중성자 활성화

Neutron activation
중성자를 이용한 과학
Quark structure neutron.svg
기초
중성자 산란
기타 응용 프로그램
사회 기반 시설
중성자 시설

중성자 활성화는 중성자 복사가 물질에 방사능을 유도하는 과정으로 원자핵이 자유중성자를 포착해 무거워지고 들뜬 상태로 들어갈 때 발생한다.들뜬 핵은 감마선이나 베타 입자, 알파 입자, 핵분열 생성물, 중성자와 같은 입자를 방출함으로써 즉시 붕괴된다.따라서 중성자 포획 과정은 중간 붕괴 후에도 종종 불안정한 활성화 생성물의 형성을 초래한다.그러한 방사성 핵은 몇 초에서 몇 년 사이에 반감기를 나타낼 수 있다.

중성자 활성화는 안정적인 물질이 본질적으로 방사능이 되도록 유도할 수 있는 유일한 일반적인 방법이다.공기, 물 및 토양을 포함한 모든 자연 발생 물질은 중성자가 풍부한 방사성 [citation needed]동위원소 생산의 결과로 중성자 포획에 의해 다양한 정도의 방사능으로 유도(활성화)될 수 있다.어떤 원자들은 불안정해지기 위해 중성자 하나 이상을 필요로 하는데, 이것은 핵에 의한 이중 또는 삼중 포획의 확률이 단일 포획의 확률보다 낮기 때문에 그들을 활성화시키는 것을 어렵게 만든다.예를 들어 물은 수소와 산소로 이루어져 있다.수소는 삼중수소(수소-3)로서 불안정성을 얻기 위해 이중 포획이 필요한 반면, 천연 산소(산소-16)는 불안정한 산소-19가 되기 위해 3번의 포획이 필요하다.따라서 물은 염화나트륨(NaCl)에 비해 활성화가 상대적으로 어렵다. 염화나트륨과 염소 원자는 각각 한 번 포획하면 불안정해진다.이러한 사실은 1946년 'Operation Crossroads' 원자 실험 시리즈에서 직접 경험했다.

예

주요 기사:중성자 포획

이러한 종류의 핵반응의 예는 원자로 내에서 코발트-60의 생산에서 발생한다.그리고 나서 코발트-60은 베타 입자와 감마선을 니켈-60으로 방출함으로써 분해된다.이 반응은 약 5.27년의 반감기를 가지며, 코발트-59(자연 존재량의 100%)의 가용성으로 인해 코발트의 중성자 충격 동위원소는 방사선 [1]치료를 위한 귀중한 핵 방사선원(즉 감마선)이다.

59
27Co
 + n
 → Co

다른 경우, 그리고 중성자의 운동 에너지에 따라, 중성자의 포획은 원자핵을 두 개의 작은 핵으로 분할하는 핵분열을 일으킬 수 있다.만약 핵분열이 에너지를 필요로 한다면, 그것은 중성자의 운동 에너지에서 나온다.리튬의 안정적인 동위원소인 리튬-7이 고속 중성자의 충격을 받아 다음과 같은 핵반응을 일으킬 때 가벼운 원소의 핵분열이 발생할 수 있다.

7
3Li
 + n
 → He
 + H
 + n
 + 감마선 + 운동 에너지

즉, 리튬-7에 의한 중성자의 포획은 중성자를 에너지 헬륨 핵(알파 입자), 수소-3 핵(트리튬) 및 자유 중성자로 분할시킨다.1954년 비키니 환초에서 열핵폭탄 실험이 예상 수율의 2.5배로 폭발한 캐슬 브라보 사고는 예상외로 높은 확률로 인해 일어났다.

정상운전 중 가압수형 원자로나 비등수형 원자로 주변에서는 (n,p) 반응을 통한 냉각수 산소의 중성자 활성화가 빨라 상당한 양의 방사선이 발생한다.활성화된 산소-16 핵은 양성자(수소 핵)를 방출하고 질소-16으로 변환되는데 질소-16은 산소-16으로 분해되기 전에 수명이 매우 짧습니다(7.13초).[2]

16
8O
 + n
 → p
 + N
 (빠르게 감소)
16
7N
 → γ
 + e-
 + O

이 냉각수 활성화에는 원자로 발전소 주변의 추가적인 생물학적 차폐가 필요하다.주요 관심사는 두 번째 반응에서 고에너지 감마선이다.이 때문에 최근 원자로 노심 안에 있던 물은 방사선이 가라앉을 때까지 차폐해야 한다.보통 1~2분이면 충분합니다.

사이클로트론을 수용한 시설에서는 중성자 활성화에 의해 철근콘크리트 기초가 방사능에 노출될 수 있다.중성자의 [3]영향을 받는 콘크리트 핵 내에서 6개의 중요한 장수명 방사성 54동위원소(Mn, Fe, Co, Zn, Ba, Eu)를 찾을 수 있다.잔류 방사능은 주로 미량 원소가 존재하기 때문에 사이클로트론 활성화에서 유도되는 방사능의 양은 극미량이다(즉, pCi/g 또는 Bq/g).잔류 방사능이 있는 시설에 대한 방출 한도는 [4]연간 25mrem이다.철제 철근 활성화에 의한 Fe 생성의 예는 다음과 같다.

54
26Fe
 + n
 → Fe

발생.

중성자 활성화는 안정적인 물질이 본질적으로 방사능이 되도록 유도할 수 있는 유일한 일반적인 방법이다.중성자는 핵무기 폭발의 마이크로초 단위, 활성 원자로 또는 파쇄 중성자 선원에서만 자유롭다.

핵무기에서 중성자는 1~50마이크로초밖에 생성되지 않지만 엄청난 양이다.대부분은 금속 폭탄 케이스에 흡수되는데, 폭탄 케이스는 이제 막 폭발의 영향을 받기 시작했습니다.곧 기화될 금속의 중성자 활성화는 대기 중 높은 곳에서 핵 폭발 시 핵 낙진의 상당 부분을 차지한다.다른 유형의 활성화에서 중성자는 지표면 또는 그 근처에서 버섯 구름에 분산된 토양을 조사하여 토양 화학 원소의 활성화로 인한 낙진이 발생할 수 있다.

시간이 지남에 따라 재료에 미치는 영향

원자로 노심과 같이 중성자속이 높은 모든 위치에서 중성자 활성화는 재료 침식에 기여한다. 주기적으로 라이닝 재료 자체를 저준위 방사성 폐기물로 폐기해야 한다.일부 물질은 다른 물질보다 중성자 활성화의 영향을 더 받기 때문에 적절하게 선택된 저활성 물질은 이 문제를 크게 줄일 수 있다(국제 핵융합 물질 조사 시설 참조).예를 들어 크롬-51은 전형적인 원자로 중성자량에 [5]노출된 크롬강(Cr-50 포함)에서 중성자 활성화에 의해 형성된다.

열 중성자와 함께 대기 질소-14의 중성자 활성화에 의해 생성되는 탄소-14는 (우주선-공기 상호작용 및 대기 핵실험의 과거 생산으로부터 지배적인 자연 생산 경로와 함께) 많은 설계에서 비교적 미미한 양으로 생성된다.연료 피복, 냉각수 및 물 자체에 포함된 산소의 중성자 활성화에 의해 질소 가스 불순물을 포함하는 원자로.고속 증식로(FBR)는 FBR이 일차 [6]냉각수로 물을 사용하지 않기 때문에 가장 일반적인 원자로 유형인 가압수형 원자로보다 약 C-14를 적게 생성한다.

사용하다

방사선 안전성

의사와 방사선 안전 담당자의 경우, 인체 내 나트륨이 나트륨-24로 활성화되고 인이 인-32로 활성화되면 급성 우발적 중성자 [7]피폭을 즉시 추정할 수 있다.

중성자 검출

핵융합이 퓨저 장치 내부에서 발생했음을 입증하는 한 가지 방법은 가이거 계수기를 사용하여 알루미늄 포일 시트에서 생성되는 감마선 방사능을 측정하는 것이다.

ICF 핵융합 접근방식에서 (중성자 생산에 정비례하는) 실험의 핵융합 수율은 보통 알루미늄 또는 구리 중성자 활성화 [8]대상의 감마선 방출을 측정하여 결정된다.알루미늄은 중성자를 포획하여 방사성 나트륨-24를 발생시킬 수 있다. 이 나트륨-24는 반감기가 15시간이고[9][10] 베타 붕괴 에너지는 5.514 MeV이다.[11]

황, 구리, 탄탈, 금과 같은 많은 테스트 대상 원소의 활성화는 순수[12][13] 핵분열 무기와 열핵 [14]무기의 생산량을 측정하는데 사용되어 왔다.

재료 분석

주요 기사:중성자 활성화 분석

중성자 활성화 분석은 미량 원소 분석의 가장 민감하고 정확한 방법 중 하나이다.샘플 준비나 가용화가 필요 없기 때문에 귀중한 예술품 등 온전하게 보관해야 하는 물건에 적용할 수 있습니다.활성화가 물체에 방사능을 유발하지만, 그 수준은 일반적으로 낮고 수명이 짧을 수 있기 때문에 그 영향은 곧 사라진다.그런 의미에서 중성자 활성화는 비파괴 분석법이다.

중성자 활성화 분석은 현장에서 수행할 수 있다.예를 들어 알루미늄(Al-27)은 비교적 낮은 에너지 중성자를 포착하여 동위원소 Al-28을 생성함으로써 활성화될 수 있다. 동위원소는 4.642 MeV의 [15]붕괴 에너지로 2.3분의 반감기로 붕괴한다.이 활성화된 동위원소는 탐사 [16]중인 지하 영역의 점토 함유량(일반적으로 알루미노 규산염)을 측정하기 위해 석유 시추에 사용된다.

역사학자들은 핵분열 사고로 인한 중성자량의 영향을 받는 원자 아티팩트와 물질을 인증하기 위해 우발적인 중성자 활성화를 사용할 수 있다.예를 들어 트리니타이트에서 발견되는 꽤 독특한 동위원소 중 하나는 바륨 중성자 활성화 생성물이며, 바륨은 바라톨로 [17]알려진 장치에 사용된 느린 폭발 렌즈에서 나오는 것이다.

반도체 생산

중성자 조사는 플로트존 실리콘 슬라이스(웨이퍼)에 사용되어 Si 원자가 인(P)으로 분할 변환되어 이를 n형 실리콘으로 도핑할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 국제원자력기구(IAEA)의 원자로 생산 방사성 동위원소 매뉴얼
  2. ^ Neeb, Karl Heinz (1997). The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors. Berlin-New York: Walter de Gruyter. p. 227. ISBN 3-11-013242-7.
  3. ^ Vichi, Sara (2016). "Efficiency calibration of a portable CZT detector for". Radiation Effects and Defects in Solids. 171: 705–713. doi:10.1080/10420150.2016.1244675. S2CID 99556734.
  4. ^ Nuclear Regulatory Commission 10 CFR 20.1402. "Standards for Protection Against Radiation".
  5. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2014-03-05. Retrieved 2014-03-05.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  6. ^ "IAEA Technical report series no.421, Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14" (PDF).
  7. ^ 임계 사고 선량 결정에 관한 2013-10-01 웨이백 머신에 보관된 ORNL 보고서
  8. ^ Stephen Padalino; Heather Oliver & Joel Nyquist. "DT neutron yield measurements using neutron activation of aluminum". LLE Collaborators: Vladimir Smalyukand, Nancy Rogers.
  9. ^ "4 Identified radioactive isotopes". Aanda.org. 1998-03-02. Retrieved 2019-11-14.
  10. ^ "Wayback Machine". November 29, 2014. Archived from the original on 2014-11-29.
  11. ^ [1] 2006-07-05년 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  12. ^ Kerr, George D.; Young, Robert W.; Cullings, Harry M.; Christy, Robert F. (2005). "Bomb Parameters" (PDF). In Robert W. Young, George D. Kerr (ed.). Reassessment of the Atomic Bomb Radiation Dosimetry for Hiroshima and Nagasaki – Dosimetry System 2002. The Radiation Effects Research Foundation. pp. 42–43. Archived from the original (PDF) on 2015-08-10. Retrieved 2014-03-13.
  13. ^ Malik, John (September 1985). "The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions" (PDF). Los Alamos National Laboratory. Retrieved March 9, 2014.
  14. ^ US Army (1952). Operation Ivy Final Report Joint Task Force 132 (PDF). Archived (PDF) from the original on March 11, 2014.
  15. ^ [2] 2006-07-05년 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  16. ^ "Search Results - Schlumberger Oilfield Glossary". www.glossary.oilfield.slb.com.
  17. ^ Parekh, PP; Semkow, TM; Torres, MA; Haines, DK; Cooper, JM; Rosenberga, PM; Kittoa, ME (2006). "Radioactivity in Trinitite six decades later" (PDF). Journal of Environmental Radioactivity. 85 (1): 103–120. CiteSeerX 10.1.1.494.5179. doi:10.1016/j.jenvrad.2005.01.017. PMID 16102878.
  18. ^ Sze, S. M. (2012). Semiconductor devices : physics and technology. M. K. Lee (3 ed.). New York, NY: Wiley. ISBN 0-470-53794-9. OCLC 869833419.

외부 링크

추가 정보