تشعشعات نوترونی از مشاهده یک ذره آلفا در برخورد با هسته برلیوم کشف شد که در حین انتشار یک نوترون
Be(α, n)C به هسته کربن تبدیل شد. ترکیب یک تابشگر ذرات آلفا و یک ایزوتوپ با احتمال واکنش هسته ای بزرگ (α, n)، هنوز یک منبع نوترونی رایج می‌باشد.
تشعشعات نوترونی حاصل از شکافت هسته‌ای
نوترون‌های موجود در رآکتورهای هسته‌ای به‌طور کلی بسته به انرژی آنها به عنوان نوترون‌های کند (حرارتی) یا نوترون‌های سریع طبقه‌بندی می‌شوند. نوترون‌های حرارتی در توزیع انرژی (توزیع ماکسول-بولتزمن) به گاز در تعادل ترمودینامیکی شبیه هستند. اما به راحتی توسط هسته‌های اتم اسیر می‌شوند و ابزار اولیه‌ای هستند که عناصر به وسیله آن دگرگونی هسته‌ای می‌شوند.
برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای شکافت مؤثر، نوترون‌های تولید شده در طول شکافت باید توسط هسته‌های شکافت‌پذیر جذب شوند، سپس تقسیم می‌شوند و نوترون‌های بیشتری آزاد می‌شوند. در اکثر طراحی‌های رآکتورهای شکافت، سوخت هسته‌ای به اندازه کافی تصفیه نمی‌شود تا نوترون‌های سریع را به اندازه کافی جذب کند تا واکنش زنجیره‌ای انجام شود. به دلیل سطح مقطع پایین‌تر برای نوترون‌های با انرژی بالاتر، باید یک تعدیل‌کننده نوترونی معرفی شود تا سرعت نوترون‌های سریع را برای جذب کافی نوترون‌های حرارتی کاهش دهد. تعدیل کننده‌های معمول نوترونی شامل گرافیت، آب معمولی (سبک) و آب سنگین است. تعداد کمی از رآکتورها (رآکتورهای نوترونی سریع) و تمام سلاح‌های هسته‌ای به نوترون‌های سریع متکی هستند.
نوترون‌های کیهان‌زا
نوترون‌های کیهان‌زا، نوترون‌هایی هستند که از تشعشعات کیهانی در جو یا سطح زمین تولید می‌شوند، و آن‌هایی که در شتاب‌دهنده‌های ذرات تولید می‌شوند، می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی انرژی بالاتری نسبت به انرژی موجود در راکتورها داشته باشند. بیشتر آنها قبل از رسیدن به زمین یک هسته را فعال می‌کنند و تعداد کمی با هسته‌های موجود در هوا واکنش می‌دهند. واکنش با نیتروژن ۱۴ منجر به تشکیل کربن 14 (14C) می‌شود که به‌طور گسترده در تاریخ‌گذاری رادیوکربن استفاده می‌شود.
موارد مورد استفاده
تشعشعات نوترونی سرد، حرارتی و گرم بیشتر در آزمایش‌های پراکندگی و پراش، برای ارزیابی خواص و ساختار مواد در کریستالوگرافی، فیزیک ماده متراکم، زیست‌شناسی، شیمی حالت جامد، علم مواد، زمین‌شناسی، کانی‌شناسی و علوم مرتبط استفاده می‌شوند. پرتوهای نوترونی به دلیل ماهیت بسیار نافذ و آسیب‌رسان به ساختار سلولی، برای درمان تومورهای سرطانی استفاده می‌شوند. از نوترون‌ها می‌توان در رادیوگرافی برای تصویربرداری قطعات صنعتی و در ترموگرافی برای تصاویر سه بعدی استفاده کرد. تصویربرداری نوترونی معمولاً در صنعت هسته‌ای، صنعت هوافضا و همچنین صنعت مواد منفجره با قابلیت اطمینان بالا استفاده می‌شود.
مکانیسم‌ها و خواص یونیزاسیون
اتم درحال تابش پرتوی گاما
تابش نوترونی را اغلب پرتوهای یونیزه غیرمستقیم می‌نامند. نوترون‌ها به روش ذرات باردار مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها (برانگیختن یک الکترون) یونیزه نمی‌شوند، زیرا نوترون‌ها بار ندارند. با این حال، در برهمکنش‌های نوترون تا حد زیادی یونیزه می‌شوند، برای مثال زمانی که جذب نوترون منجر به گسیل پرتو گاما می‌شود، پرتو گاما(فوتون) یک الکترون را از اتم حذف می‌کند یا هسته‌ای که از یک برهمکنش نوترونی عقب می‌نشیند یونیزه می‌شود و این شکل از یونیزاسیون سنتی‌تر و قدیمی تر است. از آنجایی که نوترون‌ها بدون بار هستند، نفوذپذیری بیشتری نسبت به تابش آلفا یا بتا دارند. در برخی موارد نفوذپذیری آنها بیشتر از تابش گاما است. در موادی با عدد اتمی کم مانند هیدروژن، یک پرتو گامای کم انرژی ممکن است نفوذپذیرتر از یک نوترون با انرژی بالا باشد.
خطرات بهداشتی و حفاظت
آلفا بتا گامل نوترون
در فیزیک سلامت، تشعشعات نوترونی نوعی خطر برای سلامتی محسوب می‌شوند. یکی دیگر از خطرات جدی تشعشعات نوترونی، فعال شدن نوترون می‌باشد. تابش نوترونی توانایی این امر را دارد که در برخورد با اکثر موادی که در برابر آن قرار می‌گیرد، رادیواکتیویته را القا کند.[۳] این امر از طریق جذب نوترون‌ها توسط هسته‌های اتمی اتفاق می‌افتد که به هسته‌های دیگری تبدیل می‌شوند و اغلب یک رادیونوکلوئید را تشکیل می‌دهند.
حفاظت در برابر تشعشعات نوترونی به محافظ پرتو متکی است. به دلیل انرژی جنبشی بالای نوترون‌ها، این تابش شدیدترین و خطرناک‌ترین تشعشع برای کل بدن در صورت قرار گرفتن در معرض منابع تشعشع خارجی محسوب می‌شود. در مقایسه با پرتوهای یونیزان معمولی مبتنی بر فوتون‌ها یا ذرات باردار، نوترون‌ها به‌طور مکرر توسط هسته‌های سبک جهش و کُند می‌شوند (جذب می‌شوند)؛ بنابراین مواد غنی از هیدروژن در محافظت از هسته‌های آهن موثرتر هستند. اتم‌های سبک برای کاهش سرعت نوترون‌ها از طریق پراکندگی الاستیک عمل می‌کنند تا بتوانند توسط واکنش‌های هسته‌ای جذب شوند. با این حال، اشعه گاما اغلب در چنین واکنش‌هایی تولید می‌شود، بنابراین باید محافظ اضافی برای جذب آن فراهم شود. باید مراقب بود از موادی استفاده کرد که هسته‌های آنها تحت شکافت یا جذب نوترون می‌باشند که باعث واپاشی رادیواکتیو هسته‌ها و تولید پرتوهای گاما می‌شوند.
نوترون‌ها به آسانی از بیشتر مواد عبور می‌کنند، بنابراین میزان جذب تابش آنها (که با رنگ خاکستری اندازه‌گیری می‌شود) کم می‌باشد، اما به اندازه‌ای برهمکنش می‌کنند که باعث آسیب بیولوژیکی شوند. بهترین محافظ‌ها، آب یا هیدروکربنهایی مانند پلی اتیلن یا پارافین هستند. پلی استر گسترش یافته با آب (WEP) به دلیل محتوای هیدروژن بالا و مقاومت در برابر آتش به عنوان یک دیوار محافظ در محیط‌های خشن مؤثر است و به آن اجازه می‌دهد در طیف وسیعی از صنایع هسته‌ای، فیزیک بهداشت و دفاع استفاده شود.[۴] مواد مبتنی بر هیدروژن برای محافظت مناسب هستند زیرا سدهای مناسبی در برابر تشعشعات هستند.
بتن (که در آن تعداد قابل توجهی از مولکول‌های آب به‌طور شیمیایی به سیمان متصل می‌شوند) و شن به دلیل محافظت ترکیبی از پرتوهای گاما و نوترون‌ها، راه‌حل ارزانی را ارائه می‌کنند. بورون همچنین یک جاذب بسیار خوب نوترون است. بور به کربن یا هلیوم تجزیه می‌شود و عملاً هیچ تشعشع گامایی با کاربید بور تولید نمی‌کند، محافظی که معمولاً در مواردی که بتن هزینه بالایی دارد استفاده می‌شود. از نظر تجاری، مخازن آب یا نفت کوره، بتن، شن و B4C سپرهای رایجی هستند که بخش زیادی از شار نوترون را احاطه می‌کنند که مثال ملموس آن رآکتورهای هسته‌ای می‌باشد. شیشه سیلیکا آغشته به بور، شیشه بوروسیلیکات استاندارد، فولاد با بور بالا، پارافین و پلکسی گلاس کاربردهای طاقچه‌ای دارند.
چون نوترون‌هایی که به هسته هیدروژن (پروتون یا دوترون) برخورد می‌کنند، به آن هسته انرژی می‌دهند، پیوندهای خود را می‌شکنند و قبل از توقف، مسافت کوتاهی را طی می‌کنند. این هسته‌های هیدروژنی، دارای انتقال انرژی خطی زیادی هستند و با یونیزاسیون موادی که از آنها عبور می‌کنند، متوقف می‌شوند؛ بنابراین در بافت زنده، نوترون‌ها دارای اثربخشی بیولوژیکی نسبی بالایی هستند و تقریباً ده برابر بیشتر در ایجاد آسیب‌های بیولوژیکی در مقایسه با تابش گاما یا بتا با قرار گرفتن در معرض انرژی معادل، مؤثر هستند. این نوترون‌ها می‌توانند باعث تغییر عملکرد سلول‌ها یا توقف کامل تکثیر شوند و در طول زمان باعث آسیب به بدن می‌شوند.[۵] نوترون‌ها به ویژه به بافت‌های نرم مانند قرنیه چشم آسیب می‌رسانند.
تاثیر بر مواد
نوترون‌های پرانرژی به مواد در طول زمان آسیب می‌رسانند و آنها را تخریب می‌کنند. بمباران مواد با نوترون‌ها، آبشارهای برخوردی را ایجاد می‌کند که می‌تواند نقص‌ها و نابجایی‌های نقطه‌ای در مواد ایجاد کند که ایجاد آنها محرک اصلی تغییرات ریزساختاری است که در طول زمان در موادی که در معرض تشعشعات هستند اتفاق می‌افتد. در جریانات نوترونی بالا، این می‌تواند منجر به شکنندگی فلزات و سایر مواد و تورم ناشی از نوترون در برخی از مواد شود. این مسئله مشکلی را برای کشتی‌های رآکتور هسته‌ای ایجاد می‌کند و به‌طور قابل توجهی طول عمر آنها را محدود می‌کند. بلوک‌های تعدیل کننده نوترون گرافیت در برابر این اثر که به عنوان اثر ویگنر شناخته می‌شود، حساس هستند و باید به‌طور دوره‌ای آنیل شوند. آتش‌سوزی Wind scale به دلیل یک اتفاق ناگوار در طول چنین عملیات بازپختی رخ داد.
طراحی از یک نقص فرنکل - یک کاتیون با به جا گذاشتن یک جای‌خالی به یک اتم بین نشین تبدیل شده‌است.
آسیب تشعشع به مواد در نتیجه برهم کنش یک ذره پرانرژی (نوترون یا غیره) با یک اتم شبکه در ماده رخ می‌دهد. این برخورد باعث انتقال عظیم انرژی جنبشی به اتم شبکه می‌شود و به اتم ضربه اولیه (PKA) را وارد می‌کند. از آنجایی که PKA توسط سایر اتم‌های شبکه احاطه شده‌است، جابجایی و عبور آن از شبکه منجر به بسیاری از برخوردهای بعدی و ایجاد ضربه‌های اضافی بر روی اتم‌ها می‌شود که به عنوان آبشار برخورد یا آبشار جابجایی شناخته می‌شود. ضربه به اتم‌ها با هر برخوردی باعث از بین رفتن انرژی می‌شود و در واقع یک سری نقص فرنکل را در شبکه ایجاد می‌کند. گرما نیز در نتیجه برخوردها (از اتلاف انرژی الکترونیکی) ایجاد می‌شود، همان‌طور که احتمالاً اتم‌ها نیز تغییر شکل می‌دهند. بزرگی آسیب به حدی است که یک نوترون منفرد یک مگاولتی که یک PKA را در یک شبکه آهنی ایجاد می‌کند، تقریباً ۱۱۰۰ جفت فرنکل تولید می‌کند. کل رویداد آبشاری در یک مقیاس زمانی ۱* 13-10 ثانیه اتفاق می‌افتد، و بنابراین، فقط در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری رویداد قابل مشاهده است.
آبشار برخورد، جاهای خالی و بینابینی بیشتری را در ماده ایجاد می‌کند تا تعادل برای یک دمای معین و در نتیجه نفوذ در مواد به‌طور چشمگیری افزایش یابد. این منجر به اثری به نام انتشار افزایش یافته تابش می‌شود که منجر به تکامل ریزساختاری ماده در طول زمان می‌شود. مکانیسم‌هایی که منجر به تکامل ریزساختار می‌شوند، بسیارند و ممکن است با دما، شار و سیار متفاوت باشند و موضوع گسترده‌ای برای مطالعه هستند.[۶]
حلقه‌های دررفتگی در صورتی تشکیل می‌شوند که جای خالی خوشه‌هایی را در یک صفحه شبکه تشکیل دهند. اگر ابعاد این‌جای خالی در سه بعد گسترش یابد، یک خلاء ایجاد می‌شود. طبق تعریف، حفره‌ها در خلاء هستند، اما ممکن است در مورد تابش ذرات آلفا (هلیوم) تبدیل به گاز پر شوند. سپس حفره حباب تولید می‌شود و منجر به ناپایداری ابعادی (تورم ناشی از نوترون) قسمت‌های تحت تابش می‌شود. تورم یک مشکل بزرگ طراحی طولانی مدت است، به ویژه در اجزای رآکتور ساخته شده از فولاد ضدزنگ. آلیاژهایی با ایزوتروپ کریستالوگرافی، مانند زیرکالوی‌ها در معرض ایجاد حلقه‌های نابجایی هستند، اما تشکیل فضای خالی را نشان نمی‌دهند. در عوض، حلقه‌ها روی صفحات شبکه‌ای خاص تشکیل می‌شوند و منجر به رشد ناشی از تابش می‌شوند، پدیده‌ای که متمایز از تورم می‌باشد اما همچنان می‌تواند تغییرات ابعادی قابل توجهی را در یک آلیاژ ایجاد کند.[۷]
تابش مواد همچنین می‌تواند باعث دگرگونی‌های فازی در مواد شود. در مورد محلول جامد، غنی‌سازی یا تخلیه املاح در سینک‌های جداسازی ناشی از تشعشع می‌تواند منجر به رسوب فازهای جدید در ماده شود.[۸]
اثرات مکانیکی این مکانیسم‌ها، شامل سخت شدن تابش، شکنندگی، خزش و ترک خوردگی محیطی می‌باشد. خوشه‌های معیوب، حلقه‌های دررفتگی، حفره‌ها، حباب‌ها و رسوبات تولید شده در نتیجه تابش در یک ماده، همگی به شکنندگی (از دست دادن شکل‌پذیری) در مواد کمک می‌کنند.[۹] تردی برای موادی که مخزن تحت فشار رآکتور را تشکیل می‌دهند، حائز اهمیت است، زیرا انرژی مورد نیاز برای شکستن مخزن به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. بازیابی شکل‌پذیری با بازپخت کردن عیوب امکان‌پذیر است و بیشتر طول عمر رآکتورهای هسته‌ای به توانایی ایمن انجام این کار بستگی دارد. خزش همچنین در مواد پرتودهی شده بسیار تسریع می‌شود، البته نه به دلیل افزایش نفوذ، بلکه در نتیجه برهمکنش بین تنش شبکه و ریزساختار در حال توسعه. ترک خوردگی محیطی یا به‌طور خاص‌تر، ترک خوردگی تنشی به کمک تابش (IASCC) به ویژه در آلیاژهای در معرض تابش نوترون و در تماس با آب مشاهده می‌شود، ناشی از جذب هیدروژن در نوک ترک ناشی از تجزیه رادیویی آب است که منجر به کاهش انرژی مورد نیاز برای انتشار ترک می‌شود.
