Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Наука с нейтронами
Neutron.svg
Фонды
Рассеяние нейтронов
Другие приложения
Инфраструктура
Нейтронные объекты
  • Америка: HFIR  · LANSCE  · NIST CNR - SNS
  • Австралия: OPAL
  • Азия: J-PARC  · HANARO
  • Европа: BER II  · FRM II  · ILL  · Нейтронный и мюонный источник ISIS  · ОИЯИ  · LLB  · PINS  · SINQ
  • Исторический: IPNS  · HFBR
  • В стадии строительства: ESS
  • v
  • т
  • е

Нейтронная активация - это процесс, при котором нейтронное излучение вызывает радиоактивность материалов, и происходит, когда атомные ядра захватывают свободные нейтроны , становятся тяжелее и переходят в возбужденные состояния . Возбужденное ядро ​​немедленно распадается, испуская гамма-лучи или частицы, такие как бета-частицы , альфа-частицы , продукты деления и нейтроны (при 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 от малых долей секунды до многих лет.

Нейтронная активация - единственный распространенный способ заставить стабильный материал стать радиоактивным по своей природе. Все природные материалы, включая воздух, воду и почву, могут быть индуцированы (активированы) путем захвата нейтронов 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 вероятность однократного захвата. Например, вода состоит из водорода и кислорода. Водород требует двойного захвата для достижения нестабильности в виде трития ( водород-3 ), в то время как природный кислород(кислород-16) требуется три захвата, чтобы стать нестабильным кислородом-19 . Таким образом , вода является относительно трудно для активации, по сравнению с хлоридом натрия ( Na Cl ), в которых как ионы хлора , натрия и стать неустойчивым с помощью одного захвата каждого. Эти факты были получены из первых рук в ходе серии атомных испытаний Operation Crossroads в 1946 году.

Примеры [ править ]

Основная статья: нейтронный захват

Пример такого рода ядерной реакции происходит при производстве кобальта-60 в ядерном реакторе : затем кобальт-60 распадается с испусканием бета-частицы плюс гамма-лучи в никель- 60. Эта реакция имеет период полураспада около 5,27 года, и благодаря доступности кобальта-59 (100% от его естественного содержания ) этот изотоп кобальта, подвергнутый бомбардировке нейтронами, является ценным источником ядерного излучения (а именно гамма-излучения) для лучевой терапии. . [1]

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:

7 3Ли + 1 0п → 4 2Он + 3 1ЧАС + 1
0п
+ гамма-лучи + кинетическая энергия

Другими словами, захват нейтрона литием-7 заставляет его расщепляться на энергичное ядро гелия ( альфа-частица ), ядро водорода-3 ( тритий ) и свободный нейтрон. Замок Браво авария, в которой тест бомбы термоядерного на Эниветках в 1954 году в разобранной с 2,5 раза ожидаемой доходности, была вызвана неожиданно высокой вероятностью этой реакции.

В областях вокруг реакторов с водой под давлением или реакторов с кипящей водой во время нормальной работы создается значительное количество излучения из-за быстрой нейтронной активации кислорода охлаждающей воды через (n, p) -реакцию . 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). [2]

16 8О + 1 0п → 1 1п + 16 7N (Быстро распадается)
59 27Co + 1 0п → 60 27Co
16
7N
 → γ + 0 -1е- + 16
8О

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.

В помещениях, где размещался циклотрон, железобетонный фундамент может стать радиоактивным из-за активации нейтронов. Шесть важных долгоживущих радиоактивных изотопов ( 54 Mn, 55 Fe, 60 Co, 65 Zn, 133 Ba и 152 Eu) можно найти в конкретных ядрах, пораженных нейтронами. [3] Остаточная радиоактивность в основном обусловлена ​​присутствующими микроэлементами, и, таким образом, количество радиоактивности, обусловленное активацией циклотрона, является незначительным, то есть pCi / g или Bq / g . Предел выброса для установок с остаточной радиоактивностью составляет 25 мбэр / год. [4] Пример 55Производство Fe при активации железной арматуры показано ниже:

54 26Fe + 1 0п → 55 26Fe

Происшествие [ править ]

Нейтронная активация - единственный распространенный способ заставить стабильный материал стать радиоактивным по своей природе. Нейтроны свободны только в микросекундах взрыва ядерного оружия, в активном ядерном реакторе или в источнике нейтронов отщепления .

В атомном оружии нейтроны генерируются от 1 до 50 микросекунд, но в огромных количествах. Большинство из них поглощается металлической оболочкой бомбы, на которую только-только начинает влиять взрыв внутри 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.

Воздействие на материалы с течением времени [ править ]

В любом месте с высокими потоками нейтронов , например в активной зоне ядерных реакторов, активация нейтронов способствует эрозии материала; периодически сами облицовочные материалы должны утилизироваться как низкоактивные радиоактивные отходы . Некоторые материалы более подвержены нейтронной активации, чем другие, поэтому подходящим образом выбранный материал с низкой активацией может значительно уменьшить эту проблему (см. International Fusion Materials Irradiation Facility ). Например, хром-51 будет образовываться нейтронной активацией в хромистой стали (которая содержит Cr-50), которая подвергается воздействию типичного реакторного нейтронного потока. [5]

Углерод-14 , чаще всего, но не исключительно, генерируется нейтронной активацией атмосферного азота-14 тепловыми нейтронами (вместе с его доминирующим естественным путем взаимодействия космических лучей с воздухом и историческим производством в результате ядерных испытаний в атмосфере ). сравнительно небольшие количества внутри многих конструкций ядерных реакторов, которые содержат примеси газообразного азота в их топливных оболочках , охлаждающую воду и нейтронную активацию кислорода, содержащегося в самой воде. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах (FBR) производят примерно на порядок меньше C-14, чем реакторы наиболее распространенного типа, реакторы с водой под давлением., поскольку FBR не используют воду в качестве теплоносителя первого контура. [6]

Использует [ редактировать ]

Радиационная безопасность [ править ]

Для врачей и сотрудников службы радиационной безопасности активация натрия в организме человека до натрия-24 и фосфора до фосфора-32 может дать хорошую немедленную оценку острого аварийного нейтронного облучения. [7]

Обнаружение нейтронов [ править ]

Один из способов продемонстрировать, что ядерный синтез произошел внутри фузорного устройства, - это использовать счетчик Гейгера для измерения радиоактивности гамма-излучения, производимого листом алюминиевой фольги .

В термоядерном подходе ICF мощность термоядерного синтеза в эксперименте (прямо пропорциональная производству нейтронов) обычно определяется путем измерения гамма-излучения алюминиевых или медных мишеней активации нейтронов. [8] Алюминий может захватывать нейтрон и генерировать радиоактивный натрий-24 с периодом полураспада 15 часов [9] [10] и энергией бета-распада 5,514 МэВ. [11]

Активация ряда тестовых элементов-мишеней, таких как сера , медь, тантал и золото , использовалась для определения выхода как чистого деления [12] [13], так и термоядерного оружия . [14]

Анализ материалов [ править ]

Основная статья: Анализ активации нейтронов

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 ценному произведению искусства. Хотя активация вызывает радиоактивность в объекте, ее уровень обычно 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 провести на месте. Например, алюминий (Al-27) может быть активирован путем захвата нейтронов относительно низкой энергии с образованием изотопа Al-28 , который распадается с периодом полураспада 2,3 минуты с энергией распада 4,642 МэВ. [15] Этот активированный изотоп используется в бурении нефтяных скважин для определения глины содержания (глина обычно представляет собой алюмосиликат ) подземную площадь под разведкой. [16]

Историки могут использовать случайную активацию нейтронов для аутентификации атомных артефактов и материалов, подвергшихся нейтронным потокам от инцидентов деления. Например, один из довольно уникальных изотопов, обнаруженных в тринитите , и, следовательно, его отсутствие, вероятно, означает поддельный образец минерала, представляет собой продукт активации нейтронов бария, барий в устройстве Trinity поступает из медленной взрывной линзы, используемой в устройстве. , известный как Баратол . [17]

См. Также [ править ]

  • Индуцированная радиоактивность
  • Нейтронно-активационный анализ
  • Фосфор-32 образуется, когда сера захватывает нейтрон.
  • Солёная бомба
  • Таблица нуклидов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Руководство по радиоизотопам, произведенным на реакторах, от Международного агентства по атомной энергии.
  2. ^ Neeb, Карл Хайнц (1997). Радиохимия атомных электростанций с легководными реакторами . Берлин-Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п. 227. ISBN. 3-11-013242-7.
  3. ^ Вичи, Сара (2016). «Калибровка КПД портативного детектора CZT для». Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах . 171 : 705–713. DOI : 10.1080 / 10420150.2016.1244675 .
  4. ^ Комиссия по ядерному регулированию 10 CFR 20.1402. «Стандарты защиты от радиации» .
  5. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2014-03-05 . Проверено 5 марта 2014 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  6. ^ "Серия технических отчетов МАГАТЭ № 421, Обращение с отходами, содержащими тритий и углерод-14" (PDF) .
  7. ^ ОРНЛ Отчет архивации 2013-10-01 в Wayback Machine по определению дозы от критичности аварий
  8. ^ Стивен Падалино; Хизер Оливер и Джоэл Найквист. «Измерение выхода нейтронов DT с использованием нейтронной активации алюминия» . Соавторы LLE: Владимир Смалюканд, Нэнси Роджерс.
  9. ^ «4 идентифицированных радиоактивных изотопов» . Aanda.org. 1998-03-02 . Проверено 14 ноября 2019 .
  10. ^ [1]
  11. ^ http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#sodium24 Архивировано 5 июля 2006 г. на Wayback Machine
  12. ^ Керр, Джордж Д .; Янг, Роберт В .; Cullings, Гарри М .; Кристи, Роберт Ф. (2005). «Параметры бомбы» (PDF) . В Роберте В. Янге, Джордже Д. Керре (ред.). Переоценка дозиметрии излучения атомной бомбы для Хиросимы и Нагасаки - система дозиметрии 2002 . Фонд исследования радиационных эффектов. С. 42–43. Архивировано из оригинального (PDF) 10 августа 2015 года . Проверено 13 марта 2014 .
  13. ^ Малик, Джон (сентябрь 1985). «Результаты взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 9 марта 2014 года .
  14. ^ Армия США (1952). Заключительный отчет совместной рабочей группы по операции «Плющ» 132 (PDF) .
  15. ^ http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#aluminium28 Архивировано 5 июля 2006 г. на Wayback Machine
  16. ^ «Результаты поиска - Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger» . www.glossary.oilfield.slb.com .
  17. ^ Парех, PP; Семков, TM; Торрес, Массачусетс; Haines, DK; Купер, Дж. М.; Розенберга, ПМ; Киттоа, Мэн (2006). «Радиоактивность Тринитита шесть десятилетий спустя» (PDF) . Журнал экологической радиоактивности . 85 (1): 103–120. CiteSeerX 10.1.1.494.5179 . DOI : 10.1016 / j.jenvrad.2005.01.017 . PMID 16102878 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Сеть Neutron Activation Analysis
  • Справочник по поперечным сечениям ядерной активации, МАГАТЭ, 1974 г.
  • Данные о распаде в формате MIRD из Национального центра ядерных данных в Брукхейвенской национальной лаборатории
  • Захват нейтронов в связи с нуклеосинтезом
  • Захват нейтронов и карта нуклидов
  • Карта нуклидов
  • Открытие изотопов хрома, хрома-55, путем захвата нейтронов Cr-54
  • ORILL  : 1D трансмутация, истощение топлива и код радиологической защиты

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Армия США (1952 г.). Заключительный отчет совместной рабочей группы по операции «Плющ» 132 (PDF) .