中性子放射化

中性子活性化とは、中性子放射線が物質に放射能を誘発する 過程であり、原子核が自由中性子を捕獲して重くなり、励起状態に入るときに起こります。励起された原子核は、ガンマ線、ベータ粒子、アルファ粒子、核分裂生成物、中性子（核分裂の場合）などの粒子を放出して直ちに崩壊します。したがって、中性子捕獲の過程は、中間的な崩壊の後であっても、不安定な活性化生成物の形成につながることがよくあります。このような放射性原子核の半減期は、わずか数分の1秒から数年に及ぶことがあります。

中性子活性化は、安定な物質を放射性にする唯一の一般的な方法です。空気、水、土壌を含むすべての天然物質は、中性子捕獲によって、中性子過剰放射性同位体の生成の結果として、程度の差こそあれ、ある程度の放射能を帯びるようになります。一部の原子は不安定になるのに複数の中性子を必要とするため、原子核による二重または三重捕獲は単一の捕獲よりも起こりにくいため、活性化が難しくなります。たとえば、水は水素と酸素からできています。水素（最も一般的な同位体、^¹H ）は、不安定なトリチウム（水素-3）になるには2回の捕獲が必要ですが、酸素（最も一般的な同位体、^¹⁶O ）は、不安定な酸素-19になるには3回の捕獲が必要です。したがって、水は活性化が困難です。一方、塩化ナトリウム（NaCl）では、ナトリウムと塩素の両方がそれぞれ1回の捕獲で不安定になります（ナトリウムの同位体、塩素の同位体を参照）。これらの事実は、 1946年のクロスロード作戦における一連の原子爆弾実験で実際に経験された。

この種の核反応は、原子炉内でコバルト60（^60Co）を生成する際に起こります。60Co （半減期約5.27年）はその後、ニッケル60に崩壊し^、ベータ粒子とガンマ線を放出します。コバルト59 （天然存在比100%）が入手可能であるため、この中性子照射されたコバルト同位体は、放射線療法のための貴重な核放射線（特にガンマ線）源となります。^{[ 1 ]}

⁵⁹ ₂₇ Co+ ¹ ₀ n→ ⁶⁰ ₂₇ Co

また、中性子の運動エネルギーによっては、中性子の捕獲によって核分裂、すなわち原子核が2つのより小さな原子核に分裂する現象が起こる場合もあります。核分裂にエネルギーが必要な場合、そのエネルギーは中性子の運動エネルギーから供給されます。軽元素におけるこの種の核分裂の例として、リチウムの安定同位体であるリチウム7に高速中性子を照射すると、次のような核反応が起こります。

⁷ ₃ Li+ ¹ ₀ n→ ⁴ ₂ He+ ³ ₁ H+ ¹ ₀ n+ガンマ線+運動エネルギー

つまり、リチウム7が中性子を捕獲すると、中性子は高エネルギーのヘリウム原子核（アルファ粒子）、水素3（トリチウム）原子核、そして自由中性子に分裂する。 1954年にビキニ環礁で行われた熱核爆弾実験で、予想の2.5倍もの爆発が起きたキャッスル・ブラボー事故は、この反応が起こる確率が予想以上に高かったことが原因だった。

加圧水型原子炉または沸騰水型原子炉の通常運転中、冷却水中の酸素が(n,p)反応によって高速中性子活性化されるため、かなりの量の放射線が発生します。活性化された酸素16原子核は陽子（水素原子核）を放出し、窒素16に変化します。窒素16は非常に短い寿命（7.13秒）で酸素16に崩壊します（10.4 MeVのベータ粒子と6.13 MeVのガンマ線を放出します）。^{[ 2 ]}

¹⁶ ₈ O+ ¹ ₀ n→ ¹ ₁ p+ ¹⁶ ₇ N(急速に崩壊する)

¹⁶ ₇ N→ γ + ⁰ _-1 e ^-+ ¹⁶ ₈ O

冷却水の活性化に伴い、原子炉プラント周辺には追加の生物学的遮蔽が必要となります。主な懸念事項は、第2反応で発生する高エネルギーガンマ線です。そのため、原子炉炉心内にあった水は、この放射線が収まるまで遮蔽しなければなりません。通常、1～2分で十分です。

サイクロトロンが設置されていた施設では、中性子放射化により鉄筋コンクリート基礎が放射性になることがあります。中性子の影響を受けたコンクリートには、6つの重要な長寿命放射性同位体（ ^54Mn、55Fe、^60Co、^65Zn、^133Ba、152Eu ）^{が存在する可能性が}あります。^{[ 3 ]}残留放射能は主に微量元素によるものであり、サイクロトロン放射化に由来する放射能量はごくわずか、すなわちpCi/gまたはBq /gです。残留放射能を有する施設の放出限度は25mrem/年です。^{[ 4 ]}コンクリート中の鉄筋の放射化による55Fe生成の^例を以下に示します。

⁵⁴ ₂₆ Fe+ ¹ ₀ n→ ⁵⁵ ₂₆ Fe

中性子放射化は、安定な物質を放射性にする唯一の一般的な方法です。放射化は汚染とは本質的に異なります。自由中性子は、核爆発のマイクロ秒単位の時間、稼働中の原子炉、または核破砕中性子源においてのみ大量に発生します。

核爆弾では、中性子はわずか1～50マイクロ秒という短時間しか発生しませんが、その数は膨大です。そのほとんどは、内部で爆発が始まったばかりの爆弾のケーシングに吸収されます。間もなく蒸発する金属の中性子による活性化は、大気圏上層部での核爆発における放射性降下物の大部分の原因となります。その他の活性化の形態では、中性子が地表付近のキノコ雲に拡散した土壌を照射し、土壌中の化学元素の活性化による放射性降下物が発生することがあります。

原子炉の炉心など、中性子束が高い場所では、中性子放射化によって材料が侵食され、ライニング材自体を低レベル放射性廃棄物として定期的に処分する必要があります。材料によっては、他の材料よりも中性子放射化を受けやすいものがあるため、適切な低放射化材料を選択することで、この問題を大幅に軽減できます（国際核融合材料照射施設を参照）。例えば、クロム鋼（ ^50Crを含む）が典型的な原子炉の中性子束にさらされると、中性子放射化によってクロム51が生成されます。^{[ 5 ]}

炭素14は、最も頻繁には大気中の窒素14が熱中性子によって中性子活性化されることで生成されますが、それだけではありません。炭素14は、（宇宙線と大気の相互作用や大気圏核実験による過去の生成といった主要な自然生成経路に加えて）燃料被覆管や冷却水に窒素ガス不純物を含む多くの設計の原子炉内部や、水自体に含まれる酸素の中性子活性化によっても、比較的微量ながら生成されます。高速増殖炉（FBR）は、最も一般的な原子炉タイプである加圧水型原子炉よりも炭素14の生成量が約1桁少なくなります。これは、FBRが水を主要な冷却材として使用しないためです。^{[ 6 ]}

• 誘導放射能
• 中性子放射化分析
• 中性子脆化
• 硫黄が中性子を捕獲した際に生成されるリン32 。
• 塩漬け爆弾
• 核種一覧表

• 中性子放射化分析ウェブ
• 核活性化断面積ハンドブック、IAEA、1974年
• ブルックヘブン国立研究所の国立核データセンターからのMIRD形式の崩壊データ
• 核合成に関連する中性子捕獲
• 中性子捕獲と核種図
• 核種の図表
• クロム同位体であるクロム55の発見（Cr-54中性子捕獲による）
• ORILL ：1次元核変換、燃料枯渇、および放射線防護コード

• アメリカ陸軍（1952年）。アイビー作戦最終報告書 統合任務部隊132（PDF）。2014年3月11日にオリジナルからアーカイブ（PDF） 。