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

Нейтронное излучение - это форма ионизирующего излучения, которое проявляется в виде свободных нейтронов . Типичными явлениями являются ядерное деление или ядерный синтез, вызывающие высвобождение свободных нейтронов, которые затем вступают в реакцию с ядрами других атомов с образованием новых изотопов, что, в свою очередь, может вызвать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны, они распадаются на протон , электрон и антиэлектронное нейтрино со средним временем жизни 887 секунд (14 минут 47 секунд). [1]

Источники [ править ]

Основная статья: Источник нейтронов
См. Также: Категория: Источники нейтронов

Нейтроны могут испускаться в результате ядерного синтеза или деления ядер или других ядерных реакций, таких как радиоактивный распад или взаимодействия частиц с космическими лучами или внутри ускорителей частиц . Крупные источники нейтронов встречаются редко и обычно ограничиваются крупногабаритными устройствами, такими как ядерные реакторы или ускорители частиц , включая источник нейтронов отщепления .

Нейтронное излучение было обнаружено от наблюдения в альфа - частицы при столкновении с бериллиевым ядром , который был преобразован в углеродного ядра в то время испускания нейтрона , Be ( α , п ) C . Комбинация эмиттера альфа-частиц и изотопа с большой ( α , n ) вероятностью ядерной реакции по-прежнему является обычным источником нейтронов.

Нейтронное излучение от деления [ править ]

Нейтроны в ядерных реакторах обычно классифицируются как медленные (тепловые) нейтроны или быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. По распределению энергии (распределение Максвелла – Больцмана ) тепловые нейтроны подобны газу в термодинамическом равновесии ; но легко захватываются атомными ядрами и являются основным средством ядерной трансмутации элементов .

Для достижения эффективной цепной реакции деления нейтроны, образующиеся при делении, должны быть захвачены делящимися ядрами, которые затем расщепляются, высвобождая больше нейтронов. В большинстве конструкций реакторов деления, то ядерное топливо не достаточно рафинированные , чтобы поглотить достаточно быстрые нейтроны нести на цепной реакции, в связи с более низким сечением для больших энергий нейтронов, так замедлитель нейтронов должны быть введен , чтобы замедлить быстрые нейтроны вниз к тепловым скоростям, 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.

Космогенные нейтроны [ править ]

Основная статья: Космогенный нейтрон

Космогенные нейтроны, нейтроны, произведенные космическим излучением в атмосфере или на поверхности Земли, а также нейтроны, произведенные 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 ( 14 C), широко используемого в радиоуглеродном датировании .

Использует [ редактировать ]

Излучение холодных , тепловых и горячих нейтронов чаще всего используется вэкспериментахпо рассеянию и дифракции для оценки свойств и структуры материалов в кристаллографии , физике конденсированного состояния , биологии , химии твердого тела , материаловедении , геологии , минералогии и смежных науках. Нейтронное излучение также используется в терапии с захватом нейтронов бора.для лечения раковых опухолей из-за его высокой проникающей способности и повреждающего характера клеточной структуры. Нейтроны также могут использоваться для визуализации промышленных деталей, называемой нейтронной радиографией, при использовании пленки, нейтронной радиоскопии при получении цифрового изображения, например, через электронные матрицы, и нейтронной томографии 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 [ править ]

Нейтронное излучение часто называют косвенно 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, и гамма-излучение (фотон) впоследствии удаляет электрон из атома, или ядро, отскакивающее от нейтронного взаимодействия, ионизируется и вызывает более традиционную последующую ионизацию в других атомы. Поскольку нейтроны не заряжены, они проникают больше, чем альфа-излучение или бета-излучение.. В некоторых случаях они более проникающие, чем гамма-излучение, что затруднено в материалах с большим атомным номером . 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 [ править ]

В физике здоровья нейтронное излучение является разновидностью радиационной опасности. Другой, более серьезной опасностью нейтронного излучения является активация нейтронов , способность нейтронного излучения вызывать радиоактивность в большинстве веществ, с которыми оно сталкивается, включая ткани тела. [2] Это происходит за счет захвата нейтронов атомными ядрами, которые превращаются в другой нуклид , часто радионуклид . Этот процесс составляет большую часть радиоактивного материала, высвобождаемого при взрыве ядерного оружия.. Это также проблема в установках ядерного деления и ядерного синтеза, поскольку они постепенно делают оборудование радиоактивным, и в конечном итоге его необходимо заменить и утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы .

Защита от нейтронного излучения основана на радиационной защите . 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 ядра железа . Легкие атомы служат для замедления нейтронов за счет упругого рассеяния, чтобы затем они могли поглощаться ядерными реакциями.. Однако в таких реакциях часто образуется гамма-излучение, поэтому для его поглощения необходимо обеспечить дополнительную защиту. Следует проявлять осторожность, чтобы избежать использования ядер, которые подвергаются делению или захвату нейтронов, что вызывает радиоактивный распад ядер с образованием гамма-лучей.

Нейтроны легко проходят через большую часть материала, и, следовательно, поглощенная доза (измеряемая в серых тонах ) от данного количества излучения мала, но взаимодействует достаточно, чтобы вызвать биологический ущерб. Наиболее эффективными защитными материалами являются вода или углеводороды, такие как полиэтилен или парафиновый воск . Водонаполненный полиэстер (WEP) эффективен в качестве экранирующей стены в суровых условиях благодаря высокому содержанию водорода и огнестойкости, что позволяет использовать его в различных областях ядерной промышленности, физики здравоохранения и оборонной промышленности. [3] Материалы на основе водорода подходят для защиты, поскольку они являются надлежащими барьерами от излучения. [4]

Бетон (где значительное количество молекул воды химически связывается с цементом) и гравий представляют собой дешевое решение из-за их комбинированной защиты 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 непомерно дорогим. С коммерческой точки зрения резервуары для воды или мазута, бетона, гравия и B 4 C являются обычными экранами, которые окружают области большого количества нейтронного потока , например ядерные реакторы. Кремнеземное стекло, пропитанное бором, стандартное боросиликатное стекло ,борсодержащая сталь , парафин и оргстекло используются нишами.

Поскольку нейтроны, которые ударяют ядро ​​водорода ( протон или дейтрон ), передают энергию этому ядру, они, в свою очередь, разрываются от своих химических связей и проходят небольшое расстояние, прежде чем остановиться. 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 обладают относительно высокой относительной биологической эффективностью 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 [ править ]

Нейтроны высоких энергий 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 с течением времени в материалах, подвергшихся воздействию излучения. При высоких флюенсах нейтронов это может привести к охрупчиванию металлов и других материалов, а также к вызванному нейтронами набуханию некоторых из них. Это создает проблему для корпусов ядерных реакторов и значительно ограничивает их срок службы (который может быть несколько продлен путем контролируемого отжига.сосуда, уменьшая количество образовавшихся вывихов). Блоки графитовых замедлителей нейтронов особенно подвержены этому эффекту, известному как эффект Вигнера , и их необходимо периодически подвергать отжигу. Пожара Ветрочешуйчатый была вызвана неудачей во время такой операции дла отжиг.

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 так называемым первичным ударным атомом (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 превращаются в межузельные частицы , эффективно создавая серию дефектов Френкеля.в решетке. Тепло также создается в результате столкновений (из-за потери электронной энергии), как и, возможно, трансмутированные атомы . Величина повреждения такова, что один нейтрон с энергией 1 МэВ, создающий PKA в решетке железа, производит приблизительно 1100 пар Френкеля. [6] Все каскадное событие происходит в масштабе времени 1 × 10 -13 секунд, и поэтому его можно «наблюдать» только при компьютерном моделировании события. [7]

Выбитые атомы оканчиваются в неравновесных положениях 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 превышающий равновесную концентрацию. Эти вакансии имеют тенденцию мигрировать в результате термодиффузии к стокам вакансий (т. Е. К границам зерен , дислокациям), 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. Основным эффектом облучения в решетке является значительный и постоянный поток дефектов к стокам в так называемом дефектном ветре . Вакансии также могут аннигилировать путем объединения друг с другом с образованием дислокационных петель, а затем и пустот в решетке . [6]

Каскад столкновений создает в материале намного больше вакансий и междоузлий, чем равновесие для данной температуры, и в результате коэффициент диффузии в материале резко увеличивается. Это приводит к эффекту, называемому усиленной радиацией диффузией , которая приводит к изменению микроструктуры материала с течением времени. Механизмов, ведущих к эволюции микроструктуры, много, они могут варьироваться в зависимости от температуры, потока и плотности потока энергии и являются предметом обширных исследований. [8]

  • Радиационно-индуцированная сегрегация является результатом вышеупомянутого потока вакансий к стокам, что подразумевает 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 частиц, вносимых каскадом, эффект обратный: межузельные частицы диффундируют к стокам, что приводит к обогащению сплава рядом со стоком. [6]
  • Дислокационные петли образуются, если вакансии образуют кластеры на плоскости решетки. Если эта концентрация вакансий расширяется в трех измерениях, образуется пустота . По определению, пустоты находятся под вакуумом, но могут стать заполненными газом в случае излучения альфа-частиц (гелий) или если газ образуется в результате реакций трансмутации . Пустота тогда называется пузырем и приводит к размерной нестабильности (вызванному нейтронами набуханию) частей, подвергающихся радиационному воздействию. Набухание представляет собой серьезную долговременную конструктивную проблему, особенно для компонентов реактора, изготовленных из нержавеющей стали. [9] Сплавы с кристаллографической изотропией , такие как циркалои.могут образовывать дислокационные петли, но не образуют пустот. Вместо этого петли образуются на определенных плоскостях решетки и могут привести к вызванному облучением росту , явлению, отличному от набухания, но которое также может приводить к значительным изменениям размеров в сплаве. [10]
  • Облучение материалов также может вызывать фазовые превращения в материале: в случае твердого раствора обогащение или истощение растворенных веществ в стоках, вызванная излучением сегрегация, может привести к выделению новых фаз в материале. [11]

Механические эффекты этих механизмов включают упрочнение под воздействием облучения , охрупчивание , ползучесть и растрескивание под воздействием окружающей среды . Группы дефектов, дислокационные петли, пустоты, пузырьки и выделения, образующиеся в результате излучения в материале, - все это способствует упрочнению и охрупчиванию (потере пластичности ) материала. [12]Охрупчивание представляет особую озабоченность для материала, составляющего корпус реактора под давлением, в результате чего энергия, необходимая для разрушения корпуса, значительно снижается. 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 под воздействием окружающей среды или, более конкретно, коррозионное растрескивание под действием облучения (IASCC) наблюдается, особенно в сплавах, подверженных нейтронному излучению и контактирующих с водой, вызванных:поглощение водорода на концах трещины в результате радиолиза воды, приводящее к снижению энергии, необходимой для распространения трещины. [6]

См. Также [ править ]

  • Эмиссия нейтронов
  • Нейтронный поток
  • Нейтронная радиография

Ссылки [ править ]

  1. ^ Юэ, AT; Дьюи, MS; Гиллиам, DM; Грин, GL; Лаптев, АБ; Нико, JS; Снег, WM; Wietfeldt, FE (27 ноября 2013 г.). «Улучшенное определение времени жизни нейтрона». Письма с физическим обзором . 111 (22): 222501. arXiv : 1309.2623 . Bibcode : 2013PhRvL.111v2501Y . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.222501 . PMID  24329445 .
  2. ^ «Как радиация повреждает ткани» . Университет штата Мичиган . Проверено 21 декабря 2017 .
  3. ^ «Защита от нейтронного излучения» . www.frontier-cf252.com . Корпорация Frontier Technology . Проверено 21 декабря 2017 .
  4. ↑ Каррильо, Эктор Рене Вега (15 мая 2006 г.). «Эффективность нейтронной защиты полиэфира с увеличенным содержанием воды» (PDF) . ТА-3 Дозиметрия и приборы . Проверено 21 декабря 2017 .
  5. ^ Специалист WPI, Службы экологической информации - Шон Денни, информационный архитектор; Майк Пиццути, графический дизайнер; Челин Нил, специалист по веб-информации; Кейт Бессьер, веб-информация. «Заключительный отчет Консультативного комитета по радиационным экспериментам с человеком» . ehss.energy.gov . Проверено 21 декабря 2017 .
  6. ^ a b c d [Дананд, Дэвид. «Материалы в атомной энергетике». Материаловедение и инженерия 381: Материалы для энергоэффективных технологий. Северо-Западный университет, Эванстон. 3 фев. 2015. Лекция]
  7. ^ А. Стручбери, Е. Безакова "Время жизни теплового всплеска 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. DOI : 10.1155 / 2012/905474 .
  9. ^ CAWTHORNE, C .; ФУЛТОН, ЭДЖ. (1 ноября 1967 г.). «Пустоты в облученной нержавеющей стали». Природа . 216 (5115): 575–576. Bibcode : 1967Natur.216..575C . DOI : 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. ^ Baroch, 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. DOI : 10,1520 / STP33683S . ISBN 978-0-8031-0539-3.

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Определения различных терминов EPA
  • Сравнение нейтронных и рентгеновских изображений.
  • Нейтронные методы Уникальный инструмент для исследований и разработок