Table of Contents

Использование органических материалов в качестве нейтронных модераторов в специализированных приложениях

Нейтронная умеренность: праймер

Нейтронная умеренность является фундаментальным процессом в ядерной науке и технике. Она включает в себя снижение кинетической энергии быстрых нейтронов (обычно тысячи электронвольт или более) до тепловых энергий (около 0,025 эВ при комнатной температуре). Это замедляет нейтроны, чтобы они могли более эффективно индуцировать ядерное деление в реакторе или участвовать в конкретных ядерных реакциях для исследований, медицины или анализа материалов.

Наиболее эффективными модераторами являются материалы, богатые легкими атомными ядрами, в частности водородом, поскольку нейтрон передает большую часть своей энергии в одном лобовом столкновении с ядром сопоставимой массы.В классической физике максимальная доля передачи энергии при столкновении нейтрона (масса ~ 1) и ядра массы [[FLT: 1]] A [[FLT: 2]] 4A/(A + 1 2]; для водорода (A = 1) это 1,0 (вся энергия, потерянная при лобовом столкновении), для дейтерия (A = 2) это 0,89, для углерода (A = 12) это 0,28, а для более тяжелых ядер он быстро падает.

Традиционные модераторы - вода (H2O), тяжелая вода (D2O) и графит - использовались в течение десятилетий в энергетических реакторах, исследовательских реакторах и экспериментах по физике частиц. Каждый из них имеет свои сильные стороны: обычная вода дешева, но поглощает некоторые нейтроны; тяжелая вода имеет низкое поглощение, но дорог; графит твердый и стабильный, но требует тщательной очистки, чтобы избежать примесей. Органические модераторы вводят четвертый путь, предлагая комбинацию высокой плотности водорода, низкой стоимости и гибкости материала.

Что такое органические модераторы?

Органические материалы, используемые для модерации нейтронов, представляют собой соединения на основе углерода, которые содержат атомы водорода в своей молекулярной структуре. Содержание водорода является ключевым: чем больше атомов водорода на единицу объема, тем лучше модерирующая способность. Органические соединения могут быть сконструированы во многие физические формы - твердые тела, жидкости, гели или пены - и адаптированы для конкретных радиационных сред.

Термин «органический» здесь относится к химии, а не к биологии; это синтетические или природные углеводороды и полимеры. Наиболее распространенными органическими модераторами являются полимеры или жидкие углеводороды. Их ключевым свойством является высокая атомарная плотность водорода, часто близкая или превышающая плотность воды, в сочетании с низким сечением поглощения нейтронов (обычно около 0,3-0,5 амбаров на атом водорода по сравнению с 0,33 амбарами для кислорода в воде).

Преимущества органических материалов в качестве нейтронных модераторов

Органические материалы приносят несколько различных преимуществ специализированным приложениям:

  • Высокая плотность водорода.] Многие твердые полимеры, такие как полиэтилен, имеют плотность водорода около 0,8-0,9 × 1022 атомов/см3, сопоставимую с водой (0,67 × 1022), но выше, чем тяжелая вода (0,33 × 1022).
  • Низкое поглощение нейтронов.] Помимо водорода, углерод и другие элементы в органических соединениях имеют очень низкие поперечные сечения поглощения. Это позволяет большей части модерируемых нейтронов выходить или использоваться в реакциях, что имеет решающее значение для таких применений, как нейтронная рентгенография или терапия захвата борных нейтронов (BNCT).
  • Механическая и формирующая гибкость.] Полимеры могут быть отлиты, экструдированы или напечатаны на 3D-принтере в сложных геометриях, что позволяет настраивать сборки модератора для экспериментального оборудования или источников компактных нейтронов.
  • Стоимость и доступность. Товарные пластмассы, такие как полиэтилен и полистирол, производятся в огромных количествах по низкой цене. Цены на сырье составляют часть тех, которые предназначены для графита высокой чистоты или тяжелой воды.
  • Химическая и радиационная стабильность.] Хотя многие органические полимеры не являются неразрушимыми, они демонстрируют приемлемую устойчивость к нейтронам и гамма-потоку с низким и средним уровнем, особенно при добавлении стабилизаторов. Связанный с излучением полиэтилен даже набирает силу при контролируемом воздействии.

Проблемы и технические соображения

Несмотря на эти преимущества, органические модераторы не являются заменой обычным материалам в каждом сценарии. Инженеры и физики должны взвесить несколько недостатков:

Радиационная деградация

Богатые водородом полимеры подвержены радиационному повреждению: быстрые нейтроны и гамма-лучи разрывают связи C-H и C-C, высвобождая газообразный водород (H2) и создавая свободные радикалы. Со временем это приводит к хрупкости, отеку, потере механической прочности и снижению эффективности модерации. В средах с высоким потоком (например, внутри ядра энергетического реактора) органические модераторы деградируют в течение нескольких дней или недель, что делает их непригодными для долгосрочного использования в этой обстановке. Однако в условиях с низким и средним потоком, таких как исследовательские порты пучка реактора, компактные нейтронные генераторы или медицинские нейтронные источники, органические материалы могут работать в течение многих лет с приемлемой деградацией.

Утечка газа и загрязнение

Радиолиз производит газообразный водород, который должен быть вентилируемым или удаляемым, чтобы избежать нарастания давления. Некоторые углеводороды могут также выделять летучие органические соединения (ЛОС) при нагревании или облучении, потенциально загрязняя окружающее оборудование или экспериментальные образцы. В вакуумных средах (например, лучевые линии ускорителей частиц) серьезной проблемой является дегазация; необходим тщательный выбор низкогазирующих полимеров (таких как полиимиды или PTFE-подобные соединения).

Пределы температуры

Большинство товарных термопластов (например, полиэтилен, ПВХ, полипропилен) размягчаются или плавятся выше 100-200 °C. Для применений, требующих высокотемпературной работы, инженеры обращаются к термореактивным (например, эпоксидно-фенольным смесям) или высокопроизводительным полимерам (например, полиэфиретректону, ПЭЭК), которые могут переносить 250 °C или более. Однако высокотемпературные органические материалы часто содержат меньше атомов водорода на единицу объема или включают более тяжелые элементы, которые увеличивают поглощение нейтронов.

Переменная водородного содержания

Хотя многие органические соединения богаты водородом, точная атомная плотность зависит от молекулярной структуры, кристаллической фазы и даже условий обработки. Например, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) имеет плотность водорода примерно на 8% выше, чем полиэтилен низкой плотности (ПЭВП) из-за более плотной упаковки. Дизайнеры должны учитывать эти изменения и часто проводить моделирование Монте-Карло (например, MCNP) для точной настройки геометрии модератора.

Типы органических материалов, используемых для нейтронной умеренности

Полиэтилен (PE)

Полиэтилен, химическая формула (C2H4)n, является наиболее изученным и широко используемым органическим модератором. Его атомная плотность водорода составляет приблизительно 8,0 × 1022 атомов / см3, а его макроскопическое поперечное сечение рассеяния нейтронов составляет около 3,6 см-1, что означает, что нейтрон, проходящий через PE, имеет средний свободный путь ~ 3 мм для рассеяния. Он доступен в классах высокой плотности (HDPE), низкой плотности (LDPE) и ультравысокомолекулярного веса (UHMWPE).

Полиэтилен широко используется в нейтронных визуализирующих средствах, в качестве коллиматорного материала и в качестве модератора для компактных нейтронных источников (например, генераторов D-D или D-T) . Его можно обрабатывать или печатать на 3D-принтере в блоках, сферах или пользовательских корпусах. Его толерантность к излучению умеренная - типичная доза отказа составляет около 10-100 Мрад в зависимости от сшивания. В исследованиях PE часто сочетается с бором или литием для фильтрации или экранирования.

Полистирол (PS)

Полистирол (C8H8)n имеет плотность водорода около 5,6 × 1022 атомов/см3, ниже, чем у полиэтилена, но все же высок. Его преимуществом является лучшая стабильность размеров и более низкая дегазация в вакууме по сравнению с ПЭ. Полистирол часто используется в пластиковых сцинтилляторах, которые как умеренные нейтроны, так и производят световые импульсы для обнаружения. Один и тот же материал может служить двойным целям в детекторных системах.

Например, в смешанных нейтронно-гамма-полях модератор на основе полистирола может быть сопряжен со сцинтиллятором, загруженным литием, для создания нейтронного спектрометра, который отклоняет гамма-фон. PS также является общей матрицей для добавления изотопных или элементарных допантов (например, 10B или 6Li) для адаптации свойств захвата нейтронов.

Поли(метилметакрилат) (ПММА) - плексиглас

PMMA представляет собой прозрачный термопласт с формулой (C5O2H8)n. Его плотность водорода составляет примерно 5,5 × 1022 атомов/см3. PMMA иногда используется в нейтронной оптике и визуализации из-за его оптической ясности и обрабатываемости. В некоторых применениях лучевой линии используются окна или линзы PMMA, где требуется четкий вид образца, но материал также служит слабым модератором для смягчения падающего нейтронного спектра. Однако его содержание кислорода вводит штраф за поглощение нейтронов по сравнению с чистыми углеводородами.

Жидкие углеводороды: керосин, бензол и масла

Жидкие органические модераторы предлагают преимущество легкой циркуляции для удаления тепла или корректировки состава. Керосин (смесь алканов C10-C16) имеет плотность водорода около 6-7 × 1022 атомов / см3 и изучался в первые дни проектирования реактора (например, концепция однородного водного / органического реактора ). Жидкие углеводороды могут перекачиваться через теплообменники, позволяя модератору удвоиться в качестве теплоносителя. Однако радиолитический пробой и риск пожара (органические жидкости легко воспламеняются) ограничивают их современное использование. Иногда для нишевых исследований термоядерного синтеза рассматриваются специализированные масла с высокой температурой кипения или жидкости на основе силикона (которые содержат кремний, а не углерод).

Эпоксидные смолы и композиты

Двухкомпонентные эпоксидные системы, отвержденные после отверждения, образуют жесткую термореактивную сеть. Они могут быть загружены наполнителями (карбид бора, оксид гадолиния, углеродные волокна) для усиления защитных или структурных свойств. Эпокси имеют плотность водорода, аналогичную ПММА, и используются в заправке электронных компонентов в богатых нейтронами средах (например, ядерном приборостроении). Их радиационное сопротивление может быть улучшено путем выбора ароматических (содержащих бензол кольца) затвердевающих, которые более устойчивы к разрыву гамма-индуцированных связей.

Водородные пены

Пены низкой плотности, изготовленные из полиуретана или полиэтилена, используются в специализированных экспериментах, требующих очень низкорассеивающих сред, таких как нейтронная рефлектометрия или мелкоугольное рассеяние. Модератор пены с 90% пористостью может иметь плотность водорода до 0,5 × 1022 атомов / см3, что позволяет нейтронам проникать глубоко без слишком большого количества столкновений. Пены также служат в качестве модераторов очень холодных нейтронов (при охлаждении до криогенных температур), потому что уменьшенная плотность длины рассеяния усиливает производство ультрахолодных нейтронов.

Применение органических нейтронных модераторов

Компактные нейтронные источники и подкритические сборки

Источники нейтронов, управляемые ускорителем, которые производят быстрые нейтроны через реакции дейтрон-дейтерон или дейтрон-трития, часто используют блок модератора полиэтилена для термизации нейтронов для таких применений, как активный опрос ядерных материалов , сканирование грузов или BNCT. Небольшой размер и переносимость органических модераторов делают их идеальными для систем, которые не могут вместить громоздкие сборки воды или графита. Например, коммерчески доступный Портативный источник D-T использует полиэтилен / свинцовый экран для доставки модерируемых нейтронов для бурения скважин в разведке нефти и газа.

Терапия захвата бора нейтрона (BNCT)

В БНКТ пациенту вводят соединение бор-10, которое накапливается в опухолевых клетках. Затем опухоль облучают пучком термальных нейтронов. Органические модераторы из полиэтилена или комбинации ПЭ и свинца используют в эпитермальных нейтронных формовщиках для замедления быстрых нейтронов от реактора или ускорителя до оптимального диапазона энергии (0,5-10 эВ) для глубокого проникновения при минимизации дозы кожи. Использование органических материалов позволяет лучевому коллиматору быть легче и более адаптируемым к геометрии пациента по сравнению с традиционными тяжелыми бетонными коллиматорами.

нейтронная радиография и томография

Органические модераторы могут действовать как фильтры сглаживания потока или как премодераторы для приборов нейтронной визуализации. Например, полиэтиленовый фильтр толщиной 2 см, расположенный перед портом пучка реактора, может снизить среднюю энергию нейтронов для повышения контрастности для водородных образцов (например, полимеров, водосодержащих материалов). Исследователи также построили «портативные нейтронные образцы» с использованием генератора D-T и сборки модератора на основе полистирола, которые весят менее 200 кг, что позволяет размещать полевую визуализацию .

Космос и экстремальные условия

В космическом пространстве, где вес и объем премиальных, органические модераторы предлагают легкую альтернативу. Полиэтилен в частности используется как модератор и нейтронный/протонный щит на Международной космической станции и в спутниковой электронике. Обнаружитель оценки излучения (RAD) на марсоходе Кьюриосити использует комбинацию пластического сцинтиллятора/модератора для измерения дозы нейтрона. Исследования продолжаются в разработке самовосстанавливающихся полимеров, которые могут восстанавливать радиационный ущерб в длительных миссиях.

Сравнительная производительность: органические против традиционных модераторов

Для справедливого сравнения необходимо учитывать коэффициент умеренности (количество столкновений, необходимых для замедления нейтрона от 2 МэВ до теплового, деленное на вероятность поглощения на столкновение). Вода имеет коэффициент умеренности около 62 при комнатной температуре, тяжелая вода ~ 2000 (более низкое поглощение), графит ~ 200 и полиэтилен ~ 70. Это означает, что полиэтилен примерно так же эффективен, как вода с точки зрения мощности замедления, но с немного более низким поглощением. Однако вода может поглощать больше тепла и не воспламеняется, что дает ей преимущество в энергетических реакторах.

В маломощных приложениях (например, источник нейтронов для исследований мощностью 1-10 кВт) допустимы тепловые и радиолитические пределы органических материалов. Ключевой компромисс заключается в простоте / низкой стоимости (органический) и надежности / безопасности (неорганический). Для многих специализированных лабораторий и стартапов, входящих в нейтронное поле, органические модераторы являются первым выбором.

Последние исследования и инновации

Достижения в области химии полимеров и аддитивного производства открывают новые возможности. Исследователи разработали борон-загруженный полиэтилен (например, 5% по весу B4C) для создания комбинированных модераторов/щитов, которые одновременно термизуют и поглощают нежелательные нейтроны. Другой областью является нано-наполнитель допинг : добавление наноалмазов или графена в полиэтилен для улучшения теплопередачи и радиационной стойкости.

В исследовании 2022 года из журнала радиационной физики и химии был исследован жидкий органический модератор на основе дейтерированного толуола. Он показал четырехкратное увеличение эффективности модерации по сравнению с обычным толуолом из-за снижения поглощения дейтерия. Такие соединения могут быть использованы в малых модульных реакторах следующего поколения или на производственных объектах по производству изотопов.

Трехмерная печать позволяет изготавливать модераторы переменной плотности — например, полиэтиленовый куб с внутренними каналами, которые пространственно изменяют плотность водорода, чтобы создать профиль нейтронного потока. Это было продемонстрировано в исследовательском источнике нейтронов FRM II в Мюнхене для экспериментов с пучковой линией.

Безопасность и управление

Органические модераторы представляют три основные проблемы безопасности: пожар, газирование и тепловой бегство. Полиэтилен легко горит, поэтому в условиях высокой температуры или риска воспламенения он должен быть защищен от огня или заменен на по своей сути менее легковоспламеняющиеся полимеры (например, поливинилхлорид (ПВХ) или полиэтерисульфон (PES), которые содержат галогены или серу, хотя эти элементы увеличивают поглощение нейтронов). Для газирования водорода в герметичных корпусах требуется надлежащее вентиляционное отверстие; некоторые конструкции включают каталитические рекомбинеры для превращения H2 обратно в воду. Наконец, при высоком потоке быстрых нейтронов органические материалы могут самонагреваться из-за неупругого рассеяния - управление температурой (охлаждающие плавники или водопроводные жилеты) может потребоваться.

Будущий прогноз

По мере роста спроса на компактные, портативные и экономически эффективные источники нейтронов, управляемые медицинскими, безопасными и промышленными приложениями, органические модераторы, вероятно, станут более распространенными. Исследования радиационно закаленных полимеров (например, полиимидов, полибензимидазолов) и полностью перерабатываемых полимеров биологического происхождения (целлюлозы, производных лигнина) также могут раздвинуть границы. Способность 3D-печати этих материалов в сложные коллиматоры для BNCT или в пользовательские модераторы для нейтронной визуализации еще больше устранит разрыв между лабораторным любопытством и коммерческим развертыванием.

В то время как органические материалы никогда не заменят воду или графит в гигаваттных ядерных реакторах, их ниша в специализированных, низко-умеренных энергетических приложениях безопасна.Продолжающееся сотрудничество между учеными-материаловедами, ядерными инженерами и медицинскими физиками улучшит эти материалы, чтобы они были более безопасными, более долговечными и более эффективными.