الإشعاع النيوتروني

الإشعاع النيوتروني هو شكل من أشكال الإشعاع المؤين، ويظهر على هيئة نيوترونات حرة . من الظواهر الشائعة الانشطار النووي أو الاندماج النووي ، مما يؤدي إلى إطلاق نيوترونات حرة تتفاعل بدورها مع نوى ذرات أخرى لتكوين نوى جديدة ، والتي بدورها قد تُطلق المزيد من الإشعاع النيوتروني. النيوترونات الحرة غير مستقرة، وتتحلل إلى بروتون وإلكترون ، بالإضافة إلى نيوترينو مضاد للإلكترون . يبلغ متوسط ​​عمر النيوترونات الحرة حوالي 887 ثانية (14 دقيقة و47 ثانية) ^{[ 1 ]} ، وهو ما يتوافق مع عمر نصف يبلغ حوالي 614 ثانية (10 دقائق و14 ثانية).

يختلف الإشعاع النيوتروني ^عن إشعاعات ألفا وبيتا وجاما . [ ^{2 ]}

قد تنبعث النيوترونات من الاندماج النووي أو الانشطار النووي ، أو من تفاعلات نووية أخرى مثل التحلل الإشعاعي أو تفاعلات الجسيمات مع الأشعة الكونية أو داخل مسرعات الجسيمات . مصادر النيوترونات الكبيرة نادرة، وعادةً ما تقتصر على أجهزة كبيرة الحجم مثل المفاعلات النووية أو مسرعات الجسيمات ، بما في ذلك مصدر النيوترونات بالتفتت النووي .

تم اكتشاف الإشعاع النيوتروني من خلال رصد جسيم ألفا يصطدم بنواة البريليوم ، والتي تحولت إلى نواة كربون مع انبعاث نيوترون ، Be ( α , n ) C . ولا يزال الجمع بين باعث جسيم ألفا ونظير ذي احتمالية عالية لحدوث تفاعل نووي ( α , n ) مصدرًا شائعًا للنيوترونات.

يُستخدم الإشعاع النيوتروني البارد والحراري والساخن على نطاق واسع في تجارب التشتت والحيود، لتقييم خصائص وبنية المواد في علم البلورات ، وفيزياء المادة المكثفة ، وعلم الأحياء ، وكيمياء الحالة الصلبة ، وعلم المواد ، والجيولوجيا ، وعلم المعادن ،والعلوم ذات الصلة. كما يُستخدم الإشعاع النيوتروني في العلاج بالتقاط النيوترونات بالبورون لعلاج الأورام السرطانية نظرًا لقدرته العالية على الاختراق وإحداث أضرار جسيمة في البنية الخلوية. ويمكن أيضًا استخدام النيوترونات لتصوير الأجزاء الصناعية، ويُطلق على ذلك التصوير الإشعاعي النيوتروني عند استخدام الأفلام، والتصوير الإشعاعي النيوتروني عند التقاط صورة رقمية، كما هو الحال عند استخدام ألواح التصوير، والتصوير المقطعي النيوتروني للحصول على صور ثلاثية الأبعاد. ويُستخدم التصوير النيوتروني على نطاق واسع في الصناعة النووية، ^{[ 5 ]} وصناعة الفضاء والطيران، ^{[ 6 ]} بالإضافة إلى صناعة المتفجرات عالية الموثوقية.

يُطلق على إشعاع النيوترونات غالبًا اسم الإشعاع المؤين غير المباشر . فهو لا يؤين الذرات بنفس طريقة الجسيمات المشحونة كالبروتونات والإلكترونات ( إثارة الإلكترون)، لأن النيوترونات غير مشحونة. مع ذلك، فإن تفاعلات النيوترونات مؤينة في الغالب، على سبيل المثال عندما ينتج عن امتصاص النيوترون انبعاث أشعة غاما، ثم تقوم أشعة غاما (الفوتون) بإزالة إلكترون من الذرة، أو عندما تتأين نواة الذرة المرتدة من تفاعل النيوترون، مما يؤدي إلى تأين لاحق أكثر تقليدية في ذرات أخرى. ^{[ 7 ]} ولأن النيوترونات غير مشحونة، فهي أكثر قدرة على الاختراق من إشعاع ألفا أو بيتا . في بعض الحالات، تكون أكثر قدرة على الاختراق من أشعة غاما، التي تُعيقها المواد ذات العدد الذري العالي . في المواد ذات العدد الذري المنخفض كالهيدروجين ، قد تكون أشعة غاما منخفضة الطاقة أكثر قدرة على الاختراق من النيوترون عالي الطاقة. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

في الفيزياء الصحية ، يُعدّ الإشعاع النيوتروني نوعًا من المخاطر الإشعاعية. ومن المخاطر الأخرى، والأكثر خطورة، للإشعاع النيوتروني التنشيط النيوتروني ، أي قدرة هذا الإشعاع على إحداث نشاط إشعاعي في معظم المواد التي يصادفها، بما في ذلك أنسجة الجسم. ^{[ 10 ]} يحدث هذا من خلال التقاط النوى الذرية للنيوترونات، التي تتحول إلى نويدة أخرى ، غالبًا ما تكون نويدة مشعة . تُشكّل هذه العملية جزءًا كبيرًا من المواد المشعة المنبعثة من تفجير الأسلحة النووية . كما تُعدّ مشكلة في منشآت الانشطار والاندماج النووي، إذ تجعل المعدات مشعة تدريجيًا، ما يستدعي استبدالها والتخلص منها كنفايات مشعة منخفضة المستوى .

تعتمد الحماية من إشعاع النيوترونات على التدريع الإشعاعي . ونظرًا للطاقة الحركية العالية للنيوترونات، يُعتبر هذا الإشعاع من أخطر أنواع الإشعاعات وأكثرها ضررًا على الجسم عند تعرضه لمصادر إشعاع خارجية. وبالمقارنة مع الإشعاع المؤين التقليدي القائم على الفوتونات أو الجسيمات المشحونة، فإن النيوترونات ترتد بشكل متكرر وتتباطأ (تُمتص) بواسطة النوى الخفيفة، لذا فإن المواد الغنية بالهيدروجين أكثر فعالية في التدريع من نوى الحديد . تعمل الذرات الخفيفة على إبطاء النيوترونات عن طريق التشتت المرن ، مما يسمح بامتصاصها لاحقًا بواسطة التفاعلات النووية . ومع ذلك، غالبًا ما ينتج عن هذه التفاعلات إشعاع غاما، لذا يجب توفير تدريع إضافي لامتصاصه. يجب توخي الحذر لتجنب استخدام المواد التي تخضع أنويتها للانشطار أو التقاط النيوترونات ، مما يؤدي إلى التحلل الإشعاعي للنوى وإنتاج أشعة غاما.

تخترق النيوترونات معظم المواد بسهولة، ولذا فإن الجرعة الممتصة (المقاسة بالغراي ) من كمية معينة من الإشعاع تكون منخفضة، لكنها تتفاعل بدرجة كافية لإحداث ضرر بيولوجي. أكثر مواد الحماية فعالية هي الماء ، أو الهيدروكربونات مثل البولي إيثيلين أو شمع البارافين . يُعد البوليستر المُمدد بالماء (WEP) فعالاً كجدار واقٍ في البيئات القاسية نظرًا لمحتواه العالي من الهيدروجين ومقاومته للحريق، مما يسمح باستخدامه في مجموعة واسعة من الصناعات النووية، والفيزياء الصحية، والدفاعية. ^{[ 11 ]} المواد القائمة على الهيدروجين مناسبة للحماية لأنها تشكل حواجز فعالة ضد الإشعاع. ^{[ 12 ]}

يُعدّ كلٌّ من الخرسانة (حيث يرتبط عدد كبير من جزيئات الماء كيميائيًا بالأسمنت) والحصى حلاً اقتصاديًا نظرًا لقدرتهما على حجب أشعة غاما والنيوترونات معًا. كما يُعدّ البورون مُمتصًا ممتازًا للنيوترونات (ويُعاني أيضًا من بعض تشتت النيوترونات). يتحلل البورون إلى كربون أو هيليوم، ولا يُنتج أي إشعاع غاما تقريبًا مع كربيد البورون ، وهو درع شائع الاستخدام في الأماكن التي تكون فيها تكلفة الخرسانة باهظة. تجاريًا، تُعدّ خزانات الماء أو زيت الوقود، والخرسانة، والحصى، وكربيد البورون (B₄C _{) من الدروع الشائعة التي تُحيط بمناطق ذات} تدفق نيوتروني كبير ، مثل المفاعلات النووية. أما زجاج السيليكا المُشبع بالبورون، وزجاج البوروسيليكات القياسي ، والفولاذ عالي البورون ، والبارافين، والبلكسي جلاس، فلها استخدامات مُتخصصة.

لأن النيوترونات التي تصطدم بنواة الهيدروجين ( البروتون أو الديوتريوم ) تنقل الطاقة إلى تلك النواة، فإنها بدورها تنفصل عن روابطها الكيميائية وتتحرك لمسافة قصيرة قبل أن تتوقف. تتميز نوى الهيدروجين هذه بنقلها العالي للطاقة الخطية ، وتتوقف بدورها نتيجة تأين المادة التي تمر عبرها. ونتيجة لذلك، تتمتع النيوترونات في الأنسجة الحية بفعالية بيولوجية نسبية عالية ، وهي أكثر فعالية بعشر مرات تقريبًا في إحداث الضرر البيولوجي مقارنةً بأشعة جاما أو بيتا ذات التعرض المكافئ للطاقة. يمكن لهذه النيوترونات أن تُحدث تغييرًا في وظائف الخلايا أو توقفها تمامًا عن التكاثر، مما يُسبب ضررًا للجسم بمرور الوقت. ^{[ 13 ]} تُعد النيوترونات ضارة بشكل خاص بالأنسجة الرخوة مثل قرنية العين.

تُلحق النيوترونات عالية الطاقة الضرر بالمواد وتُضعفها بمرور الوقت؛ إذ يُؤدي قصف المواد بالنيوترونات إلى سلسلة من التصادمات التي تُنتج عيوبًا نقطية وانخلاعات في المادة، ويُعدّ تكوّن هذه العيوب والانخلاعات المحرك الرئيسي للتغيرات الميكروية التي تحدث بمرور الوقت في المواد المُعرّضة للإشعاع. عند مستويات عالية من تدفق النيوترونات، قد يُؤدي ذلك إلى هشاشة المعادن وغيرها من المواد، وإلى انتفاخ بعضها بفعل النيوترونات . يُشكّل هذا مشكلةً لأوعية المفاعلات النووية ويُحدّ بشكلٍ كبير من عمرها الافتراضي (والذي يُمكن إطالته جزئيًا عن طريق التلدين المُتحكّم به للوعاء، مما يُقلّل من عدد الانخلاعات المُتراكمة).

تُعدّ كتل مُعدِّلات النيوترونات المصنوعة من الجرافيت عُرضةً بشكلٍ خاص لهذا التأثير، المعروف بتأثير ويغنر . ويعود ذلك إلى أن الطاقة اللازمة لإزاحة ذرة كربون من شبكة الجرافيت تكون عادةً أقل بكثير (25-60 إلكترون فولت) من الطاقة الحركية للنيوترونات السريعة (حوالي 1 ميغا إلكترون فولت). تتجمع ذرات الكربون المُزاحة في المستويات البينية (المسافة بين طبقات الجرافين)، مما يُخزِّن كميات كبيرة من طاقة الإجهاد (طاقة ويغنر). ومع ازدياد طاقة ويغنر، تُحرِّر المادة جزءًا من هذه الطاقة عن طريق التمدد الطولي والانكماش العرضي. وعند تسخينها إلى حوالي 300  درجة مئوية، تُشكِّل ذرات الكربون البينية صفائح جرافين جديدة. وبالتالي، يُمكن تلدين كتل مُعدِّلات النيوترونات المصنوعة من الجرافيت دوريًا لجعلها صالحة للاستخدام مرة أخرى. ^{[ 14 ]} وقد نجم حريق ويندسكيل عن حادث أثناء عملية التلدين هذه.

يحدث التلف الإشعاعي للمواد نتيجة تفاعل جسيم ساقط عالي الطاقة (نيوترون أو غيره) مع ذرة شبكية في المادة. يتسبب التصادم في انتقال هائل للطاقة الحركية إلى الذرة الشبكية، مما يؤدي إلى إزاحتها من موقعها في الشبكة، لتصبح ما يُعرف بالذرة المصطدمة الأولية (PKA). ولأن الذرة المصطدمة الأولية محاطة بذرات شبكية أخرى، فإن إزاحتها ومرورها عبر الشبكة يؤدي إلى العديد من التصادمات اللاحقة وتكوين ذرات مصطدمة إضافية، مما ينتج عنه ما يُعرف بسلسلة التصادمات أو سلسلة الإزاحات. تفقد الذرات المصطدمة طاقتها مع كل تصادم، وتتحول إلى ذرات بينية ، مما يُحدث سلسلة من عيوب فرنكل في الشبكة. كما تتولد حرارة نتيجة التصادمات (بسبب فقدان الطاقة الإلكترونية)، بالإضافة إلى احتمال تحول الذرات . يبلغ حجم الضرر حدًا يجعل نيوترونًا واحدًا بطاقة 1 ميغا إلكترون فولت، يُحدث جسيمًا أوليًا محفزًا (PKA) في شبكة حديدية، ينتج عنه ما يقارب 1100 زوج من جسيمات فرينكل. ^{[ 15 ]} ويحدث هذا التفاعل المتسلسل بأكمله خلال فترة زمنية قدرها 1 × 10⁻¹³ ^ثانية ، ولذلك، لا يمكن رصده إلا من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية. ^{[ 16 ]}

تستقر الذرات المتصادمة في مواقع بينية غير متوازنة في الشبكة البلورية، حيث يتلاشى العديد منها بالانتشار عائدًا إلى مواقع الشبكة البلورية الشاغرة المجاورة، مما يعيد ترتيب الشبكة. أما الذرات التي لا تتلاشى أو لا تستطيع ذلك، فتترك فراغات، مما يؤدي إلى ارتفاع موضعي في تركيز الفراغات أعلى بكثير من تركيز التوازن. تميل هذه الفراغات إلى الهجرة نتيجة الانتشار الحراري نحو مصارف الفراغات (مثل حدود الحبيبات ، والانخلاعات )، لكنها تبقى لفترات طويلة، وخلالها تقصف جسيمات إضافية عالية الطاقة الشبكة البلورية، مما يُحدث سلسلة من التصادمات وفراغات إضافية تهاجر نحو المصارف. يتمثل التأثير الرئيسي للإشعاع في الشبكة البلورية في التدفق الكبير والمستمر للعيوب نحو المصارف فيما يُعرف برياح العيوب . يمكن للفراغات أيضًا أن تتلاشى بالاتحاد مع بعضها البعض لتشكيل حلقات انخلاعات ، ثم لاحقًا، فراغات في الشبكة البلورية . ^{[ 15 ]}

تُؤدي سلسلة التصادمات إلى تكوين فراغات وذرات بينية أكثر بكثير من تلك الموجودة في حالة التوازن عند درجة حرارة معينة، مما يزيد بشكل كبير من معامل الانتشار في المادة. وينتج عن ذلك ظاهرة تُعرف باسم الانتشار المُعزز بالإشعاع ، والتي تُؤدي بدورها إلى تطور البنية المجهرية للمادة بمرور الوقت. وتتعدد الآليات المؤدية إلى تطور البنية المجهرية، وقد تختلف باختلاف درجة الحرارة والتدفق والجرعة الإشعاعية، وهي موضوع دراسة مستفيضة. ^{[ 17 ]}

• ينتج الانفصال الناتج عن الإشعاع عن تدفق الشواغر المذكور سابقًا إلى المصارف، مما يعني تدفق ذرات الشبكة بعيدًا عن المصارف؛ ولكن ليس بالضرورة بنفس النسبة إلى تركيب السبيكة في حالة المواد المُسبَّكة. قد تؤدي هذه التدفقات بالتالي إلى استنزاف عناصر السبيكة في محيط المصارف. أما بالنسبة لتدفق الذرات البينية الناتجة عن التتابع، فينعكس التأثير: إذ تنتشر الذرات البينية نحو المصارف مما يؤدي إلى إثراء السبيكة بالقرب من المصرف. ^{[ 15 ]}
• تتشكل حلقات الانخلاع عندما تتجمع الفراغات على مستوى الشبكة البلورية. وإذا امتد هذا التجمع من الفراغات في ثلاثة أبعاد، يتشكل فراغ . وبحسب التعريف، تكون الفراغات تحت فراغ، ولكنها قد تمتلئ بالغاز في حالة إشعاع جسيمات ألفا (الهيليوم) أو إذا نتج الغاز عن تفاعلات التحول النووي . يُطلق على الفراغ حينها اسم فقاعة، ويؤدي إلى عدم استقرار الأبعاد (التورم الناتج عن النيوترونات) للأجزاء المعرضة للإشعاع. يمثل التورم مشكلة تصميم رئيسية طويلة الأمد، خاصة في مكونات المفاعلات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. ^{[ 18 ]} تخضع السبائك ذات التناظر البلوري ، مثل الزيركالوي، لتكوين حلقات الانخلاع، ولكنها لا تُظهر تكوين فراغات. بدلاً من ذلك، تتشكل الحلقات على مستويات شبكية معينة، ويمكن أن تؤدي إلى نمو ناتج عن الإشعاع ، وهي ظاهرة تختلف عن التورم، ولكنها يمكن أن تُحدث أيضًا تغييرات كبيرة في أبعاد السبيكة. ^{[ 19 ]}
• يمكن أن يؤدي تشعيع المواد أيضًا إلى حدوث تحولات طورية في المادة: ففي حالة المحلول الصلب ، يمكن أن يؤدي إثراء المذاب أو استنزافه عند المصارف، والانفصال الناجم عن الإشعاع، إلى ترسيب أطوار جديدة في المادة. ^{[ 20 ]}

تشمل التأثيرات الميكانيكية لهذه الآليات التصلب الإشعاعي ، والتقصف ، والزحف ، والتشقق الناتج عن العوامل البيئية . تساهم تجمعات العيوب، وحلقات الانخلاع، والفراغات، والفقاعات، والترسبات الناتجة عن الإشعاع في المادة في تقوية المادة وتقصفها (فقدان الليونة ). ^{[ 21 ]} يُعد التقصف مصدر قلق خاص بالنسبة للمادة المكونة لوعاء ضغط المفاعل، حيث يؤدي إلى انخفاض كبير في الطاقة اللازمة لكسر الوعاء. من الممكن استعادة الليونة عن طريق إزالة العيوب بالتلدين، ويعتمد جزء كبير من إطالة عمر المفاعلات النووية على القدرة على القيام بذلك بأمان. كما يتسارع الزحف بشكل كبير في المواد المشعة، ليس نتيجة لزيادة الانتشارية، بل نتيجة للتفاعل بين إجهاد الشبكة البلورية والبنية المجهرية المتكونة. يُلاحظ التصدع الناتج عن العوامل البيئية، أو على وجه التحديد، التصدع الناتج عن تآكل الإجهاد بمساعدة الإشعاع (IASCC)، خاصة في السبائك المعرضة للإشعاع النيوتروني والملامسة للماء، وذلك بسبب امتصاص الهيدروجين عند أطراف الشقوق الناتج عن التحلل الإشعاعي للماء، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة اللازمة لانتشار الشق. ^{[ 15 ]}

نظراً لأن تأثير الإشعاع النيوتروني على المواد يستغرق عادةً من شهور إلى سنوات، فهناك اهتمام كبير بمحاكاة هذا التأثير باستخدام الإشعاع الأيوني. ويمكن القيام بذلك بالنسبة لبعض تركيبات المواد وأنواع الإشعاع النيوتروني. ^{[ 22 ]}

• انبعاث النيوترونات
• تدفق النيوترونات
• التصوير الإشعاعي النيوتروني

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501

• تعريفات وكالة حماية البيئة للمصطلحات المختلفة
• مقارنة بين صور الأشعة النيوترونية وصور الأشعة السينية ( مؤرشفة بتاريخ 14 مارس 2014 على موقع Wayback Machine)
• تقنيات النيوترونات: أداة فريدة للبحث والتطوير. مؤرشفة بتاريخ 31 أكتوبر 2011 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).