Najmenší generátor neutrónov na svete - už nie je len pre jadrové nukleáry

Anonim

Najmenší generátor neutrónov na svete - to už nie je len pre nukleárne nukleáry

veda

Brian Dodson

25. augusta 2012

3 obrázky

Tri neutrónové generátory neutronov Sandia namontované vo skúšobnej skrini pod vákuom

Neutrónové generátory poskytujú materiálovú analýzu a nástroje nedeštruktívneho testovania v mnohých odvetviach, vrátane operácií na ropných poliach, ťažkej mechanickej výroby, konzervácie umenia, detektívnej práce a medicíny. Mnohé z týchto aplikácií boli obmedzené pomerne veľkou veľkosťou súčasných priemyselných a medicínskych zdrojov neutrónov. Teraz Sandia National Laboratories (SNL), ktorého hlavnou úlohou je rozvíjať a podporovať nejadrové časti (vrátane generátorov neutrónov) jadrových zbraní, vynašiel nový prístup k budovaniu malých generátorov neutrónov nazývaných neutristori.

Neutrón bol objavený ako produkt rannej rádiochemickej fúznej reakcie v roku 1932. Po desaťročí hlavne vedeckého použitia explodovali jadrové bomby z druhej svetovej vojny po Japonsku, každý z nich obsahoval generátor neutrónov na zapálenie kritického množstva štiepneho materiálu v správnom čase. Táto udalosť úhľadne rozdelila vývoj neutrónových generátorov medzi tajomstvom a otvorenými svetmi.

Zdroje neutrónov dostupné pre vedu a priemysel zahŕňali urýchľovače častíc (v tom čase tieto naplnené veľké miestnosti), jadrové reaktory (plnenie veľkých budov) a rádioaktívne materiály s veľkosťou malého prsta. Keďže väčšina výskumníkov a výrobných spoločností nemala ľahký prístup k reaktorom a urýchľovačom, vykonala sa veľa práce na vývoji praktických aplikácií neutrónových zdrojov s rádioaktívnymi generátormi neutrónov.

Existujú tri hlavné prístupy k používaniu rádioaktívnych izotopov na vytvorenie neutrónov:

  • Rádioaktívne indukované fúzne neutrony

  • Neutróny z izotopov podstupujúcich spontánne štiepenie
  • Fotoneutrónové zdroje
  • Príkladom zdrojov rádioaktívnej fúzie je plutónium zmiešané s berýliom. Plutónium emituje častice alfa (heliové jadrá), ktoré sa fúzujú s jadrom berýlia, tvoria neutron a pár častíc alfa. Spontánne štiepne zdroje zvyčajne obsahujú kalifornium-252, a

    transuranický izotop, ktorý sa rozpadá rozdelením na dve časti s niekoľkými neutronami. Vo fotonutrónových zdrojoch energické gama lúče rozkladajú berýlium na tie isté produkty, aké sú zrejmé z zdrojov fúznych neutrónov.

    Generátory rádioaktívnych neutrónov zvyčajne vyživujú menej ako miliardu neutrónov za sekundu s kinetickou energiou niekoľkých MeV. Sila emitovaných neutrónov je iba asi miliwatt, ale výnos je dostatočný pre mnoho aplikácií.

    Problém s rádioaktívnymi zdrojmi je, že sú nebezpečné, nemožno ich vypnúť a nie vždy používajú ľudia, ktorí chápu nebezpečenstvo. V mnohých prípadoch je požadované tienenie veľmi veľké v porovnaní s veľkosťou zdroja. Napriek tomu, že takéto zdroje sa stále používajú na určité úlohy, nakoniec sa stali miniaturizované urýchľovače častíc, ktoré poháňajú reakcie nízkej hladiny fúzie a generátory neutrónov založené na akcelerátoroch o veľkosti poštovej rúrky viazanej na balík elektronických balíčkov veľkosti kufra,

    Miniaturizované neutrónové generátory urýchľujú ióny deutéria (D) alebo trícia (T) na energiu 100 kV (kiloelektrónové volty) alebo menej, čo približne zodpovedá teplote okolo miliardy stupňov Kelvina. Tieto ióny sú potom nasmerované do lúča, ktorý dopadá na cieľ obsahujúci deutérium. Keď sa v iónovom lúči použije deutérium, dve poistky deutériových iónov (DD fúzia), zatiaľ čo ak sa používa trícium, poistka deutéria a trícium iónu (DT fúzia). V obidvoch prípadoch sú neutrony produktmi fúznej reakcie.

    Existujú dva hlavné problémy s generátormi neutrónov založenými na akcelerátoroch - ich veľkosť a náklady. Existujú aplikácie, pri ktorých je valec s priemerom 7, 5 cm príliš veľký, a to buď fyzicky (implantovaná terapia proti rakovine neutronov), alebo ak je požadovaný bodový zdroj neutrónov (napr. Pri neutronovej kontrole zváracích chýb). Tiež generátory na báze akcelerátora začínajú asi sto tisíc dolárov, čo je pre niektoré spôsoby použitia príliš veľká. Napríklad generátor neutrónov je potrebný na analýzu aktivácie neutrónov, čo je technika rýchlej identifikácie zloženia vzorky. Je to druh techniky, ktorá by bola úžasná včleniť do trojcestného štýlu Star Trek, ale bola príliš veľká a drahá.

    Kompaktný generátor neutrónov SNL

    Neutristor Sandia s rôznymi časťami označenými

    Teraz SNL oznámila vývoj nového typu neutrónového generátora, ktorý rieši mnohé z týchto problémov tým, že urýchľovač častíc umiestni na čip. Ako je vidieť na obrázku vyššie, neutristor je vrstvený v keramickej izolácii kvôli veľkému napätiu, ktoré sa používa. Tu zobrazená jednotka produkuje neutróny prostredníctvom DD fúzie. Reakcia DT sa dá ľahšie iniciovať, ale bolo rozhodnuté, že pri návrhu generátora nebudú vyžadovať žiadne rádioaktívne materiály.

    Medzi zdrojom iónov a deutériovým cieľom je aplikované napätie, takže ióny deutéria zo zdroja sú priťahované k cieľu deutéria. Ióny sa uvoľňujú v oblasti driftu medzi zdrojom a terčom. Oblasť driftu musí byť vo vákuu, takže ióny sa nemôžu rozptýliť z molekúl vzduchu. Keď energetické ióny dopadnú na cieľ, malá časť z nich spôsobí fúziu DD, čím vytvorí neutron. Sandia neoznámila typické akceleračné napätia používané s neutristorom, avšak komerčné generátory neutrónov používajú okolo 100 kV, ale významné výťažky neutrónov sa dajú získať pri napätí pod 10 kV.

    Iónová šošovka modifikuje elektrické pole medzi zdrojom iónov a cieľom tak, aby sa urýchlené ióny koncentrovali na oblasť cieľa nabitého deutéria. Zverejnenie SNL neuvádza, ako sa skladuje plyn deutéria, ale spoločným prístupom je pokrytie zdroja iónov a / alebo cieľa paládiom alebo iným kovom, ktoré ľahko tvoria hydridy alebo v tomto prípade deuteridy. Napríklad paládiový povlak môže skladovať takmer jeden atóm deutéria pre každý atóm paládia. Iónový prúd je dostatočne nízky, že dokonca aj tieto malé množstvá deutéria budú trvať veľmi dlhú dobu v dokončenom neutristore. Neuristory môžu byť v prevádzke v nepretržitom alebo pulznom režime podľa potreby.

    Súčasné neuristory majú oblasť driftu niekoľko milimetrov naprieč a tvoria dostatočne malý balík pre mnoho nových aplikácií. Odhadované náklady na výrobu neutristorov sa pohybujú okolo 2 000 USD, čo je približne päťdesiatina nákladov na súčasné generátory neutrónov na báze akcelerátora. Ďalšia generácia úplne polovodičových neutrónov nevyžaduje pre prevádzku vákuum, čím sa znižujú náklady a zvyšuje trvanlivosť zariadenia. Navyše SNL pracuje na dvoch až troch menších neutristóroch, ktoré by boli vyrobené pomocou technológie MEMS (mikroelektromechanické systémy).

    Nasledujúci film je skvelým úvodom k tomu, ako vznikol vývoj neutristorov, ako aj dobrú predstavu o základnej technológii.

    Zdroj: Sandia National Laboratories

    Tri neutrónové generátory neutronov Sandia namontované vo skúšobnej skrini pod vákuom

    Izolovaný neutristor

    Neutristor Sandia s rôznymi časťami označenými