중성자 복사

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

중성자 복사는 자유 중성자로 나타나는 이온화 방사선의 한 형태이다.대표적인 현상은 자유 중성자의 방출을 일으키는 핵분열 또는 핵융합이다. 자유 중성자는 다른 원자의 핵과 반응하여 새로운 동위원소를 형성하고, 이는 다시 추가적인 중성자 방사선을 발생시킬 수 있다.자유 중성자는 양성자, 전자, 그리고 평균 수명이 887초(14분 47초)[1]인 전자 반중성자로 붕괴하면서 불안정하다.

중성자 방사선은 알파, 베타 및 감마 방사선과 구별된다.

원천

주요 기사:중성자원
참고 항목: 카테고리:중성자 선원

중성자는 핵융합이나 핵분열, 또는 방사성 붕괴나 우주선과 입자 상호작용 또는 입자 가속기 내에서 방출될 수 있다.대형 중성자 선원은 드물며, 일반적으로 스팔레이션 중성자 선원을 포함한 원자로나 입자 가속기와 같은 대형 장치로 제한된다.

중성자 복사는 중성자 Be(α, n)C를 방출하면서 탄소핵으로 변형된 베릴륨 핵과 충돌하는 알파 입자를 관찰함으로써 발견되었다.알파 입자 방출체와 (α, n) 핵 반응 확률이 큰 동위원소의 조합은 여전히 일반적인 중성자 선원이다.

핵분열로 인한 중성자 방사선

원자로의 중성자는 일반적으로 에너지에 따라 느린(열) 중성자 또는 빠른 중성자로 분류된다.열중성자는 에너지 분포(맥스웰-볼츠만 분포)가 열역학적 평형에 있는 기체와 유사하지만 원자핵에 의해 쉽게 포착되며 원소가 핵변환을 겪는 주요 수단이다.

효과적인 핵분열 연쇄 반응을 얻기 위해, 핵분열 중에 생성된 중성자는 핵분열성 핵에 의해 포획되어야 하며, 핵분열성 핵은 분열되어 더 많은 중성자를 방출한다.대부분의 핵분열 원자로 설계에서 핵연료는 고에너지 중성자의 단면이 낮기 때문에 연쇄반응을 진행하기에 충분한 고속 중성자를 흡수하기에 충분히 정제되지 않기 때문에 중성자 감속제를 도입하여 고속 중성자를 열속도로 감속시켜 충분한 흡수를 허용해야 한다.일반적인 중성자 조절기에는 흑연, 일반(경수) 및 중수가 포함됩니다.몇 개의 원자로(고속 중성자 원자로)와 모든 핵무기는 고속 중성자에 의존한다.

우주 생성 중성자

주요 기사:우주 생성 중성자

우주 생성 중성자, 지구 대기 또는 표면에서 우주 방사선에서 생성된 중성자 및 입자 가속기에서 생성된 중성자는 원자로에서 발생하는 것보다 훨씬 높은 에너지일 수 있다.그들 중 대부분은 지상에 도달하기 전에 핵을 활성화시킨다; 몇몇은 공기 중의[clarification needed] 핵과 반응한다.질소-14와의 반응은 방사성 탄소 연대 측정에서 널리 사용되는 탄소-14(14C)의 형성으로 이어진다.

사용하다

냉, 열, 고온 중성자 복사는 결정학, 응축 물질 물리학, 생물학, 고체 화학, 재료 과학, 지질학, 광물학 및 관련 과학에서 물질의 특성과 구조를 평가하기 위해 산란 및 회절 실험에 가장 일반적으로 사용됩니다.중성자 방사선은 또한 세포 구조에 대한 침투성과 손상성이 매우 높기 때문에 암 종양을 치료하기 위해 붕소 중성자 포획 요법에 사용된다.중성자는 필름 사용 시 중성자 방사선 촬영이라 불리는 산업부품의 촬영, 화상판 사용 시 등 디지털 촬영 시 중성자 방사선 촬영, 3차원 영상용 중성자 단층 촬영에도 사용할 수 있다.중성자 이미징은 원자력 산업, 우주 및 항공우주 산업 및 고신뢰성 폭발물 산업에서 일반적으로 사용됩니다.

이온화 메커니즘 및 특성

중성자 복사는 종종 간접 이온화 복사라고 불린다.중성자는 전하가 없기 때문에 양성자나 전자와 같은 하전 입자와 같은 방식으로 원자를 이온화하지 않습니다.단, 중성자 상호작용은 중성자 흡수가 감마 방출을 초래하고 감마선(광자)이 원자에서 전자를 제거하거나 중성자 상호작용에서 반동하는 핵이 이온화되어 다른 원자에서 보다 전통적인 후속 이온화를 일으킬 때 주로 이온화된다.중성자는 전하를 띠지 않기 때문에 알파 복사나 베타 복사보다 투과성이 높다.경우에 따라서는 원자 번호가 높은 물질에서 저해되는 감마선보다 투과성이 높다.수소와 같이 원자 번호가 낮은 물질에서는 낮은 에너지의 감마선이 높은 에너지의 중성자보다 투과성이 높을 수 있다.

건강상의 위험과 보호

보건 물리학에서 중성자 방사선은 방사선 위험의 한 종류이다.중성자 방사선의 더 심각한 위험은 중성자 활성화이다. 중성자 방사선의 능력은 [2]신체 조직을 포함하여 발생하는 대부분의 물질에서 방사능을 유도하는 능력이다.이는 원자핵에 의한 중성자 포획을 통해 발생하며, 원자핵은 다른 핵종(흔히 방사성핵종)으로 변환된다.이 과정은 핵무기 폭발로 방출되는 방사성 물질의 대부분을 차지한다.핵분열과 핵융합 시설에서도 문제가 되고 있는데, 이는 장비를 점차 방사능으로 만들어 결국 저준위 방사성 폐기물로 대체하고 폐기해야 하기 때문이다.

중성자 방사선 방호는 방사선 차폐에 의존한다.중성자의 높은 운동 에너지 때문에 이 방사선은 외부 방사선원에 노출될 때 전신에 가장 심각하고 위험한 방사선으로 간주된다.광자나 하전 입자에 기초한 기존의 이온화 방사선과 비교하여 중성자는 빛 핵에 의해 반복적으로 튕겨지고 느려지기 때문에 수소가 풍부한 물질은 철 핵보다 차폐에 더 효과적이다.가벼운 원자는 중성자가 핵반응에 의해 흡수될 수 있도록 탄성 산란을 통해 중성자를 느리게 하는 역할을 한다.단, 감마선은 종종 그러한 반응에서 생성되므로 감마선을 흡수하기 위해 추가 차폐가 제공되어야 한다.핵분열이나 중성자 포획을 통해 핵의 방사성 붕괴를 일으켜 감마선을 생성하는 물질을 사용하지 않도록 주의해야 한다.

중성자는 대부분의 물질을 쉽게 통과하기 때문에 주어진 방사선량에서 흡수선량(그레이로 측정)은 낮지만 생물학적 손상을 일으킬 만큼 충분히 상호작용한다.가장 효과적인 차폐 재료는 물 또는 폴리에틸렌이나 파라핀 왁스 같은 탄화수소입니다.물 연장 폴리에스테르(WEP)는 수소 함량이 높고 내화성이 뛰어나 가혹한 환경에서도 차폐벽으로 효과적이어서 원자력,[3] 보건 물리학, 방위 산업 등 다양한 분야에서 사용할 수 있습니다.수소계 물질은 [4]방사선에 대한 적절한 장벽이기 때문에 차폐에 적합하다.

콘크리트(상당수의 물 분자가 화학적으로 시멘트에 결합하는 곳)와 자갈은 감마선과 중성자를 모두 차폐하기 때문에 저렴한 해결책을 제공한다.붕소는 또한 뛰어난 중성자 흡수체이다(또한 중성자 산란을 겪는다).붕소는 탄소나 헬륨으로 분해되어 실질적으로 감마선을 생성하지 않으며, 탄화붕소는 콘크리트가 엄청나게 비싼 곳에서 일반적으로 사용되는 차폐물이다.상업적으로 물 또는 연료유, 콘크리트, 자갈 및 BC4 탱크는 원자로와 같이 대량의 중성자속 영역을 둘러싸고 있는 일반적인 보호막이다.붕소가 함유된 실리카 유리, 표준 붕규산염 유리, 고붕소강, 파라핀 및 플렉시글라스는 틈새에서 사용됩니다.

수소 핵에 부딪히는 중성자는 에너지를 핵에 전달하기 때문에, 그들은 화학 결합에서 벗어나서 멈추기 전에 짧은 거리를 이동합니다.이러한 수소 원자핵은 높은 선형 에너지 전달 입자로, 이들이 통과하는 물질의 이온화에 의해 정지됩니다.따라서 생체조직에서 중성자는 상대적으로 높은 생물학적 효과를 가지며 동등한 에너지 피폭의 감마선이나 베타선에 비해 생물학적 손상을 일으키는 데 약 10배 더 효과적이다.이러한 중성자는 세포의 기능 변화를 일으키거나 복제를 완전히 중단시켜 시간이 [5]지남에 따라 신체에 손상을 입힐 수 있다.중성자는 눈의 각막과 같은 부드러운 조직에 특히 해를 끼친다.

소재에 미치는 영향

고에너지 중성자는 시간이 지남에 따라 물질을 손상시키고 분해한다. 중성자를 사용한 물질의 충격은 물질의 점 결함과 탈선을 발생시킬 수 있는 충돌 캐스케이드를 생성한다. 이 충돌 캐스케이드는 방사선에 노출되는 물질의 시간 경과에 따른 미세 구조 변화의 주요 동인이다.중성자 농도가 높을 경우 이는 금속 및 기타 물질의 연화 및 중성자 유도 팽창을 초래할 수 있습니다.이는 원자로 용기의 문제를 야기하고 수명을 크게 제한한다(용기의 제어된 어닐링에 의해 어느 정도 연장될 수 있으며, 축적된 전위 횟수를 감소시킨다).흑연 중성자 감속재 블록은 위그너 효과로 알려진 이 효과에 특히 민감하므로 정기적으로 소둔해야 합니다.윈드스케일 화재는 이런 어닐링 작업 중 사고로 인해 발생했다.

물질에 대한 방사선 손상은 물질 내의 격자 원자와 에너지 입사 입자(중성자 또는 기타)의 상호작용의 결과로 발생한다.충돌은 격자 원자로의 운동에너지의 대량 전달을 유발하며, 격자 원자는 1차 노크온 원자(PKA)로 알려져 있다.PKA는 다른 격자 원자에 둘러싸여 있기 때문에, 그 변위와 격자를 통과하는 것은 많은 후속 충돌과 추가적인 노크온 원자의 생성으로 이어지며, 충돌 캐스케이드 또는 변위 캐스케이드라고 알려진 것을 생성한다.노크온 원자는 충돌할 때마다 에너지를 잃고 인터스티셜로 종료되어 효과적으로 격자에 일련의 Frenkel 결점을 생성합니다.열은 (전자 에너지 손실에서) 충돌의 결과로 생성되며, 변환된 원자일 수도 있습니다.손상의 규모는 철 격자에서 PKA를 생성하는 단일 1MeV 중성자가 약 1,100쌍의 Frenkel [6]쌍을 생성한다.전체 캐스케이드 이벤트는 1 × 10초의−13 시간 척도에 걸쳐 발생하므로 이벤트의 [7]컴퓨터 시뮬레이션에서만 "관찰"할 수 있습니다.

노크온 원자는 비균형 간질 격자 위치에서 종료되며, 많은 원자는 인접한 빈 격자 부위로 확산되어 질서 있는 격자를 복원함으로써 스스로 소멸합니다.공실을 남기지 않거나 남길 수 없는 경우, 공실 농도가 평형 농도보다 훨씬 높게 국소적으로 상승합니다.이러한 공실은 공실 흡수대(즉, 입자 경계, 전위)로 열 확산의 결과로 이동하는 경향이 있지만 상당한 시간 동안 존재하며, 이 기간 동안 추가적인 고에너지 입자가 격자에 충돌하여 충돌 계단식 및 공실이 생성되어 싱크대로 이동한다.격자 조사의 주요 효과는 결함 바람으로 알려진 곳에서 흡수되는 유의하고 지속적인 결함 플럭스이다.공실은 또한 서로 결합하여 전위 루프를 형성하고 나중에 격자 공간을 [6]형성함으로써 소멸될 수 있습니다.

충돌 캐스케이드는 주어진 온도의 평형보다 재료에 훨씬 더 많은 빈 공간과 간극을 만들고 그 결과 재료의 확산성이 극적으로 증가한다.이것은 방사능 강화 확산이라고 불리는 효과로 이어지며, 이것은 시간이 지남에 따라 물질의 미세 구조 진화를 이끈다.미세 구조의 진화를 이끄는 메커니즘은 많고 온도, 플럭스 및 플루언스에 따라 달라질 수 있으며 광범위한 [8]연구 대상입니다.

  • 방사선에 의한 분리는 앞서 언급한 공실 플럭스에서 싱크대까지 발생하며, 이는 격자 원자의 플럭스가 싱크대에서 떨어져 있음을 의미한다. 그러나 합금 소재의 경우 합금 조성에 반드시 동일한 비율일 필요는 없다.따라서 이러한 플럭스로 인해 싱크 부근의 합금 원소가 고갈될 수 있습니다.캐스케이드에 의해 도입된 인터스티셜의 플럭스의 경우 효과는 반대로 나타납니다. 즉, 인터스티셜이 싱크 쪽으로 [6]확산되어 싱크 부근에서 합금이 농축됩니다.
  • 공백이 격자 평면에 클러스터를 형성할 경우 전위 루프가 형성됩니다.이러한 공실 농도가 3차원으로 확장되면 보이드가 형성됩니다.정의에 따르면, 공극은 진공 상태이지만 알파 입자 방사(헬륨)의 경우 또는 변환 반응의 결과로 가스가 생성되면 가스가 차게 될 수 있습니다.보이드는 거품이라고 불리며 방사선에 노출되는 부품의 치수 불안정(중성자 유도 팽창)을 초래합니다.팽창은 특히 스테인리스강으로 [9]만들어진 원자로 구성요소에서 장기적인 설계상의 주요 문제를 야기한다.지르칼로이 등 결정학적 등방성을 가진 합금은 전위 루프가 생성되지만 보이드가 형성되지는 않는다.대신, 루프는 특정 격자 평면에서 형성되며, 팽창과는 다른 현상인 조사 유도 성장을 초래할 수 있지만,[10] 합금에 상당한 치수 변화를 일으킬 수도 있다.
  • 재료의 조사도 재료의 위상변형을 유도할 수 있다.고형 용액의 경우 용질농축 또는 흡수원 방사유도분리에서의 고갈은 [11]재료의 새로운 상 침전을 초래할 수 있다.

이러한 메커니즘의 기계적 영향에는 조사 경화, 메짐화, 크리프 및 환경 지원 균열이 포함됩니다.재료의 방사선의 결과로 생성된 결함 클러스터, 전위 루프, 공극, 기포 및 침전물은 [12]재료의 강화 및 취약성(연성 손실)에 기여한다.원자로 압력용기를 구성하는 재료의 메짐화는 특히 우려되는 사항이며, 그 결과 용기를 파괴하는 데 필요한 에너지가 현저하게 감소한다.결함을 제거함으로써 연성을 회복하는 것은 가능하며 원자로의 수명 연장의 대부분은 안전하게 할 수 있는 능력에 달려 있다.크리프는 또한 강화된 확산성의 결과라기보다는 격자 응력과 발달하는 미세 구조 사이의 상호작용의 결과로서 조사 물질에서 크게 가속화된다.특히 중성자 방사선의 대상이 되고 물과 접촉하는 합금에서 환경지원 균열 또는 조사지원 응력 부식 균열(IASCC)이 관찰되며 물의 방사 분해로 인한 균열 팁의 수소 흡수에 의해 발생하며, 이로 인해 물의 전파에 필요한 에너지가 감소한다.금이 [6]가다

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Yue, A. T.; Dewey, M. S.; Gilliam, D. M.; Greene, G. L.; Laptev, A. B.; Nico, J. S.; Snow, W. M.; Wietfeldt, F. E. (27 November 2013). "Improved Determination of the Neutron Lifetime". Physical Review Letters. 111 (22): 222501. arXiv:1309.2623. Bibcode:2013PhRvL.111v2501Y. doi:10.1103/PhysRevLett.111.222501. PMID 24329445. S2CID 17006418.
  2. ^ "How Radiation Damages Tissue". Michigan State University. Retrieved 2017-12-21.
  3. ^ "Neutron Radiation Shielding". www.frontier-cf252.com. Frontier Technology Corporation. Retrieved 2017-12-21.
  4. ^ Carrillo, Héctor René Vega (2006-05-15). "Neutron Shielding Performance of Water-Extended Polyester" (PDF). TA-3 Dosimetry and Instrumentation. Retrieved 2017-12-21.
  5. ^ Specialist, WPI, Environmental Information Services -- Shawn Denny, Information Architect; Mike Pizzuti, Graphic Designer; Chelene Neal, Web Information Specialist; Kate Bessiere, Web Information. "Advisory Committee On Human Radiation Experiments Final Report". ehss.energy.gov. Retrieved 2017-12-21.
  6. ^ a b c d [Dunand, David]"원자력 발전 물질"머티리얼 사이언스 & 엔지니어링 381: 에너지 효율이 뛰어난 테크놀로지용 머티리얼.노스웨스턴 대학교, 에반스톤.2015년 2월 3일강의]
  7. ^ A. Struchbery, E. Bezakova "이온 주입 후 초미세 자기장에서의 피코초 지속시간 전평형 효과로 인한 열-스파이크 수명." 1999년 5월 3일.
  8. ^ Thomé, L.; Moll, S.; Debelle, A.; Garrido, F.; Sattonnay, G.; Jagielski, J. (1 June 2018). "Radiation Effects in Nuclear Ceramics". Advances in Materials Science and Engineering. 2012: 1–13. doi:10.1155/2012/905474.
  9. ^ CAWTHORNE, C.; FULTON, E. J. (1 November 1967). "Voids in Irradiated Stainless Steel". Nature. 216 (5115): 575–576. Bibcode:1967Natur.216..575C. doi:10.1038/216575a0. S2CID 4238714.
  10. ^ Adamson, R. "중성자 복사가 미세구조와 지르칼로이의 특성에 미치는 영향" 1977. 2015년 2월 8일.
  11. ^ 김현주진, 김태규."연구용 원자로 가동 조건 하에서 지르칼로이-4의 중성자 조사 성능"원자력연보. 2014년 9월 13일 웹. 2015년 2월 8일.
  12. ^ Baroch, CJ (1975). "Effect of Irradiation at 130, 650, and 775°F on Tensile Properties of Zircaloy-4 at 70, 650, and 775°F". Effects of Radiation on Structural Materials. astm.org. ASTM International. pp. 129–129–14. doi:10.1520/STP33683S. ISBN 978-0-8031-0539-3.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501

외부 링크