Reaktor badawczy - fabryka neutronów

 

 

    Reaktor badawczy jest wykorzystywany przede wszystkim jako źródło neutronów.
Zastosowanie reaktora wiąże się z zastosowaniem neutronów.

Neutrony klasyfikuje się ze względu na ich energię na neutrony termiczne (energie do kilkuset meV), neutrony epitermiczne (od kilkuset meV do kilkuset keV), neutrony prędkie (energia 1÷ 2 MeV).
W zależności od energii neutrony są wykorzystywane w produkcji izotopów, analizie aktywacyjnej, neutronografii, radiacyjnej modyfikacji materiałów oraz w medycynie.

    Izotopy produkowane w reaktorze MARIA są wykorzystywane przede wszystkim w medycynie. Sposoby otrzymywania ważniejszych izotopów: 

124Xe + n ® 125Xe + g ® 125I + b+ ;        191Ir + n ® 192Ir + g ;       32S + n ® 32P + p 

    Analiza aktywacyjna służy do wykrywania niewielkich ilości substancji. Polega ona na naświetleniu badanej próbki strumieniem neutronów z reaktora i obserwowaniem promieniowania g emitowanego przez wzbudzone jądra atomowe. Na tej podstawie można zidentyfikować skład chemiczny badanej substancji.

    Radiacyjna modyfikacja materiałów polega na aktywacji jąder substancji neutronami z reaktora. Powstają nuklidy o tej samej liczbie atomowej ale większej liczbie masowej charakteryzujące się innymi własnościami fizycznymi.
Metoda te jest bardzo wydajna przy domieszkowaniu krzemu: 30Si + n ® 31Si + g ® 31P + b- ;
Wykorzystywana jest ona także do barwienia topazów. Bezbarwne kryształy pod wpływem neutronów zmieniają barwę na niebieskawą. Takie topazy poszukiwane są przez przemysł jubilerski.
Neutrony wykorzystywane są także do modyfikacji nadprzewodników wysokotemperaturowych. Np. gęstość prądu krytycznego nadprzewodnika ceramicznego YBa2Cu3O7-x  w temp. 77 K w polu magnetyczny 8·105 A m-1 podanego działaniu neutronów prędkich o fluencji (strumień ´ czas) równej 1·1017 ÷ 6·1017 cm-2 rośnie z 290 A cm-2 do 5200 A cm-2.

    Neutrony ze względu na swoje właściwości są wykorzystywane do badania własności materii. Neutronografia wykorzystuje je w określaniu struktury krystalicznej ciał stałych.
W krysztale dyfrakcja neutronów zachodzi na jądrach atomowych, a nie na elektronach jak to ma miejsce w przypadku promieniowania rentgenowskiego. Dlatego neutrony wykorzystuje się do badania kryształów zawierających atomy z małą liczbą elektronów lub do badania struktury kryształów magnetycznych, ponieważ posiadające własny moment magnetyczny neutrony, oddziałują z momentami magnetycznymi jąder atomów tworzących strukturę kryształu.
Neutrony jako sondę materii wykorzystuje się także min. do badania wiązań wodorowych, defektów tlenowych w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych, przejść fazowych w przewodnikach jonowych, w spektroskopii neutronowej, w analizie naprężeń wewnętrznych materiałów oraz w radiografii neutronowej maszyn.

    Ciekawym zastosowaniem analizy aktywacyjnej jest neutronowa autoradiografia obrazów.
Metoda ta służy do odtworzenia sposobu powstawania obrazów - kolejności nanoszenia przez artystę kolejnych warstw farby a także ­ sposobu malowania. Pomaga to w ustaleniu, kto jest autorem obrazu, nie tylko w oparciu o technikę ­ zastosowane pigmenty ­ ale także o stylistykę: sposób kładzenia farby, pociągnięcia pędzla, roztarcia farby palcami. Jedynym kryterium teoretycznie wykluczającym zastosowanie tego badania jest obecność w obrazie spoiw białkowych, co oznacza, że nie stosuje się jej do obrazów malowanych temperą, w praktyce ­ wszystkich do początku XVI wieku.

Technika ta polega na naświetlaniu obrazu wiązką neutronów z reaktora jądrowego. Powoduje to powstanie izotopów promieniotwórczych niektórych pierwiastków wchodzących w skład pigmentów. Obraz wędruje do ciemni po raz pierwszy w 10÷15 minut po naświetleniu. Tam emituje promieniowanie na przyłożoną do niego kliszę rentgenowską. W odpowiednich odstępach czasu (skoordynowanych z czasem połowicznego rozpadu izotopów metali wchodzących w skład odpowiednich pigmentów) naświetlane są kolejne klisze. Dla jednego obrazu wykonuje się ich 5÷6, aby zarejestrować rozłożenie w obrazie kolejnych grup pierwiastków. Na wywołanych kliszach widać zaczernienia spowodowane zaktywowanymi wcześniej pierwiastkami, a więc związane z obecnością w obrazie konkretnych pigmentów. Uzyskane wyniki muszą jednak być uzupełnione także innymi badaniami.

Aby takie doświadczenia mogły być przeprowadzane w reaktorze MARIA, konieczne było zbudowanie specjalnego stanowiska przy kanale wyjściowym neutronów z reaktora oraz eliminacja innego niż neutrony termiczne promieniowania, które mogłoby uszkodzić obraz.

Jednym z przebadanych w ten sposób w Świerku obrazów był obraz Jacopo Tintoretto, "Portret weneckiego admirała", datowany na lata siedemdziesiąte XVI wieku ze zbiorów Muzeum Narodowego w Warszawie. Badający go konserwatorzy przypuszczali, że może kryć się pod nim inny obraz. Autoradiogram tego obrazu pozwolił potwierdzić przypuszczenia a nawet ukazać zamalowany portret. Poniżej przestawiany jest ten obraz wraz z jego autoradiogramem.

 

 

    Reaktory jądrowe znajdują także szerokie zastosowanie w medycynie.
Jednym z ciekawszych sposobów wykorzystania neutronów jest terapia neutronowa, np. boronoterapia glejaka - nowotworu mózgu. Zazwyczaj umiejscowiony jest on głęboko w czaszce, co uniemożliwia prowadzenie tradycyjnych metod leczenia: usunięcie guza lub radioteriapia. Terapia polega na podaniu pacjentowi boru, w taki sposób, aby kumulował się on w nowotworze. Następnie ten obszar mózgu jest naświetlany strumieniem neutronów.

Bor zgromadzony w nowotworze bardzo silnie pochłania neutrony, zachodzi reakcja: 10B + n ® 7Li + a + g + Q , której produkty doprowadzają do rozpadu komórek nowotworowych.
Powyższą reakcję wywołać mogą jedynie neutrony termiczne. Warunkiem koniecznym przeprowadzenia terapii jest więc taki dobór energii neutronów, aby podczas ich przechodzenia przez tkanki, zaszła ich termalizacja.

Obecnie trwają prace nad przystosowaniem reaktora MARIA do przeprowadzania takich zabiegów. 

 

Strona główna