Promieniowanie neutronowe

Promieniowanie neutronowe to ostatni z najważniejszych rodzajów promieniowania jonizującego, choć zwykle rozpatrywany osobno, poza "typową" triadą emisji, czyli alfa, beta i gamma. Neutrony to cząstki elementarne pozbawione ładunku elektrycznego, co powoduje, że słabo oddziałują z materią i mają w niej duży zasięg. 

http://www.imp.lodz.pl/upload/edukacja/2014/Olszewski.pdf

Jako cząstki elementarne odpowiadają za istnienie izotopów, czyli pierwiastków o tej samej liczbie atomowej (liczbie protonów w jądrze), ale różnej liczbie masowej (sumie protonów i neutronów). Przykładowo uran ma 92 protony w jądrze, ale neutronów może być 143 (U-235), 146 (U-238) czy 141 (U-233). Z kolei izotony to izotopy mające tą samą liczbę neutronów w jądrze, ale różniące się liczbą protonów, zatem zawsze będą to izotopy innych pierwiastków. Przykładem może być azot-14 i węgiel-13. Istnieją jeszcze izobary, czyli pierwiastki o tej samej masie atomowej, która może być efektem różnych kombinacji liczby neutronów i protonów.

Podczas rozpadu beta minus neutron zamienia się w proton, emitując elektron i antyneutrino, zaś podczas rozpadu beta plus proton zamienia się w neutron z emisją pozytonu (elektron o dodatnim ładunku) i neutrina. 

https://express-news.me/?p=muytgnbsga5gi3bpgi2dema&sub1=split2606

Dodatkowo mają zdolność aktywacji niektórych pierwiastków, czyli tworzenia z nich izotopów promieniotwórczych. W ten sposób np. z nieradioaktywnego naturalnego kobaltu Co-59 powstaje radioaktywny izotop Co-60, a z azotu atmosferycznego węgiel C-14.

https://acg.missouri.edu/NAA.html

Przenikliwość oraz właściwości neutronów zależą w dużym stopniu od energii, stąd umowny podział na poszczególne grupy:

• powolne
• ultrazimne (10^-7 eV)
• zimne
• termiczne (1-100 meV)
• szybkie:
• gorące (0,1-10 eV)
• epitermiczne (0,025-10 keV)
• rezonansowe (1-100 eV)
• prędkie (0,5-15 MeV)
• superszybkie (>15 MeV)

Energia neutronów ma decydujący wpływ na ich interakcje z materią, szczególnie z jądrami pierwiastków ciężkich, np. uranu. Uran-238, stanowiący 99,3 % uranu naturalnego, ulega rozczepieniu jedynie od neutronów prędkich, powyżej 1,1 MeV. Neutrony termiczne są pochłaniane, powodując powstanie uranu-239, który następnie ulega przemianie w pluton-239, będący również materiałem rozszczepialnym. Z kolei neutrony termiczne mogą rozszczepiać uran-235, którego w uranie naturalnym jest zaledwie 0,7%, a który stanowi główne paliwo jądrowe w typowych reaktorach. Zastosowanie uranu-235 w reaktorach powoduje konieczność wzbogacania paliwa jądrowego w ten izotop oraz stosowania tzw. moderatora, czyli substancji spowalniającej neutrony (dawniej grafit, obecnie głównie woda). Poszczególne typy reaktorów jądrowych omówię w osobnej notce.

Od energii neutronów zależy też ich współczynnik wagowy promieniowania (WR), oznaczający biologiczną szkodliwość danego rodzaju promieniowania - jak widać, najbardziej niebezpieczne dla tkanek są neutrony o średnich energiach:

Źródło - LINK

Neutrony powstają na skutek reakcji cząstek naładowanych lub wysokoenergetycznych kwantów gamma z jądrami pierwiastków lekkich lub podczas reakcji rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich. Pierwsza metoda stosowana jest w źródłach laboratoryjnych, druga w reaktorach jądrowych.

• Źródła laboratoryjne wykorzystują zwykle emiter cząstek alfa (polon, ameryk, pluton, dawniej też rad) oraz pierwiastek lekki, najczęściej beryl lub lit. Ich wydajność wynosi od 10^6 do 10^8 neutronów na sekundę, a w typowym źródle stosującym beryl do powstania 30 neutronów potrzeba miliona cząstek alfa. 
• Neutrony można też otrzymać przy użyciu bombardowania kwantami gamma o energii wyższej niż energia wiązania neutronu w danym jądrze. W przypadku berylu-9 będzie to > 1,7 MeV, a dla deuteru > 2,26 MeV, w obu reakcjach powstanie jeden neutron.
• Przy rozszczepieniu jądra uranu powstają 2-3 neutrony, które mogą inicjować kolejne rozszczepienia, a także dwa tzw. fragmenty rozszczepienia, czyli izotopy zawierające zwykle 1/3 i 2/3 masy pierwotnego jądra:

W reakcji rozszczepienia uranu większość neutronów powstaje momentalnie, jako tzw. neutrony natychmiastowe. Przy rozszczepieniu U-235 zaledwie 0,65-0,75% neutronów powstaje z opóźnieniem 0,05 s lub większym, nieraz rzędu kilku minut. Neutrony opóźnione stanowią główny czynnik umożliwiający sterowanie reaktorem jądrowym. W tym celu do rdzenia reaktora wprowadza się pręty z materiałów silnie pochłaniających neutrony, np. kadmu lub boru - od stopnia ich wsunięcia do rdzenia zależy intensywność reakcji rozszczepienia. 

W niektórych pierwiastkach (głównie uran i pluton, ale też kaliforn) może dochodzić do spontanicznych rozszczepień i emisji neutronów, które w sprzyjających warunkach mogą wywołać samopodtrzymującą się reakcję, jak w przypadku naturalnego reaktora w Gabonie [LINK]. Neutrony powstające w efekcie spontanicznego rozszczepienia ułatwiają wykrywanie przemytu materiałów rozszczepialnych, gdyż trudniej jest je wyekranować niż promieniowanie gamma. 

Neutrony powstają też w atmosferze, na skutek zderzeń protonów, stanowiących 90% pierwotnego promieniowania kosmicznego, z jądrami atomów gazów zawartych w atmosferze. Następnie reagują z azotem atmosferycznym, tworząc węgiel C-14, zatem praktycznie nie docierają do powierzchni ziemi [LINK].

Moc dawki od promieniowania neutronowego stanowi jeden z głównych składników łącznej dawki przyjmowanej podczas lotów samolotami pasażerskimi, kursującymi zwykle na wysokości 10 tys. m:

https://www.researchgate.net/figure/Effective-dose-rate-depending-on-the-altitude_fig1_253302207

Osłony przed neutronami wykonywane są z substancji zawierających duże ilości jąder lekkich, czyli głównie wodoru - zwykle jest to woda, parafina lub polistyren. Powoduje to spowolnienie neutronów prędkich, które można następnie pochłaniać za pomocą osłon z kadmu lub boru. Na tej samej zasadzie działają detektory promieniowania neutronowego - neutrony po spowolnieniu są pochłaniane przez kadm, a powstałe przy pochłanianiu kwanty gamma zlicza detektor scyntylacyjny lub licznik G-M. Przykładowy dozymetr neutronowy omawiałem kilka lat temu  - kula z plastiku stanowi moderator neutronów, detektor helowy znajduje się w jej wnętrzu:

Na tej samej zasadzie działa sonda neutronowa SSNT-2 produkcji zakładów "Polon" - scyntylatorem jest jodek litu aktywowany europem, zaś za moderator służy kula z polietylenu. Sonda współpracuje z radiometrami uniwersalnymi serii RUST, URL i URS:

Spośród dozymetrów kieszonkowych jedynie radziecki DKS-04 miał możliwość pomiaru promieniowania neutronowego, ponieważ miniaturowy licznik G-M typu SBM-21 otoczono rurką kadmową o grubości 1,5 mm. W ten sposób licznik mógł wykrywać kwanty gamma będące efektem pochłaniania neutronów przez kadm:

Był to jednak wyjątek wśród mierników kieszonkowych, zresztą przyrząd miał zastosowanie profesjonalne, o czym świadczy bardzo szeroki zakres pomiarowy i opcja zliczania łącznej dawki. Inne dozymetry kieszonkowe, tak cywilne, jak i laboratoryjne mierzyły zwykle tylko emisję gamma i beta. 

***

 

Oprócz zastosowania w technice reaktorowej promieniowanie neutronowe jest wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki i przemysłu.

Zdolność do aktywacji wykorzystano w analizie aktywacyjnej - badana próbka jest napromieniana neutronami, a następnie spektrometr analizuje widmo promieniowania powstałych izotopów, z których każdy ma swoją charakterystyczną energię. Technika ta używana jest m.in. w odwiertach geologicznych, jak również do badań dzieł sztuki czy w medycynie sądowej. Pozwala np. na odkrycie obrazów poprzednio namalowanych na danym płótnie czy też poprawek nanoszonych przez malarza, podczas gdy tradycyjne zdjęcie RTG ukaże jedynie barwniki składające się z pierwiastków ciężkich (ołów, rtęć).

https://colourlex.com/project/neutron-activation-autoradiography/

Innym zastosowaniem aktywacji neutronowej jest dozymetria indywidualna. W organizmie człowieka znajduje się naturalny sód, który pod wpływem neutronów zamienia się w radioaktywny sód-24. Mierząc zawartość tego izotopu w organizmie można oszacować przyjętą dawkę promieniowania neutronowego o energii niezbędnej dla aktywacji. Metodę tą stosowano podczas misji księżycowych programu Apollo, jednak otrzymane dawki były poniżej progu detekcji aparatury [LINK].

Neutronami można też wykonywać prześwietlenia, wykorzystując ich znaczną przenikliwość oraz specyficzne oddziaływanie z wodorem, a więc wszystkimi substancjami zawierającymi wodę lub węglowodory (ropa, plastik). Poniżej lustrzanka w tradycyjnym prześwietleniu rentgenowskim (z prawej) i neutronowym:

Źródło 

Spowalnianie neutronów znalazło zastosowanie w wilgotnościomierzach neutronowych. Działają one na zasadzie spowalniania neutronów prędkich przez jądra wodoru, stanowiącego jeden z głównych składników wody, a następnie pomiaru neutronów powolnych. Ogranicza to zastosowanie tej metody do substancji niezawierających wodoru, czyli głównie koksu, rudy żelaza czy piasku. Ropa naftowa, będąca mieszaniną węglowodorów, sama w sobie spowalniałaby tyle neutronów, że niemożliwe byłoby wykrycie neutronów spowolnionych przez niewielkie ilości zawartej w niej wody. 

Źródło - Akademia Automatyki 

Promieniowanie neutronowe jest jednym z czynników rażenia bomb jądrowych, zarówno rozszczepieniowych, jak i termojądrowych (wodorowych). Istnieje też pewien specyficznych rodzaj bomby, znanej jako "salted bomb", czyli bomba atomowa z płaszczem kobaltowym. Podczas wybuchu kobalt ulega aktywacji do radioaktywnego kobaltu-60, który powoduje silne skażenie radioaktywne atakowanego terenu. Niekiedy nazywana jest "bombą kobaltową", choć takie określenie prowadzi do pomyłek z urządzeniem do naświetlań terapeutycznych, zwłaszcza że aktywowanym izotopem może być nie tylko kobalt, ale też cynk i tantal [LINK]. 

Produkowano również tzw. bomby neutronowe, czyli specjalny typ bomby jądrowej, której konstrukcja obliczona jest na emisję neutronów na zewnątrz, zamiast zatrzymania ich w obrębie eksplozji. Umożliwia to eliminowanie siły żywej przy stosunkowo niewielkich zniszczeniach infrastruktury i sprzętu bojowego:

https://juicyecumenism.com/2018/12/17/methodisms-neutron-bomb/

Bomby te były początkowo przewidziane do powstrzymania masowych natarć czołgów podczas spodziewanego ataku państw bloku wschodniego na państwa NATO. Innym zastosowaniem miało być uszkadzanie głowic pocisków balistycznych podczas lotu - strumień neutronów powodowałby pewną liczbę rozszczepień w materiale rozszczepialnym, uniemożliwiając późniejszą właściwą eksplozję. Program budowy bomb neutronowych wywołał masowe protesty społeczne pod koniec lat 70 XX w., ale ostatecznie został zakończony dopiero wraz z końcem zimnej wojny [LINK].

***

W codziennym życiu raczej nie będziemy mieć do czynienia z neutronami, chyba że będziemy lecieć samolotem na dużej wysokości, wybierzemy się na wycieczkę do czynnego reaktora jądrowego, np. w Świerku lub też nastąpi atak nuklearny. Warto jednak znać ich naturę i pamiętać, że neutrony również nalezą do promieniowania jonizującego, choć działającego pośrednio.