Promieniowanie neutronowe różni się od promieniowania alfa, beta czy gamma. Neutron nie ma ładunku elektrycznego, dlatego nie oddziałuje z materią w taki sam sposób jak naładowane cząstki. Zamiast tego przede wszystkim zderza się z jądrami atomów.
To właśnie brak ładunku sprawia, że neutrony potrafią przenikać przez materiały, które stosunkowo dobrze zatrzymują inne rodzaje promieniowania.
Neutron nie jest naładowany
Neutron jest jednym z nukleonów budujących jądro atomowe. Nie posiada ładunku elektrycznego, dzięki czemu nie jest silnie odpychany ani przyciągany przez elektrony i jądra atomów.
Dla porównania cząstka alfa ma ładunek +2, a elektron emitowany podczas rozpadu beta ma ładunek -1. Przechodząc przez materię, oddziałują one z jej polem elektrycznym i stosunkowo szybko tracą energię.
Neutron natomiast może przelecieć przez materiał bez znaczącego oddziaływania z jego atomami. Dopiero gdy znajdzie się wystarczająco blisko jądra, może wejść z nim w oddziaływanie jądrowe.
Dlatego materiały, które dobrze pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne, niekoniecznie są dobrymi osłonami przed neutronami.
Trochę bardziej naukowo…
Dla neutronu ciało stałe jest w dużej mierze… puste.
Atom ma typowy promień rzędu 10−8 cm, podczas gdy promień jego jądra jest rzędu 10−12 cm. Oznacza to, że przekrój poprzeczny jądra jest około 100 milionów razy mniejszy niż przekrój całego atomu:
To oznacza, że jądro zajmuje tylko niewielką część przestrzeni zajmowanej przez atom. Neutron, który nie ma ładunku elektrycznego, może więc przelecieć między jądrami bez istotnego oddziaływania.
To dlatego neutrony mogą pokonywać wiele warstw atomów, zanim dojdzie do zderzenia z jądrem. Wystarczająco cienki materiał, na przykład kartka papieru, dla neutronów może być niemal całkowicie „przezroczysty”.
Jak neutron oddziałuje z materią?
Neutron może przede wszystkim rozpraszać się na jądrach atomowych albo zostać przez nie pochłonięty.
Podczas rozpraszania neutron przekazuje część swojej energii jądru. Jest to szczególnie skuteczne wtedy, gdy masa jądra jest zbliżona do masy neutronu.
Dobrym przykładem jest wodór. Jego jądro składa się z pojedynczego protonu, którego masa jest bardzo zbliżona do masy neutronu.
Można to porównać do zderzenia dwóch kul bilardowych: jeśli mają podobne masy, pierwsza może przekazać drugiej dużą część swojej energii.
Dlatego materiały bogate w wodór są bardzo przydatne do spowalniania neutronów.
Dlaczego ołów nie rozwiązuje problemu?
Ołów jest świetnym materiałem do osłabiania promieniowania gamma, ponieważ ma dużą gęstość i dobrze pochłania wysokoenergetyczne fotony.
Neutrony nie „widzą” jednak materiału w ten sam sposób.
Ciężkie jądra, takie jak ołów, są znacznie cięższe od neutronu. Podczas zderzenia neutron może więc odbić się od takiego jądra, tracąc stosunkowo niewielką część swojej energii.
Dlatego sama gruba warstwa ołowiu nie jest optymalnym rozwiązaniem problemu promieniowania neutronowego.
Co więcej, pochłanianie neutronów przez niektóre materiały może prowadzić do powstawania wtórnego promieniowania gamma. Osłona neutronowa musi więc często pełnić dwie funkcje: najpierw spowolnić neutrony, a następnie je pochłonąć.
W takim razie, dlaczego beton działa?
W osłonach biologicznych stosuje się specjalny beton, który może jednocześnie osłabiać neutrony i promieniowanie gamma. W zależności od zastosowania wykorzystuje się m.in. betony zawierające dużo wodoru, np. z kruszywem serpentynitowym, oraz betony ciężkie, np. z dodatkiem barytu.
Woda jako osłona neutronowa
Woda jest bardzo dobrym materiałem do ochrony przed neutronami właśnie dlatego, że zawiera dużo wodoru.
Neutron przechodzący przez wodę wielokrotnie zderza się z jądrami wodoru i stopniowo traci energię. Z szybkiego neutronu powstaje neutron o coraz niższej energii.
W reaktorach wodnych ta sama właściwość wody ma ogromne znaczenie dla fizyki reaktora. Woda może jednocześnie pełnić funkcję chłodziwa i moderatora.
Nie oznacza to jednak, że woda po prostu zatrzymuje neutrony. Najpierw przede wszystkim je spowalnia. Do skutecznego usunięcia ich z wiązki potrzebne są również procesy pochłaniania.
Dlaczego bor jest tak ważny?
Jednym z najlepszych materiałów do pochłaniania neutronów jest bor, a szczególnie izotop bor-10. Ma on duże prawdopodobieństwo (duży przekrój czynny) pochłonięcia neutronu termicznego.
Dlatego związki boru stosuje się między innymi:
- w prętach kontrolnych reaktorów,
- w wodzie obiegu niektórych reaktorów,
- w osłonach neutronowych,
- w zabezpieczeniach przed promieniowaniem neutronowym.
Po pochłonięciu neutronu przez jądro boru-10 zachodzi reakcja jądrowa, w której powstają między innymi cząstka alfa i jądro litu.
W ten sposób neutron zostaje usunięty z układu.
Trochę dokładniej…
Nie tylko bor świetnie pochłania neutrony. Rzadki metal – gadolin – ma kilkunastokrotnie większą zdolność wychwytu neutronów termicznych (dokładniej izotopy Gd-155 i Gd-157). Stosuje się go m.in. jako tzw. truciznę neutronową w paliwie reaktorów wodnych. W świeżym paliwie pomaga ograniczyć nadmiar reaktywności, a w miarę pracy reaktora stopniowo się wypala.
No i jest jeszcze hafn, który ma kilka izotopów skutecznie pochłaniających neutrony. Dzięki temu pręty wykonane z hafnu zachowują właściwości pochłaniające przez długi czas i mogą być wielokrotnie wykorzystywane. Stosuje się je m.in. w prętach regulacyjnych niektórych reaktorów, w tym reaktorów okrętowych.
Osłony wielozadaniowe = najlepsze
Skuteczna osłona neutronowa często jest konstrukcją wielowarstwową.
Najpierw potrzebny jest materiał zawierający lekkie jądra, przede wszystkim wodór, który spowalnia neutrony.
Następnie stosuje się materiał dobrze pochłaniający wolne neutrony, na przykład bor.
Na końcu potrzebna może być dodatkowa warstwa ciężkiego materiału, która ogranicza wtórne promieniowanie gamma powstające podczas oddziaływań neutronów z osłoną.
W praktyce mogą być stosowane między innymi:
- woda,
- beton,
- polietylen (plastik z dużą ilością atomów wodoru),
- materiały zawierające bor,
- specjalne kompozyty.
Dobór materiału i grubości osłony zależy jednak od energii neutronów i charakteru źródła.
Neutrony mogą również zmieniać materiały
Jest jeszcze jeden problem, który nie występuje w takim natężeniu w przypadku innych rodzajów promieniowania.
Neutron może zostać pochłonięty przez jądro atomu materiału, powodując powstanie innego izotopu. Jeżeli powstałe jądro jest promieniotwórcze, materiał, który wcześniej nie był źródłem promieniowania, może stać się aktywny promieniotwórczo.
Zjawisko to nazywa się aktywacją neutronową.
Ma ono ogromne znaczenie w energetyce jądrowej. Materiały znajdujące się w pobliżu rdzenia reaktora przez lata są bombardowane neutronami, przez co ich skład izotopowy może się zmieniać.
Dlatego problem ochrony przed neutronami nie kończy się na zatrzymaniu samego promieniowania. Trzeba również brać pod uwagę to, co neutrony zrobią z materiałem, przez który przechodzą.
Promieniowanie neutronowe w reaktorze
W normalnie pracującym reaktorze neutrony powstają przede wszystkim podczas rozszczepienia jąder paliwa. Większość z nich pozostaje w obrębie rdzenia i uczestniczy w kolejnych reakcjach.
Poza rdzeniem ich liczba jest znacznie mniejsza, ponieważ neutrony są pochłaniane i rozpraszane przez kolejne warstwy materiałów konstrukcyjnych oraz osłony biologiczne.
Właśnie dlatego obudowa reaktora i osłony biologiczne są projektowane nie tylko z myślą o promieniowaniu gamma, ale również o neutronach.
Niestety, neutrony mogą wpływać na właściwości materiałów konstrukcyjnych. W stalach znajdujących się w pobliżu rdzenia powodują powstawanie defektów w strukturze krystalicznej oraz zmiany mikrostruktury materiału. Z czasem może to prowadzić do utwardzenia i kruchości radiacyjnej stali, czyli pogorszenia jej odporności na pękanie.
Podsumowanie
Promieniowanie neutronowe jest trudne do zatrzymania przede wszystkim dlatego, że neutron nie ma ładunku elektrycznego. Nie traci więc energii w materii tak łatwo jak naładowane cząstki.
Skuteczna ochrona wykorzystuje najczęściej dwa etapy: spowolnienie neutronów za pomocą materiałów bogatych w wodór, a następnie ich pochłonięcie przez odpowiednie materiały, np. zawierające bor. Trzeba przy tym uwzględnić również promieniowanie wtórne i możliwość aktywacji materiałów.
Neutrony są więc dobrym przykładem tego, że nie istnieje jedna uniwersalna „tarcza” przeciw promieniowaniu. Rodzaj osłony trzeba zawsze dopasować do rodzaju promieniowania i jego energii.
