Нейтронное излучение — это форма ионизирующего излучения , которая проявляется в виде свободных нейтронов . Типичными явлениями являются деление ядер или ядерный синтез, вызывающие высвобождение свободных нейтронов, которые затем реагируют с ядрами других атомов , образуя новые нуклиды , которые, в свою очередь, могут вызывать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны, распадаясь на протон , электрон и электронное антинейтрино . Среднее время жизни свободных нейтронов составляет 887 секунд (14 минут, 47 секунд). [1]
Нейтронное излучение отличается от альфа- , бета- и гамма- излучения. [2]
Нейтроны могут испускаться при ядерном синтезе или ядерном делении или при других ядерных реакциях, таких как радиоактивный распад или взаимодействие частиц с космическими лучами или в ускорителях частиц . Крупные источники нейтронов редки и обычно ограничиваются крупногабаритными устройствами, такими как ядерные реакторы или ускорители частиц , включая источник нейтронов расщепления .
Нейтронное излучение было обнаружено при наблюдении за столкновением альфа-частицы с ядром бериллия , которое трансформировалось в ядро углерода , испуская нейтрон Be ( α , n ) C . Сочетание излучателя альфа-частицы и изотопа с большой вероятностью ядерной реакции ( α , n ) по-прежнему является распространенным источником нейтронов.
Нейтроны в ядерных реакторах обычно классифицируются как медленные (тепловые) нейтроны или быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. Тепловые нейтроны по распределению энергии ( распределение Максвелла-Больцмана ) похожи на газ 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 во время деления, должны быть захвачены 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 более низкого поперечного сечения для нейтронов с более высокой энергией, поэтому необходимо ввести замедлитель нейтронов , чтобы замедлить быстрые нейтроны до тепловых скоростей, 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 производятся из космического излучения в атмосфере или на поверхности Земли, а также в ускорителях частиц. Они часто обладают более высокими уровнями энергии по сравнению с нейтронами, обнаруженными в реакторах. Многие из этих нейтронов активируют атомные ядра до достижения поверхности Земли, в то время как меньшая часть взаимодействует с ядрами в атмосферном воздухе. [3] Когда эти нейтроны взаимодействуют с атомами азота-14, они могут преобразовывать их в углерод-14 (14C), который широко используется в радиоуглеродном датировании. [4]
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 разрушительного воздействия на клеточную структуру. Нейтроны также могут использоваться для визуализации промышленных деталей, называемой нейтронной радиографией при использовании пленки, нейтронной радиоскопией при получении цифрового изображения, например, через пластины изображения, и нейтронной томографией для трехмерных изображений. Нейтронная визуализация обычно используется в ядерной промышленности, космической и аэрокосмической промышленности, а также в промышленности высоконадежных взрывчатых веществ.
Нейтронное излучение часто называют косвенно ионизирующим излучением . Оно не ионизирует атомы так же, как это делают заряженные частицы, такие как протоны и электроны (возбуждая электрон), поскольку нейтроны не имеют заряда. Однако взаимодействия нейтронов в значительной степени ионизируют, например, когда поглощение нейтрона приводит к гамма-излучению, а гамма-луч (фотон) впоследствии удаляет электрон из атома, или ядро, отскакивающее от взаимодействия нейтрона, ионизируется и вызывает более традиционную последующую ионизацию в других атомах. Поскольку нейтроны не заряжены, они более проникающие, чем альфа-излучение или бета-излучение . В некоторых случаях они более проникающие, чем гамма-излучение, которое затруднено в материалах с высоким атомным числом . В материалах с низким атомным числом, таких как водород , гамма-луч с низкой энергией может быть более проникающим, чем нейтрон с высокой энергией.
В физике здоровья нейтронное излучение является типом 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 организма. [5] Это происходит посредством захвата нейтронов атомными ядрами, которые преобразуются в другой нуклид , часто радионуклид . Этот процесс составляет большую часть радиоактивного материала, высвобождаемого при детонации ядерного оружия . Это также проблема в установках ядерного деления и ядерного синтеза, поскольку он постепенно делает оборудование радиоактивным, так 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 самым серьезным и опасным для всего тела, когда оно подвергается воздействию 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 экранирования, чем ядра железа . Легкие атомы служат для замедления нейтронов путем упругого рассеяния , чтобы затем они могли быть поглощены ядерными реакциями . Однако в таких реакциях часто возникает гамма-излучение, поэтому для его поглощения необходимо обеспечить дополнительную защиту. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не использовать материалы, ядра которых подвергаются делению или захвату нейтронов , что вызывает радиоактивный распад ядер, производя гамма-лучи.
Нейтроны легко проходят через большинство материалов, и, следовательно, поглощенная доза (измеряемая в греях ) от заданного количества радиации мала, но взаимодействует достаточно, чтобы вызвать биологические повреждения. Наиболее эффективными экранирующими материалами являются вода или углеводороды, такие как полиэтилен или парафин . Водорасширенный полиэстер (WEP) эффективен в качестве защитной стены в суровых условиях благодаря высокому содержанию водорода и огнестойкости, что позволяет использовать его в ряде отраслей ядерной, медицинской физики и оборонной промышленности. [6] Материалы на основе водорода подходят для экранирования, поскольку они являются надлежащими барьерами против радиации. [7]
Бетон (где значительное количество молекул воды химически связывается с цементом) и гравий обеспечивают дешевое решение благодаря их комбинированной защите как от гамма-лучей, так и от нейтронов. Бор также является отличным поглотителем нейтронов (и 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 невыгодным по стоимости. В коммерческих целях резервуары с водой или мазутом, бетон, гравий и B4C являются обычными экранами, которые окружают области с большим количеством нейтронного потока , например, ядерные реакторы. Пропитанное бором кварцевое стекло, стандартное боросиликатное стекло , сталь с высоким содержанием бора , парафин и оргстекло имеют нишевые применения.
Поскольку нейтроны, которые ударяют по ядру водорода ( протону или дейтрону ), передают энергию этому ядру, они, в свою очередь, разрывают свои химические связи 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 имеют относительно высокую относительную биологическую эффективность и примерно в десять раз более эффективны в нанесении биологического ущерба по сравнению с гамма- или бета-излучением эквивалентного энергетического воздействия. Эти нейтроны могут либо заставить клетки изменить свою функциональность, либо полностью прекратить репликацию, со временем вызывая повреждение организма. [8] Нейтроны особенно разрушительны для мягких тканей, таких как роговица глаза.
Высокоэнергетические нейтроны со временем повреждают и разрушают материалы; бомбардировка материалов нейтронами создает каскады столкновений , которые могут вызывать точечные дефекты и дислокации в материале, создание которых является основным фактором микроструктурных изменений, происходящих со временем в материалах, подвергающихся воздействию радиации. При высоких флюенсах нейтронов это может привести к охрупчиванию металлов и других материалов, а также к нейтронно-индуцированному распуханию некоторых из них. Это создает проблему для корпусов ядерных реакторов и значительно ограничивает их срок службы (который может быть несколько продлен путем контролируемого отжига корпуса, уменьшающего количество накопленных дислокаций). Блоки графитового замедлителя нейтронов особенно восприимчивы к этому эффекту, известному как эффект Вигнера , и должны периодически отжигаться. Пожар в Уиндскейле был вызван несчастным случаем во время такой операции отжига.
Радиационное повреждение материалов происходит в результате взаимодействия энергичной падающей частицы (нейтрона или чего-то еще) 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 выбитый атом (PKA). Поскольку PKA окружен другими атомами решетки, его смещение и прохождение через решетку приводит к множеству последующих столкновений и созданию дополнительных выбитых атомов, создавая то, что известно как каскад столкновений или каскад смещений. Выбитые атомы теряют энергию при каждом столкновении и заканчиваются как интерстиции , эффективно создавая серию дефектов Френкеля в решетке. Тепло также создается в результате столкновений (из-за потери электронной энергии), как и, возможно, преобразованные атомы . Величина повреждения такова, что один нейтрон с энергией 1 МэВ , создающий PKA в решетке железа, производит приблизительно 1100 пар Френкеля. [9] Все каскадное событие происходит в течение времени 1 × 10−13 секунд и, следовательно, может быть «наблюдено» только в компьютерном моделировании события. [10]
Выбитые атомы заканчиваются в неравновесных междоузлиях решетки, многие из которых аннигилируют, диффундируя обратно в соседние вакантные узлы решетки и восстанавливая упорядоченную решетку. Те, которые не оставляют или не могут оставить вакансии, что вызывает локальное повышение концентрации вакансий намного выше равновесной концентрации. Эти вакансии имеют тенденцию мигрировать в результате термической диффузии к стокам вакансий (т. е. границам зерен , дислокациям ), но существуют в течение значительного количества времени, в течение которого дополнительные высокоэнергетические частицы 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 том, что известно как ветер дефектов. Вакансии также могут аннигилировать, объединяясь друг с другом, образуя дислокационные петли и позднее пустоты решетки . [9]
Каскад столкновений создает гораздо больше вакансий и интерстициалов в материале, чем равновесие для данной температуры, и в результате диффузия в материале резко увеличивается. Это приводит к эффекту, называемому радиационно-усиленной диффузией , которая приводит к микроструктурной эволюции материала с течением времени. Механизмов, приводящих к эволюции микроструктуры, много, они могут меняться в зависимости от температуры, потока и флюенса и являются предметом обширного изучения. [11]
Механические эффекты этих механизмов включают радиационное упрочнение, охрупчивание , ползучесть и растрескивание под воздействием окружающей среды . Скопления дефектов, дислокационные петли, пустоты, пузырьки и осадки, образующиеся в результате облучения в материале, способствуют упрочнению и охрупчиванию (потере пластичности ) материала. [15] Охрупчивание представляет особую проблему для материала, из которого изготовлен корпус реактора, в результате чего энергия, необходимая для разрушения корпуса, значительно уменьшается. Можно восстановить пластичность путем отжига дефектов, и большая часть продления срока службы ядерных реакторов зависит от возможности сделать это безопасно. Ползучесть также значительно ускоряется в облученных материалах, хотя и не в результате повышения коэффициентов диффузии, а скорее в результате взаимодействия между напряжением решетки и развивающейся микроструктурой. Растрескивание под воздействием окружающей среды или, более конкретно, коррозионное растрескивание под воздействием облучения (IASCC) наблюдается особенно в сплавах, подвергающихся воздействию нейтронного излучения и находящихся в контакте с водой, и вызвано поглощением водорода на вершинах трещин в результате радиолиза воды, что приводит к снижению необходимой энергии для распространения трещины. [9]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501