - Neutron radiation

Наука с нейтроны
Neutron.svg
Фонды
Рассеяние нейтронов
Другие приложения
Инфраструктура
Нейтронные объекты

Нейтронное излучение это форма ионизирующего излучения что представлено как свободные нейтроны. Типичные явления: ядерное деление или же термоядерная реакция вызывая выброс свободных нейтронов, которые затем реагировать с ядра других атомы формировать новые изотопы - что, в свою очередь, может вызвать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны, разлагающийся в протон, электрон, плюс антиэлектрон-нейтрино со средним сроком службы 887 секунд (14 минут 47 секунд).[1]

Источники

Основная статья: Источник нейтронов
Смотрите также: Категория: Источники нейтронов

Нейтронов может исходить из термоядерная реакция или же ядерное деление, или из других ядерные реакции Такие как радиоактивный распад или взаимодействия частиц с космические лучи или в пределах ускорители частиц. Большие источники нейтронов встречаются редко и обычно ограничиваются крупногабаритными устройствами, такими как ядерные реакторы или же ускорители частиц, в том числе Источник нейтронов расщепления.

Нейтронное излучение было обнаружено при наблюдении альфа-частица столкновение с бериллий ядро, который был преобразован в углерод ядро при испускании нейтрон, Быть (α, п )C. Комбинация эмиттера альфа-частиц и изотопа с большим (α, п ) вероятность ядерной реакции до сих пор является обычным источником нейтронов.

Нейтронное излучение от деления

Нейтроны в ядерных реакторах обычно классифицируются как медленные (тепловые) нейтроны или же быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. Тепловые нейтроны похожи по распределению энергии ( Распределение Максвелла – Больцмана ) к газу в термодинамическое равновесие; но легко захватываются атомными ядрами и являются основным средством, с помощью которого элементы подвергаются ядерная трансмутация.

Чтобы достичь эффективной цепной реакции деления, нейтроны, образующиеся при делении, должны быть захвачены делящимися ядрами, которые затем расщепляются, выделяя больше нейтронов. В большинстве конструкций реакторов деления ядерное топливо недостаточно очищен, чтобы поглотить достаточно быстрых нейтронов для продолжения цепной реакции из-за более низкого поперечное сечение для нейтронов более высоких энергий, поэтому замедлитель нейтронов необходимо ввести для замедления быстрых нейтронов до тепловых скоростей, чтобы обеспечить достаточное поглощение. Общие замедлители нейтронов включают: графит, обыкновенный (светлый) воды и тяжелая вода. 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 объектив. Это позволяет использовать меньшие количества делящегося материала и является основным техническим достижением, которое привело к созданию нейтронные бомбы.[сомнительный – обсуждать]

Космогенные нейтроны

Основная статья: Космогенный нейтрон

Космогенные нейтроны, нейтроны, полученные от космическое излучение 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 азот-14 привести к образованию углерод-14 (14C), широко используемый в радиоуглеродное датирование.

Использует

Холодный, тепловой и горячей нейтронное излучение чаще всего используется в рассеяние и дифракция эксперименты, чтобы оценить свойства и структуру материалов в кристаллография, физика конденсированного состояния, биология, химия твердого тела, материаловедение, геология, минералогия, и смежные науки. Нейтронное излучение также используется в Боронейтронная терапия для лечения раковых опухолей из-за его высокой проникающей способности и разрушающего характера клеточной структуры. Нейтроны также можно использовать для получения изображений промышленных деталей, называемых нейтронная радиография при использовании пленки, нейтронной радиоскопии при получении цифрового изображения, например, через электронные матрицы, и нейтронная томография для трехмерных изображений. Нейтронная визуализация широко используется в ядерной, космической и аэрокосмической отраслях, а также в производстве взрывчатых веществ высокой надежности.

Механизмы и свойства ионизации

Нейтронное излучение часто называют косвенно ионизирующего излучения. Он не ионизирует атомы так, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны делаю (возбуждая электрон), потому что нейтроны не имеют заряда. Однако нейтронные взаимодействия в значительной степени ионизируют, например, когда поглощение нейтронов приводит к гамма-излучению и гамма-луч (фотон) впоследствии удаляет электрон из атома, или ядро, отскакивающее от нейтронного взаимодействия, ионизируется и вызывает более традиционную последующую ионизацию в других атомах. Поскольку нейтроны не заряжены, они проникают больше, чем альфа-излучение или же бета-излучение. В некоторых случаях они более проникающие, чем гамма-излучение, которое затруднено в материалах с высокой атомный номер. В материалах с низким атомным номером, таких как водород, гамма-излучение низкой энергии может быть более проникающим, чем нейтрон высокой энергии.

Опасности для здоровья и защита

В физика здоровья, нейтронное излучение - это вид радиационной опасности. Другая, более серьезная опасность нейтронного излучения - это нейтронная активация, способность нейтронного излучения индуцировать радиоактивность в большинстве веществ, с которыми он встречается, включая ткани тела.[2] Это происходит за счет захвата нейтронов ядрами атомов, которые превращаются в другие. нуклид, часто радионуклид. Этот процесс составляет большую часть радиоактивного материала, высвобождаемого в результате детонации ядерное оружие. Это также проблема в установках ядерного деления и ядерного синтеза, поскольку они постепенно делают оборудование радиоактивным, так что в конечном итоге его необходимо заменить и утилизировать как низкоактивные. радиоактивные отходы.

Нейтрон радиационная защита полагается на радиационная защита. 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 для защиты, чем утюг ядра. Легкие атомы служат для замедления нейтронов за счет упругое рассеяние чтобы они могли быть поглощены ядерные реакции. Однако в таких реакциях часто образуется гамма-излучение, поэтому для его поглощения необходимо предусмотреть дополнительную защиту. Следует проявлять осторожность, чтобы избежать использования ядер, которые подвергаются делению или захват нейтронов что вызывает радиоактивный распад ядер, производящих гамма-лучи.

Нейтроны легко проходят через большинство материалов, и, следовательно, поглощенная доза (измеряется в Серые ) от заданного количества радиации мало, но взаимодействия достаточно, чтобы вызвать биологический ущерб. Наиболее эффективные экранирующие материалы: воды, или же углеводороды подобно полиэтилен или же парафиновая свеча. 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.[3] Материалы на основе водорода подходят для защиты, поскольку они являются надлежащими барьерами от излучения.[4]

Конкретный (где значительное количество молекул воды химически связывается с цементом) и гравий обеспечивают дешевое решение благодаря комбинированной защите от гамма-лучей и 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 карбид бора, щит, обычно используемый там, где бетон будет непомерно дорогим. В коммерческих целях резервуары для воды или мазута, бетона, гравия и B4C - обычные экраны, которые окружают области большого количества нейтронный поток, например, ядерные реакторы. Кремнеземное стекло, пропитанное бором, стандартное боросиликатное стекло, высоко-борсодержащая сталь, парафин и Оргстекло имеют нишевое использование.

Потому что нейтроны, ударяющиеся о ядро ​​водорода (протон, или же дейтрон ) передают энергию этому ядру, они, в свою очередь, разрывают свои химические связи и проходят небольшое расстояние, прежде чем остановиться. Такие ядра водорода имеют высокую линейная передача энергии частиц и, в свою очередь, останавливаются ионизацией материала, через который они проходят. Следовательно, в живой ткани нейтроны имеют относительно высокую относительная биологическая 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.[5] Нейтроны особенно опасны для мягких тканей, таких как роговица глаза.

Воздействие на материалы

Нейтроны высоких энергий со временем повреждают и разрушают материалы; бомбардировка материалов нейтронами создает каскады столкновений что может произвести точечные дефекты и вывихи в материале, создание которого является основной движущей силой микроструктурных изменений, происходящих с течением времени в материалах, подвергшихся воздействию излучения. При высоких нейтронах флюенс это может привести к охрупчивание металлов и других материалов, а также набухание, вызванное нейтронами в некоторых из них. Это создает проблему для корпусов ядерных реакторов и значительно ограничивает их срок службы (который может быть несколько продлен контролируемым отжиг сосуда, уменьшая количество наростов). Графитовый замедлитель нейтронов блоки особенно подвержены этому эффекту, известному как Эффект Вигнера, и должны периодически отжигаться. В Уиндскейл огонь был вызван ошибкой во время такого отжига.

Радиационное повреждение материалов происходит 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 атом первичный ударный атом (ПКА). Поскольку PKA окружена другими атомами решетки, ее смещение и прохождение через решетку приводит ко многим последующим столкновениям и созданию дополнительных ударов по атомам, вызывая так называемый каскад столкновений или каскад смещения. Ударные атомы теряют энергию при каждом столкновении и обрываются как межстраничные объявления, эффективно создавая серию Дефекты Френкеля в решетке. Тепло также создается в результате столкновений (из-за потери электронной энергии), что, возможно, трансмутированные атомы. Величина ущерба такова, что единичный 1 МэВ нейтрон, создающий PKA в решетке железа, производит примерно 1100 пар Френкеля.[6] Все каскадное событие происходит в масштабе времени 1 × 10–13 секунд, и, следовательно, может быть "наблюдаемым" только при компьютерном моделировании события.[7]

Выбитые атомы оканчиваются в неравновесных позициях межузельной решетки, многие из которых аннигилируют, диффундируя обратно в соседние свободные узлы решетки и восстанавливая упорядоченную решетку. Те, которые не оставляют или не могут покинуть вакансии, что вызывает локальный рост концентрации вакансий намного выше равновесной концентрации. Эти вакансии, как правило, перемещаются в результате термодиффузия в сторону стоков вакансий (т. е. границы зерен, вывихи ), но существуют в течение значительного количества времени, в течение которого дополнительные частицы высокой энергии бомбардируют решетку, создавая каскады столкновений и дополнительные вакансии, которые мигрируют к стокам. Основной эффект облучения в решетке - это значительный и постоянный поток дефектов к стокам в так называемом дефект ветра. Вакансии также могут аннигилировать путем объединения друг с другом, чтобы сформировать дислокационные петли и позже, решетчатые пустоты.[6]

Каскад столкновений создает в материале намного больше вакансий и междоузлий, чем равновесие для данной температуры, и диффузионность в материале резко увеличивается в результате. Это приводит к эффекту, называемому радиационно-усиленная диффузия, что приводит к изменению микроструктуры материала с течением времени. Механизмов, ведущих к эволюции микроструктуры, много, они могут изменяться в зависимости от температуры, потока и плотности потока энергии и являются предметом обширных исследований.[8]

  • Радиационно-индуцированная сегрегация возникает в результате вышеупомянутого потока вакансий в сток, подразумевая поток атомов решетки от стоков; но не обязательно в той же пропорции, что и состав сплава в случае легированного материала. Следовательно, эти потоки могут привести к истощению легирующих элементов вблизи стоков. Для потока межузельных элементов, вносимых каскадом, эффект обратный: межузельные частицы диффундируют к стокам, что приводит к обогащению сплава около стока.[6]
  • Петли вывиха образуются, если вакансии образуют кластеры на плоскости решетки. Если эта концентрация вакансий расширяется в трех измерениях, a пустота формы. По определению, пустоты находятся под вакуумом, но могут стать заполненными газом в случае альфа-излучение (гелий) или если газ образуется в результате реакции трансмутации. Пустота тогда называется пузырем и приводит к размерной нестабильности (вызванному нейтронами набуханию) частей, подвергающихся облучению. Набухание представляет собой серьезную проблему при проектировании в долгосрочной перспективе, особенно для компонентов реактора, изготовленных из нержавеющей стали.[9] Сплавы с кристаллографическими изотропия, Такие как Zircaloys могут образовывать дислокационные петли, но не образуют пустот. Вместо этого петли образуются на определенных плоскостях решетки и могут привести к рост, вызванный облучением, явление, отличное от набухания, но оно также может вызывать значительные изменения размеров сплава.[10]
  • Облучение материалов также может вызвать фазовые превращения в материале: в случае Твердый раствор, обогащение или истощение растворенных веществ в стоках радиационно-индуцированная сегрегация может привести к осаждению новых фаз в материале.[11]

Механические эффекты этих механизмов включают: радиационное упрочнение, охрупчивание, слизняк, и крекинг с участием окружающей среды. Кластеры дефектов, дислокационные петли, пустоты, пузырьки и выделения, образовавшиеся в результате излучения в материале, все вносят свой вклад в упрочнение и охрупчивание (утрата пластичность ) в материале.[12] 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 продление срока службы ядерных реакторов во многом зависит от способности делать это безопасно. Слизняк 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 с участием окружающей среды или, более конкретно, коррозионное растрескивание под действием облучения (IASCC) особенно наблюдается в сплавах, подверженных нейтронному излучению и контактирующих с водой, вызванных поглощение водорода на концах трещин в результате радиолиз воды, что приводит к уменьшению энергии, необходимой для распространения трещины.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Юэ, А. Т .; Дьюи, М. С .; Gilliam, D.M .; Greene, G.L .; Лаптев, А.Б .; Nico, J. S .; Snow, W. M .; Витфельдт, Ф. Э. (27 ноября 2013 г.). «Улучшенное определение времени жизни нейтрона». Письма с физическими проверками. 111 (22): 222501. arXiv:1309.2623. Bibcode:2013PhRvL.111v2501Y. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.222501. PMID  24329445.
  2. ^ «Как радиация повреждает ткани». Университет штата Мичиган. Получено 2017-12-21.
  3. ^ «Защита от нейтронного излучения». www.frontier-cf252.com. Frontier Technology Corporation. Получено 2017-12-21.
  4. ^ Каррильо, Эктор Рене Вега (15 мая 2006 г.). «Эффективность нейтронной защиты полиэфира с увеличенным содержанием воды» (PDF). ТА-3 Дозиметрия и приборы. Получено 2017-12-21.
  5. ^ Специалист, WPI, службы экологической информации - Шон Денни, информационный архитектор; Майк Пиццути, графический дизайнер; Челен Нил, специалист по веб-информации; Кейт Бессьер, веб-информация. «Заключительный отчет Консультативного комитета по радиационным экспериментам с человеком». ehss.energy.gov. Получено 2017-12-21.
  6. ^ а б c d [Дананд, Дэвид. «Материалы в атомной энергетике». Материаловедение и инженерия 381: Материалы для энергоэффективных технологий. Северо-Западный университет, Эванстон. 3 февраля 2015 г. Лекция]
  7. ^ А. Стручбери, Е. Безакова "Время жизни тепловых всплесков от предравновесных эффектов пикосекундной длительности в сверхтонких магнитных полях после ионной имплантации". 3 мая. 1999 г.
  8. ^ Thomé, L .; Moll, S .; Debelle, A .; Гарридо, Ф .; Sattonnay, G .; Ягельский, Дж. (1 июня 2018 г.). «Радиационные эффекты в ядерной керамике». Достижения в области материаловедения и инженерии. 2012: 1–13. Дои:10.1155/2012/905474.
  9. ^ CAWTHORNE, C .; Фултон, Э. Дж. (1 ноября 1967 г.). «Пустоты в облученной нержавеющей стали». Природа. 216 (5115): 575–576. Bibcode:1967Натура.216..575C. Дои:10.1038 / 216575a0.
  10. ^ Адамсон, Р. «Влияние нейтронного излучения на микроструктуру и свойства циркалоя», 1977 г., 8 февраля 2015 г.
  11. ^ Хён Джу Джин, Тэ Гю Ким. «Характеристики нейтронного облучения циркалоя-4 в условиях эксплуатации исследовательского реактора». Летопись атомной энергетики. 13 сентября 2014 г. Интернет. 8 февраля 2015 г.
  12. ^ Бароч, CJ (1975). «Влияние облучения при 130, 650 и 775 ° F на растяжимые свойства циркалоя-4 при 70, 650 и 775 ° F». Воздействие излучения на конструкционные материалы. astm.org. ASTM International. С. 129–129–14. Дои:10.1520 / STP33683S. ISBN  978-0-8031-0539-3.

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

внешняя ссылка