التنشيط النيوتروني

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

التنشيط النيوتروني هو العملية التي يُحفز فيها الإشعاع النيوتروني النشاط الإشعاعي في المواد، ويحدث عندما تلتقط نوى الذرات نيوترونات حرة ، فتصبح أثقل وتدخل في حالات إثارة . تتحلل النواة المثارة فورًا بإصدار أشعة غاما ، أو جسيمات مثل جسيمات بيتا ، وجسيمات ألفا ، ونواتج الانشطار ، والنيوترونات (في الانشطار النووي ). لذا، فإن عملية التقاط النيوترونات ، حتى بعد أي تحلل وسيط، غالبًا ما تؤدي إلى تكوين ناتج تنشيط غير مستقر . يمكن أن تُظهر هذه النوى المشعة أعمار نصف تتراوح من أجزاء صغيرة من الثانية إلى سنوات عديدة.

يُعدّ التنشيط النيوتروني الطريقة الشائعة الوحيدة لتحويل المواد المستقرة إلى مواد مشعة. يمكن تنشيط جميع المواد الموجودة في الطبيعة، بما في ذلك الهواء والماء والتربة، عن طريق التقاط النيوترونات، لتصبح مشعة بدرجات متفاوتة، نتيجةً لإنتاج نظائر مشعة غنية بالنيوترونات . تحتاج بعض الذرات إلى أكثر من نيوترون واحد لتصبح غير مستقرة، مما يجعل تنشيطها أكثر صعوبة، لأن احتمالية التقاط نيوترونين أو ثلاثة من النواة أقل من احتمالية التقاط نيوترون واحد. يتكون الماء، على سبيل المثال، من الهيدروجين والأكسجين. يحتاج الهيدروجين (النظير الأكثر شيوعًا، ¹H ) إلى التقاط نيوترونين ليصبح غير مستقر على هيئة تريتيوم (هيدروجين-3)، بينما يحتاج الأكسجين (النظير الأكثر شيوعًا، ¹⁶O ) إلى ثلاثة التقاطات ليصبح أكسجين-19 غير مستقر. لذا ، يصعب تنشيط الماء، على عكس كلوريد الصوديوم (NaCl)، حيث يصبح كل من الصوديوم والكلور غير مستقرين بعد التقاط نيوترون واحد لكل منهما (انظر: نظائر الصوديوم ؛ نظائر الكلور ). وقد تم اختبار هذه الحقائق في سلسلة التجارب النووية لعملية كروسرودز في عام 1946.

أمثلة

يحدث هذا النوع من التفاعلات النووية أثناء إنتاج الكوبالت-60 ( 60Co ) في المفاعل النووي . يتحلل الكوبالت -60 (نصف عمره حوالي 5.27 سنة) إلى نيكل -60، مُصدراً جسيم بيتا وأشعة غاما . ونظراً لتوافر الكوبالت-59 ( بنسبة وفرة طبيعية 100%)، يُعد هذا النظير المُقذوف بالنيوترونات مصدراً قيماً للإشعاع النووي (وتحديداً أشعة غاما) في العلاج الإشعاعي . [ 1 ]

59 27 Co+ 1 0 n→ 60 27 Co

في حالات أخرى، وبحسب الطاقة الحركية للنيوترون، قد يؤدي التقاط النيوترون إلى الانشطار النووي ، أي انقسام نواة الذرة إلى نواتين أصغر. إذا تطلب الانشطار طاقة، فإنها تأتي من الطاقة الحركية للنيوترون. مثال على هذا النوع من الانشطار في عنصر خفيف هو قذف النظير المستقر لليثيوم ، الليثيوم-7 ، بنيوترونات سريعة، مما يؤدي إلى التفاعل النووي التالي:

7 3 Li+ 1 0 n→ 4 2 He+ 3 1 H+ 1 0 n+أشعة غاما+طاقة حركية

بمعنى آخر، يؤدي التقاط الليثيوم-7 للنيوترون إلى انشطاره إلى نواة هيليوم نشطة ( جسيم ألفا )، ونواة هيدروجين-3 ( تريتيوم )، ونيوترون حر. وقد نجم حادث كاسل برافو ، الذي انفجرت فيه القنبلة النووية الحرارية في بيكيني أتول عام 1954 بقوة 2.5 ضعف القوة المتوقعة، عن الاحتمالية العالية غير المتوقعة لحدوث هذا التفاعل.

في المنطقة المحيطة بمفاعل الماء المضغوط أو مفاعل الماء المغلي أثناء التشغيل العادي، تُنتَج كمية كبيرة من الإشعاع نتيجة لتنشيط الأكسجين في ماء التبريد بواسطة النيوترونات السريعة عبر تفاعل (ن، ب) . تُصدر نواة الأكسجين-16 المنشطة بروتونًا (نواة هيدروجين)، وتتحول إلى نيتروجين-16، الذي يتميز بعمر قصير جدًا (7.13 ثانية) قبل أن يتحلل عائدًا إلى أكسجين-16 (مُصدرًا جسيمات بيتا بطاقة 10.4 ميغا إلكترون فولت وإشعاعات غاما بطاقة 6.13 ميغا إلكترون فولت). [ 2 ]

16 8 O+ 1 0 n→ 1 1 p+ 16 7 N(يتحلل بسرعة)
16 7 N→ γ + 0 -1 e -+ 16 8 O

يتطلب تنشيط ماء التبريد هذا حماية بيولوجية إضافية حول محطة المفاعل النووي. ويُعدّ انبعاث أشعة غاما عالية الطاقة في التفاعل الثاني مصدر القلق الرئيسي. لذا، يجب حماية الماء الذي كان داخل قلب المفاعل النووي مؤخرًا حتى يزول هذا الإشعاع، وعادةً ما تكفي دقيقة إلى دقيقتين.

في المنشآت التي كانت تضمّ سيكلوترونًا، قد تصبح الأساسات الخرسانية المسلحة مشعة نتيجةً لتنشيط النيوترونات. توجد ستة نظائر مشعة طويلة العمر ( المنغنيز -54 ، والحديد -55 ، والكوبالت -60 ، والزنك -65 ، والباريوم -133 ، واليوروبيوم -152 ) في الخرسانة المتأثرة بالنيوترونات. [ 3 ] يعود النشاط الإشعاعي المتبقي في الغالب إلى العناصر النزرة الموجودة، وبالتالي فإن كمية النشاط الإشعاعي الناتج عن تنشيط السيكلوترون ضئيلة للغاية، أي بيكو كوري/غرام أو بيكريل /غرام. يبلغ الحد الأقصى المسموح به لإطلاق الإشعاع في المنشآت التي تحتوي على نشاط إشعاعي متبقٍ 25 ملي ريم/سنة. [ 4 ] يوضح الشكل أدناه مثالًا على إنتاج الحديد -55 من تنشيط الحديد في قضبان التسليح الموجودة في الخرسانة:

54 26 Fe+ 1 0 n→ 55 26 Fe

حدوث

يُعدّ التنشيط النيوتروني الطريقة الشائعة الوحيدة لتحويل مادة مستقرة إلى مادة مشعة. ويختلف التنشيط جوهريًا عن التلوث. ولا تتوفر النيوترونات الحرة بكميات كبيرة إلا في أجزاء من الثانية من الانفجار النووي، أو في مفاعل نووي نشط، أو في مصدر نيوتروني ناتج عن التفتت النووي .

في القنبلة النووية، تتولد النيوترونات لفترة تتراوح بين 1 و50 ميكروثانية فقط، ولكن بأعداد هائلة. يمتص غلاف القنبلة معظمها، إذ يبدأ تأثير الانفجار الداخلي عليه بالظهور للتو. ويُعزى جزء كبير من التساقط النووي في الانفجارات النووية التي تحدث في طبقات الجو العليا إلى تنشيط النيوترونات للمعدن الذي سيتبخر قريبًا. وفي أنواع أخرى من التنشيط، قد تُشعّع النيوترونات التربة التي تنتشر في سحابة فطرية على سطح الأرض أو بالقرب منه، مما يؤدي إلى تساقط نووي ناتج عن تنشيط العناصر الكيميائية في التربة.

تأثيرات على المواد بمرور الوقت

في أي مكان ذي تدفقات نيوترونية عالية ، كما هو الحال داخل قلب المفاعلات النووية، يُسهم التنشيط النيوتروني في تآكل المواد، ويجب التخلص دوريًا من مواد التبطين نفسها كنفايات مشعة منخفضة المستوى . بعض المواد أكثر عرضة للتنشيط النيوتروني من غيرها، لذا فإن اختيار مادة مناسبة ذات تنشيط منخفض يُمكن أن يُقلل هذه المشكلة بشكل كبير (انظر المرفق الدولي لتشعيع مواد الاندماج ). على سبيل المثال، يتشكل الكروم-51 بفعل التنشيط النيوتروني في فولاذ الكروم (الذي يحتوي على 50 % كروم) عند تعرضه لتدفق نيوتروني نموذجي للمفاعل. [ 5 ]

يُنتج الكربون-14 ، في أغلب الأحيان (وليس حصراً)، عن طريق تنشيط النيتروجين-14 الجوي بواسطة نيوترون حراري ، كما يُنتج بكميات ضئيلة نسبياً داخل العديد من تصاميم المفاعلات النووية التي تحتوي على شوائب غاز النيتروجين في غلاف الوقود ، ومياه التبريد ، وعن طريق تنشيط الأكسجين الموجود في الماء نفسه بواسطة النيوترونات. وتُنتج مفاعلات التوليد السريع (FBR) كمية من الكربون-14 أقل بنحو عشرة أضعاف من النوع الأكثر شيوعاً، وهو مفاعل الماء المضغوط ، لأن مفاعلات التوليد السريع لا تستخدم الماء كمبرد أساسي. [ 6 ]

الاستخدامات

السلامة من الإشعاع

بالنسبة للأطباء ومسؤولي السلامة الإشعاعية، يمكن أن يوفر تنشيط الصوديوم في جسم الإنسان إلى صوديوم-24، والفوسفور إلى فوسفور-32، تقديرًا فوريًا جيدًا للتعرض الحاد للنيوترونات العرضية. [ 7 ]

الكشف عن النيوترونات

إحدى طرق إثبات حدوث الاندماج النووي داخل جهاز الاندماج هي استخدام عداد جايجر لقياس النشاط الإشعاعي لأشعة جاما الناتج عن صفيحة من رقائق الألومنيوم .

في الاندماج بالقصور الذاتي (ICF)، يُحدد مردود الاندماج في التجربة (المتناسب طرديًا مع إنتاج النيوترونات) عادةً بقياس انبعاثات أشعة غاما من أهداف تنشيط النيوترونات المصنوعة من الألومنيوم أو النحاس. [ 8 ] يمكن للألومنيوم أن يمتص نيوترونًا وينتج عنه الصوديوم-24 المشع ، الذي يبلغ عمر النصف له 15 ساعة [ 9 ] [ 10 ] وطاقة اضمحلال بيتا له 5.514 ميغا إلكترون فولت. [ 11 ]

تم استخدام تنشيط عدد من عناصر الهدف الاختبارية مثل الكبريت والنحاس والتنتالوم والذهب لتحديد ناتج كل من الانشطار النقي [ 12 ] [ 13 ] والأسلحة النووية الحرارية . [ 14 ]

تحليل المواد

يُعدّ تحليل التنشيط النيوتروني (NAA) من أكثر طرق تحليل العناصر النزرة حساسيةً ودقةً. فهو لا يتطلب تحضير العينة أو إذابتها، وبالتالي يُمكن تطبيقه على الأشياء التي يجب الحفاظ عليها سليمة، مثل القطع الفنية القيّمة. ورغم أن التنشيط يُحدث نشاطًا إشعاعيًا في الجسم، إلا أن مستواه يكون منخفضًا عادةً، وقد يكون عمره قصيرًا، لذا تتلاشى آثاره سريعًا. وبهذا المعنى، يُعتبر التنشيط النيوتروني طريقة تحليل غير مُتلفة.

يمكن إجراء التحليل بالتنشيط النيوتروني في الموقع. على سبيل المثال، يمكن تنشيط الألومنيوم ( 27Al ) عن طريق التقاط نيوترونات منخفضة الطاقة نسبيًا لإنتاج 28Al ، الذي يتحلل بنصف عمر يبلغ 2.3 دقيقة وطاقة تحلل تبلغ 4.642 ميغا إلكترون فولت. [ 15 ] يُستخدم هذا النظير المنشط في عمليات حفر آبار النفط لتحديد محتوى الطين (الطين عادةً ما يكون من سيليكات الألومنيوم ) في المنطقة الجوفية قيد الاستكشاف. [ 16 ]

يستطيع المؤرخون استخدام نواتج التنشيط النيوتروني للتحقق من صحة القطع الأثرية والمواد الذرية التي تعرضت لتدفقات نيوترونية من حوادث الانشطار النووي. على سبيل المثال، يُعد الباريوم-133 أحد النظائر النادرة الموجودة في الترينيتيت ، وهو ناتج تنشيط يتكون من الباراتول المستخدم في العدسة المتفجرة البطيئة المستخدمة في جهاز ترينيتي . يمكن استخدام نظير الباريوم هذا للتحقق من صحة عينات الترينيتيت، إذ يشير غيابه إلى عينة مزيفة. [ 17 ]

إنتاج أشباه الموصلات

يمكن استخدام التشعيع النيوتروني لشرائح السيليكون ( الرقائق ) المصنعة بتقنية المنطقة العائمة لتحفيز التحول الجزئي لذرات السيليكون إلى الفوسفور (P) وبالتالي تطعيمها في السيليكون من النوع n [ 18 ] : 366

نعم1430+نهـuترoن→نعم1431+γ-رأy→2.62حرP1531+β-رأy{\displaystyle {\ce {_14^{30}Si}}+\mathrm {نيوترون} \xrightarrow {} {\ce {_14^{31}Si}}+\gamma \mathrm {-ray} \xrightarrow {2.62\mathrm {hr} } {\ce {_15^{31}P}}+\beta \mathrm {-ray} }

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ دليل النظائر المشعة المنتجة في المفاعلات من الوكالة الدولية للطاقة الذرية
  2. ↑ نيب، كارل هاينز (1997). الكيمياء الإشعاعية لمحطات الطاقة النووية ذات مفاعلات الماء الخفيف . برلين-نيويورك: والتر دي جرويتر. ص  227. ISBN 3-11-013242-7.
  3. ↑ فيتشي، سارة (2016). "معايرة كفاءة كاشف CZT محمول لـ". تأثيرات الإشعاع والعيوب في المواد الصلبة . 171 : 705-713 . doi : 10.1080/10420150.2016.1244675 . S2CID 99556734 . 
  4. ↑ هيئة التنظيم النووي 10 CFR 20.1402. "معايير الحماية من الإشعاع" .{{cite web}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  5. ↑ "جدول بيانات اضمحلال النظائر" . مؤرشف من الأصل في 5 مارس 2014. تم الاطلاع عليه في 5 مارس 2014 .
  6. ↑ "سلسلة التقارير الفنية للوكالة الدولية للطاقة الذرية رقم 421، إدارة النفايات التي تحتوي على التريتيوم والكربون-14" (PDF) .
  7. ↑ تقرير مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) مؤرشف بتاريخ 1 أكتوبر 2013 على موقع Wayback Machine حول تحديد الجرعة الناتجة عن حوادث الحرجية
  8. ↑ ستيفن بادالينو؛ هيذر أوليفر وجويل نيكويست. "قياسات إنتاج النيوترونات باستخدام تنشيط الألومنيوم بالنيوترونات" . المتعاونون في مشروع LLE: فلاديمير سماليوكاند، نانسي روجرز.
  9. ↑ "4 نظائر مشعة تم تحديدها" . Aanda.org. 2 مارس 1998. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 نوفمبر 2019 .
  10. ↑ "التفاعلات النووية" . 29 نوفمبر 2014. مؤرشف من الأصل (PPT) في 29 نوفمبر 2014.
  11. ↑أُرشف بتاريخ 5 يوليو 2006 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
  12. ↑ كير، جورج د.؛ يونغ، روبرت و.؛ كولينغز، هاري م.؛ كريستي، روبرت ف. (2005). "معايير القنبلة" (ملف PDF) . في: روبرت و. يونغ، جورج د. كير (محرران). إعادة تقييم قياس جرعات الإشعاع للقنبلة الذرية لهيروشيما وناغازاكي - نظام قياس الجرعات 2002. مؤسسة أبحاث آثار الإشعاع. الصفحات 42-43 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 10 أغسطس 2015. تم الاطلاع عليه في 13 مارس 2014 . 
  13. ↑ مالك، جون (سبتمبر 1985). "عوائد انفجارات هيروشيما وناغازاكي" (ملف PDF) . مختبر لوس ألاموس الوطني . تم الاطلاع عليه في 9 مارس 2014 .
  14. ↑ الجيش الأمريكي (1952). التقرير النهائي لعملية آيفي، فرقة العمل المشتركة 132 (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 11 مارس 2014.
  15. ↑أُرشف بتاريخ 5 يوليو 2006 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
  16. ↑ " نتائج البحث - معجم مصطلحات حقول النفط لشركة شلمبرجير" . www.glossary.oilfield.slb.com
  17. ↑ باريك، ب.ب.؛ سيمكو، ت.م.؛ توريس، م.أ.؛ هاينز، د.ك.؛ كوبر، ج.م.؛ روزنبرغ، ب.م.؛ كيتوا، م.إ. (2006). "النشاط الإشعاعي في الترينيتيت بعد ستة عقود" (ملف PDF) . مجلة النشاط الإشعاعي البيئي . 85 (1): 103-120 . Bibcode : 2006JEnvR..85..103P . CiteSeerX 10.1.1.494.5179 . doi : 10.1016/j.jenvrad.2005.01.017 . PMID 16102878 .  
  18. ↑ سزي، إس إم (2012). أجهزة أشباه الموصلات : الفيزياء والتكنولوجيا . إم كيه لي ( الطبعة الثالثة). نيويورك، نيويورك: وايلي. ISBN   978-0-470-53794-7. OCLC 869833419 . 

للمزيد من القراءة