Özelleştirilmiş Uygulamaların Neutron Moderatörleri Olarak Organik Malzemelerin Kullanımı

Neutron Moderasyon: Bir Primer

Neutron modurasyon, nükleer bilim ve mühendislikte temel bir süreçtir. Bu, hızlı nötronların kinetik enerjisini (tipik olarak binlerce elektron volt veya daha fazla) termal enerjilere (yaklaşık 0.025 eV oda sıcaklığında) daha yavaşlar, bu yüzden bir reaktörde nükleer fiziğe daha verimli bir şekilde katkıda bulunabilir veya araştırma, tıp veya malzeme analizi için belirli nükleer reaksiyonlara katılabilirler.

En etkili moderatörler ışık atomik çekirdeklerde zengindir, özellikle de hidrojen, çünkü bir nötron enerjisinin büyük bir kısmını tek bir kafa-on çarpışması ile karşılaştırılabilir kütlenin bir çekirdeği ile çarpışmadır.[B][1][0) için maksimum enerji transferi (A=1) ve bir nötron (tüm enerji) için bir çarpışmadır (Düzücük bir çarpışmadır)

Geleneksel moderatorlar - su (H2O), ağır su (D2O), ve grafik - güç reaktörlerinde on yıllardır kullanılmış, araştırma reaktörleri ve parçacık fiziği deneyleri. Her biri güçlü yönleri vardır: sıradan su ucuz ama biraz nötron absorbe eder; ağır su sert ve istikrarlıdır, ancak yetersizliklere karşı saf ve istikrarlıdır. Organik moderler, yüksek hidrojen yoğunluğunın bir kombinasyonunu sunar.

Organik Moderatörler nelerdir?

Parçacık modasyonu için kullanılan organik malzemeler, moleküler yapısında hidrojen atomlarını içeren karbon bazlı bileşiklerdir. Hidrojen içeriği anahtardır: birim hacmindeki daha fazla hidrojen atomu, daha iyi ısıtıcı yeteneği. Organik bileşikler birçok fiziksel formlara mühendisi olabilir - sağlam, sıvılar, jeller veya köpükler - ve belirli radyasyon ortamları için özel olarak tasarlanmıştır.

Burada kimyaya “organik” terimi, biyoloji değil; bunlar sentetik veya doğal olarak elde edilen hidrokarbonlar ve polimerler. Çoğu ortak organik moderators polimerler veya sıvı hidrokarbonlar ile karşılaştırıldığında, temel mülkleri yüksek bir hidrojen atomik yoğunluktur, genellikle düşük bir nötron absorpsiyonu ile çiftleşir (tipik olarak yaklaşık 0.3-0.5 barnlar hidrojen atomu başına 0,3 barns sudaki oksijen için karşılaştırır).

Organik Malzemelerin Neutron Moderatörler olarak Avantajları

Organik malzemeler özel uygulamalar için birkaç farklı avantaj getiriyor:

  • [FONT:0) Yüksek hidrojen yoğunluğu.[[DÜDÜT:1] Birçok katı polimer, polietilen gibi, yaklaşık 0.8-0.9 × 1022 atom / cm3, su ile karşılaştırılabilir (0.67 × 1022), ancak ağır sudan daha yüksek (0.33 × 1022).
  • [Düzücükler:0) Düşük nötron absorpsiyonu.[[DÜDÜT 1:0) Hidrojenin yanı sıra, organik bileşiklerdeki karbon ve diğer elementler çok düşük absorpsiyon kesitleri vardır. Bu, ortalanmış nötronların daha fazla kısmını kaçmasına veya reaksiyonlarda kullanılacak, bu da nötron radyografi veya boron nötron yakalama terapisi gibi kritik uygulamalar için kritik bir şekilde kullanılmasına olanak sağlar (BNCT).
  • [FONT:0]Mechanical ve şekillendirme esnekliği) Polimerler, karmaşık geometrilere veya 3D baskılı montajlara, deneysel ekipman veya kompakt nötron kaynakları için özel moder montajlarına izin verebilir.
  • [FONT:0]Cost ve kullanılabilirlik.[[Dönetici ve politiz gibi Commodity plastikleri düşük maliyette çok miktarda üretilir. Raw material price are a fraction of those for high-purity grafiğiite or heavy water.
  • [FONT=0)Chemical ve radyasyon istikrarı[Dönetici:0)Zengin olmayan birçok organik polimer, düşük seviyeli nötron ve kumar fluma flux'a kabul edilebilir bir direniş gösterir, özellikle de stabilizatörlerin kontrol edilen maruz kalma altında bile güç kazanır.

Meydanlar ve Teknik Bakışlar

Bu yararlarına rağmen, organik moderatörler her senaryoda geleneksel malzemeler için terk edilmemektedir. Mühendisler ve fizikçiler birkaç dezavantajı tartmalıdır:

Radyasyon Degradasyon

Hidrojen zengin polimerler radyasyon hasarına karşı hassastır: hızlı nötronlar ve kumar ışınları C-H ve C-C bağlarını kırıyor, hidrojen gazı salıveriyor (H2) ve serbest radikaller yaratıyor. Zamanla, bu embrittlement, şişme, düşük maliyetli kaybı ve düşük maliyetli ortamlarda - örneğin, elektriksel bir reaktörlü sistemlerde (örneğin, organik moderatörler, uzun süre boyunca uygun olmayan malzemelerle çalışır.

Outgassing ve Contamination

Radyoloji, hidrojen gazı üretiyor, ki bu da basınç inşasını önlemek için ya da kaldırılmalıdır. Bazı hidrokarbonlar ayrıca ısı veya reradiasyon altında uçucu organik bileşikleri (VOCs) serbest bırakmakta veya deneysel örneklerde kesintiye uğratmalıdır.

Sıcaklık Sınırları

Çoğu meta termoplastik (örneğin, polietilen, PVC, polipropilen) yüksek sıcaklık işlemi gerektiren uygulamalar için, yüksek sıcaklıklı organik malzemeler genellikle birim başına daha az hidrojen atomu içerir veya yüksek performanslı polimerler (örneğin, PEEK) daha fazla.

Hidrojen Content Variability

Birçok organik bileşikler hidrojen zengin olsa da, tam atom yoğunluğu moleküler yapıya, kristal aşamaya ve hatta işleme koşullarını hesaba katmalıdır. Örneğin, yüksek çözünürlükte polipi (HDPE) düşük çözünürlükte polinyak (LDPE) hakkında% 8 daha yüksek bir hidrojen yoğunluğuna sahiptir.

Neutron Moderasyon için kullanılan Organik Malzeme türleri

(P)

Kimyasal formülü (C2H4)n, PE aracılığıyla seyahat eden en çok kullanılan ve yaygın olarak kullanılan organik moderator. Hidrojen atom yoğunluğu yaklaşık 8.0 × 1022 atom / cm3 ve makroskobik nötron saç-moleküler-sepsiyon (UHMWPE) notları ile seyahat eden bir nötrondur.

Parçacık görüntüleme tesislerinde, kollimatör materyali olarak ve a moderatör olarak kullanılmaktadır:0)kompakt nötron kaynakları (örneğin, D-D veya D-T jeneratörleri)[FLT 1: 1) Sık sık sık sık bloklar, alanlar veya özel muhafazalar ile birleştirilir.

Polystyrene (PS)

Polystyrene, (C8H8)n, hem ılımlı nötronlar hem de algılama için ışık pulsları üreten plastik makaslarla karşılaştırıldığında daha iyi boyutsal stabilite ve daha düşük gazlar vardır.

Örneğin, karışık nötron-gamma alanlarında, polistyrene tabanlı moderator bir nötron yakalama özelliklerini tertemizlemek için bir lityum yükleyici ile eşleştirilebilir. PS ayrıca ekin veya elemental dopants (e.g., 10B veya 6Li) için ortak bir matrixtir.

Poly(metil methacrylate) (PMMA) – Plexicam

PMMA, optik açıklık ve machinability nedeniyle bazen şeffaf bir termoplastikdir (C5O2H8)n. Hidrojen yoğunluğu yaklaşık 5.5 × 1022 atom / cm3. PMMA, bazen optik açıklık ve machinability nedeniyle kullanılır.Inkisssiyonel uygulamalar[Dönetici:0certain) ile karşılaştırılarak, PMMA pencereleri veya lensler, örneğin net bir görünüme ihtiyaç duyulduğu yerde kullanılır, ancak materyal aynı zamanda olay nötron spektrumunu yumuşatmak için zayıf bir moder olarak hizmet eder.

Sıvı Hidrokarbonlar: Kerosene, Benzene ve Petroller

Sıvı organik moderatorlar ısı kaldırma veya kompozisyon ayarı için kolay dolaşım avantajı sunar. Kerosene (C10-C16 alkanes) 6-7 × 1022 atom /cm3 civarında bir hidrojen yoğunluğu vardır ve ısı değiştiricisi olarak iki katına çıkarılmıştır (örneğin, radyolojik arıza ve yangın riski (organik bir sıvı / organik reaktör konsepti[Dönemli) modern yağları içerir.

Epoksitler ve Kompozitler

İki bölüm epoxy sistemleri, bir kez tedavi edildi, sert bir termoset ağı oluşturabilirler (a.g, nükleer enstrümantasyon) aromatik (benzegen) sertleştiriciler, hidrojenler PMMA'ya benzer şekilde hidrojenler ve nötron zengin ortamlarda (örneğin, nükleer aletler) daha dayanıklı hale getirilebilir.

Hidrojenli Köpükler

Düşük hacimli köpükler poliurethane veya polietilen poliretinden yapılmış, nötronların çok fazla çarpışma olmadan derine inmelerine izin veren özel deneylerde kullanılır.0çok soğuk nötron[Dönlü)[Dönlümlü bir köpük moderatörü 90 porosluk ile birlikte)

Organik Neutron Moderatörlerin Uygulamaları

Compact Neutron Kaynağı ve Altkrişimleri

Hızlı nötronlar üreten şarj cihazı veya deuteron-trityum reaksiyonları genellikle kuru su veya grafiksel toplantılar için polietilen sistemler için polietilen bir polietilen modülatör bloğu kullanır.Örneğin, ticari olarak kullanılabilir.()

Borontron Neutron Terapi (BNCT)

BNCT'de, bir hasta tümör hücrelerde bir reaktör veya hızlandırıcıdan en iyi enerji aralığına (0.5-10 eV) sahip bir ısıtıcısı ile polietilen organik moderatorlar, basit bir yapıştırıcı veya PE kombinasyonu ve liderlik için epitermal nötron kirişleri geleneksel ağır beton koloratörlere kıyasla daha da adapte edilebilir hale getirir.

Neutron Radyografi ve Tomography

Organik moderatorlar, hidrojen örneklerini artırmak için ortalama nötron enerjisi olarak hareket edebilir veya örneğin, nötron görüntüleme aletleri için ön sürümler oluşturabilir. Örneğin, bir D-T jeneratörü ve bir politren filtre seti, 200 kg'dan daha az ağırlığındaki şarj edilebilir bir montaj.

Uzay ve Extreme Çevreler

Dış alanda, ağırlık ve hacim bir primte, organik moderatorlar hafif bir alternatif sunuyor.Özellikle de moderatör ve bir nötron / yüksek çözünürlükte bir kablolama cihazı ve uydu elektronikinde moder kombinasyonu kullanılır.TheurFLT:0Radiation Assessment Evaluation (RAD)[D)[D)[D)[D)[D:2 ) Mars roverFLT:2|D][/protonantaj[D) uzun süredir tamir edici yardımcı olabilecek bir polimerler yetiştirmeye devam eder.

Karşılaştırma Performans: Organik vs. Geleneksel Moderatörler

Adil bir karşılaştırma, ısı oranı (düşükümlülük sayısı 2 MeV'den ısıtılması için 2 MeV'den bir nötronu ısıtmak için gerekli olan çarpışma sayısı) dikkate almak gerekir.Su, oda sıcaklığında 62'ye kıyasla, ağır su -2,000 (düşükücük absorpsiyon), grafik -200'e kadar, ve polietilen bir kopya -70. Bu, yavaş yavaşlama gücü açısından su olarak verimlidir, ancak biraz daha düşük absorpsiyona sahip olabilir.

Düşük güç uygulamaları (örneğin, 1-10 kW araştırma nötron kaynağı), organik malzemelerin termal ve radyoali sınırları kabul edilebilir. Anahtar ticaret-off basit/düşük maliyet (organik) ve sağlamlık / güvenlik (organik) arasındadır. Birçok özel laboratuvar ve nötron alanına giren startuplar için, organik moderatorlar ilk seçimdir.

Son Araştırma ve İnovasyonlar

Polimer kimyası ve katkı üretimindeki ilerlemeler yeni olasılıklar kullanıyor. Araştırmacılar, istenmeyen nötronlar geliştirdiler:0)boron yüklenmiş polipi ) (örneğin, B4C) ısı geçişi ve radyasyon direnci geliştirmek için nanotans veya grafik eklemek.

Radyasyon Fiziği ve Kimyası [[Dönetici:0)Derin'in azalmasına göre bir sıvı organik moder incelemesi yapıldı.Returning verimliliğini, bileşiklerin azaltılabilmesi nedeniyle normal olarak artarak dört kat artış gösterdi.

Üç boyutlu baskı değişkenlik değiştiricilerinin üretimine izin verir - örneğin, hidrojen yoğunluğuna göre mekansal olarak uygun bir nötron flux profili üretmek için polietilen kanallarla polietilen bir kopyalanmış küp.Bu, Münih'te gösterilmiştir

Güvenlik ve işleme

Organik moderatorlar üç ana güvenlik endişesi sunuyor: yangın, outgassing ve termal runaway. Polivinyl (VPN) veya yüksek sıcaklık veya ateşleme-risk ortamları, bu elementler oksijenli veya düzgün bir şekilde betonda değiştirilmesi gerekir; Sertleştirici polimerler (örneğin, polivinyl klorür (VPN) veya poliiloidler (PES) ve yüksek ısıtılabilirler (sıcaklar veya susayabilirler) ve yüksek ısıtılabilirler.

Future Outlook

Kompakt, taşınabilir ve maliyet-aktif nötron kaynakları için talep büyüdükçe - tıbbi, güvenlik ve endüstriyel uygulamalar -organik moderatörler de sınırları zorlamak için muhtemel.Bu materyallerin karmaşık, hasta-özel kollektörler için karmaşık, poliimides, polibenzimidazoller) ve tamamen recyclable biyo-derived polimerler (cellulose, ligin türevleri) arasındaki boşlukları daha da zorlayabilir.

Organik malzemeler asla gigawatt-öldürülen nükleer reaktörlerde su veya grafik yerini değiştirmeyecek olsa da, uzmanlık alanında nişleri, düşük seviyeli güç uygulamaları güvenlidir. Malzeme bilim adamları, nükleer mühendisler ve tıbbi fizikçiler bu malzemeleri daha güvenli, daha dayanıklı ve daha etkili hale getirecekler.