Нейтронне випромінювання
Нейтронне випромінювання (англ. neutron radiation)— вид корпускулярного випромінювання, що представляє собою потік вільних нейтронів. Вільні нейтрони виникають під час ядерних реакцій, наприклад, під час поділу ядер урану чи плутонію. Таке випромінювання виникає, зокрема, під час роботи прискорювачів заряджених частинок і реакторів, які утворюють потужні потоки теплових та швидких нейтронів.
Оскільки нейтрони є електронейтральними частинками, нейтронне випромінювання має велику проникну здатність.
Однією з особливостей нейтронного випромінювання є здатність перетворювати атоми стабільних елементів у їх радіоактивні ізотопи, що різко підвищує небезпеку нейтронного опромінення.
Зміст
Механізми іонізації під час нейтронного опромінення
В основі іонізації під час нейтронного опромінення лежить непрямий механізм. Нейтронне опромінення не іонізує атоми, збуджуючи електрони, як це роблять такі заряджені частинки як протони та електрони, оскільки нейтрони не мають заряду. Однак за взаємодії нейтронів з ядрами атомів виникає гамма-випромінювання, яке викликає подальшу іонізацію речовини. У результаті реакції захоплення нейтрона утворюється важчий ізотоп того ж елемента, як правило, у збудженому стані. Збудження зазвичай знімається випромінюванням одного або кількох гамма-квантів з переходом ядра до основного стану; у важких ядер можливий поділ. Утворене в результаті нейтронного захоплення ядро може бути як стабільним, так і радіоактивним. Нейтронне випромінювання в порівнянні з альфа- чи бета-випромінюванням має більшу проникну здатність в матеріалах з високою атомною щільністю. У матеріалах з низьким атомним номером гамма-випромінювання низької енергії має більшу проникну здатність, ніж нейтрони з високою енергією.
Джерела нейтронного випромінювання
Нейтрони можуть випромінюватися внаслідок ядерного синтезу або інших ядерних реакцій, таких як радіоактивний розпад, або за взаємодії елементарних частинок з космічним промінням. Великі нейтронні джерела є рідкісними, і, як правило, обмежуються ядерними реакторами, прискорювачами елементарних частинок та нейтронними бомбами.
Використання
Внаслідок відсутності заряду нейтронне випромінювання має велику проникність, оскільки під час руху через речовину нейтрони не витрачають енергію на іонізацію. Завдяки цьому нейтронне випромінювання використовується в експериментах з розсіюванням та дифракцією, в активаційному аналізі, нейтронній радіографії, нейтронному гамма-каротажі, нейтронографії та інших методах досліджень для оцінки властивостей та структури матеріалів у кристалографії, фізиці конденсованих середовищ, біології, хімії твердого тіла, матеріалознавстві, геології, мінералогії та суміжних науках. Використовується також у медицині для терапії ракових пухлин. Нейтронна візуалізація зазвичай використовується в ядерній, космічній промисловості. У військовій галузі нейтронне випромінювання є одним із основних факторів ураження під час застосування нейтронної бомби.
Нейтронна бомба
Нейтро́нна бо́мба — термоядерна зброя із низьким виходом, розроблена для максимізації летального нейтронного випромінювання в безпосередній близькості від вибуху за мінімізації фізичної сили самого вибуху. Відрізняється від "класичного" ядерного озброєння — атомної та водневої — перш за все своєю потужністю. Вона має потужність до 10 кт ТНТ, що набагато менше за потужність бомби, скинутої на Хіросіму, та приблизно в 1000 раз менше від великих (мегатонних) водневих бомб. Ударна хвиля і теплове випромінювання, що виникає під час вибуху нейтронної бомби, в 10 разів слабші, ніж за повітряного вибуху атомної бомби типу "Хіросіма". Вибух нейтронної бомби на висоті 100 м над землею викличе руйнування тільки в радіусі 200—300 м. Згубну для всього живого дію чинить випромінювання швидких нейтронів, густина потоку яких в 14 разів вища, ніж під час вибуху "класичних" ядерних бомб. Нейтрони знищують все живе в радіусі 2,5 км. Оскільки нейтронне випромінювання породжує короткоживучі радіоізотопи, до епіцентру вибуху нейтронної бомби можна безпечно наблизитися вже через 12 годин. В той же час воднева бомба надовго забруднює територію радіусом близько 7 км.
Небезпека для здоров'я та захист
Нейтронне випромінювання є одним з найнебезпечніших за зовнішнього опромінення. Нейтрони за зіткнення з ядрами водню (протон або дейтрон), передають енергію ядру, яке, в свою чергу, відривається від своїх хімічних зв'язків і проходить деяку відстань до зупинки. Такі ядра є частинками з високою лінійною передачею енергії і призводять до іонізації матеріалу, в тому числі біологічного. Таким чином, оскільки біологічні тканини багаті на вміст водню, в них нейтрони характеризуються високою біологічною активністю і приблизно на порядок ефективніше наносять біологічну шкоду організму в порівнянні з гамма- чи бета-випромінюванням з еквівалентним енергетичним впливом. В результаті клітини організму змінюють свою функціональність або втрачають здатність до відновлення. Особливо вразливі м'які тканини, такі як рогівка ока.
Інша небезпека полягає в тому, що за зіткнення нейтронів з ядрами атомів можуть утворюватися інші хімічні елементи, в т. ч. радіонукліди, що породжує в організмі наведену радіоактивність. Ця проблема існує також для установок ядерного поділу чи ядерного синтезу, оскільки через нейтронне опромінення обладнання стає радіоактивним і з часом має бути замінене та утилізоване як радіоактивні відходи.
Через те, що нейтрони ефективніше взаємодіють з легкими ядрами, матеріали з високим вмістом водню найбільше підходять для екранування нейтронного випромінювання. До таких матеріалів відноситься вода та вуглеводні, такі як поліетилен чи парафін. Дешевим екранувальним матеріалом є бетон, в якому вода хімічно зв'язана з цементом, а наявний в бетоні гравій екранує як нейтрони, так і гамма-випромінювання.
Одним з найкращих поглиначів нейтронів є бор. Бор за взаємодії з нейтронами розпадається на вуглець та гелій і практично не породжує гамма-випромінювання, тому щити з карбіду бору широко використовуються в ядерній енергетиці як поглиначі нейтронів. Наприклад, резервуари з водою чи мазутом, бетоном, гравієм та карбідом бору служать захистом від нейтронного випромінювання в ядерних реакторах. Також відповідне застосування знайшли просочене бором кварцове скло, звичайне боросилікатне скло, сталі з високим вмістом бору, парафін, органічне скло тощо.
Див. також
Джерела
- Вибрані лекції з курсу «Радіаційна біофізика» для магістрів кафедри біофізики Навчально-наукового центру «Інститут біології» Київського національного університету імені Тараса Шевченка: навч.-метод. розроб. / упорядн. К.І. Богуцька, Ю.І. Прилуцький, Ю.П. Скляров. — Київ : Поліграфічна дільниця Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, 2012. — 88 с.
- Методичні вказівки до лабораторного заняття «Дослідження захисних властивостей різних матеріалів, що використовуються для захисту від дії іонізуючого випромінювання» з дисципліни «Цивільний захист і охорона праці в галузі»: для усіх спеціальностей та форм навчання. / Укл. : О. Б. Курков, С. М. Журавель – Запоріжжя: Каф. ОП і НС. НУ «Запорізька політехніка», 2019. - 25 с.