Источник нейтронов

Некоторые изотопы подвергаются спонтанному делению с испусканием нейтронов. Наиболее часто используемым спонтанным источником деления является радиоактивный изотоп калифорния — 252. Cf-252 и все другие источники нейтронов на спонтанном делении образуются путём облучения урана или другого трансуранового элемента в ядерном реакторе, где нейтроны поглощаются исходным материалом и его последующими продуктами реакции, трансформируя исходный материал в изотоп, подверженный спонтанному делению.

Нейтроны образуются при столкновении α-частицы с любым из ряда изотопов с низким атомным весом, включая изотопы бериллия, углерода и кислорода. Эта ядерная реакция может быть использована для создания источника нейтронов путём смешивания радиоизотопа, испускающего альфа-частицы, такие как радий-226, полоний-210 или америций-241, с низкоатомно-массовым изотопом, обычно металлическим бериллием или бором. Типичные скорости излучения для альфа-реакционных нейтронных источников варьируются от 1 × 10⁶ до 1 × 10⁸ нейтронов в секунду. В качестве примера можно отметить, что типичный источник нейтронов альфа-бериллия составит около 30 нейтронов на каждый миллион альфа-частиц. Полезный срок службы этих типов источников сильно варьируется в зависимости от периода полураспада радиоизотопа, который испускает альфа-частицы. Размер и стоимость таких источников нейтронов сравнимы со спонтанными источниками деления. Обычными комбинациями материалов являются плутоний — бериллий (${\displaystyle {{\ce {PuBe}}}}$), америций — бериллий (${\displaystyle {{\ce {AmBe}}}}$) или америций — литий (${\displaystyle {{\ce {AmLi}}}}$).

Гамма-излучение с энергией, превышающей энергию связи нейтронов ядра, может выбить нейтрон в результате двух реакций:

• ⁹ Be + >1,7 Мэв фотон → 1 нейтрон + 2 ⁴ He
• ² H (дейтерий) + >2,26 МэВ фотон → 1 нейтрон + ¹ H

Некоторые, основанные на ускорителях нейтронные источники, используют реакции синтеза между пучками ионов дейтерия и / или трития и гидрид лития, который также содержит эти изотопы.

Источником нейтронов является плазменный шнур, производящий контролируемый ядерный синтез путём создания плотной плазмы, в которой нагревается ионизированный газ дейтерий и / или тритий до температур, достаточных для создания реакции. См. токамак.

Инерциальное электростатическое удержание использует электрическое поле для нагрева плазмы для получения нейтронов. Существуют различные реализации таких устройст, от инициативных проектов энтузиастов до коммерческих вариантов развития, например, предложенный в США проект Phoenix Nuclear Labs.

Традиционные ускорители частиц с источниками ионов водорода (${\displaystyle {{\ce {H}}}}$), дейтерия (${\displaystyle {{\ce {D}}}}$) или трития (${\displaystyle {\ce {T}}}$) могут быть использованы для получения нейтронов с использованием мишеней из дейтерия, трития, лития, бериллия и других материалов с малым атомным номером. Обычно эти ускорители работают с энергией в диапазоне >1 МэВ.

Нейтроны образуются и тогда, когда фотоны с энергией выше энергии связи в ядре облучают вещество, заставляя его подвергаться гигантскому дипольному резонансу, после которого ядро либо испускает нейтрон (т. н. фотонейтрон), либо подвергается делению (фотоделение). Количество нейтронов, выделяемых каждым событием деления, зависит от типа вещества. Обычно излучение нейтронов начинается с энергии взаимодействия фотонов с нормальным веществом в пределах от 7 до 40 МэВ. Кроме того, и электроны с энергией около 50 МэВ могут индуцировать гигантский дипольный резонанс в нуклидах при помощи механизма, являющегося обратным по отношению к внутренней конверсии и, таким образом, создаёт нейтроны, аналогично механизму возникновения фотонейтронов^[2].

Ядерное деление, которое происходит внутри реактора, производит очень большие количества нейтронов и может использоваться для различных целей, включая выработку энергии и проведение научных экспериментов.

Ядерный синтез, или слияние тяжёлых изотопов водорода, также может генерировать большие количества нейтронов. Маломасштабные модели слияния используются в системах ядерного синтеза во многих университетах и ​​лабораториях во всём мире. В Великобритании, например, проводились эксперименты по ядерному и термоядерному синтезу, включая National Ignition Facility в США и JET в Великобритании. Инерциальный управляемый термоядерный синтез может создавать на порядки больше нейтронов, чем расщепление^[3]. Это может быть полезно для целей нейтронной радиографии, которую можно эффективнее, чем рентгеновские лучи, использовать для обнаружения атомов водорода в структурах веществ и исследований теплового движения атомов и их коллективных возбуждений.

Распадные источники нейтронов (spallation sources) используют ускоренный до высокой энергии (~10 ГэВ) интенсивный пучок протонов, направленный на мишень, в результате чего происходит испускание нейтронов (реакция «скалывания», spallation). Примерами таких источников нейтронов могут быть ускорительные комплексы ISIS (Великобритания), SNS (США), ESS (Швеция), IN-6 (Россия).

Для большинства научных и технических применений нужен большой нейтронный поток (это сокращает время, необходимое для проведения эксперимента, получения изображения нейтронной радиографии, и т. д.). Простые устройства термоядерного синтеза генерируют только около 300 000 нейтронов в секунду. Коммерческие устройства фьюзера могут генерировать порядка 10⁹ нейтронов в секунду, что соответствует используемому потоку менее 10⁵ н/(см² сек). Большие источники нейтронов по всему миру воспроизводят гораздо большие по интенсивности потоки нейтронов. Источники нейтронов на основе реакторов производят 10¹⁵ н/(см²*сек), а распадные источники генерируют свыше 10¹⁷ н/(см²*сек).