Нейтрон сәулелену арқылы радиоактивтіліктің туындауы
Neutron activation
Нейтронмен сәулелендіру арқылы радиоактивтіліктің туындауы: материалдардың нейтронмен белсенділігі, ядролық өзгерістер, тұрақсыз изотоптар және жартылай ыдырау кезеңдері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Нейтрондық сәулелену арқылы радиоактивтіліктің туындауы
Induction of radioactivity by neutron radiation
Нейтрондық активация – бұл нейтрондық сәулеленудің материалдарда радиоактивтілікті тудыратын процесі. Бұл процесс атом ядролары бос нейтрондарды ұстап алып, ауырлап, қозған күйге енген кезде жүзеге асады. Қозған ядро гамма сәулелерін немесе бета бөлшектері, альфа бөлшектері, бөліну өнімдері және нейтрондар сияқты бөлшектерді (ядролық бөліну кезінде) шығару арқылы бірден ыдырайды. Осылайша, нейтронды ұстау процесі, аралық ыдыраудан кейін де, көбінесе тұрақсыз активация өнімінің пайда болуына әкеледі. Мұндай радиоактивті ядролар жартылай ыдырау периоды секундының шағын бөлігінен бастап көптеген жылдарға дейін созылуы мүмкін. Нейтрондық активация – тұрақты материалды ішкі түрде радиоактивті етудің жалғыз кең таралған жолы. Табиғатта кездесетін барлық материалдар, соның ішінде ауа, су және топырақ, нейтронды ұстау арқылы нейтронға қаныққан радиоизотоптардың түзілуі нәтижесінде әртүрлі дәрежеде белгілі бір мөлшерде радиоактивтілікке ие болуы (активтенуі) мүмкін. Кейбір атомдар тұрақсыз болу үшін бір нейтроннан артық қажет етеді, бұл оларды активтендіруді қиындатады, себебі ядроның екі немесе үш рет нейтронды ұстауының ықтималдығы бір рет ұстаудан төмен. Мысалы, су сутегі мен оттегіден тұрады. Сутек тритийге (сутек-3) айналу үшін екі рет нейтронды ұстауы керек, ал табиғи оттек (оттек-16) тұрақсыз оттек-19-ға айналу үшін үш рет нейтронды ұстауы қажет. Сондықтан, су натрий хлоридімен (NaCl) салыстырғанда, активтендіруге қиын, себебі натрий мен хлор атомдары бір рет нейтронды ұстағанда тұрақсыз болады. Бұл фактілер 1946 жылы «Крестовый перелом» операциясының атомдық сынақ сериясында тікелей тәжірибе арқылы расталды.
Neutron activation is the process in which neutron radiation induces radioactivity in materials, and occurs when atomic nuclei capture free neutrons, becoming heavier and entering excited states. The excited nucleus decays immediately by emitting gamma rays, or particles such as beta particles, alpha particles, fission products, and neutrons (in nuclear fission). Thus, the process of neutron capture, even after any intermediate decay, often results in the formation of an unstable activation product. Such radioactive nuclei can exhibit half lives ranging from small fractions of a second to many years. Neutron activation is the only common way that a stable material can be induced into becoming intrinsically radioactive. All naturally occurring materials, including air, water, and soil, can be induced (activated) by neutron capture into some amount of radioactivity in varying degrees, as a result of the production of neutron rich radioisotopes. Some atoms require more than one neutron to become unstable, which makes them harder to activate because the probability of a double or triple capture by a nucleus is below that of single capture. Water, for example, is made up of hydrogen and oxygen. Hydrogen requires a double capture to attain instability as tritium (hydrogen 3), while natural oxygen (oxygen 16) requires three captures to become unstable oxygen 19. Thus water is relatively difficult to activate, as compared to sodium chloride (NaCl), in which both the sodium and chlorine atoms become unstable with a single capture each. These facts were experienced first hand at the Operation Crossroads atomic test series in 1946.
Пайда болуы
Нейтрондық активация – тұрақты материалды іштей радиоактивті болуға итермелейтін жалғыз кең таралған жол. Нейтрондар тек ядролық қарудың жарылысының микросекундтарында, жұмыс істеп тұрған ядролық реакторда немесе спалляциялық нейтрон көзінде ғана еркін күйде болады. Атомдық қаруда нейтрондар 1-ден 50 микросекундқа ғана пайда болады, бірақ олардың саны өте көп. Көпшілігі бомбаның металл қабырғасына сіңіріледі, ол жарылыстан әсер етуді ғана бастаған. Жылдам буланып кететін металдың нейтрондық активациясы атмосфераның жоғары қабаттарындағы ядролық жарылыстардың салдарынан болатын радиоактивті жауын-шашынның маңызды бөлігіне жауап береді. Активацияның басқа түрлерінде нейтрондар жер бетіне немесе оның жанындағы саңырауқұлақ тәрізді бұлтқа тараған топыраққа сәуле түсіріп, топырақтағы химиялық элементтердің активациясынан радиоактивті жауын-шашын тудыруы мүмкін.
Neutron activation is the only common way that a stable material can be induced into becoming intrinsically radioactive. Neutrons are only free in quantity in the microseconds of a nuclear weapon's explosion, in an active nuclear reactor, or in a spallation neutron source. In an atomic weapon neutrons are only generated for from 1 to 50 microseconds, but in huge numbers. Most are absorbed by the metallic bomb casing, which is only just starting to be affected by the explosion within it. The neutron activation of the soon to be vaporized metal is responsible for a significant portion of the nuclear fallout in nuclear bursts high in the atmosphere. In other types of activation, neutrons may irradiate soil that is dispersed in a mushroom cloud at or near the Earth's surface, resulting in fallout from activation of soil chemical elements.
Материалдарға уақыт өте келе әсер ету
Кез келген жоғары нейтрон ағыны бар жерде, мысалы, ядролық реакторлардың активтік аймақтарында, нейтрондық активация материалдың тозуына себеп болады және уақыт-уақытпен қаптама материалдарын төмен деңгейлі радиоактивті қалдықтар ретінде жою қажет. Кейбір материалдар нейтрондық активацияға басқаларына қарағанда көбірек бейім, сондықтан дұрыс таңдалған төмен активациялық материал осы мәселенің қырларын айтарлықтай азайта алады (Халықаралық термоядролық материалдарды сәулелендіру орталығын қараңыз). Мысалы, хром болатта (Cr 50 қамтитын) типтік реакторлық нейтрон ағынына ұшырағанда, нейтрондық активация арқылы Хром-51 пайда болады. Көміртек-14, көбінесе, бірақ жалғыз емес, атмосфералық азот-14-тің термиялық нейтронмен нейтрондық активациясынан пайда болады, сонымен қатар (космикалық сәулелердің ауамен өзара әрекеттесуінен және атмосфералық ядролық сынақтардан тарихи өндіріспен бірге) азот газы қоспалары отын қаптамасында, салқындатқыш суда және судың өзіндегі оттектің нейтрондық активациясы арқылы көптеген ядролық реакторлардың ішінде салыстырмалы түрде аз мөлшерде пайда болады. Жылдам көбейту реакторлары (ЖКР) ең көп таралған реактор түрі – қысымды су реакторына қарағанда шамамен бір рет кем C-14 өндіреді, өйткені ЖКР суды негізгі салқындатқыш ретінде пайдаланбайды.
In any location with high neutron fluxes, such as within the cores of nuclear reactors, neutron activation contributes to material erosion and periodically the lining materials themselves must be disposed of, as low level radioactive waste. Some materials are more subject to neutron activation than others, so a suitably chosen low activation material can significantly reduce this problem (see International Fusion Materials Irradiation Facility). For example, Chromium 51 will form by neutron activation in chrome steel (which contains Cr 50) that is exposed to a typical reactor neutron flux. Carbon 14, most frequently but not solely, generated by the neutron activation of atmospheric nitrogen 14 with a thermal neutron, is (together with its dominant natural production pathway from cosmic ray air interactions and historical production from atmospheric nuclear testing) also generated in comparatively minute amounts inside many designs of nuclear reactors which contain nitrogen gas impurities in their fuel cladding, coolant water and by neutron activation of the oxygen contained in the water itself. Fast breeder reactors (FBR) produce about an order of magnitude less C 14 than the most common reactor type, the pressurized water reactor, as FBRs do not use water as a primary coolant.
Радиациялық қауіпсіздік
Дәрігерлер мен радиациялық қауіпсіздік мамандары үшін адам денесіндегі натрийдің 24-натрийге, ал фосфордың 32-фосфорға айналуы, сәулелік оқиға кезінде алған нейтрондық дозаны дереу бағалауға мүмкіндік береді.
For physicians and radiation safety officers, activation of sodium in the human body to sodium 24, and phosphorus to phosphorus 32, can give a good immediate estimate of acute accidental neutron exposure.
Нейтронды анықтау
Ядролық синтездің фьюзер құрылғысында болғанын көрсетудің бір жолы – алюминий фольгасынан шығатын гамма сәулелерінің радиоактивтілігін өлшеу үшін Гайгер санағышын қолдану. ICF синтез тәсілінде эксперименттің синтез шығымы (нейтрон өндірісіне тікелей пропорционалды) әдетте алюминий немесе мыс нейтрондық белсендіру нысаналарының гамма сәулелерінің шығарылуын өлшеу арқылы анықталады. Алюминий нейтронды сіңіріп алып, радиоактивті натрий-24-ті жасайды, оның жартылай өмірі 15 сағатқа созылады және бета-ыдырау энергиясы 5,514 МэВ-қа тең. Таза ядролық бөліну және термоядролық қарудың қуатын анықтау үшін күкірт, мыс, тантал және алтын сияқты бірнеше сынақ нысана элементтерін белсендіру қолданылған.
One way to demonstrate that nuclear fusion has occurred inside a fusor device is to use a Geiger counter to measure the gamma ray radioactivity that is produced from a sheet of aluminium foil. In the ICF fusion approach, the fusion yield of the experiment (directly proportional to neutron production) is usually determined by measuring the gamma ray emissions of aluminium or copper neutron activation targets. Aluminium can capture a neutron and generate radioactive sodium 24, which has a half life of 15 hours and a beta decay energy of 5.514 MeV. The activation of a number of test target elements such as sulfur, copper, tantalum, and gold have been used to determine the yield of both pure fission and thermonuclear weapons.
Материалдарды талдау
Нейтрондық активтелу талдауы – іздік элементтерді талдаудың ең сезімтал және дәл әдістерінің бірі. Ол үлгіні дайындау немесе ерітуді қажет етпейді, сондықтан құнды өнер туындылары сияқты сақталуы тиіс заттарға қолданылуы мүмкін. Активация объектіде радиоактивтілікті тудырғанымен, оның деңгейі көбінесе төмен болады және оның өмір сүру мерзімі қысқа болуы мүмкін, сондықтан оның әсері тез жоғалады. Осыған байланысты, нейтрондық активтелу – бұл құрылымды бұзбайтын талдау әдісі. Нейтрондық активтелу талдауын тікелей оқиға орнында жүргізуге болады. Мысалы, алюминий (Al 27) салыстырмалы түрде төмен энергиялы нейтрондарды ұстау арқылы активтендіріліп, Al 28 изотопын тудыруға болады, ол 2,3 минуттық жартылай ыдырау периодымен 4,642 МэВ ыдырау энергиясын шығарады. Бұл активтендірілген изотоп мұнайды бұрғылау кезінде іздеу аймағының теріс астындағы балшық мөлшерін (балшық әдетте алюминий силикаты) анықтау үшін қолданылады. Тарихшылар кездейсоқ нейтрондық активтелуді атомдық артефактілер мен нейтрондық сәулеленуге ұшыраған материалдардың түпнұсқа екенін растау үшін пайдалана алады. Мысалы, тринитте табылган сирек изотоптардың бірі – барийдің нейтрондық активтелу өнімі, ал Тринити құрылғысындағы барий құрылғыда қолданылған баяу жарылғыш линзадан, Баратоль деп аталатын линзадан алынған. Оның болмауы минералдың жалған үлгісі екенін көрсетеді.
Neutron activation analysis is one of the most sensitive and precise methods of trace element analysis. It requires no sample preparation or solubilization and can therefore be applied to objects that need to be kept intact such as a valuable piece of art. Although the activation induces radioactivity in the object, its level is typically low and its lifetime may be short, so that its effects soon disappear. In this sense, neutron activation is a non destructive analysis method. Neutron activation analysis can be done in situ. For example, aluminium (Al 27) can be activated by capturing relatively low energy neutrons to produce the isotope Al 28, which decays with a half life of 2.3 minutes with a decay energy of 4.642 MeV. This activated isotope is used in oil drilling to determine the clay content (clay is generally an alumino silicate) of the underground area under exploration. Historians can use accidental neutron activation to authenticate atomic artifacts and materials subjected to neutron fluxes from fission incidents. For example, one of the rare isotopes found in trinitite, and therefore with its absence likely signifying a fake sample of the mineral, is a barium neutron activation product, the barium in the Trinity device coming from the slow explosive lens employed in the device, known as Baratol.