Перегляд вихідного коду сторінки Нейтронна активація

'''Нейтронна активація'''&nbsp;— це процес, у якому [[нейтронне випромінювання]] [[Наведена радіоактивність|індукує]] [[радіоактивність]] у матеріалах. Він відбувається, коли [[Ядро атома|атомні ядра]] захоплюють вільні нейтрони, стають важчими та переходять у [[Збуджений стан квантовомеханічної системи|збуджений стан]]. Збуджене ядро негайно розпадається, випромінюючи [[гамма-промені]] або частки, такі як [[Бета-розпад|бета-частинки]], [[Альфа-частинка|альфа-частинки]], {{iw|Продукти поділу ядра|продукти поділу|en|Nuclear fission product}} та нейтрони (при [[Поділ ядра|поділі ядер]]). Таким чином, процес [[захоплення нейтронів]], навіть після будь-якого проміжного розпаду, часто призводить до утворення нестабільного {{iw|Продукт активації|продукту активації|en|Activation product}}. [[Період напіврозпаду|Періоди напіврозпаду]] таких радіоактивних ядер можуть коливатися від малих часток секунди до багатьох років.

Нейтронна активація є єдиним поширеним способом, за допомогою якого стабільний матеріал може стати внутрішньо радіоактивним. Усі природні матеріали, включаючи повітря, воду та ґрунт, можуть бути активовані захопленням нейтронів у різному ступені в результаті утворення багатих нейтронами [[Радіонукліди|радіоізотопів]].&nbsp; Деяким атомам для того, щоб стати нестабільними, потрібно більше ніж один нейтрон, що ускладнює їх активацію, оскільки ймовірність подвійного чи потрійного захоплення ядром нижча, ніж у одноразового захоплення. Вода, наприклад, складається з водню та кисню. [[Водень]] вимагає подвійного захоплення, щоб досягти нестабільності, як [[тритій]] (водень-3), тоді як природний [[кисень]] ([[Оксиген-16|кисень-16]]) потребує трьох захоплень, щоб стати нестабільним [[Кисень-19|киснем-19]]. Таким чином, воду відносно важко активувати, порівняно з [[Хлорид натрію|хлоридом натрію]] (NaCl), у якому атоми натрію та хлору стають нестабільними при одноразовому захопленні нейтрона кожним. Ці факти можна було побачити на власні очі під час серії атомних випробувань ''[[Операція «Кросроудс»|операції «Кроссроудс»]]'' в 1946 році.

== Приклади ==
Прикладом такого роду ядерної реакції є виробництво [[Кобальт-60|кобальту-60]] в [[Ядерний реактор|ядерному реакторі]]: кобальт-60 потім розпадається за рахунок випромінювання [[Бета-частинки|бета-частинок]] і [[гамма-промені]]в на {{li|нікель-60|Q=Q2103496}}. Ця реакція має період напіврозпаду приблизно 5,27 років, і завдяки наявності {{iw|Кобальт-59|кобальту-59|en|Cobalt-59}} (100&nbsp;% його [[Ізотопна поширеність|природного вмісту]]), цей ізотоп [[кобальт]]у, який бомбардується нейтронами, є цінним джерелом [[Іонізуюче випромінювання|ядерного випромінювання]] (а саме гамма-випромінювання) для [[Променева терапія|променевої терапії]].<ref>[http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1340_web.pdf Manual for reactor produced radioisotopes] from the [[International Atomic Energy Agency]]</ref>

: {{Нуклід|cobalt|59}} + {{SubatomicParticle|10neutron|link=yes}} → {{Нуклід|cobalt|60}}

В інших випадках, залежно від [[Кінетична енергія|кінетичної енергії]] нейтрона, захоплення нейтрона може спричинити [[поділ ядра]]&nbsp;— розщеплення атомного ядра на два менших ядра. Якщо поділ вимагає введення енергії, то вона походить від кінетичної енергії нейтрона. Приклад такого роду поділу в легкому елементі може статися, коли стабільний ізотоп [[Літій|літію]], [[літій-7]], бомбардується швидкими нейтронами та зазнає наступної ядерної реакції:

: {{Нуклід|lithium|7}} + {{SubatomicParticle|10neutron}} → {{Нуклід|helium|4}} + {{Нуклід|hydrogen|3}} + {{SubatomicParticle|10neutron}} + [[гамма-промені]] + [[кінетична енергія]]

Іншими словами, захоплення нейтрона літієм-7 призводить до його розщеплення на енергійне ядро [[Гелій|гелію]] ([[Альфа-частинка|альфа-частинку]]), ядро [[Тритій|водню-3]] ([[Тритій|тритію]]) і вільний нейтрон. Аварія в [[Замок Браво|Касл-Браво]], під час випробування термоядерної бомби на [[Бікіні (атол)|атолі Бікіні]] в 1954 році вибухнула з потужністю, що в 2,5 рази перевищує очікувану, була спричинена несподівано високою ймовірністю цієї реакції.

Площа навколо [[Водно-водяний ядерний реактор|водно-водяних реакторів]] та [[Киплячий ядерний реактор|киплячих ядерних реакторів]] під час нормальної роботи є значною мірою радіоактивною завдяки активації швидкими нейтронами кисню охолоджуючої води через (n, p)-реакцію. Активоване ядро кисню-16 випромінює [[протон]] (ядро водню) і перетворюється на азот-16, який має надзвичайно швидко (період напіврозпаду 7,13 с) розпадається на кисень-16 і бета-частинку з енергією 6,13 МеВ.<ref name="Neeb">{{Cite book
|url=https://books.google.com/books?id=SJOE00whg44C&pg=PA227
|title=The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors |last=Neeb
|first=Karl Heinz
|date=1997
|publisher=Walter de Gruyter
|location=Berlin-New York
|page=227
|isbn=3-11-013242-7
}}</ref>

: {{Нуклід|oxygen|16}} + {{SubatomicParticle|10neutron|link=yes}} → {{SubatomicParticle|11proton|link=yes}} + {{Нуклід|nitrogen|16}}
: {{Нуклід|nitrogen|16}} → {{SubatomicParticle|gamma|link=yes}} + {{Physics particle|e|link=electron}} + {{Нуклід|oxygen|16}}

Ця активація охолоджуючої води вимагає додаткового [[Радіаційний захист|біологічного захисту]] навколо ядерного реактора. Найбільше занепокоєння викликає гамма-випромінювання високої енергії у другій реакції. Ось чому вода, яка нещодавно була всередині активної зони ядерного реактора, повинна бути захищена, доки це випромінювання не зменшиться. Як правило, достатньо однієї-двох хвилин.

У приміщеннях, де встановлено циклотрон, [[залізобетон]]ний фундамент може стати радіоактивним через нейтронну активацію. Шість важливих довгоживучих радіоактивних ізотопів ([[Манган-54|<sup>54</sup>Mn]], [[Залізо-55|<sup>55</sup>Fe]], [[Кобальт-60|<sup>60</sup>Co]], [[Цинк-65|<sup>65</sup>Zn]], [[Барій-133|<sup>133</sup>Ba]] і [[Європій-152|<sup>152</sup>Eu]]) можна знайти в бетоні, на які впливають нейтрони.<ref>{{Cite journal|last=Vichi|first=Sara|date=2016|title=Efficiency calibration of a portable CZT detector for|journal=Radiation Effects and Defects in Solids|volume=171|pages=705–713|doi=10.1080/10420150.2016.1244675}}</ref> Залишкова радіоактивність здебільшого зумовлена наявністю мікроелементів, і, отже, кількість радіоактивності, отриманої від циклотронної активації, є мізерною, тобто пКю/г або [[Бекерель|Бк/г]]. Ліміт викидів для об'єктів із залишковою радіоактивністю становить 25 мбр/рік.<ref name="NRC">{{Cite web|last=Nuclear Regulatory Commission 10 CFR 20.1402|title=Standards for Protection Against Radiation|url=https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part020/full-text.html|ref=10 CFR 20.1402}}</ref> Приклад утворення <sup>55</sup>Fe в результаті активації залізної арматури показано нижче:

: {{Нуклід|Iron|54}} + {{SubatomicParticle|10neutron|link=yes}} → {{Нуклід|Iron|55}}

== Виникнення ==
Нейтронна активація є єдиним поширеним способом, за допомогою якого стабільний матеріал може стати внутрішньо радіоактивним. Нейтрони є вільними в достатній кількості лише за мікросекунди вибуху ядерної зброї, в активному ядерному реакторі або в [[Реакції сколювання|джерелі сколювання]].

В атомній зброї нейтрони генеруються лише від 1 до 50 мікросекунд, але у величезній кількості. Більшість поглинається металевим кожухом бомби, на який тільки починає впливати вибух у ньому. Нейтронна активація металу, який незабаром випарується, відповідає за значну частину [[Радіоактивне зараження|ядерних опадів]] під час ядерних вибухів високо в атмосфері. В інших типах активації нейтрони можуть опромінювати ґрунт, який розсіяний у грибоподібній хмарі, на поверхні або поблизу поверхні Землі, що призводить до випадання активованих хімічних елементів ґрунту.

== Вплив на матеріали з часом ==
У будь-якому місці з високими [[Нейтронний потік|нейтронними потоками]], наприклад, в активних зонах ядерних реакторів, нейтронна активація сприяє ерозії матеріалу; періодично самі облицювальні матеріали повинні бути утилізовані, як [[Радіоактивні відходи|низькорадіоактивні відходи]]. Деякі матеріали більш схильні до нейтронної активації, ніж інші, тому відповідним чином вибраний матеріал із низькою активацією може значно зменшити цю проблему (див. {{iw|Міжнародна установка опромінення термоядерних матеріалів||en|International Fusion Materials Irradiation Facility}}). Наприклад, {{li|хром-51|Q=Q1973151}} утворюється шляхом нейтронної активації в {{iw|Хроміста сталь|хромистій сталі|en|Chrome steel}} (яка містить [[Хром-50|<sup>50</sup>Cr]]), яка піддається типовому нейтронному потоку реактора.<ref>{{Cite web|url=http://ie.lbl.gov/toi/nuclide.asp?iZA=240051|title=Table of Isotopes decay data|accessdate=2014-03-05|archiveurl=https://web.archive.org/web/20140305004349/http://ie.lbl.gov/toi/nuclide.asp?iZA=240051|archivedate=2014-03-05|url-status=dead}}</ref>

[[Вуглець-14]], який найчастіше, але не виключно, утворюється нейтронною активацією атмосферного азоту-14 [[Теплові нейтрони|тепловим нейтроном]] (разом із домінуючим природним шляхом утворення від взаємодії космічних променів із повітрям та історичним утворенням у результаті [[Ядерне випробування|атмосферних ядерних випробувань]]) також утворюється у порівняно невеликих кількостях у багатьох конструкціях ядерних реакторів, які містять домішки газоподібного азоту в [[Ядерне паливо|оболонці палива]], охолоджувальній воді та нейтронною активацією кисню, що міститься у самій воді. [[Реактор-розмножувач|Реактори-розмножувачі на швидких нейтронах]] (FBR) виробляють приблизно на порядок менше C-14, ніж найпоширеніший тип реактора, [[Водно-водяний ядерний реактор|реактор з водою під тиском]], оскільки FBR не використовує воду як теплоносій першого контуру.<ref>{{Cite web|url=http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TRS421_web.pdf|title=IAEA Technical report series no.421, Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14}}</ref>

== Використання ==

=== Радіаційна безпека ===
Для лікарів і офіцерів радіаційної безпеки активація натрію в організмі людини до натрію-24 і фосфору до {{li|Фосфор-32|text=фосфору-32|Q=Q2174657}} може дати хорошу негайну оцінку гострого випадкового опромінення нейтронами.<ref>[http://web.ornl.gov/info/reports/1993/3445603755103.pdf ORNL Report] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20131001184002/http://web.ornl.gov/info/reports/1993/3445603755103.pdf|date=2013-10-01}} on determination of dose from criticality accidents</ref>

==== Детектування нейтронів ====
Одним із способів продемонструвати, що [[ядерний синтез]] відбувся всередині [[Фузор|термоядерного пристрою,]] є використання [[Лічильник Гейгера|лічильника Гейгера]] для вимірювання радіоактивності гамма-випромінювання, яке виробляється з листа [[Альфоль|алюмінієвої фольги]].

У підході до термоядерного синтезу [[Інерційне утримання плазми|ICF]] продуктивність синтезу в експерименті (прямо пропорційна утворенню нейтронів) зазвичай визначається шляхом вимірювання гамма-випромінювання алюмінієвих або мідних нейтронних активаційних мішеней.<ref>{{Cite web|url=http://www.geneseo.edu/nuclear/aluminum-activation-results|title=DT neutron yield measurements using neutron activation of aluminum|last=Stephen Padalino|last2=Heather Oliver|last3=Joel Nyquist}}</ref> Алюміній може захоплювати нейтрон і генерувати радіоактивний [[натрій-24|натрій-24]], який має період напіврозпаду 15 годин<ref>{{Cite web|url=http://www.aanda.org/articles/aa/full/2001/10/aah2362/node4.html|title=4 Identified radioactive isotopes|publisher=Aanda.org|date=1998-03-02|accessdate=2019-11-14}}</ref><ref>{{Cite web|url=http://kubchemistry.weebly.com/uploads/6/9/8/7/6987088/chapter_22_nuclear_reactions.ppt|title=|date=29 листопада 2014|archiveurl=https://web.archive.org/web/20141129070410/http://kubchemistry.weebly.com/uploads/6/9/8/7/6987088/chapter_22_nuclear_reactions.ppt|archivedate=2014-11-29}}</ref> і енергію бета-розпаду 5,514 МеВ.<ref>[http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#sodium24] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060705214728/http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html|date=2006-07-05}}</ref>

Активація ряду тестових мішеней, таких як [[сірка]], мідь, [[Тантал (хімічний елемент)|тантал]] і [[золото]], використовувалася для визначення продуктивності як зброї [[Зброя чистого поділу|чистого поділу]]<ref name="Kerr2005">{{Cite book
|title=Reassessment of the Atomic Bomb Radiation Dosimetry for Hiroshima and Nagasaki – Dosimetry System 2002 |last=Kerr
|first=George D.
|last2=Young
|first2=Robert W.
|last3=Cullings
|first3=Harry M.
|last4=Christy
|first4=Robert F.
|year=2005
|editor-last=Robert W. Young, George D. Kerr
|publisher=The Radiation Effects Research Foundation
|pages=42–43
|chapter=Bomb Parameters
|archiveurl=https://web.archive.org/web/20150810210007/http://www.rerf.or.jp/shared/ds02/pdf/chapter01/cha01-p42-61.pdf
|archivedate=2015-08-10
|accessdate=2014-03-13
|url-status=dead
}}</ref><ref name="Malik1985">{{Cite web|url=http://www.osti.gov/manhattan-project-history/publications/LANLHiroshimaNagasakiYields.pdf|title=The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions|last=Malik|first=John|date=September 1985|publisher=Los Alamos National Laboratory|accessdate=9 березня 2014}}</ref> так і [[Термоядерна бомба|термоядерної зброї]].<ref>{{Cite book
|url=http://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a995443.pdf
|title=Operation Ivy Final Report Joint Task Force 132 |last=US Army
|year=1952
|archiveurl=https://web.archive.org/web/20140311064141/http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a995443.pdf
|archivedate=March 11, 2014
|url-status=live
}}</ref>

==== Аналіз матеріалів ====
[[Нейтронно-активаційний аналіз]] є одним із найбільш чутливих і точних методів аналізу мікроелементів. Він не потребує підготовки зразків чи розчинення, тому його можна застосовувати до об'єктів, які потрібно зберегти недоторканими, наприклад цінного витвору мистецтва. Хоча активація викликає радіоактивність в об'єкті, її рівень, як правило, низький, а час її життя може бути коротким, тому її наслідки незабаром зникають. У цьому сенсі нейтронна активація є неруйнівним методом аналізу.

Нейтронно-активаційний аналіз можна проводити на місці. Наприклад, алюміній ({{li|Алюміній-27|text=<sup>27</sup>Al|Q=Q2225512}}) можна активувати шляхом захоплення нейтронів відносно низької енергії для отримання {{li|Алюміній-28|text=ізотопу Al-28|Q=Q18844401}}, який розпадається з періодом напіврозпаду 2,3 хвилини з енергією розпаду 4,642 МеВ.<ref>[http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#aluminium28] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060705214728/http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html|date=2006-07-05}}</ref> Цей активований ізотоп використовується при бурінні нафтових свердловин для визначення вмісту [[Природні силікати|глини]] (глина, як правило, є [[Алюмосилікати|алюмосилікатом]]) підземної ділянки, що розвідується.<ref>{{Cite web|url=https://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms.aspx?LookIn=term+name&filter=aluminum+activation+log|title=Search Results - Schlumberger Oilfield Glossary|website=www.glossary.oilfield.slb.com}}</ref>

Історики можуть використовувати випадкову активацію нейтронів, щоб підтвердити автентичність атомних артефактів і матеріалів, які піддалися потокам нейтронів від інцидентів поділу. Прикладом є один із досить унікальних ізотопів, знайдених у [[Тринітит|тринітиті]], і, отже, відсутність якого, ймовірно, свідчить про фальшивий зразок мінералу, є продуктом нейтронної активації барію. [[Барій]] у [[Триніті (випробовування)|пристрої Трініті]] походить від [[швидкість детонації|повільної]] [[Вибухова лінза|вибухової лінзи]] з [[Баратол|баратолу]].<ref>{{Cite journal|last=Parekh|first=PP|last2=Semkow|first2=TM|last3=Torres|first3=MA|last4=Haines|first4=DK|last5=Cooper|first5=JM|last6=Rosenberga|first6=PM|last7=Kittoa|first7=ME|year=2006|title=Radioactivity in Trinitite six decades later|url=http://www.ecolo.org/documents/documents_in_english/Trinitite-JER-2006.pdf|journal=Journal of Environmental Radioactivity|volume=85|issue=1|pages=103–120|citeseerx=10.1.1.494.5179|doi=10.1016/j.jenvrad.2005.01.017|pmid=16102878}}</ref>

=== Виробництво напівпровідників ===
Нейтронне опромінення може бути використане для [[Напівпровідникова пластина|пластин]] кремнію {{iw|кремній з плаваючою зоною|з плаваючою зоною|en|Float-zone silicon}} щоб ініціювати часткову трансмутацію атомів Si у фосфор (P) і, таким чином, легувати його в кремній n-типу<ref name=":0">{{Cite book
|url=https://www.worldcat.org/oclc/869833419
|title=Semiconductor devices : physics and technology |last=Sze
|first=S. M.
|date=2012
|publisher=Wiley
|edition=3
|location=New York, NY
|isbn=978-0-470-53794-7
|oclc=869833419
}}</ref> {{Rp|page=366}}

: <math chem="">\ce{Si14^{30}} + neutron \xrightarrow{} \ce{Si14^{31}} + \gamma-ray\xrightarrow{2.62hr}\ce{P31^{15}} + \beta-ray</math>

== Див. також ==

* [[Наведена радіоактивність]]
* [[Нейтронно-активаційний аналіз]]
* {{iw|Фосфор-32||en|Phosphorus-32}} утворюється, коли сірка захоплює нейтрон.
* [[Посолена бомба]]
* [[Таблиця ізотопів|Таблиця нуклідів]]

== Примітки ==
<references responsive="1"></references>

== Посилання ==

* [https://web.archive.org/web/20161126143224/http://www.naa-online.net/ Веб-аналіз активації нейтронів]
* [http://www-nds.iaea.org/publications/tecdocs/technical-reports-series-156.pdf Довідник з перерізів ядерної активації, МАГАТЕ, 1974]
* [https://www.orau.org/PTP/PTP%20Library/library/DOE/bnl/nuclidedata/table.htm Дані про розпад у форматі MIRD з Національного центру ядерних даних Брукхейвенської національної лабораторії]
* [https://web.archive.org/web/20150924072849/http://www.physics.rutgers.edu/~abragg/110/lecture16.html Захоплення нейтронів у зв'язку з нуклеосинтезом]
* [https://web.archive.org/web/20150810210025/http://www.orau.gov/tdd/QualPrgm/learningmaterials/RadiationProtection/rp12.pdf Захоплення нейтронів і діаграма нуклідів]
* [http://www.nndc.bnl.gov/chart/ Схема нуклідів]
* [http://www.nscl.msu.edu/~thoennes/2009/chromium-adndt.pdf Відкриття ізотопів хрому, хрому-55 шляхом захоплення нейтронів Cr-54]
* [https://orill.readthedocs.io ОРІЛ] : 1D трансмутація, виснаження палива та код захисту від радіації

== Подальше читання ==

* {{Cite book
|url=http://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a995443.pdf
|title=Operation Ivy Final Report Joint Task Force 132 |last=US Army
|year=1952
|archiveurl=https://web.archive.org/web/20140311064141/http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a995443.pdf
|archivedate=March 11, 2014
|url-status=live
}}
[[Категорія:Випромінювання]]
[[Категорія:Нейтрон]]
[[Категорія:Сторінки з неперевіреними перекладами]]