Dünyanın en küçük nötron üreticisi - artık sadece nükleer değil

Anonim

Dünyanın en küçük nötron üreticisi - artık sadece nükleer değil

Bilim

Brian Dodson

25 Ağustos 2012

3 fotoğraf

Vakum altında bir test kutusuna monte edilmiş üç adet Sandia neutrister nötron jeneratörü

Nötron jeneratörler petrol sahası operasyonları, ağır mekanik üretim, sanat koruma, dedektif çalışma ve tıp dahil olmak üzere birçok endüstriye malzeme analizi ve tahribatsız muayene araçları sağlar. Bu uygulamaların çoğu, mevcut endüstriyel ve tıbbi nötron kaynaklarının büyüklüğü ile sınırlandırılmıştır. Ana görevi nükleer silahların nükleer olmayan kısımlarını (nötron jeneratörlerini de içeren) geliştirmek ve desteklemek olan Sandia Ulusal Laboratuvarları (SNL), nötronlar olarak adlandırılan küçük nötron jeneratörlerini oluşturmaya yönelik yeni bir yaklaşım geliştirdi.

Nötron, 1932'de bir erken radyokimyasal füzyon reaksiyonunun ürünü olarak keşfedildi. Temel olarak bilimsel kullanımdan on yıl sonra, 2. Dünya Savaşı nükleer bombaları, her biri doğru zamanda kritik parçacık kütlesini tutuşturmak için bir nötron üretecini içerecek şekilde patladı. Bu olay, gizli ve açık dünyalar arasında nötron jeneratörlerinin gelişimini düzgün bir şekilde bölüştürdü.

Bilim ve endüstri için mevcut olan nötron kaynakları parçacık hızlandırıcıları (o zaman bu dolu büyük odalar), nükleer reaktörler (büyük binaları doldurmak) ve küçük parmağınızın büyüklüğünü radyoaktif materyaller içeriyordu. Çoğu araştırmacı ve imalat firması reaktörlere ve hızlandırıcılara kolay erişemediğinden, radyoaktif nötron jeneratörleri ile nötron kaynakları için pratik uygulamalar geliştirmek için iyi bir çalışma yapılmıştır.

Nötronları üretmek için radyoaktif izotopları kullanmanın üç ana yaklaşımı vardır:

  • Radyoaktif kaynaklı füzyon nötronları

  • Spontan fisyon geçiren izotoplardan nötronlar
  • Fotoneutron kaynakları
  • Radyoaktif füzyon kaynaklarına bir örnek, berilyum ile plütonyum karıştırılır. Plütonyum, bir nötron ve bir çift alfa parçacığı oluşturan berilyum çekirdekleri ile kaynaşan alfa parçacıklarını (helyum çekirdekleri) yayar. Spontan fisyon kaynakları genellikle californium-252 içerir,

    Bir çok nötron ile iki parçaya ayrılarak bozulan transuranik izotop. Fotonötron kaynaklarında enerjik gama ışınları, berilyumu füzyon nötron kaynaklarından görülenlerle aynı ürünlere ayırır.

    Radyoaktif nötron jeneratörleri genellikle birkaç MeV'nin kinetik enerjisi ile saniyede bir milyardan daha az nötron yaymaktadır. Yayılan nötronların gücü sadece yaklaşık bir milwatttır, ancak verim birçok uygulama için yeterlidir.

    Radyoaktif kaynaklarla ilgili sorun, tehlikeli olmaları, kapatılamaması ve her zaman tehlikeyi anlayan kişiler tarafından kullanılmamasıdır. Çoğu durumda, gerekli koruyucu, kaynağın boyutuna göre çok büyüktür. Bu tür kaynaklar hala belirli görevler için kullanılsa da, sonuçta, düşük seviyeli füzyon reaksiyonlarını hızlandıran minyatür parçacık hızlandırıcıları ortaya çıktı ve bavul boyutundaki elektronik bir pakete bağlı bir posta borusunun boyutu hakkında hızlandırıcı tabanlı nötron jeneratörleri kullanıma sunuldu. .

    Minyatürize edilmiş nötron jeneratörleri, döteryum (D) ya da trityum (T) iyonlarını 100 KeV (kiloelektron volt) ya da daha az enerjiye, yani yaklaşık olarak bir milyar derece Kelvin sıcaklığına karşı hızlandırırlar. Bu iyonlar daha sonra döteryum içeren bir hedefe etki eden bir ışına yönlendirilir. İyon ışınında döteryum kullanıldığında, iki döteryum iyonu kaynaşması (DD füzyonu), eğer trityum kullanılırsa, bir döteryum ve bir trityum iyon sigortası (DT füzyonu). Her iki durumda da, nötronlar füzyon reaksiyonunun ürünleridir.

    Hızlandırıcı tabanlı nötron jeneratörleri ile iki ana problem vardır - boyutları ve maliyeti. Üç inçlik (7.5 cm) bir silindirin çok büyük olduğu, fiziksel olarak (implante edilmiş nötron kanseri tedavisi) veya nötronların bir nokta kaynağının arzu edildiği (örneğin, kaynak kusurlarının nötron muayenesi için) olduğu uygulamalar vardır. Ayrıca, hızlandırıcı tabanlı jeneratörler, bazı kullanımlar için çok büyük bir fiyat olan yaklaşık yüz bin ABD dolarından başlıyor. Örneğin, nötron aktivasyon analizi için bir numunenin bileşiminin hızla tanımlanması için bir teknik olan bir nötron üretecine ihtiyaç vardır. Bu, bir Star Trek- style tricorder'ına dahil olmak için harika olacak, ama çok büyük ve pahalı olan bir tekniktir.

    SNL'nin kompakt nötron jeneratörü

    Etiketli çeşitli parçaları olan bir Sandia nötr

    SNL, bir çip üzerine bir parçacık hızlandırıcı koyarak bu sorunların çoğunu çözen yeni bir tür nötron üretecini geliştirdiğini duyurdu. Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi, nötrleştirici, kullanılan büyük voltajlar nedeniyle seramik yalıtımda katmanlanmıştır. Burada gösterilen birim DD füzyonu boyunca nötronlar üretir. DT reaksiyonunun başlatılması daha kolay olmakla birlikte, jeneratörün tasarımında radyoaktif madde gerektirmemesi kararlaştırılmıştır.

    İyon kaynağı ile döteryum hedefi arasında bir voltaj uygulanır, böylece döteryum iyonları, döteryum hedefine çekilir. İyonlar, kaynak ile hedef arasındaki sürüklenme bölgesinde hızlanır. Sürüklenme bölgesi vakumda olmalıdır, böylece iyonlar hava moleküllerinden dağılmaz. Enerjik iyonlar hedefe çarptığında, bunların küçük bir kısmı DD füzyonuna neden olur, böylece bir nötron üretilir. Sandia, nötrör ile kullanılan tipik hızlanma gerilimlerini açıklamamıştır, ancak ticari nötron jeneratörleri yaklaşık 100 kV kullanmaktadır, ancak on kV altındaki gerilimlerde önemli nötron verimleri elde edilebilmektedir.

    İyon merceği iyon kaynağı ile hedef arasındaki elektrik alanını değiştirir, böylece hızlandırılmış iyonlar döteryum yüklü yükün bölgesi üzerinde yoğunlaşır. SNL açıklaması, döteryum gazının nasıl depolandığından bahsetmez, ancak ortak bir yaklaşım, iyon kaynağını ve / veya hedefi, hidrürleri kolayca oluşturan paladyum veya başka bir metal ile kaplamaktır, veya bu durumda, döteryumlar. Örneğin, bir paladyum kaplama, her bir paladyum atomu için neredeyse bir döteryum atomunu depolayabilir. İyon akımı, bu küçük miktarlarda döteryumun bile tamamlanmış nötraktörde çok uzun bir süre sürecek kadar düşüktür. Neuristors, gerektiğinde sürekli veya darbeli modda çalıştırılabilir.

    Mevcut nöratörler, birkaç yeni uygulama için yeterince küçük bir paket oluşturan, birkaç milimetre boyunca bir sürüklenme bölgesine sahiptir. Nötrleştiriciler için tahmini üretim maliyeti, mevcut hızlandırıcı tabanlı nötron jeneratörlerinin maliyetinin yaklaşık 50'sinin 2, 000 ABD Doları olduğu mahalledir. Yeni nesil tamamen katı hal nötrleştiricileri, çalışma için bir vakum gerektirmeyecek, böylece maliyeti azaltacak ve cihazın dayanıklılığını arttıracaktır. Buna ek olarak, SNL, MEMS (mikroelektromekanik sistemler) teknolojisi kullanılarak üretilecek olan, iki ila üç büyüklük dereceli nötrleştiriciler üzerinde çalışıyor.

    Aşağıdaki film, nötristlerin gelişiminin nasıl gerçekleştiğine ve temel teknolojinin iyi bir hesabına mükemmel bir giriş niteliğindedir.

    Kaynak: Sandia Ulusal Laboratuvarları

    Vakum altında bir test kutusuna monte edilmiş üç adet Sandia neutrister nötron jeneratörü

    İzole bir nötr

    Etiketli çeşitli parçaları olan bir Sandia nötr