Hoppa till innehållet

Neutronaktivering: Skillnad mellan sidversioner

Från Wikipedia
Innehåll som raderades Innehåll som lades till
m Lagt till arkivurl. Puts
tillägg av text + referenser
Märke: Nutidsfras
Rad 1: Rad 1:
'''Neutronaktivering''' används för att med hjälp av [[neutron]]er bestämma mängden av olika [[grundämne]]n i ett prov. Det är den process där [[neutronstrålning]] inducerar [[radioaktivitet]] i material och uppstår när atomkärnor fångar fria neutroner, blir tyngre och går in i exciterade tillstånd. Den exciterade kärnan sönderfaller omedelbart genom att sända ut [[gammastrålning]], eller partiklar som [[Betapartikel|betapartiklar]], [[alfapartiklar]], [[fissionsprodukt]]er och neutroner (vid [[kärnklyvning]]). Processen för neutroninfångning, även efter mellanliggande sönderfall, resulterar ofta i bildandet av en instabil aktiveringsprodukt. Sådana radioaktiva kärnor kan uppvisa halveringstider som sträcker sig från små bråkdelar av en sekund till många år.
'''Neutronaktivering''' används för att med hjälp av [[neutron]]er bestämma mängden av olika [[grundämne]]n i ett prov.


Neutronaktivering är det enda vanliga sättet där ett stabilt material kan induceras till att bli i sig radioaktivt. Alla naturligt förekommande material, inklusive luft, vatten och jord, kan induceras (aktiveras) av neutroninfångning till en viss mängd radioaktivitet i varierande grad, som ett resultat av produktionen av neutronrika [[radioisotop]]er. Vissa atomer kräver mer än en neutron för att bli instabila, vilket gör dem svårare att aktivera eftersom sannolikheten för en dubbel eller trippel infångning till en kärna är lägre än för enkel infångning. Vatten består till exempel av [[väte]] och [[syre]]. Väte kräver en dubbel infångning för att uppnå instabilitet som [[tritium]] (väte-3), medan naturligt syre (syre-16) kräver tre infångningar för att bli instabilt syre-19. Vatten är alltså relativt svårt att aktivera, jämfört med [[natriumklorid]] (NaCl), där både [[natrium]]- och [[klor]]atomerna blir instabila med en enda infångning vardera. Dessa fakta kunde observeras vid Operation Crossroads atomprovserie 1946.
==Princip==
Ett flöde av [[neutron]]er skickas mot provet varvid karakteristisk [[gammastrålning]] från de aktuellt bildade [[Radioaktivitet|radioaktiva]] nukliderna registreras. Neutronaktivering gör provet radioaktivt men mängden radioaktivitet är oftast mycket låg och den har vanligtvis kort halveringstid, vilket gör att det kort tid efter avslutad undersökning inte finns någon radioaktivitet kvar.


==Exempel==
Neutronflödet kan produceras med hjälp av olika [[neutronkälla|neutronkällor]], till exempel ett [[Neutronkälla#Strålningsreaktioner|Ra-Be preparat]], eller en [[forskningsreaktor]] (neutrongenerator). Vilket man väljer beror på hur hög intensitet man vill ha på neutronerna och om man behöver termiska eller snabba neutroner för att aktivera materialet.
Ett exempel på denna typ av kärnreaktion är produktion av kobolt-60 i en kärnreaktor: [[Kobolt]]-60 sönderfaller sedan genom utsläpp av en betapartikel plus gammastrålning till [[nickel]]-60. Denna reaktion har en halveringstid på cirka 5,27 år, och på grund av tillgängligheten av kobolt-59 (100 procent av dess naturliga mängd) är denna neutronbombarderade isotop av kobolt en värdefull källa till gammastrålning för strålbehandling.<ref>[http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1340_web.pdf Manual for reactor produced radioisotopes] from the [[International Atomic Energy Agency]]</ref>


<sup>59</sup><sub>27</sub>Co + <sup>1</sup><sub>0</sub>n → <sup>60</sup><sub>27</sub>Co
==Praktisk användning==

I andra fall, och beroende på neutronens [[Kinetisk energi|kinetiska energi]], kan infångningen av en neutron orsaka kärnklyvning - uppdelningen av atomkärnan i två mindre kärnor. Om klyvningen kräver en inmatning av energi, kommer den från neutronens kinetiska energi. Ett exempel på denna typ av klyvning i ett lätt element kan uppstå när den stabila isotopen av [[litium]], litium-7, bombarderas med snabba neutroner och genomgår följande kärnreaktion:

<sup>7</sup><sub>3</sub>Li + <sup>1</sup<sub>>0</sub>n → <sup>4</sup><sub>2</sub>He + <sup>3</sup><sub>1</sub>H + <sup>1</sup><sub>0</sub>n + gammastrålning + kinetisk energi

Med andra ord, infångnigen av en neutron av litium-7 gör att den delas i en energirik heliumkärna (alfapartikel), en väte-3 (tritium) kärna och en fri neutron. [[Castle Bravo]]-olyckan, där det termonukleära bombtestet vid [[Bikiniatollen]] 1954 exploderade med 2,5 gånger den förväntade strålningen, orsakades av den oväntat höga sannolikheten för denna reaktion.

I området kring en [[tryckvattenreaktor]] eller [[kokvattenreaktor]] under normal drift produceras en betydande mängd strålning på grund av aktiveringen med snabba neutron av kylvattensyre via en (n,p)-reaktion. Den aktiverade syre-16-kärnan avger en [[proton]] (vätekärna) och omvandlas till kväve-16, som har en mycket kort livslängd (7,13 sekunder) innan den sönderfaller tillbaka till syre-16 (avger 6,13 MeV betapartiklar).<ref name="Neeb">{{cite book|last=Neeb|first= Karl Heinz |title=The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors|publisher=Walter de Gruyter|location=Berlin-New York|date=1997|isbn=3-11-013242-7| url= https://books.google.com/books?id=SJOE00whg44C&pg=PA227| page=227}}</ref>

<sup>16</sup><sub>8</sub>O + <sup>1</sup><sub>0</sub>n → <sup>1</sup><sub>1</sub>p + <sup>16</sup><sub>7</sub>N (Avklingar snabbt)
<sup>16</sup><sub>7</sub>N → γ + <sup>0</sup><sub>-1</sub>e<sup>-</sup> + <sup>16</sup><sub>8</sub>O

Denna aktivering av kylvattnet kräver extra biologisk avskärmning runt kärnreaktoranläggningen. Det är den höga energigammastrålningen i den andra reaktionen som orsakar de största problemen. Det är därför vatten som nyligen har varit inne i en kärnreaktorhärd måste avskärmas tills denna strålning avtar. En till två minuter är i allmänhet tillräckligt.

I anläggningar som inhyser en [[cyklotron]] kan fundamentet av armerade betong bli radioaktivt på grund av neutronaktivering. Sex viktiga långlivade radioaktiva isotoper (<sup>54</sup>Mn, <sup>55</sup>Fe, <sup>60</sup>Co, <sup>65</sup>Zn, <sup>133</sup>Ba och <sup>152</sup>Eu) kan hittas i betongkärnor som påverkas av neutroner.<ref>{{cite journal |last1=Vichi |first1=Sara |title=Efficiency calibration of a portable CZT detector for |journal=Radiation Effects and Defects in Solids |date=2016 |volume=171 |pages=705–713 |doi=10.1080/10420150.2016.1244675 |s2cid=99556734 }}</ref> Den kvarvarande radioaktiviteten beror huvudsakligen på närvarande [[spårämne]]n och således är mängden radioaktivitet som härrör från cyklotronaktivering minimal, det vill säga pCi/g eller Bq/g. Utsläppsgränsen för anläggningar med kvarvarande radioaktivitet är 25 mrem/år.<ref name="NRC">{{cite web |last1=Nuclear Regulatory Commission 10 CFR 20.1402 |title=Standards for Protection Against Radiation |url=https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part020/full-text.html |ref=10 CFR 20.1402}}</ref> Ett exempel på <sup>55</sup>Fe-produktion från aktivering av järn i [[armeringsjärn]] som finns i betong visas nedan:

<sup>54</sup><sub>26</sub>Fe + <sup>1</sup><sub>0</sub>n → <sup>55</sup><sub>26</sub>Fe

==Förekomst==
Neutronaktivering är det enda allmänna sättet att ett stabilt material kan induceras till att bli i sig radioaktivt. Neutroner är endast fria i kvantitet under mikrosekunderna av ett kärnvapenexplosion, i en aktiv kärnreaktor eller i en spallationsneutronkälla.

I ett kärnvapen genereras neutroner endast i mellan 1 och 50 mikrosekunder, men i enorma antal. De flesta absorberas av det metalliska bombhöljet, som bara har börjat påverkas av explosionen i det. Neutronaktiveringen av den snart förångade metallen är ansvarig för en betydande del av det nukleära nedfallet från kärnvapendetonation högt uppe i atmosfären. I andra typer av aktivering kan neutroner bestråla jord som är spridd i ett svampmoln på eller nära jordens yta, vilket resulterar i nedfall från aktivering av markkemiska element.

==Effekter på material över tid==
På vilken plats som helst med höga neutronflöden, såsom inom kärnreaktorer, bidrar neutronaktivering till materialerosion och regelbundet måste själva beklädnadsmaterialen kasseras som lågaktivt radioaktivt avfall. Vissa material är mer utsatta för neutronaktivering än andra, så ett lämpligt valt lågaktiveringsmaterial kan avsevärt minska detta problem. Till exempel kommer Krom-51 att bildas genom neutronaktivering i kromstål (som innehåller Cr-50) som utsätts för ett typiskt reaktorneutronflöde.<ref>{{Cite web |url=http://ie.lbl.gov/toi/nuclide.asp?iZA=240051 |title=Table of Isotopes decay data |access-date=2014-03-05 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140305004349/http://ie.lbl.gov/toi/nuclide.asp?iZA=240051 |archive-date=2014-03-05 |url-status=dead }}</ref>

[[Kol-14]], oftast men inte enbart, genererat av neutronaktivering av atmosfäriskt [[kväve-14]] med en termisk neutron, genereras också (tillsammans med dess dominerande naturliga produktionsväg från kosmisk strålning-luft-interaktioner och historisk produktion från atmosfäriska kärnvapenprov) i jämförelsevis små mängder inuti många konstruktioner av kärnreaktorer som innehåller kvävgasföroreningar i dess bränslekapsling, kylvatten och genom neutronaktivering av syret som finns i själva vattnet. Snabba [[bridreaktor|breedreaktorer]] (FBR) producerar ungefär en storleksordning mindre kol-14 än den vanligaste reaktortypen, tryckvattenreaktorn, eftersom FBR:er inte använder vatten som primärkylvätska.<ref>{{Cite web|url=http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TRS421_web.pdf|title=IAEA Technical report series no.421, Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14}}</ref>

==Tillämpning==
Neutronaktivering tillhör en grupp av mätmetoder som kallas [[icke-förstörande provning]] (''non-destructive testing'') och används bland annat inom [[spårämnesanalys]]. Det betyder att undersökningen av provet inte kräver någon förbehandling av provet, vilket är en fördel när man till exempel vill undersöka dyra konstföremål.
Neutronaktivering tillhör en grupp av mätmetoder som kallas [[icke-förstörande provning]] (''non-destructive testing'') och används bland annat inom [[spårämnesanalys]]. Det betyder att undersökningen av provet inte kräver någon förbehandling av provet, vilket är en fördel när man till exempel vill undersöka dyra konstföremål.


Rad 13: Rad 42:
Då [[träffyta|tvärsnittet]] för [[neutroninfångning]] ofta är större för tyngre atomkärnor är neutronaktivering lämpligast för att identifiera dessa grundämnen.
Då [[träffyta|tvärsnittet]] för [[neutroninfångning]] ofta är större för tyngre atomkärnor är neutronaktivering lämpligast för att identifiera dessa grundämnen.


==Litteratur==
====
Nuklidkarta

==Referenser==
{{enwp|url=https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Neutron_activation&oldid=1242262861|artikel|Neutron activation| datum= 25 augusti 2024}}

===Noter===
<references>

</references>

==Vidare läsning==
*{{webbref |författare=Michael D. Glascock |titel=Overview of Neutron Activation Analysis |url=http://archaeometry.missouri.edu/naa_overview.html |utgivare=University of Missouri Research Reactor |datum=6 oktober 2010 |arkivurl=https://web.archive.org/web/20110310132110/http://archaeometry.missouri.edu/naa_overview.html |arkivdatum=2011-03-10}}
*{{webbref |författare=Michael D. Glascock |titel=Overview of Neutron Activation Analysis |url=http://archaeometry.missouri.edu/naa_overview.html |utgivare=University of Missouri Research Reactor |datum=6 oktober 2010 |arkivurl=https://web.archive.org/web/20110310132110/http://archaeometry.missouri.edu/naa_overview.html |arkivdatum=2011-03-10}}
*{{cite book|title=Operation Ivy Final Report Joint Task Force 132|year=1952|url=http://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a995443.pdf|archive-url=https://web.archive.org/web/20140311064141/http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a995443.pdf|url-status=live|archive-date=March 11, 2014|author=US Army}}

== Externa länkar ==
*[https://web.archive.org/web/20161126143224/http://www.naa-online.net/ Neutron Activation Analysis web]
*[http://www-nds.iaea.org/publications/tecdocs/technical-reports-series-156.pdf Handbook on Nuclear Activation Cross-Sections, IAEA, 1974]
*[https://www.orau.org/PTP/PTP%20Library/library/DOE/bnl/nuclidedata/table.htm Decay Data in MIRD Format from the National Nuclear Data Center at Brookhaven National Laboratory]
*[https://web.archive.org/web/20150924072849/http://www.physics.rutgers.edu/~abragg/110/lecture16.html Neutron capture as it relates to nucleosynthesis]
*[https://web.archive.org/web/20150810210025/http://www.orau.gov/tdd/QualPrgm/learningmaterials/RadiationProtection/rp12.pdf Neutron capture and the Chart of the nuclides]
*[http://www.nndc.bnl.gov/chart/ The chart of the Nuclides]
*[http://www.nscl.msu.edu/~thoennes/2009/chromium-adndt.pdf Discovery of the Chromium isotopes, Chromium-55 by Cr-54 neutron capture]
*[https://orill.readthedocs.io ORILL] : 1D transmutation, fuel depletion, and radiological protection code

{{Auktoritetsdata}}
{{STANDARDSORTERING:Neutronaktivering}}


[[Kategori:Kärnfysik]]
[[Kategori:Kärnfysik]]
[[Kategori:Analytisk kemi]]
[[Kategori:Analytisk kemi]]
[[Kategori:Strålning]]

Versionen från 2 september 2024 kl. 10.48

Neutronaktivering används för att med hjälp av neutroner bestämma mängden av olika grundämnen i ett prov. Det är den process där neutronstrålning inducerar radioaktivitet i material och uppstår när atomkärnor fångar fria neutroner, blir tyngre och går in i exciterade tillstånd. Den exciterade kärnan sönderfaller omedelbart genom att sända ut gammastrålning, eller partiklar som betapartiklar, alfapartiklar, fissionsprodukter och neutroner (vid kärnklyvning). Processen för neutroninfångning, även efter mellanliggande sönderfall, resulterar ofta i bildandet av en instabil aktiveringsprodukt. Sådana radioaktiva kärnor kan uppvisa halveringstider som sträcker sig från små bråkdelar av en sekund till många år.

Neutronaktivering är det enda vanliga sättet där ett stabilt material kan induceras till att bli i sig radioaktivt. Alla naturligt förekommande material, inklusive luft, vatten och jord, kan induceras (aktiveras) av neutroninfångning till en viss mängd radioaktivitet i varierande grad, som ett resultat av produktionen av neutronrika radioisotoper. Vissa atomer kräver mer än en neutron för att bli instabila, vilket gör dem svårare att aktivera eftersom sannolikheten för en dubbel eller trippel infångning till en kärna är lägre än för enkel infångning. Vatten består till exempel av väte och syre. Väte kräver en dubbel infångning för att uppnå instabilitet som tritium (väte-3), medan naturligt syre (syre-16) kräver tre infångningar för att bli instabilt syre-19. Vatten är alltså relativt svårt att aktivera, jämfört med natriumklorid (NaCl), där både natrium- och kloratomerna blir instabila med en enda infångning vardera. Dessa fakta kunde observeras vid Operation Crossroads atomprovserie 1946.

Exempel

Ett exempel på denna typ av kärnreaktion är produktion av kobolt-60 i en kärnreaktor: Kobolt-60 sönderfaller sedan genom utsläpp av en betapartikel plus gammastrålning till nickel-60. Denna reaktion har en halveringstid på cirka 5,27 år, och på grund av tillgängligheten av kobolt-59 (100 procent av dess naturliga mängd) är denna neutronbombarderade isotop av kobolt en värdefull källa till gammastrålning för strålbehandling.[1]

5927Co + 10n → 6027Co

I andra fall, och beroende på neutronens kinetiska energi, kan infångningen av en neutron orsaka kärnklyvning - uppdelningen av atomkärnan i två mindre kärnor. Om klyvningen kräver en inmatning av energi, kommer den från neutronens kinetiska energi. Ett exempel på denna typ av klyvning i ett lätt element kan uppstå när den stabila isotopen av litium, litium-7, bombarderas med snabba neutroner och genomgår följande kärnreaktion:

73Li + 1</sup>0n → 42He + 31H + 10n + gammastrålning + kinetisk energi

Med andra ord, infångnigen av en neutron av litium-7 gör att den delas i en energirik heliumkärna (alfapartikel), en väte-3 (tritium) kärna och en fri neutron. Castle Bravo-olyckan, där det termonukleära bombtestet vid Bikiniatollen 1954 exploderade med 2,5 gånger den förväntade strålningen, orsakades av den oväntat höga sannolikheten för denna reaktion.

I området kring en tryckvattenreaktor eller kokvattenreaktor under normal drift produceras en betydande mängd strålning på grund av aktiveringen med snabba neutron av kylvattensyre via en (n,p)-reaktion. Den aktiverade syre-16-kärnan avger en proton (vätekärna) och omvandlas till kväve-16, som har en mycket kort livslängd (7,13 sekunder) innan den sönderfaller tillbaka till syre-16 (avger 6,13 MeV betapartiklar).[2]

168O + 10n → 11p + 167N (Avklingar snabbt) 167N → γ + 0-1e- + 168O

Denna aktivering av kylvattnet kräver extra biologisk avskärmning runt kärnreaktoranläggningen. Det är den höga energigammastrålningen i den andra reaktionen som orsakar de största problemen. Det är därför vatten som nyligen har varit inne i en kärnreaktorhärd måste avskärmas tills denna strålning avtar. En till två minuter är i allmänhet tillräckligt.

I anläggningar som inhyser en cyklotron kan fundamentet av armerade betong bli radioaktivt på grund av neutronaktivering. Sex viktiga långlivade radioaktiva isotoper (54Mn, 55Fe, 60Co, 65Zn, 133Ba och 152Eu) kan hittas i betongkärnor som påverkas av neutroner.[3] Den kvarvarande radioaktiviteten beror huvudsakligen på närvarande spårämnen och således är mängden radioaktivitet som härrör från cyklotronaktivering minimal, det vill säga pCi/g eller Bq/g. Utsläppsgränsen för anläggningar med kvarvarande radioaktivitet är 25 mrem/år.[4] Ett exempel på 55Fe-produktion från aktivering av järn i armeringsjärn som finns i betong visas nedan:

5426Fe + 10n → 5526Fe

Förekomst

Neutronaktivering är det enda allmänna sättet att ett stabilt material kan induceras till att bli i sig radioaktivt. Neutroner är endast fria i kvantitet under mikrosekunderna av ett kärnvapenexplosion, i en aktiv kärnreaktor eller i en spallationsneutronkälla.

I ett kärnvapen genereras neutroner endast i mellan 1 och 50 mikrosekunder, men i enorma antal. De flesta absorberas av det metalliska bombhöljet, som bara har börjat påverkas av explosionen i det. Neutronaktiveringen av den snart förångade metallen är ansvarig för en betydande del av det nukleära nedfallet från kärnvapendetonation högt uppe i atmosfären. I andra typer av aktivering kan neutroner bestråla jord som är spridd i ett svampmoln på eller nära jordens yta, vilket resulterar i nedfall från aktivering av markkemiska element.

Effekter på material över tid

På vilken plats som helst med höga neutronflöden, såsom inom kärnreaktorer, bidrar neutronaktivering till materialerosion och regelbundet måste själva beklädnadsmaterialen kasseras som lågaktivt radioaktivt avfall. Vissa material är mer utsatta för neutronaktivering än andra, så ett lämpligt valt lågaktiveringsmaterial kan avsevärt minska detta problem. Till exempel kommer Krom-51 att bildas genom neutronaktivering i kromstål (som innehåller Cr-50) som utsätts för ett typiskt reaktorneutronflöde.[5]

Kol-14, oftast men inte enbart, genererat av neutronaktivering av atmosfäriskt kväve-14 med en termisk neutron, genereras också (tillsammans med dess dominerande naturliga produktionsväg från kosmisk strålning-luft-interaktioner och historisk produktion från atmosfäriska kärnvapenprov) i jämförelsevis små mängder inuti många konstruktioner av kärnreaktorer som innehåller kvävgasföroreningar i dess bränslekapsling, kylvatten och genom neutronaktivering av syret som finns i själva vattnet. Snabba breedreaktorer (FBR) producerar ungefär en storleksordning mindre kol-14 än den vanligaste reaktortypen, tryckvattenreaktorn, eftersom FBR:er inte använder vatten som primärkylvätska.[6]

Tillämpning

Neutronaktivering tillhör en grupp av mätmetoder som kallas icke-förstörande provning (non-destructive testing) och används bland annat inom spårämnesanalys. Det betyder att undersökningen av provet inte kräver någon förbehandling av provet, vilket är en fördel när man till exempel vill undersöka dyra konstföremål.

Neutronaktivering används både för att identifiera vilka ämnen som finns i provet men också kvantifiera mängden av olika ämnen.

tvärsnittet för neutroninfångning ofta är större för tyngre atomkärnor är neutronaktivering lämpligast för att identifiera dessa grundämnen.

Se även

Nuklidkarta

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, 25 augusti 2024.

Noter

  1. ^ Manual for reactor produced radioisotopes from the International Atomic Energy Agency
  2. ^ Neeb, Karl Heinz (1997). The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors. Berlin-New York: Walter de Gruyter. Sid. 227. ISBN 3-11-013242-7. https://books.google.com/books?id=SJOE00whg44C&pg=PA227. 
  3. ^ Vichi, Sara (2016). ”Efficiency calibration of a portable CZT detector for”. Radiation Effects and Defects in Solids 171: sid. 705–713. doi:10.1080/10420150.2016.1244675. 
  4. ^ Nuclear Regulatory Commission 10 CFR 20.1402. ”Standards for Protection Against Radiation”. Standards for Protection Against Radiation. https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part020/full-text.html. 
  5. ^ ”Table of Isotopes decay data”. Table of Isotopes decay data. http://ie.lbl.gov/toi/nuclide.asp?iZA=240051. 
  6. ^ ”IAEA Technical report series no.421, Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14”. IAEA Technical report series no.421, Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14. http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TRS421_web.pdf. 

Vidare läsning

Externa länkar