Введение
Ионизирующее излучение в виде свободных нейтронов
Нейтронное излучение – это форма ионизирующего излучения, проявляющаяся в виде свободных нейтронов. Типичными источниками являются ядерный распад или ядерный синтез, приводящие к высвобождению свободных нейтронов, которые затем взаимодействуют с ядрами других атомов, образуя новые нуклиды, способные, в свою очередь, инициировать дальнейшее нейтронное излучение. Свободные нейтроны нестабильны и распадаются на протон, электрон и электронное антинейтрино. Среднее время жизни свободных нейтронов составляет 887 секунд (14 минут 47 секунд). Нейтронное излучение отличается от альфа-, бета- и гамма-излучения.
Нейтронное излучение от деления
Нейтроны в ядерных реакторах обычно классифицируются как медленные (тепловые) нейтроны или быстрые нейтроны в зависимости от их энергии. Тепловые нейтроны имеют распределение энергии, подобное распределению Максвелла-Больцмана для газа, находящегося в термодинамическом равновесии; они легко захватываются атомными ядрами и являются основным механизмом ядерной трансмутации элементов. Для поддержания эффективной цепной реакции деления, нейтроны, образующиеся при делении, должны захватываться делящимися ядрами, которые затем расщепляются, высвобождая новые нейтроны. В большинстве конструкций ядерных реакторов ядерное топливо недостаточно обогащено для поглощения достаточного количества быстрых нейтронов, чтобы поддерживать цепную реакцию, из-за меньшего сечения взаимодействия для нейтронов с высокой энергией. Поэтому необходимо использовать нейтронный замедлитель для снижения скорости быстрых нейтронов до тепловых, обеспечивая тем самым достаточное поглощение. К распространенным нейтронным замедлителям относятся графит, обычная (легкая) вода и тяжелая вода. Некоторые реакторы (быстрые нейтронные реакторы) и все виды ядерного оружия используют быстрые нейтроны.
Космогенные нейтроны
Космогенные нейтроны, нейтроны, образующиеся в результате космического излучения в атмосфере Земли или на её поверхности, а также нейтроны, производимые в ускорителях частиц, могут обладать значительно большей энергией, чем нейтроны, используемые в реакторах. Большинство из них активируют ядра, не достигая поверхности земли; некоторые вступают в реакцию с ядрами в воздухе. Реакции с азотом-14 приводят к образованию углерода-14 (¹⁴C), широко применяемого в радиоуглеродном датировании.
Применение
Холодное, тепловое и горячее нейтронное излучение наиболее часто 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 областях науки. Нейтронное излучение также применяется в бор-нейтронной захватной терапии для лечения раковых опухолей благодаря его высокой проникающей способности и разрушительному воздействию на клеточную структуру. Нейтроны также могут использоваться для визуализации промышленных деталей, что называется нейтронной радиографией при использовании пленки, нейтронной радиоскопией при получении цифрового изображения, например, с помощью изобразительных пластин, и нейтронной томографией для получения трехмерных изображений. Нейтронная визуализация широко применяется в ядерной промышленности, космической и аэрокосмической отраслях, а также в производстве взрывчатых веществ повышенной надежности.
Механизмы и свойства ионизации
Нейтронное излучение часто называют косвенно ионизирующим излучением. Оно не ионизирует атомы напрямую, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны (возбуждая электрон), поскольку нейтроны не имеют заряда. Однако, нейтронные взаимодействия в основном приводят к ионизации, например, когда поглощение нейтрона вызывает испускание гамма-квантов, а гамма-квант (фотон) впоследствии выбивает электрон из атома, или ядро, получив отдачу при взаимодействии с нейтроном, ионизируется и вызывает более обычную последующую ионизацию в других атомах. Поскольку нейтроны не заряжены, они обладают большей проникающей способностью, чем альфа- или бета-излучение. В некоторых случаях их проникающая способность выше, чем у гамма-излучения, которое ослабляется в материалах с высоким атомным номером. В материалах с низким атомным номером, таких как водород, гамма-квант с низкой энергией может быть более проникающим, чем нейтрон с высокой энергией.
Опасности для здоровья и защита
В физике здоровья нейтронное излучение является одним из видов радиационной опасности. Другая, более серьезная опасность нейтронного излучения – это активация нейтронов, способность нейтронного излучения вызывать радиоактивность в большинстве веществ, с которыми оно взаимодействует, включая ткани организма. Это происходит в результате захвата нейтронов атомными ядрами, которые преобразуются в другой нуклид, часто радионуклид. Этот процесс является причиной большей части радиоактивных веществ, выделяющихся при взрыве ядерного оружия. Он также представляет проблему на установках ядерного деления и ядерного синтеза, поскольку постепенно делает оборудование радиоактивным, требуя его последующей замены и утилизации как низкоактивных отходов. Защита от нейтронного излучения основана на радиационной защите. Из-за высокой кинетической энергии нейтронов это излучение считается наиболее опасным для всего организма при воздействии внешних источников излучения. В отличие от обычного ионизирующего излучения, основанного на фотонах или заряженных частицах, нейтроны многократно рассеиваются и замедляются (поглощаются) легкими ядрами, поэтому материалы, богатые водородом, более эффективны для защиты, чем материалы с железными ядрами. Легкие атомы замедляют нейтроны за счет упругого рассеяния, после чего они могут быть поглощены в ядерных реакциях. Однако в таких реакциях часто образуется гамма-излучение, поэтому необходима дополнительная защита для его поглощения. Следует избегать использования материалов, ядра которых подвергаются делению или захвату нейтронов, вызывающему радиоактивный распад ядра и, как следствие, образование гамма-лучей. Нейтроны легко проникают через большинство материалов, поэтому поглощенная доза (измеряемая в греях) от заданного количества излучения невелика, но достаточна для нанесения биологического ущерба. Наиболее эффективными защитными материалами являются вода или углеводороды, такие как полиэтилен или парафиновый воск. Водорасширенный полиэстер (WEP) эффективен в качестве защитной стенки в жестких условиях благодаря высокому содержанию водорода и огнестойкости, что позволяет использовать его в различных ядерных, медицинских и оборонных отраслях. Материалы на основе водорода подходят для защиты, поскольку они являются эффективным барьером против излучения. Бетон (в котором значительное количество молекул воды химически связано с цементом) и гравий обеспечивают экономичное решение благодаря их комбинированной защите от гамма-лучей и нейтронов. Бор также является отличным поглотителем нейтронов (и также подвергается некоторому рассеянию нейтронов). Бор распадается на углерод или гелий и практически не производит гамма-излучение, особенно в карбиде бора, который часто используется в качестве защиты там, где бетон был бы слишком дорогим. В коммерческих целях в качестве защиты вокруг областей с высоким нейтронным потоком, например, ядерных реакторов, обычно используются резервуары с водой или мазутом, бетон, гравий и B4C. Боросодержащее силикатное стекло, стандартное боросиликатное стекло, сталь с высоким содержанием бора, парафин и плексиглас имеют узкоспециализированное применение. Поскольку нейтроны, сталкиваясь с ядрами водорода (протоном или дейтроном), передают им энергию, эти ядра, в свою очередь, разрывают химические связи и проходят небольшое расстояние, прежде чем остановиться. Такие ядра водорода являются частицами с высоким линейным переносом энергии и останавливаются ионизацией материала, через который они проходят. Следовательно, в живых тканях нейтроны обладают относительно высокой относительной биологической эффективностью и примерно в десять раз эффективнее вызывают биологический ущерб по сравнению с гамма- или бета-излучением той же энергетической экспозиции. Эти нейтроны могут либо изменять функциональность клеток, либо полностью останавливать их репликацию, вызывая повреждение организма с течением времени. Нейтроны особенно вредны для мягких тканей, таких как роговица глаза.