Активация нейтронов - Neutron activation

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

Активация нейтронов это процесс, в котором нейтронное излучение побуждает радиоактивность в материалах, и возникает, когда атомные ядра захватывать свободные нейтроны, становясь тяжелее и входя возбужденные состояния. Возбужденное ядро ​​немедленно распадается, испуская гамма излучение, или частицы, такие как бета-частицы, альфа-частицы, продукты деления, и нейтроны (в ядерное деление ). Таким образом, процесс захват нейтронов даже после любого промежуточного распада часто приводит к образованию нестабильного активационный продукт. Такие радиоактивные ядра могут проявлять период полураспада 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 требуется двойной захват для достижения нестабильности, поскольку тритий (водород-3 ), а естественный кислород (кислород-16) требуется три захвата, чтобы стать нестабильным кислород-19. Таким образом, воду относительно сложно активировать по сравнению с хлорид натрия (NaCl ), в котором ионы натрия и хлора становятся нестабильными при однократном захвате каждого. Эти факты были подтверждены на собственном опыте Операция Перекресток серия атомных испытаний в 1946 году.

Примеры

Основная статья: Захват нейтронов

Пример такого рода ядерной реакции имеет место при производстве кобальт-60 в пределах ядерный реактор: Кобальт-60 затем распадается с испусканием бета-частица плюс гамма излучение в никель -60. Эта реакция имеет период полураспада около 5,27 года, и из-за доступности кобальт-59 (100% его природное изобилие ), бомбардированный нейтронами изотоп кобальт ценный источник ядерное излучение (а именно гамма-излучение) для лучевая терапия.[1]

В других случаях и в зависимости от кинетическая энергия нейтрона, захват нейтрона может вызвать ядерное деление - 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 литий, литий-7, бомбардируется быстрыми нейтронами и претерпевает следующую ядерную реакцию:

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

Другими словами, захват нейтрона литием-7 заставляет его расщепляться на энергетический гелий ядро (альфа-частица ), а водород-3 (тритий ) ядро ​​и свободный нейтрон. В Замок Браво авария, в которой испытание термоядерной бомбы на Атолл Эниветак в 1954 г. произошел взрыв с выходом в 2,5 раза превышающим ожидаемый, что было вызвано неожиданно высокой вероятностью этой реакции.

В окрестностях реакторы с водой под давлением или же реакторы с кипящей водой во время нормальной работы создается значительное количество излучения из-за быстрый нейтрон активация кислорода охлаждающей воды через (n, p) реакция. Активированное ядро ​​кислорода-16 испускает протон (ядро водорода) и превращается в азот-16, который имеет очень короткую жизнь (7,13 секунды) перед тем, как снова распасться до кислорода-16 (испускать 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 дополнительных биологическая защита 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 установках, в которых размещался циклотрон, железобетон фундамент может стать радиоактивным из-за активации нейтронов. Шесть важных долгоживущих радиоактивных изотопов (54Mn, 55Fe, 60Co, 65Zn, 133Ba, и 152Eu) можно найти в конкретных ядрах, пораженных нейтронами.[3] Остаточная радиоактивность в основном обусловлена ​​присутствующими микроэлементами, и, таким образом, количество радиоактивности, полученное в результате циклотронной активации, незначительно, то есть pCi / g или Бк / г. 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

Вхождение

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 раскол источник нейтронов.

В атомном оружии нейтроны генерируются в течение от 1 до 50 микросекунд, но в огромных количествах. Большинство из них поглощается металлической оболочкой бомбы, на которую только-только начинает воздействовать взрыв внутри нее. Нейтронная активация металла, который скоро испарится, ответственна за значительную часть радиоактивные осадки 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

В любом месте с высоким нейтронные потоки, например, в активной зоне ядерных реакторов, активация нейтронами способствует эрозии материала; периодически сами облицовочные материалы необходимо утилизировать, как низкоуровневые 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 хромированная сталь (который содержит Cr-50), который подвергается воздействию типичного реакторного нейтронного потока.[5]

Углерод-14, наиболее часто, но не исключительно, генерируются нейтронной активацией атмосферного азота-14 с тепловой нейтрон, является (вместе с его доминирующим естественным путем производства из взаимодействия космических лучей и воздуха и исторического производства из ядерные испытания в атмосфере ) также генерируется в сравнительно небольших количествах внутри многих конструкций ядерных реакторов, которые содержат примеси газообразного азота в своих оболочка твэла, охлаждающая вода и нейтронной активацией кислорода, содержащегося в самой воде. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах (FBR) производят примерно на порядок меньше C-14, чем реакторы самого распространенного типа, реактор с водой под давлением, так как FBR не используют воду в качестве теплоносителя первого контура.[6]

Использует

Радиационная безопасность

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

Один из способов продемонстрировать это термоядерная реакция произошло внутри фузор использовать счетчик Гейгера для измерения гамма-радиоактивности, исходящей от листа алюминиевая фольга.

в ICF При подходе к термоядерному синтезу мощность термоядерного синтеза в эксперименте (прямо пропорциональная образованию нейтронов) обычно определяется путем измерения гамма-излучения алюминиевых или медных мишеней активации нейтронов.[8] Алюминий может захватывать нейтрон и генерировать радиоактивные натрий-24, период полураспада которого составляет 15 часов.[9][10] и энергия бета-распада 5,514 МэВ.[11]

Активация ряда целевых элементов тестирования, таких как сера, медь, тантал, и золото были использованы для определения урожайности как чистое деление[12][13] и термоядерное оружие.[14]

Анализ материалов

Основная статья: Нейтронно-активационный анализ

Нейтронно-активационный анализ это один из самых чувствительных и точных методов анализа микроэлементов. 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, 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 может быть выполнен на месте. Например, алюминий (Al-27) можно активировать, улавливая нейтроны относительно низкой энергии, чтобы произвести изотоп Al-28, который распадается с периодом полураспада 2,3 минуты с энергией распада 4,642 МэВ.[15] Этот активированный изотоп используется при бурении нефтяных скважин для определения глина содержание (глина обычно алюмосиликатный ) подземного участка разведки.[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 тринитит, и, следовательно, его отсутствие, вероятно, означает поддельный образец минерала, является продуктом активации нейтронов бария, барий в Устройство Trinity исходящий из медленная взрывчатка линза используется в устройстве, известном как Баратол.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Руководство для радиоизотопов реакторного производства от Международное агентство 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 эффективности портативного детектора CZT для». Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах. 171: 705–713. Дои:10.1080/10420150.2016.1244675.
  4. ^ Комиссия по ядерному регулированию 10 CFR 20.1402. «Стандарты защиты от радиации».
  5. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-03-05. Получено 2014-03-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  6. ^ "Серия технических отчетов МАГАТЭ № 421, Обращение с отходами, содержащими тритий и углерод-14" (PDF).
  7. ^ Отчет ORNL В архиве 2013-10-01 на Wayback Machine по определению дозы от аварий с критичностью
  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 изотопа». Aanda.org. 1998-03-02. Получено 2019-11-14.
  10. ^ [1]
  11. ^ http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#sodium24 В архиве 2006-07-05 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 г.. Фонд исследования радиационных эффектов. С. 42–43. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-08-10. Получено 2014-03-13.
  13. ^ Малик, Джон (сентябрь 1985). "Результаты взрывов Хиросимы и Нагасаки" (PDF). Лос-Аламосская национальная лаборатория. Получено 9 марта, 2014.
  14. ^ Армия США (1952 г.). Заключительный отчет Операции Плющ Совместная рабочая группа 132 (PDF).
  15. ^ http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#aluminium28 В архиве 2006-07-05 на Wayback Machine
  16. ^ «Результаты поиска - Глоссарий по нефтяным месторождениям Schlumberger». www.glossary.oilfield.slb.com.
  17. ^ Парех, П.П .; 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. Дои:10.1016 / j.jenvrad.2005.01.017. PMID  16102878.

внешняя ссылка

дальнейшее чтение