Loading article…
中性子活性化は、中性子放射線が物質に 放射能を誘発する プロセスであり、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発生します。励起された原子核は、ガンマ線、またはベータ粒子、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すぐに崩壊します。したがって、中性子捕獲プロセスでは、中間崩壊の後でも、不安定な活性化生成物が形成され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、1秒の数分の1から数年までさまざまです。
中性子の活性化は、安定した物質を誘発して本質的に放射性にな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、程度の差はあれ、ある程度の放射能に誘発（活性化）される可能性があります。[要出典]一部の原子は不安定になるために1つ以上の中性子を必要とし、原子核による二重または三重捕獲の確率が単一捕獲の確率よりも低いため、活性化が困難になります。たとえば、水は水素と酸素で構成されています。水素は、トリチウム（水素-3 ）として不安定になるには二重捕獲が必要ですが、天然の酸素（酸素-16 ）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、ナトリウム原子と塩素原子の両方がそれぞれ1回の捕獲で不安定になる塩化ナトリウム（Na Cl ）と比較して、水を活性化することは比較的困難です。これらの事実は、1946 年のクロスロード作戦の一連の原子爆弾実験で経験されました。
例
この種の核反応の一例は、原子炉内でのコバルト60の生成で発生します。コバルト60はベータ粒子とガンマ線の放出によってニッケル60に崩壊します。この反応の半減期は約5.27年で、コバルト59 （天然存在比の100% ）が利用可能であるため、この中性子照射されたコバルト同位体は放射線治療のための貴重な核放射線（ガンマ線）源となります。[1]
その他の場合、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（原子核が 2 つの小さな核に分裂する）が起こることがあります。核分裂にエネルギーの入力が必要な場合、そのエネルギーは中性子の運動エネルギーから得られます。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が高速中性子に衝突されて次の核反応を起こすことが挙げられます。
つまり、リチウム7が中性子を捕獲すると、エネルギーの高いヘリウム原子核（アルファ粒子）、水素3（トリチウム）原子核、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倍の威力で爆発したキャッスル・ブラボー事故は、この反応の確率が予想以上に高かったために起きた。
通常運転中の加圧水型原子炉または沸騰水型原子炉の周囲では、冷却水中の酸素が高速中性子によって（n,p）反応で活性化されるため、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に変換されます。窒素16の寿命は非常に短く（7.13秒）、その後再び酸素16に崩壊します（10.4MeVのベータ粒子と6.13MeVのガンマ線を放出します）。[2]
冷却水の活性化には、原子炉プラントの周囲に追加の生物学的遮蔽が必要です。最大の懸念は、2 番目の反応で発生する高エネルギー ガンマ線です。このため、原子炉炉心内に最近入った水は、この放射線がおさまるまで遮蔽する必要があります。通常は 1 ～ 2 分で十分です。
サイクロトロンが設置されている施設では、中性子の放射化により鉄筋コンクリートの基礎が放射能を帯びることがある。中性子の影響を受けたコンクリートの原子核内には、6つの重要な長寿命放射性同位元素（54Mn、 55 Fe、60 Co、65Zn、133Ba、152Eu）が含まれている。[3]残留放射能は主に存在する微量元素によるものであり、サイクロトロンの放射化に起因する放射能の量はごくわずか、すなわちpCi/gまたはBq/gである。残留放射能のある施設の放出限度は25ミリレム/年である。[4]コンクリート中の鉄筋の鉄の放射化による55 Fe生成の例を以下に示します。
発生
中性子の活性化は、安定した物質が本質的に放射性になるように誘導される唯一の一般的な方法です。活性化は、汚染とは本質的に異なります。中性子は、核兵器の爆発のマイクロ秒の間、稼働中の原子炉内、または核破砕中性子源内でのみ、大量に自由になります。
原子兵器では、中性子はわずか 1 ～ 50 マイクロ秒の間だけ生成されますが、その数は膨大です。そのほとんどは、内部で爆発が起こり始めたばかりの金属製爆弾ケースに吸収されます。間もなく蒸発する金属の中性子活性化は、大気圏上空の核爆発における核降下物の大部分の原因です。他の種類の活性化では、中性子が地球表面またはその近くのキノコ雲に分散している土壌を照射し、土壌の化学元素の活性化による降下物を引き起こすことがあります。
時間の経過とともに材料に与える影響
原子炉の炉心内など、中性子束が高い場所では、中性子放射化によって材料の侵食が進むため、定期的にライニング材自体を低レベル放射性廃棄物として処分する必要があります。材料によっては中性子放射化を受けやすいものもあるため、適切に選択された低放射化材料によって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)。たとえば、典型的な原子炉中性子束にさらされたクロム鋼(Cr-50 を含む) では、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、熱中性子による大気中の窒素14の中性子活性化によって最も頻繁に生成されるが、唯一の原因ではない。また、宇宙線と空気の相互作用による自然生成経路や、大気圏内核実験による過去の生成経路とともに、燃料被覆管や冷却水中に窒素ガス不純物を含む多くの原子炉設計の内部や、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に生成される。高速増殖炉（FBR）は、水を一次冷却材として使用しないため、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桁少ない。 [6]
用途
放射線安全
医師や放射線安全担当者にとって、人体内のナトリウムがナトリウム24に、リンがリン32に活性化されることは、急性事故による中性子被曝の即時の良い推定値となります。[7]
中性子検出
核融合装置内で核融合が起こったことを証明する一つの方法は、ガイガーカウンターを使用してアルミホイルのシートから発生するガンマ線放射能を測定することです。
ICF核融合アプローチでは、実験の核融合収量（中性子生成量に正比例）は通常、アルミニウムまたは銅の中性子活性化ターゲットのガンマ線放出を測定することによって決定されます。[8]アルミニウムは中性子を捕獲して放射性ナトリウム24を生成します。このナトリウム24の半減期は15時間です[9] [10]。ベータ崩壊エネルギーは5.514 MeVです。[11]
硫黄、銅、タンタル、金などの多くの試験対象元素の活性化は、純粋な核分裂[12] [13]と熱核兵器[14]の両方の威力を決定するために使用されてきた。
材料分析
中性子放射化分析は、微量元素分析の最も感度が高く、精度の高い方法の 1 つです。サンプルの準備や溶解が不要なため、貴重な美術品など、そのままの状態で保存する必要がある対象物に適用できます。放射化により対象物に放射能が発生しますが、そのレベルは通常低く、寿命が短いため、その影響はすぐに消えてしまいます。この意味で、中性子放射化は非破壊分析方法です。
中性子放射化分析は、その場で行うことができます。例えば、アルミニウム（Al-27）は、比較的低エネルギーの中性子を捕獲して放射化し、同位体Al-28を生成します。これは、半減期2.3分、崩壊エネルギー4.642MeVで崩壊します。[15]この放射化同位体は、石油掘削で、探査中の地下領域の粘土含有量（粘土は一般にアルミノケイ酸塩です）を決定するために使用されます。[16]
歴史家は、偶発的な中性子放射化を利用して、核分裂事故による中性子束にさらされた原子遺物や物質の真正性を判定することができます。たとえば、トリニタイトで見つかった希少同位体の1つはバリウム中性子放射化生成物であり、この同位体が存在しないことはおそらく鉱物の偽造サンプルを意味します。トリニティ装置内のバリウムは、装置に使用されているバラトールと呼ばれる低速爆発レンズから来ています。[17]
半導体製造
中性子照射は、フロートゾーンシリコンスライス（ウェハ）に使用され、Si原子をリン（P）に部分変換し、n型シリコンにドーピングするために使用される可能性がある[18] ：366
参照
参考文献
- ^ 国際原子力機関による原子炉生成放射性同位元素のマニュアル
- ^ Neeb, Karl Heinz (1997). 軽水炉を備えた原子力発電所の放射化学。ベルリン-ニューヨーク: Walter de Gruyter。p. 227。ISBN 3-11-013242-7。
- ^ Vichi, Sara (2016). 「ポータブル CZT 検出器の効率較正」.固体における放射線の影響と欠陥. 171 : 705–713. doi :10.1080/10420150.2016.1244675. S2CID 99556734.
- ^ 原子力規制委員会 10 CFR 20.1402. 「放射線に対する防護基準」
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link) - ^ 「同位体崩壊データ表」。2014年3月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年3月5日閲覧。
- ^ 「IAEA技術報告書シリーズ第421号、トリチウムおよび炭素14を含む廃棄物の管理」（PDF）。
- ^ 臨界事故による線量の測定に関するORNLレポート（2013年10月1日アーカイブ、Wayback Machine）
- ^ Stephen Padalino、Heather Oliver、Joel Nyquist。「アルミニウムの中性子活性化を用いた DT 中性子収量測定」。LLE 共同研究者: Vladimir Smalyukand、Nancy Rogers。
- ^ 「4 特定された放射性同位元素」Aanda.org。1998年3月2日。 2019年11月14日閲覧。
- ^ 「核反応」。2014年11月29日。2014年11月29日時点のオリジナル（PPT）よりアーカイブ。
- ^ [1] 2006年7月5日アーカイブ、Wayback Machine
- ^ Kerr, George D.; Young, Robert W.; Cullings, Harry M.; Christy, Robert F. (2005). 「Bomb Parameters」（PDF）。Robert W. Young、George D. Kerr（編）「広島と長崎の原爆放射線量測定の再評価 - 線量測定システム2002」 。放射線影響研究財団。pp. 42–43。 2015年8月10日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2014年3月13日閲覧。
- ^ マリク、ジョン（1985年9月）。「広島と長崎の爆発による放射線量」（PDF）。ロスアラモス国立研究所。 2014年3月9日閲覧。
- ^ 米陸軍 (1952). アイビー作戦最終報告書 統合任務部隊132 (PDF) 。 2014年3月11日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
- ^ [2] 2006年7月5日アーカイブ、Wayback Machineより
- ^ 「検索結果 - シュルンベルジェ油田用語集」www.glossary.oilfield.slb.com。
- ^ Parekh, PP; Semkow, TM; Torres, MA; Haines, DK; Cooper, JM; Rosenberga, PM; Kittoa, ME (2006). 「60年後のトリニタイトの放射能」(PDF) . Journal of Environmental Radioactivity . 85 (1): 103–120. CiteSeerX 10.1.1.494.5179 . doi :10.1016/j.jenvrad.2005.01.017. PMID 16102878.
- ^ Sze, SM (2012). 半導体デバイス：物理と技術。MK Lee（第3版）。ニューヨーク、NY：Wiley。ISBN 978-0-470-53794-7. OCLC 869833419.
外部リンク
- 中性子放射化分析ウェブ
- 核放射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
- 元素合成に関連する中性子捕獲
- 中性子捕獲と核種のチャート
- 核種のチャート
- Cr-54中性子捕獲によるクロム同位体、クロム-55の発見
- ORILL : 1D 核変換、燃料枯渇、放射線防護コード
さらに読む
- 米陸軍 (1952)。アイビー作戦最終報告書 統合任務部隊132 (PDF) 。 2014年3月11日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。