Источник нейтронов — это любое устройство, испускающее нейтроны , независимо от механизма, используемого для их получения. Источники нейтронов используются в физике, машиностроении, медицине, ядерном оружии, разведке нефтяных месторождений, биологии, химии и ядерной энергетике. Переменные источника нейтронов включают энергию нейтронов, испускаемых источником, скорость испускания нейтронов источником, размер источника, стоимость владения и обслуживания источника и правительственные постановления, связанные с источником.
Некоторые изотопы подвергаются спонтанному делению (SF) с испусканием нейтронов . Наиболее распространенным источником спонтанного деления является изотоп калифорний -252. 252Cf и все другие источники нейтронов SF производятся путем облучения урана или трансуранового элемента в ядерном реакторе , где нейтроны поглощаются исходным материалом и его последующими продуктами реакции, преобразуя исходный материал в изотоп SF. Источники нейтронов 252Cf обычно имеют диаметр от 1/4" до 1/2" и длину от 1" до 2". Типичный источник нейтронов 252Cf испускает от 10 7 до 10 9 нейтронов в секунду, когда он новый; но с периодом полураспада 2,6 года выход нейтронов падает вдвое за 2,6 года.
Нейтроны образуются, когда альфа-частицы поражают любой из нескольких легких изотопов, включая изотопы бериллия , углерода или кислорода . Таким образом, источник нейтронов может быть изготовлен путем смешивания альфа-излучателя, такого как радий , полоний или америций , с изотопом с низким атомным весом, обычно путем смешивания порошков двух материалов. Источники альфа-нейтронов обычно производят ~10 6 –10 8 нейтронов в секунду. Источник альфа-бериллиевых нейтронов может производить около 30 нейтронов на 10 6 альфа-частиц. Полезный срок службы таких источников зависит от периода полураспада радиоизотопа. Размер и стоимость этих источников нейтронов сопоставимы с источниками спонтанного деления. Обычные комбинации материалов — плутоний -бериллий (PuBe), америций-бериллий (AmBe) или америций- литий (AmLi).
Гамма-излучение с энергией, превышающей энергию связи нейтрона с ядром, может выбросить нейтрон, этот процесс известен как фотораспад . Два примера реакций:
Некоторые генераторы нейтронов на основе ускорителей вызывают синтез между пучками ионов дейтерия и/или трития и мишенями из гидрида металла , которые также содержат эти изотопы.
Источник нейтронов с плотным плазменным фокусом производит управляемый ядерный синтез , создавая плотную плазму, внутри которой нагревается ионизированный дейтерий и/или тритий до температур, достаточных для создания термоядерного синтеза.
Устройства инерционного электростатического удержания, такие как фузор Фарнсворта-Хирша, используют электрическое поле для нагрева плазмы до условий синтеза и производства нейтронов. Были разработаны различные приложения от любительских до коммерческих , в основном в США.
Традиционные ускорители частиц с источниками ионов водорода, дейтерия или трития могут использоваться для получения нейтронов с использованием мишеней из дейтерия, трития, лития, бериллия и других материалов с низким атомным номером. [ необходима цитата ] Обычно эти ускорители работают с энергиями в диапазоне > 1 МэВ.
В системе тормозного излучения нейтроны образуются, когда фотоны с энергией, превышающей энергию ядерной связи вещества, падают на это вещество, заставляя его подвергаться гигантскому дипольному резонансу , после чего оно либо испускает нейтрон (фотонейтрон), либо подвергается делению ( фотоделение ). Количество нейтронов, высвобождаемых каждым событием деления, зависит от вещества. Обычно фотоны начинают производить нейтроны при взаимодействии с обычным веществом при энергиях около 7–40 МэВ , что означает, что радиотерапевтические установки, использующие мегавольтные рентгеновские лучи, также производят нейтроны, а некоторые требуют нейтронной защиты. [ необходима цитата ] Кроме того, электроны с энергией более 50 МэВ могут вызывать гигантский дипольный резонанс в нуклидах с помощью механизма, обратного внутреннему преобразованию , и, таким образом, производить нейтроны с помощью механизма, аналогичного механизму фотонейтронов. [1]
Ядерное деление в реакторе производит много нейтронов и может использоваться для различных целей, включая производство электроэнергии и эксперименты. Исследовательские реакторы часто специально проектируются для того, чтобы позволить помещать образцы материалов в среду с высоким потоком нейтронов .
Ядерный синтез, синтез тяжелых изотопов водорода, имеет потенциал для производства большого количества нейтронов. Маломасштабные системы синтеза существуют для целей (плазменных) исследований во многих университетах и лабораториях по всему миру. Также существует небольшое количество крупномасштабных экспериментов по синтезу, включая National Ignition Facility в США, JET в Великобритании и вскоре эксперимент ITER , который в настоящее время строится во Франции. Ни один из них пока не используется в качестве источника нейтронов.
Инерционный термоядерный синтез может производить на порядки больше нейтронов, чем расщепление . [2] Это может быть полезно для нейтронной радиографии , которую можно использовать для обнаружения атомов водорода в структурах, определения теплового движения атомов и изучения коллективного возбуждения ядер более эффективно, чем рентгеновские лучи .
Источник расщепления — это высокопоточный источник, в котором протоны , ускоренные до высоких энергий, поражают цель, вызывая испускание нейтронов. Самые сильные в мире источники нейтронов, как правило, основаны на расщеплении, поскольку высокопоточные реакторы деления имеют верхнюю границу производимых нейтронов. По состоянию на 2022 год самым мощным источником нейтронов в мире является источник нейтронов расщепления в Ок-Ридже, штат Теннесси , [3] с Европейским источником расщепления в Лунде , Швеция, который строится, чтобы стать самым сильным в мире источником импульсных нейтронов средней длительности.
Предполагается, что подкритические ядерные реакторы деления будут использовать источники нейтронов расщепления и могут быть использованы как для ядерной трансмутации (например, производство медицинских радионуклидов или синтез драгоценных металлов ), так и для выработки электроэнергии, поскольку энергия, необходимая для получения одного нейтрона расщепления (~30 МэВ на современном уровне технологий), почти на порядок ниже энергии, выделяемой при делении (~200 МэВ для большинства делящихся актинидов ).
Для большинства приложений лучше использовать более высокий поток нейтронов (так как это сокращает время, необходимое для проведения эксперимента, получения изображения и т. д.). Любительские термоядерные устройства, такие как фузор , генерируют всего около 300 000 нейтронов в секунду. Коммерческие фузорные устройства могут генерировать порядка 10 9 нейтронов в секунду, следовательно, полезный поток составляет менее 10 5 н/(см 2 с). Большие нейтронные пучки по всему миру достигают гораздо большего потока. Источники на основе реакторов теперь производят 10 15 н/(см 2 с), а источники расщепления генерируют > 10 17 н/(см 2 с).