방사선 손상

Radiation damage

방사선 손상은 무생물 구조 재료를 포함한 물리적 물체에 대한 이온화 방사선의 영향이다.소재에 유해하거나 유익할 수 있습니다.

방사선 생물학은 방사선이 생명체에 미치는 영향을 포함한 전리작용을 연구하는 학문이다.다량의 전리방사선은 방사선 연소 등 생체조직에 손상을 입히고 세포를 암으로 만드는 등 유해한 돌연변이를 일으킬 수 있으며 방사선 중독 등 건강상의 문제로 이어질 수 있다.

원인들

이 방사선은 여러 가지 형태를 취할 수 있습니다.

  • 대기 및 기타 물질과의 충돌로 인해 발생하는 우주선과 그에 따른 에너지 입자.
  • 우주선과 대기 및 기타 물질(생체 조직 포함)의 충돌로 인한 방사성 동위원소 제품.
  • 입자 가속기에서 나오는 에너지 입자 빔.
  • X선 기계 또는 부수적으로 입자 가속기를 사용할 때 이러한 입자와 대상 입자의 충돌에서 방출되는 에너지 입자 또는 전자 복사(X선).
  • 원소의 방사성 붕괴에 의해 방출되는 입자 또는 다양한 종류의 광선으로, 자연적으로 발생하거나 가속기 충돌에 의해 생성되거나 원자로에서 생성될 수 있다.치료용 또는 산업용으로 제조되거나, 원자력 사고로 인해 우발적으로 방출되거나, 더러운 폭탄에 의해 순간적으로 방출되거나, 전쟁 또는 핵실험을 위해 핵무기의 폭발에 부수되는 대기, 지상 또는 바다로 방출될 수 있다.

소재 및 장치에 미치는 영향

방사선은 유해하고 유익한 방법으로 물질과 장치에 영향을 미칠 수 있다.

  • 물질이 방사능이 되도록 한다(주로 중성자 활성화에 의해 또는 광분해에 의한 고에너지 감마선 존재).
  • 예를 들어 수소 및 헬륨의 생산을 포함한 물질 내 원소의 핵변환에 의해 물질의 기계적 특성이 변화하고 팽창 및 메짐 현상이 발생할 수 있다.
  • 물질 내의 방사성 분해(화학 결합을 깨짐)에 의해 물질이 팽창, 중합, 부식을 촉진하고 경시, 균열을 촉진하거나 원하는 기계적, 광학적 또는 전자적 특성을 변화시킵니다.한편, 방사 분해는 폴리머의 가교 유도를 위해 사용될 수 있으며, 폴리머는 폴리머를 굳히거나 물 공급에 대한 내성을 높일 수 있다.
  • 반응성 화합물의 형성에 의해 다른 물질(예를 들어 공기의 이온화에 의해 형성된 오존에 의한 오존 균열)에 영향을 준다.
  • 이온화에 의해, 특히 전자 기기에 채용된 반도체에 전기적 고장을 일으켜, 그 후의 전류가 동작 에러를 일으키거나 디바이스를 영구적으로 손상시킵니다.원자력 산업 및 외부 대기(우주) 애플리케이션과 같은 고방사선 환경을 위한 기기는 설계, 재료 선택 및 제작 방법을 통해 그러한 영향을 견디기 어렵게 만들 수 있다.
  • 이온주입에 의한 도판트 또는 결함을 도입하여 전기적 기능을 원하는 방식으로 수정
  • 전자, 감마 또는 이온 조사 또는 붕소 중성자 포획 치료를 통해 암을 치료한다.


물질에 대한 방사선 영향의 대부분은 충돌 캐스케이드에 의해 생성되고 방사선 화학에 의해 처리된다.

고형물에 미치는 영향

방사선은 고체 물질에 유해한 영향을 미칠 수 있는데, 그 이유는 방사선의 특성이 저하되어 더 이상 기계적으로 건전하지 못하기 때문이다.이는 원자로에서 수행하는 능력에 큰 영향을 미칠 수 있고 이러한 위험을 완화하는 방사선 물질 과학의 역점이기 때문에 특히 우려된다.

금속과 콘크리트에 대한 영향은 사용 및 방사선에 노출되기 때문에 특히 연구 대상이다.금속의 경우 방사선에 노출되면 방사선 경화가 발생하여 재료를 강화하면서 그 후에 재료를 메짐화시킬 수 있습니다(인성이 낮아지고 부서지기 쉬운 골절이 발생할 수 있음).이는 초기 상호작용과 그에 따른 손상 캐스케이드 모두를 통해 원자를 격자 부위에서 떨어뜨려 결함과 전위(작업 경화 및 석출 경화와 유사)를 발생시키는 결과로 발생한다.열역학적 처리를 통한 입자 경계 공학은 파단 모드를 입자 간(입자 경계를 따라 발생)에서 입자 간(transcranular)으로 변경함으로써 이러한 영향을 완화하는 것으로 나타났다.이것은 물질의 강도를 증가시켜 [1]방사선의 메짐화 효과를 완화시킨다.방사선은 또한 물질 내 원자의 분리 및 확산으로 이어질 수 있으며, 상분리 및 공극으로 이어질 수 있을 뿐만 아니라 물 화학 및 합금 미세 [2][3]구조의 변화를 통해 응력 부식 균열의 효과를 높일 수 있다.

콘크리트는 구조를 제공하고 방사선을 포함하는 원자력발전소 건설에 광범위하게 사용되기 때문에 방사선이 미치는 영향도 큰 관심사다.콘크리트의 수명 동안 정상적인 노화로 인해 자연히 특성이 변화하지만, 핵노출은 콘크리트 골재의 팽창으로 인한 기계적 특성 상실로 이어져 벌크재료가 손상된다.예를 들어 원자로의 생물학적 차폐는 종종 포틀랜드 시멘트로 구성되며, 차폐를 통한 방사선량을 감소시키기 위해 고밀도 골재가 첨가된다.이러한 집합체는 부풀어오르고 차폐를 기계적으로 건전하지 않게 만들 수 있습니다.수많은 연구에서 평방센티미터당 [4]약 10개의19 중성자 용량으로 콘크리트의 탄성 계수뿐만 아니라 압축 강도 및 인장 강도 모두 감소하는 것으로 나타났다.이러한 경향은 콘크리트와 [5]강철의 복합체인 철근 콘크리트에도 존재하는 것으로 나타났다.

온도, 조사량, 재료 조성 및 표면 처리의 영향에 관한 핵분열 원자로 물질의 현재 분석에서 얻은 지식은 미래의 핵분열 원자로 설계 및 핵융합 [6]원자로 개발에 도움이 될 것이다.

방사선의 대상이 되는 고형물은 고에너지 입자의 폭격을 끊임없이 받고 있다.원자로 물질의 격자에 있는 입자와 원자 사이의 상호작용은 [7]원자의 변위를 일으킨다.지속적인 충격이 진행되는 동안, 일부 원자는 격자 부위에서 정지하지 않으며, 이는 결함을 만들어 냅니다.이러한 결함은 물질의 미세 구조에 변화를 일으키고 궁극적으로 많은 방사선 영향을 초래한다.

방사선 손상 이벤트

  1. 에너지 입사 입자와 격자 원자의 상호작용
  2. 격자 원자로의 운동 에너지 전달로 1차 변위 원자 생성
  3. 격자 부위에서 원자의 변위
  4. 격자를 통과하는 원자의 이동으로 추가적인 치환 원자가 생성됨
  5. 변위 캐스케이드 생산(1차 변위 원자에서 발생하는 점 결함 집합)
  6. 인터스티셜로서의 변위 원자의 종단

방사선 단면적

두 원자 사이의 상호작용 확률은 열 중성자 단면(축사 단위로 측정)에 따라 달라진다. A\ \ = \_ { } （ displaystyle \는 현미경 단면, A\ _ {A}는 표적 내 원자의 밀도 ）의 단면 및 반응 속도 R given given given = given given given given given given given given given given given given given given given given given given given given given given given given given _서 { 는 빔 플럭스)이며, 상호작용 확률은 Pdxj = Ni)(E)dx = )dx가 됩니다(이 기호들 중 어떤 것이 의미하는가?아래는 일반적인 원자 또는 합금의 단면입니다.

열중성자 단면(Barn)[8]

마그네슘 0.059
이끌다 0.17
지르코늄 0.18
지르칼로이-4 0.22
알루미늄 0.23
철 2.56
오스테나이트계 스테인리스강 3.1
니켈 4.5
티타늄 6.1
하프늄 104
붕소 750
카드뮴 2520
가돌리늄 48,890

조사 중인 미세구조 진화

재료의 미세구조 진화는 방사선 지속 기간 동안의 결함 축적에 의해 추진된다.이러한 축적은 결점의 재조합, 결점의 클러스터링 및 싱크에서의 결점의 전멸에 의해 제한됩니다.결점은 열적으로 싱크대로 이동해야 하며, 그렇게 함으로써 재결합하거나 재결합하기 위해 싱크대에 도달해야 합니다.대부분의 경우 Drad = DCvv + DCii >> Dtherm, 즉 방사선의 결과로 재료의 격자 구조 전체에 걸친 간극물 및 공극의 움직임이 종종 동일한 재료의 열 확산보다 더 중요하다.

싱크대로 향하는 공허 플럭스의 결과 중 하나는 싱크대에서 떨어진 원자의 플럭스입니다.싱크대에서 수거하기 전에 빈 공간이 사라지거나 재결합되지 않으면 빈 공간이 형성됩니다.재료에 따라 충분히 높은 온도에서 이러한 공극은 합금 분해로 인한 기체로 채워져 [9]재료의 팽창을 초래할 수 있습니다.이는 가압수형 원자로와 같이 지속적인 방사선 충격을 받는 압력에 민감하거나 구속된 물질에 대한 엄청난 문제이다.대부분의 경우 방사 플럭스는 비스토이코메트릭이며, 이는 합금 내에서 분리를 일으킨다.이 비스토이코메트릭 플럭스는 원자의 이동과 전위가 방해되는 [10]입자 경계 부근의 국소 조성에 큰 변화를 가져올 수 있습니다.이 플럭스가 계속되면 싱크에서의 용질 농축은 새로운 단계의 침전을 초래할 수 있습니다.

열역학적 조사 효과

경화

방사선 경화는 결함 클러스터, 불순물-결함 클러스터 복합체, 전위 루프, 전위 라인, 빈 공간, 기포 및 침전물의 도입으로 해당 물질의 강화이다.압력 용기의 경우 경도 상승의 결과로 발생하는 연성 손실이 특히 우려됩니다.

부서짐

방사선 메짐화는 (조사 중에 이미 경화가 발생하기 때문에) 변형 경화의 감소로 인해 파괴할 에너지를 감소시킵니다.이는 방사선 경화를 일으키는 것과 매우 유사한 이유로 동기 부여된다. 결함 클러스터, 전위, 공극 및 침전물의 개발이다.이러한 매개변수의 변화는 정확한 취약성 양을 [11]예측하기 어렵게 만들지만, 일반화된 측정값은 예측 가능한 일관성을 보여줍니다.

크리프

조사 크리프는 10초를 [12]초과할−6−1 수 있는 조사 크리프에 비해 조사 물질의 열 크리프는 무시할 수 있다.이 메커니즘은 높은 온도에서 직관적으로 느낄 수 있는 향상된 확산성이 아니라 응력과 발전하는 미세 구조 사이의 상호작용이다.스트레스는 루프의 핵 형성을 유도하고 탈구 시 간질물질의 우선 흡수를 유발하여 팽창을 [13]일으킨다.팽창은 메짐화 및 경화와 함께 상당한 압력을 받는 모든 핵물질에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

성장

조사 물질의 성장은 확산 이방성 차이(DAD)에 의해 발생합니다.이러한 현상은 자연 특성 때문에 지르코늄, 흑연, 마그네슘에서 자주 발생한다.

전도성

열 및 전기 전도율은 물질의 전자와 격자를 통한 에너지 전달에 의존합니다.변환을 통한 원자의 치환과 격자의 결함은 이러한 경로를 교란시켜 방사선 손상에 의한 두 가지 유형의 전도 감소를 초래한다.감소의 크기는 재료의 주요 전도성 유형(전자 또는 비데만-프란츠 법칙, 음소)과 방사선 손상의 세부사항에 따라 달라지며, 따라서 여전히 예측하기 어렵다.

가스에 미치는 영향

방사선에 노출되면 가스의 화학적 변화가 일어난다.가장 손상에 덜 취약한 것은 희가스이며, 여기서 주요 관심사는 핵 반응 생성물의 후속 화학 반응을 수반하는 핵 변환이다.

공기 중의 고강도 이온화 방사선은 눈에 보이는 청자색의 이온화 공기 빛을 발생시킬 수 있다.예를 들어 임계 사고, 핵 폭발 직후 버섯 구름 주변 또는 체르노빌 재난 때처럼 손상된 원자로 내부 등에서 빛을 관찰할 수 있다.

상당한 양의 오존이 생성될 수 있다.소량의 오존이라도 방사선에 의한 손상뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 많은 폴리머에서 오존 균열을 일으킬 수 있다.

가스 충전 방사선 검출기

일부 가스 이온화 검출기에서 가스에 대한 방사선 손상은 특히 대형 강입자 충돌기 또는 가이거-뮐러 튜브용 검출기와 같이 고강도 방사선에 장기간 피폭된 장치에서 장치의 노후화에 중요한 역할을 한다.

이온화 과정은 10 eV 이상의 에너지를 필요로 하는 반면, 분자에서 공유 결합을 분할하고 유리기를 생성하는 것은 3-4 eV만 필요로 한다.입자에 의한 이온화 이벤트에 의해 시작된 전기 방전은 많은 양의 유리기로 채워진 플라즈마를 발생시킵니다.반응성이 높은 활성산소는 원래의 분자로 재결합하거나 다른 분자와 일련의 활성산소 중합 반응을 일으켜 증가하는 분자량을 가진 화합물을 만들 수 있습니다.이러한 고분자량 화합물은 기체상에서 침전하여 검출기의 전극과 절연 표면에 전도성 또는 비전도성 침전물을 형성하고 반응을 왜곡한다.탄화수소 담금질을 포함한 가스(예: 아르곤-메탄)는 일반적으로 중합에 의한 노화에 민감하며, 산소를 추가하면 노화 속도를 낮추는 경향이 있다.실리콘 엘라스토머의 배출 가스, 특히 실리콘 윤활제의 미량에서 발생하는 미량의 실리콘 오일은 분해되어 표면에 실리콘 결정의 침전물이 형성되는 경향이 있습니다.아르곤(또는 제논)과 이산화탄소 및 선택적으로 산소의 2~3%가 혼합된 가스는 높은 방사 플럭스에 매우 내성이 있습니다.산소는 고에너지 광자에 비해 너무 높은 투명도를 가진 희가스로서 첨가된다. 산소로부터 형성된 오존은 자외선 광자의 강력한 흡수체이다.사불화탄소는 고속 검출기용 가스 성분으로 사용할 수 있다. 그러나 작동 중에 생성되는 불소 라디칼은 챔버 및 전극에 대한 재료 선택을 제한한다(예: 불소 라디칼이 금속을 공격하여 불소를 형성하기 때문에 금 전극이 필요하다).그러나 사불화탄소를 첨가하면 실리콘 침전물을 제거할 수 있다.사불화탄소를 가진 탄화수소가 있으면 중합이 일어난다.아르곤, 사불화탄소, 이산화탄소의 혼합물은 높은 하드론 [14]플럭스에서 낮은 노화를 나타낸다.

액체에 미치는 영향

기체와 마찬가지로 액체는 고정된 내부 구조가 없기 때문에 방사선의 영향은 주로 방사 분해로 제한되며 액체의 화학적 구성을 변화시킨다.기체와 마찬가지로 주요 메커니즘 중 하나는 활성산소의 형성입니다.

모든 액체는 방사선 손상에 노출되지만, 특이한 예외는 거의 없다. 예를 들어, 화학적 결합이 파괴되지 않는 용융 나트륨과 플루오르화 수소에 자발적으로 반응하는 기체 수소와 불소를 생성하는 액체 플루오르화 수소이다.

물에 미치는 영향

이온화 방사된 물은 수소와 수산기의 유리기를 형성하며, 수소, 산소, 과산화수소, 수산기 및 과산화기가 재결합할 수 있다.대부분 물로 구성된 생물에서, 손상의 대부분은 물에서 생성된 활성산소인 활성산소에 의해 발생한다.활성산소는 세포 내에서 구조를 형성하는 생체 분자를 공격하여 산화 스트레스를 유발한다.

원자로 냉각 시스템에서 유리 산소의 형성은 부식을 촉진하고 냉각수에 [15]수소를 첨가함으로써 상쇄된다.산소와 반응하는 각 분자에 대해 한 분자가 물의 방사 분해에 의해 해방되기 때문에 수소는 소비되지 않는다; 과잉 수소는 초기 수소 라디칼을 제공함으로써 반응 평형을 이동하는 역할을 할 뿐이다.가압수형 원자로의 환원 환경은 산화종이 축적될 가능성이 낮다.비등수형 원자로 냉각수의 화학은 환경이 산화될 수 있기 때문에 더 복잡하다.대부분의 방사성 분해 활동은 중성자속이 가장 높은 원자로 노심에서 발생한다. 에너지의 대부분은 고속 중성자와 감마 방사선의 물에 축적되며, 열 중성자의 기여는 훨씬 낮다.공기 없는 물에서는 수소, 산소, 과산화수소의 농도가 약 200 Gy의 방사선으로 정상 상태에 도달한다.용존산소가 존재하는 경우, 산소가 소비되고 평형이 바뀔 때까지 반응은 계속됩니다.물의 중성자 활성화는 저농도의 질소 종의 축적을 초래한다. 활성 산소 종의 산화 효과 때문에 질산 음이온의 형태로 존재하는 경향이 있다.환원 환경에서는 암모니아가 형성될 수 있다.그러나 암모니아 이온은 나중에 질산염으로 산화될 수도 있다.냉각수에는 산화 부식 생성물(예: 크롬산염)과 핵분열 생성물(예: 음이온, 우라닐 및 넵투닐 양이온)이 존재한다.[16]수소 핵에서 중성자의 흡수는 물에서 중수소와 삼중수소의 축적을 초래한다.초임계수형 원자로에서 중요한 초임계수의 거동은 액체수 및 증기의 방사화학적 거동과 달라 현재 [17]조사 중이다.

물에 대한 방사선의 영향 크기는 방사선의 유형과 에너지, 즉 선형 에너지 전달에 따라 달라진다.저LET 감마선을 받는 무가스수는 방사분해물을 거의 산출하지 않고 저농도로 평형을 유지한다.고LET 알파 방사선은 더 많은 양의 방사성 분해 생성물을 생성한다.용존산소가 존재하면 방사 분해가 항상 일어납니다.용해된 수소는 낮은 LET 방사선에 의한 방사선 분해를 완전히 억제하며, 방사 분해는 여전히 다음과 같이 발생합니다.

활성산소종의 존재는 용해된 유기 화학 물질에 강한 파괴 효과를 가지고 있다.이는 전자선 [18]처리에 의한 지하수 교정조치에 이용된다.

대책

방사선 손상을 줄이기 위한 두 가지 주요 접근법은 민감한 물질에 축적된 에너지의 양(예: 차폐, 선원으로부터의 거리 또는 공간적 방향)을 줄이거나 방사선 손상에 덜 민감하도록 물질을 수정하는 것이다(예: 항산화제, 안정제 추가 또는 보다 적합한 물질 선택).위에 언급된 전자 장치 경화 외에, 일반적으로 방사선원과 보호 대상 영역 사이에 고밀도 물질(특히 공간이 중요한 경우 납 또는 사용 가능한 경우 콘크리트)을 삽입하여 차폐함으로써 어느 정도의 보호를 얻을 수 있습니다.방사성 요오드 등의 물질의 생물학적 영향에 대해 비방사성 동위원소 섭취는 방사성 동위원소의 생물학적 흡수를 현저히 감소시킬 수 있으며 킬레이트 요법을 적용하여 중금속에서 형성된 방사성 물질의 자연적 과정을 통한 체내 제거를 가속화할 수 있다.

고체 방사선 손상의 경우

방사선 손상에 대한 확실한 대책은 세 가지 접근법으로 구성된다.첫째, 거대 용질로 매트릭스를 포화시키는 것이다.이는 크리프 및 탈구 동작의 결과로 발생하는 붓기를 억제하는 역할을 합니다.또한 확산 방지에도 도움이 되며, 이는 물질이 방사선에 의해 [19]분리되는 능력을 제한한다.둘째, 재료의 매트릭스 내부에 산화물을 분산시키는 것이다.분산 산화물은 전위 운동과 인터스티셜의 [20]형성 및 움직임을 방지하여 크리프를 방지하고 부기를 완화하며 방사선에 의한 분리를 감소시킨다.마지막으로 입자 경계를 가능한 한 작게 설계함으로써 전위 운동을 억제할 수 있어 재료의 [21]파손을 초래하는 메짐화 및 경화를 방지할 수 있다.

사람에 대한 영향

주요 기사 : Radiobiology

이온화 방사선은 일반적으로 생명체에 유해하고 잠재적으로 치명적이지만 방사선 치료에서 암과 갑상선독성증 치료에 건강상의 이점을 줄 수 있다.가장 일반적인 영향은 노출 후 수년 또는 수십 년의 잠복기를 수반하는 암의 유도이다.높은 선량은 시각적으로 극적인 방사선 화상 및/또는 급성 방사선 증후군을 통한 신속한 사망을 야기할 수 있다.의료 영상촬영과 방사선 치료를 위해 통제된 선량이 사용된다.

방사선 피폭의 건강상 악영향은 두 가지 일반적인 범주로 분류할 수 있다.

  • 높은 용량에 따른 세포의 사멸/오동작에 기인하는 결정론적 영향(유해 조직 반응)
  • 확률적 영향, 즉 체세포 돌연변이로 인해 노출된 개인의 암 발병 또는 생식세포 [22]돌연변이로 인한 자손의 유전성 질병과 관련된 암 및 유전성 영향.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

Wikimedia Commons에는 방사선 건강 효과와 관련된 미디어가 있습니다.
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