Введение
Индукция радиоактивности нейтронным излучением
Нейтронная активация – это процесс, при котором нейтронное излучение вызывает радиоактивность в материалах, возникающий при захвате атомными ядрами свободных нейтронов, что приводит к увеличению их массы и переходу в возбужденное состояние. Возбужденное ядро немедленно распадается, испуская гамма-лучи или частицы, такие как бета-частицы, альфа-частицы, продукты деления и нейтроны (в случае ядерного деления). Таким образом, процесс захвата нейтронов, даже после любого промежуточного распада, часто приводит к образованию нестабильного продукта активации. Такие радиоактивные ядра могут иметь период полураспада от долей секунды до многих лет. Нейтронная активация – единственный распространенный способ превращения стабильного материала в радиоактивный. Любые природные материалы, включая воздух, воду и почву, могут быть активированы захватом нейтронов, приобретая различную степень радиоактивности в результате образования нейтронообогащенных радиоизотопов. Для того чтобы некоторые атомы стали нестабильными, требуется захват более одного нейтрона, что затрудняет их активацию, поскольку вероятность двойного или тройного захвата ядром ниже, чем одиночного. Вода, например, состоит из водорода и кислорода. Водород требует двойного захвата для достижения нестабильности в виде трития (водород-3), в то время как природный кислород (кислород-16) требует трех захватов для превращения в нестабильный кислород-19. Таким образом, воду относительно сложнее активировать по сравнению с хлоридом натрия (NaCl), в котором атомы натрия и хлора становятся нестабильными при захвате одного нейтрона каждый. Эти факты были подтверждены на практике в ходе серии атомных испытаний операции «Перекресток» в 1946 году.
Возникновение
Нейтронная активация – единственный распространённый способ, при котором стабильный материал может стать радиоактивным. Свободные нейтроны в достаточном количестве существуют лишь в микросекунды взрыва ядерного оружия, в активном ядерном реакторе или в источнике нейтронов, основанном на спалляции. В ядерном оружии нейтроны генерируются всего от 1 до 50 микросекунд, но в огромном количестве. Большая их часть поглощается металлическим корпусом бомбы, который только начинает испытывать воздействие взрыва, происходящего внутри. Нейтронная активация металла, который вскоре испарится, является причиной значительной доли радиоактивных осадков при ядерных взрывах в верхних слоях атмосферы. При других типах активации нейтроны могут облучать почву, которая рассеивается в грибовидном облаке на поверхности Земли или вблизи неё, что приводит к выпадению радиоактивных веществ, образовавшихся в результате активации химических элементов почвы.
Воздействие на материалы с течением времени
В любом месте с высокими потоками нейтронов, например, в активных зонах ядерных реакторов, нейтронная активация способствует эрозии материалов, и периодически сами материалы облицовки должны утилизироваться как низкоактивные отходы. Некоторые материалы более подвержены нейтронной активации, чем другие, поэтому выбор материала с низкой активацией может значительно снизить эту проблему (см. Международную установку облучения материалов для термоядерных исследований). Например, хром-51 образуется в результате нейтронной активации хромированной стали (содержащей Cr-50) при воздействии типичного потока нейтронов реактора. Углерод-14, как правило, но не только, образуется в результате нейтронной активации атмосферного азота-14 тепловыми нейтронами и (наряду с его основным естественным путем образования при взаимодействии космических лучей с воздухом и историческим образованием в результате атмосферных ядерных испытаний) также образуется в сравнительно малых количествах во многих конструкциях ядерных реакторов, содержащих примеси азота в оболочке топлива, охлаждающей воде, а также в результате нейтронной активации кислорода, содержащегося в самой воде. Быстрые реакторы на тепловых нейтронах (БРН) производят примерно на порядок меньше C-14, чем наиболее распространенный тип реактора – реактор с водой под давлением, поскольку БРН не используют воду в качестве основного теплоносителя.
Радиационная безопасность
Для врачей и специалистов по радиационной безопасности активация натрия в организме человека до натрия-24 и фосфора до фосфора-32 может дать хорошее немедленное представление об остром случайном воздействии нейтронов.
Нейтронное обнаружение
Один из способов продемонстрировать, что ядерный синтез произошел внутри устройства фузора, — использовать счетчик Гейгера для измерения гамма-радиоактивности, возникающей при облучении листа алюминиевой фольги. В подходе к синтезу, основанном на инерционном удержании (ICF), эффективность синтеза в эксперименте (прямо пропорциональная образованию нейтронов) обычно определяется путем измерения гамма-излучения алюминиевых или медных мишеней, активируемых нейтронами. Алюминий способен захватывать нейтрон и генерировать радиоактивный натрий-24, период полураспада которого составляет 15 часов, а энергия бета-распада — 5,514 МэВ. Активация ряда тестовых элементов, таких как сера, медь, тантал и золото, использовалась для определения эффективности как чистого деления, так и термоядерного оружия.
Анализ материалов
Нейтронный активационный анализ — один из наиболее чувствительных и точных методов анализа микроэлементного состава. Он не требует подготовки или растворения образца и поэтому может применяться к объектам, которые необходимо сохранить неповрежденными, например, к ценным произведениям искусства. Хотя активация и индуцирует радиоактивность в объекте, её уровень обычно невелик, а период полураспада может быть коротким, поэтому эффект быстро исчезает. В этом смысле нейтронный активационный анализ является неразрушающим методом. Анализ активацией нейтронов может проводиться непосредственно на месте. Например, алюминий (Al 27) может быть активирован захватом относительно низкоэнергетических нейтронов с образованием изотопа Al 28, который распадается с периодом полураспада 2,3 минуты, испуская энергию 4,642 МэВ. Этот активированный изотоп используется при бурении нефтяных скважин для определения содержания глины (глина обычно представляет собой алюмосиликат) в исследуемом подземном пласте. Историки могут использовать случайную нейтронную активацию для аутентификации артефактов, связанных с атомной эпохой, и материалов, подвергшихся воздействию нейтронных потоков при ядерных взрывах. Например, одним из редких изотопов, обнаруженных в трините, и отсутствие которого, вероятно, указывает на подделку образца минерала, является продукт нейтронной активации бария. Барий в устройстве "Trinity" происходил из замедленной взрывчатой линзы, использованной в устройстве, известной как Baratol.