Нейтронное излучение — это форма ионизирующего излучения , которое представляет собой свободные нейтроны . Типичными явлениями являются ядерное деление или ядерный синтез , вызывающий высвобождение свободных нейтронов, которые затем реагируют с ядрами других атомов с образованием новых нуклидов , что, в свою очередь, может вызвать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны и распадаются на протон , электрон и электронное антинейтрино . Свободные нейтроны имеют среднее время жизни 887 секунд (14 минут 47 секунд). [1]
Нейтронное излучение отличается от альфа- , бета- и гамма -излучения.
Нейтроны могут испускаться в результате ядерного синтеза или ядерного деления , а также в результате других ядерных реакций, таких как радиоактивный распад или взаимодействие частиц с космическими лучами или внутри ускорителей частиц . Крупные источники нейтронов встречаются редко и обычно ограничиваются устройствами большого размера, такими как ядерные реакторы или ускорители частиц , включая источник расщепленных нейтронов .
Нейтронное излучение было обнаружено при наблюдении альфа-частицы, сталкивающейся с ядром бериллия , которое превращалось в ядро углерода при испускании нейтрона Be ( α , n ) C . Комбинация эмиттера альфа-частиц и изотопа с большой вероятностью ядерной реакции ( α , n ) до сих пор является распространенным источником нейтронов.
Нейтроны в ядерных реакторах обычно делятся на медленные (тепловые) нейтроны или быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. Тепловые нейтроны по распределению энергии ( распределение Максвелла-Больцмана ) подобны газу, находящемуся в термодинамическом равновесии ; но легко захватываются атомными ядрами и являются основным средством, с помощью которого элементы подвергаются ядерной трансмутации .
Для достижения эффективной цепной реакции деления нейтроны, образующиеся при делении, должны захватываться 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 меньшего сечения нейтронов более высоких энергий, поэтому необходимо ввести замедлитель нейтронов , чтобы замедлить быстрые нейтроны. тепловых скоростей, чтобы обеспечить достаточное поглощение. К распространенным замедлителям нейтронов относятся графит , обычная (легкая) вода и тяжелая вода . Несколько реакторов ( реакторы на быстрых нейтронах ) и все ядерное оружие основаны на быстрых нейтронах.
Космогенные нейтроны, нейтроны, образующиеся в результате космического излучения в атмосфере или на поверхности Земли, а также нейтроны, производимые в ускорителях частиц, могут иметь значительно более высокую энергию, чем те, которые встречаются в реакторах. Большинство из них активируют ядро еще до того, как достигнут земли; некоторые реагируют с ядрами в воздухе [ необходимы разъяснения ] . Реакции с азотом-14 приводят к образованию углерода-14 ( 14 С), широко используемого при радиоуглеродном датировании .
Холодное , тепловое и горячее нейтронное излучение чаще всего используется в экспериментах по 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 бор-нейтронозахватной терапии для лечения раковых опухолей из-за его высокой проникающей способности и повреждающего клеточную структуру. Нейтроны также можно использовать для визуализации промышленных деталей, называемой нейтронной радиографией при использовании пленки, нейтронной радиоскопией при получении цифрового изображения, например, с помощью пластин с изображением, и нейтронной томографии для трехмерных изображений. Нейтронная визуализация обычно используется в атомной, космической и аэрокосмической промышленности, а также в производстве высоконадежных взрывчатых веществ.
Нейтронное излучение часто называют косвенно ионизирующим излучением . Он не ионизирует атомы так, как это делают заряженные частицы, такие как протоны и электроны (возбуждая электрон), поскольку нейтроны не имеют заряда. Однако взаимодействия нейтронов в значительной степени ионизирующие, например, когда поглощение нейтрона приводит к гамма-излучению, а гамма-луч (фотон) впоследствии удаляет электрон из атома, или ядро, отталкивающееся от взаимодействия нейтрона, ионизируется и вызывает более традиционную последующую ионизацию в других случаях. атомы. Поскольку нейтроны не заряжены, они обладают большей проникающей способностью, чем альфа- или бета-излучение . В некоторых случаях они более проникающие, чем гамма-излучение, которому препятствуют материалы с высоким атомным номером . В материалах с низким атомным номером, таких как водород , гамма-лучи низкой энергии могут быть более проникающими, чем нейтроны высокой энергии.
В физике здравоохранения нейтронное излучение является видом радиационной опасности. Другой, более серьезной опасностью нейтронного излучения является нейтронная активация , 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 преобразуются в другой нуклид , часто радионуклид . На этот процесс приходится большая часть радиоактивного материала, высвобождаемого при взрыве ядерного оружия . Это также проблема для установок ядерного деления и ядерного синтеза, поскольку оно постепенно делает оборудование настолько радиоактивным, что 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 тяжелым и опасным для всего организма при воздействии на него внешних источников радиации. По сравнению с обычным ионизирующим излучением, основанным на фотонах или заряженных частицах, нейтроны многократно отскакивают 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 быть поглощены ядерными реакциями . Однако в таких реакциях часто образуется гамма-излучение, поэтому для его поглощения необходимо обеспечить дополнительную защиту. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать использования материалов, ядра которых подвергаются делению или захвату нейтронов , вызывающему радиоактивный распад ядер с образованием гамма-лучей.
Нейтроны легко проходят через большую часть материала, и, следовательно, поглощенная доза (измеренная в греях ) от данного количества радиации невелика, но взаимодействует достаточно, чтобы вызвать биологический ущерб. Наиболее эффективными защитными материалами являются вода или углеводороды , такие как полиэтилен или парафин . Водно-наполненный полиэстер (WEP) эффективен в качестве защитной стены в суровых условиях благодаря высокому содержанию водорода и огнестойкости, что позволяет использовать его в ряде ядерной, медицинской физики и оборонной промышленности. [3] Материалы на основе водорода подходят для защиты, поскольку они являются надежными барьерами против радиации. [4]
Бетон (где значительное количество молекул воды химически связывается с цементом) и гравий представляют собой дешевое решение благодаря 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 при использовании карбида бора , защиты, обычно используемой там, где стоимость бетона была бы непомерно высокой. С коммерческой точки зрения резервуары с водой или мазутом, бетоном, гравием и B 4 C являются обычными щитами, окружающими области с большим количеством нейтронного потока , например, ядерные реакторы. Кварцевое стекло, пропитанное бором, стандартное боросиликатное стекло , сталь с высоким содержанием бора , парафин и оргстекло имеют нишевое применение.
Поскольку нейтроны, поражающие ядро водорода ( протон или дейтрон ), передают энергию этому ядру, они, в свою очередь, разрывают свои химические связи и проходят небольшое расстояние, прежде чем остановиться. Такие ядра водорода представляют собой частицы с высокой линейной передачей энергии и, в свою очередь, останавливаются из-за ионизации материала, через который они проходят. Следовательно, в живых тканях нейтроны обладают относительно высокой относительной биологической эффективностью и примерно в десять раз более эффективны в причинении биологических повреждений по сравнению с гамма- или бета-излучением эквивалентного энергетического воздействия. Эти нейтроны могут либо привести к изменению функциональности клеток, либо к полной остановке репликации, что со временем приведет к повреждению организма. [5] Нейтроны особенно повреждают мягкие ткани, такие как роговица глаза.
Нейтроны высокой энергии со временем повреждают и разрушают материалы; бомбардировка материалов нейтронами создает каскады столкновений , которые могут создавать точечные дефекты и дислокации в материале, создание которых является основной движущей силой микроструктурных изменений, происходящих с течением времени в материалах, подвергшихся воздействию радиации. При высоких флюенсах нейтронов это может привести к охрупчиванию металлов и других материалов, а также к нейтронному распуханию некоторых из них. Это создает проблемы для корпусов ядерных реакторов и существенно ограничивает их срок службы (который можно несколько продлить за счет контролируемого отжига корпуса, уменьшающего количество наращенных дислокаций). Графитовые блоки замедлителя нейтронов особенно подвержены этому эффекту, известному как эффект Вигнера , и их необходимо периодически отжигать. Пожар в Виндскейле был вызван неудачей во время такой операции отжига.
Радиационное повреждение материалов происходит в результате взаимодействия энергетической падающей частицы (нейтрона или другой) с атомом решетки в материале. Столкновение вызывает массивную передачу кинетической энергии атому решетки, который смещается из своего узла решетки, становясь тем, что известно как первичный атом-выбой (PKA). Поскольку ПКА окружен другими атомами решетки, его смещение и прохождение через решетку приводит ко многим последующим столкновениям и созданию дополнительных атомов-стуков, создавая так называемый каскад столкновений или каскад смещений. Выбитые атомы теряют энергию при каждом столкновении и превращаются в межузельные атомы , эффективно создавая серию дефектов Френкеля в решетке. В результате столкновений (из-за потери электронной энергии) также создается тепло, как и, возможно, трансмутированные атомы . Масштаб ущерба таков, что один нейтрон с энергией 1 МэВ , создающий ПКА в решетке железа, производит примерно 1100 пар Френкеля. [6] Все каскадное событие происходит в течение 1 × 10-13 секунд и, следовательно, может быть «наблюдено» только при компьютерном моделировании события. [7]
Выбитые атомы оканчиваются в неравновесных межузельных позициях решетки, многие из которых аннигилируют, диффундируя обратно в соседние вакантные узлы решетки и восстанавливая упорядоченную решетку. Те, которые не оставляют или не могут оставлять вакансии, что вызывает локальное повышение концентрации вакансий, намного превышающее равновесную концентрацию. Эти вакансии имеют тенденцию мигрировать в результате термодиффузии к стокам вакансий (т. е. границам зерен , дислокациям ), но существуют в течение значительного времени, в течение которого дополнительные частицы высокой энергии бомбардируют решетку, создавая каскады столкновений и дополнительные вакансии, которые мигрируют. в сторону раковин. Основным эффектом облучения в решетке является значительный и постоянный поток дефектов к стокам, так называемый ветер дефектов. Вакансии также могут аннигилировать, объединяясь друг с другом, образуя дислокационные петли , а затем и пустоты решетки . [6]
Каскад столкновений создает в материале гораздо больше вакансий и междоузлий, чем равновесие при данной температуре, и в результате диффузия в материале резко увеличивается. Это приводит к эффекту, называемому усиленной радиацией диффузией, который со временем приводит к микроструктурной эволюции материала. Механизмов, приводящих к эволюции микроструктуры, много, они могут меняться в зависимости от температуры, потока и флюенса и являются предметом обширных исследований. [8]
Механические эффекты этих механизмов включают радиационное упрочнение, охрупчивание , ползучесть и растрескивание под воздействием окружающей среды . Скопления дефектов, дислокационные петли, пустоты, пузыри и выделения, образующиеся в результате радиации в материале, способствуют упрочнению и охрупчиванию (потере пластичности ) материала. [12] Охрупчивание представляет собой особую проблему для материала, из которого состоит корпус реактора, где в результате энергия, необходимая для разрушения корпуса, значительно снижается. Можно восстановить пластичность путем отжига дефектов, и продление срока службы ядерных реакторов во многом зависит от способности сделать это безопасно. Ползучесть также значительно ускоряется в облученных материалах, но не в результате увеличения коэффициента диффузии, а скорее в результате взаимодействия между напряжением решетки и развивающейся микроструктурой. Растрескивание под воздействием окружающей среды или, более конкретно, коррозионное растрескивание под напряжением под воздействием облучения (IASCC) наблюдается особенно в сплавах, подверженных нейтронному излучению и при контакте с водой, вызванное поглощением водорода в кончиках трещин в результате радиолиза воды, что приводит к уменьшение затрат энергии на распространение трещины. [6]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь )https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501