استخدام المواد العضوية كمنسقين نيوترون في التطبيقات المتخصصة

تحديث نيوترون: رئيس

إن الاعتدال النيوتروني عملية أساسية في العلوم والهندسة النووية، وهو ينطوي على تخفيض الطاقة الحركية للنيوترونات السريعة (الآلاف من فولت الإلكترونية أو أكثر) إلى الطاقات الحرارية (نحو 0.025 إي في درجة حرارة الغرفة)، وهذا يبطئ النيوترونات بحيث يمكن أن يحفز على نحو أكثر كفاءة الالتهاب النووي في المفاعل أو يشارك في ردود فعل نووية محددة لأغراض البحث أو الطب أو تحليل المواد.

0A فعال من الموصلات هي مواد غنية بالنواة الذرية الخفيفة، ولا سيما الهيدروجين، لأن النيوترونات تنقل جزءاً كبيراً من طاقتها في تصادم واحد مع نواة من الكتلة المماثلة.

وقد استخدمت الموصلات التقليدية - المياه الثقيلة والماء الثقيل )D2O( والغرافيت - الهاتف لعدة عقود في مفاعلات الطاقة ومفاعلات البحوث وتجربة الفيزياء الجسيمات، وكلها لها قوة: فالماء العادي رخيص ولكنه يستوعب بعض النيوترونات؛ والماء الثقيل له امتصاص منخفض ولكنه مكلف؛ والأشعة هيدروجينية صلبة ومستقرة ولكنها تتطلب تنافراً دقيقاً لتجنب المرونة الرابعة.

ما هي المُتَحدّثات العضوية؟

والمواد العضوية المستخدمة في الاعتدال النيوترونات هي مركبات مرتكزة على الكربون تحتوي على ذرات الهيدروجين في هيكلها الجزيئي، والمحتوى الهيدروجيني هو المفتاح: الذرات الأكثر هيدروجين لكل وحدة، والقدرة على التدرج بشكل أفضل، ويمكن تصميم المركبات العضوية في أشكال مادية كثيرة - الصلب، والسائل، والخلل، والرغاوى - ومصممة خصيصا لبيئة إشعاعية محددة.

أما مصطلح " العضو " فيشير إلى الكيمياء وليس البيولوجيا؛ وهذه هي الهيدروكربونات والبوليمرات الاصطناعية أو المشتقة طبيعياً، ومعظم الموصلات العضوية المشتركة هي البوليمرات أو الهيدروكربونات السائلة، وممتلكاتها الرئيسية هي كثافة ذرية عالية هيدروجينية، تكون قريبة أو تتجاوز في كثير من الأحيان من الماء، مقرونة بقسم خام منخفض من النيترون (0.5)

مواد عضوية كمنسقين نيوترون

وتجلب المواد العضوية عدة مزايا متميزة للتطبيقات المتخصصة:

  • High hydrogen density.] Many solid polymers, such as polyethylene, have a hydrogen density of about 0.8-0.9 × 1022 atoms/cm3, similar to water (0.67 × 1022) but higher than heavy water (0.33 × 1022). This leads to superior moderating power per unit volume.
  • (ب) بالإضافة إلى الهيدروجين، فإن الكربون والعناصر الأخرى في المركبات العضوية لديها قطع صغيرة جداً لاستيعاب النيترونات المعتدلة، مما يسمح بفط أكبر من النيوترونات المعتدلة للهروب أو استخدامها في ردود الفعل، وهو أمر حاسم بالنسبة لتطبيقات مثل الإشعاع النيوترونات أو العلاج بالنيترونات البورونية.
  • Mechanical and shaping flexibility.] Polymers can be cast, extruded, or 3D-printed into complex geometries, allowing custom moderator assemblies for experimental equipment or compact neutron sources.
  • Cost and availability.] Commodity plastics like polyethylene and polystyrene are produced in vast quantities at low cost. Raw material prices are a fraction of those for high-purity graphite or heavy water.
  • Chemical and radiation stability.] While not indestructible, many organic polymers show acceptable resistance to low-moderate neutron and gamma flux, especially when stabilizationrs are added. Radiation-crosslinked polyethylene even gains strength under controlled exposure.

التحديات والنظرات التقنية

وعلى الرغم من هذه الفوائد، فإن الموصلات العضوية لا تُستبدل بالمواد التقليدية في كل سيناريو، ويجب أن يزن المهندسون والفيزيائيون عدة عيوب:

تدهور الترسب

ويواجه البوليمرات الغنية بالهيدروجين أضراراً إشعاعية: إذ تكسر النيوترونات السريعة وأشعة غاما السندات C-H وC-C، وتطلق الغاز الهيدروجيني (H2) وتخلق متطرفات حرة، مما يؤدي، بمرور الوقت، إلى اختراق أو تكبير أو فقدان القوة الميكانيكية، وانخفاض كفاءة المولدات العضوية (مثلاً، ظروف المفاعلات العضوية المتطاولة)

التنقيب والاستمرارية

وينتج التحليل الإشعاعي غاز الهيدروجين الذي يجب تهوية أو إزالته لتجنب تراكم الضغط، كما يمكن أن تطلق بعض الهيدروكربونات مركبات عضوية متفجرة تحت التدفئة أو الإشعاع، ويمكن أن تلوث المعدات المحيطة أو العينات التجريبية، وفي بيئات الفراغ (مثلاً، مركبات تسارع الجسيمات)، يشكل التجاوز مصدر قلق بالغ؛

حدود التدرج

ومعظم مركبات الحرارة في السلع الأساسية (مثلاً، البوليثيلين، وبوليبروبيلين) لينة أو ذائبة فوق درجة حرارة 100-200 درجة مئوية. وبالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عملية ذات درجة حرارة عالية، ينتقل المهندسون إلى مادة السائل (مثلاً، خليط التحلل التراكمي) أو البوليمرات العالية الأداء (مثلاً، زيادة الحجم البوليثيري)

التغير في المحتوى الهيدروجيني

وفي حين أن العديد من المركبات العضوية هي من الثروات الهيدروجينية، فإن الكثافة الذرية الدقيقة تتوقف على الهيكل الجزيئي، وعلى مرحلة البلوري، وحتى ظروف التجهيز، فعلى سبيل المثال، فإن بوليثيلين الكثافة العالية له كثافة هيدروجينية أعلى بنسبة 8 في المائة من البوليثيلين المنخفض الكثافة بسبب التغليف الأضيق، ويجب أن يحسب المصممون لهذه التباينات وأن يقوموا في كثير من الأحيان بتصوير.

أنواع المواد العضوية المستخدمة في تحديث نيوترون

Polyethylene (PE)

(ب) البوليثيلين، والصيغة الكيميائية (C2H4)n، هي أكثر الموصلات العضوية دراسة واستعمالاً على نطاق واسع، والكثافة الذرية الهيدروجينية للهيدروجين هي حوالي 8.0 ذرات/كوم3، وقطعها المتناثرة للنيوترونات تبلغ حوالي 3.6 سم - 1، أي أن خط النيوترونات المسافرة عبر PE له مسار حر متوسط من الوزن العالي -3 ملم للتحطيم.

ويستخدم البوليثيلين على نطاق واسع في مرافق التصوير بالنيوترونات، كمواد للمنشطات، وكوسيط لـ مصادر نيوترونات مجهزة (مثلاً، D-D أو D-T) ويمكن في كثير من الأحيان تركيب اللينة أو 3D-طباعة في كتل أو مجالات أو مضامين معتدلة للإشعاع.

بوليستيرين

Polystyrene, (C8H8)n, has a hydrogen density of about 5.6 × 1022 atoms/cm3, lower than polyethylene but still high. Its advantage is better dimensional stability and lower outgassing under vacuum compared to PE. Polystyrene is often used in plastic scintillators, which both moderate neutrons and produce light pulses for detection.

ففي حقول النيوترونات المختلطة، مثلا، يمكن أن يقترن جهاز موصل متعدد الأطراف يُحمل بالليثيوم بجهاز تجميل محتوي على الليثيوم لخلق مطياف نيوترون يرفض خلفية غاما، كما أن جهاز الأمن العام هو مصفوفة مشتركة لإضافة متجانسات أو مجارير عنصرية (مثلا 10B أو 6Li) إلى خصائص الضبط المحتوية على النيترون.

Poly(methyl methacrylate) (PMMA) — Plexiglas

(ب) إنَّ كمية الطاقة المُعدَّلة من مادة PMMA هي مادة حرارية شفافة مع الصيغة (C5O2H8)n.() وكثافة الهيدروجين فيها تبلغ نحو 5.5 ذرة/سم3.() وتُستخدم هذه المادة أحياناً في شكل صورية طيفية مُخصَّصة للنيت وتصويرها بسبب وضوحها وقابليتها للتشذيب.() في [(العملية التراكمية: صفر])

Liquid Hydrocarbons: Kerosene, Benzene, and Oils

ويُعتبر موصلات التبريد العضوية السائلة مزية من حيث التداول السهل للإزالة الحرارية أو تعديل التكوين، أما الكروسين (مزيج من الكنوزات من طراز C10-C16) فهو يحتوي على كثافة الهيدروجينية من خلال 6-7 × 1022 ذرة/سم3، وقد درس في الأيام الأولى من تصميم المفاعلات (مثلاً، مفهوم المضخة المبردة/الفرنسية)

Epoxy Resins and Composites

وتشكل نظم التكسين ذات جزأين، بعد علاجها، شبكة حرارة صلبة ويمكن تحميلها بملئ (كاربيدات البرون، وأكسيد الغاولينيوم، وألياف الكربون) لتعزيز الخواص الدرعية أو الهيكلية، وتتمتع الأوكتين الهيدروجينية المشابهة لجهاز PMMA وتستخدم في مقاومة المكونات الإلكترونية في البيئات الغنية حديثا (مثلا، تحسين أجهزة التبريد النووي).

Foams Hydrogeneous

(أ) استخدام الرغاوي المنخفضة الكثافة التي يتم صنعها من البوليوريثان أو البوليثيلين في تجارب متخصصة تتطلب بيئات منخفضة الارتداد، مثل عظام النيترون أو تفرق الزوايا الصغيرة، ويمكن أن يكون لجهاز الرغاوي الذي يحتوي على 90 في المائة من الرشات كثافة هيدروجينية منخفضة تصل إلى 0.5 في الذر/الخام3، مما يتيح للناموسومات أن تتخلّد بعمق بعمق دون كثير من الوزن.

تطبيقات المُتَوِّقين الأساسيين

مصادر نيوترون وجمعيات فرعية

(أ) استخدامات النيترونات ذات الدفع المعجل التي تنتج النيوترونات السريعة عن طريق التحلل الحراري أو الأشعة الفوقية لليوران في كثير من الأحيان استخدام ركيزة موصلية متعددة الإيثيلين لتثبيت النيوترونات في تطبيقات مثل [[تسلم الفلوروئي]] الاستطلاع النشط للمواد النووية ، أو مسح الشحنات، أو BNCT.

معالجة الضبط الآلي (BNCT)

وفي BNCT، يدار المريض مجمع من نوع " البورون - 10 " يتراكم في خلايا الورم، ثم يشع الورم بشعاع من النيوترونات الحرارية، وتستخدم أجهزة الاستنشاق العضوية المصنّعة من البوليثيلين أو مزيج من البيوت الخماسية البيردة في أجهزة الكيمياء الحرارية لتباطؤ النيوترونات السريعة من مفاعل أو مسرع إلى أقصى درجة من الطاقة.

جهاز لاسلكي نيوترون وتصوير

ويمكن لمديري المواد العضوية أن يعملوا كمرشّحات إطفاء مسطحة بالفلور أو كمديرين لمواد التصوير بالنيوترونات، مثلاً، يمكن لمرشّح ثنائي إيثيلين ذي مقياسين من طراز 2cm-thick في مواجهة ميناء شعاع المفاعل أن يقلل من متوسط طاقة النيوترونات لتعزيز التناقضات بين العينات الهيدروجينية (مثلاً، البوليمرات، مواد تجميع محتوية على الماء).

الفضاء والبيئات الشديدة

وفي الفضاء الخارجي، حيث يكون الوزن والحجم في أقساط، توفر أجهزة الاستنشاق العضوية بديلاً للوزن الخفيف، ويستخدم البوليثيلين بصفة خاصة كمدير ودرع للنيترونات في محطة الفضاء الدولية وفي الأجهزة الإلكترونية الساتلية. ويستمر [مركبة تقييم التكاثر في عمليات التصليح البلاستيكية [FLT:]

الأداء المقارن: المادة العضوية ضد المُتمرين التقليديين

ويتطلب إجراء مقارنة عادلة النظر في نسبة التدرج (عدد الاصطدامات اللازمة لتباطؤ النيوترونات من 2 مي في الميثان إلى الحرارة، مقسمة إلى احتمال الاستيعاب لكل اصطدام) أما الماء فيوجد فيه نسبة معتدلة تبلغ نحو 62 في درجة حرارة الغرفة، و2.2 في المائة (امتصاص أقل)، وغرامات في البوليثيلين - 70، وهذا يعني أن معدل التباطؤ في الماء أقل.

وفي تطبيقات منخفضة الطاقة (مثلاً، مصدر النيترون للأبحاث التي تستخدم كيلوواط - 10)، تكون الحدود الحرارية والرادوية للمواد العضوية مقبولة، والمبادلات الرئيسية بين البساطة/الكلفة المنخفضة (الرقيق) والقوة/الأمان (الإنكليزية) بالنسبة للعديد من المختبرات المتخصصة والبدءات التي تدخل في ميدان النيترون، فإن الموصلات العضوية هي الخيار الأول.

البحوث والابتكارات الحديثة

(ب) إن التقدم في الكيمياء المتعددة البوليمر والتصنيع الإضافي يحركان إمكانيات جديدة، وقد طور الباحثون البوليثيلين المحمل بالبورون (مثلاً، 5 في المائة بالوزن B4C) لإنشاء موصلات/سلائف مجتمعة تُعَدُّل وتستوعب ملوثات غير مرغوب فيها، وهناك منطقة أخرى من مناطق الإشعاع [FLT:

وقد حققت دراسة من Journal of Radiation Physics and Chemistry ] في جهاز تداول عضوي سائل يقوم على أساس التلوين المحمص، وأظهرت زيادة أربعة أضعاف في كفاءة الاعتدال مقارنة بالفلور العادي بسبب انخفاض استيعاب الديوتروم، ويمكن استخدام هذه المركبات في الجيل القادم من المفاعلات الصغيرة.

ويتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد نسيج موصلات للكثافة المتغيرة - مثلاً مكعب متعدد الإيثيلين الذي يحتوي على قنوات داخلية تتفاوت كثافة الهيدروجين من حيث المكان لإنتاج موجز مصمم خصيصاً لتدفق النيوترونات، وقد تجلى ذلك في ] المصدر البحثي للجهاز النيوتروناتي في ميونيخ بالنسبة لتجارب النسيج.

السلامة والمناولة

وأخيراً، فإن الموصلات العضوية تمثل ثلاثة شواغل رئيسية تتعلق بالسلامة: الحريق، والتجاوزات، والطريق الحراري، والحرق بواسطة البوليثيلين بسهولة، وبالتالي في بيئات عالية الحرارة أو مخاطرة بالإشعال، يجب أن يكون محمياً من الحرائق أو يستبدل ببوليمرات أقل قابلية للاشتعال (مثلاً، كلوريد البوليفينيل أو البوليزرنيخ)

التوقعات المستقبلية

ونظراً لأن الطلب على مصادر النيوترونات المدمجة والقابلة للتنقل والفعالة من حيث التكلفة ينمو بفعل عوامل طبية وأمنية وصناعية - موصلات للأجهزة الصناعية - العضوية من المرجح أن تصبح أكثر انتشاراً، كما أن البحث في البوليمرات المحتوية على الإشعاع (مثلاً، البوليميرديس، وبوليبنزينديمازوليس) وبوليمرات البوليمرات التي تستخدم في إعادة التدوير الأحيائي (حدائق المحتوية على السائلة)

وفي حين أن المواد العضوية لن تحل أبدا محل المياه أو الرسوم البيانية في المفاعلات النووية على نطاق واسع، فإن مكانها في تطبيقات الطاقة المتخصصة من المستوى المنخفض إلى المتوسط مأمون، وسيؤدي استمرار التعاون بين علماء المواد والمهندسين النوويين والفيزياء الطبية إلى صقل هذه المواد بحيث تكون أكثر أمانا وأكثر استدامة وأكثر فعالية.