'S Werelds kleinste neutronengenerator - het is niet alleen meer voor atoombommen

Anonim

'S Werelds kleinste neutronengenerator - het is niet alleen meer voor atoombommen

Wetenschap

Brian Dodson

25 augustus 2012

3 afbeeldingen

Drie Sandia neutrister-neutronengeneratoren gemonteerd in een testdoos onder vacuüm

Neutronengeneratoren bieden analyse van materialen en niet-destructieve testgereedschappen voor vele industrieën, waaronder operaties op olievelden, zware mechanische productie, kunstconservering, detectivewerk en medicijnen. Veel van deze toepassingen zijn beperkt door de vrij grote omvang van huidige industriële en medische neutronenbronnen. Nu Sandia National Laboratories (SNL), waarvan het hoofdtaak is om de niet-nucleaire delen (inclusief neutronengeneratoren) van nucleaire wapens te ontwikkelen en te ondersteunen, heeft ze een nieuwe benadering bedacht voor het bouwen van kleine neutronengeneratoren die neutristoren worden genoemd.

Het neutron werd ontdekt als het product van een vroege radiochemische fusiereactie in 1932. Na een decennium van hoofdzakelijk wetenschappelijk gebruik, explodeerden de nucleaire bommen van de Tweede Wereldoorlog over Japan, elk met een neutronengenerator om de kritieke massa van splijtbaar materiaal op het juiste moment te ontsteken. Dit evenement verdeelde netjes de ontwikkeling van neutronengeneratoren tussen de geheime en de open werelden.

De neutronenbronnen die beschikbaar zijn voor de wetenschap en de industrie omvatten deeltjesversnellers (in die tijd vulden deze grote kamers), kernreactoren (vullende grote gebouwen) en radioactieve materialen ter grootte van uw pink. Omdat de meeste onderzoekers en productiebedrijven geen gemakkelijke toegang hadden tot reactoren en versnellers, werd er veel gewerkt aan de ontwikkeling van praktische toepassingen voor neutronenbronnen met radioactieve neutronengeneratoren.

Er zijn drie belangrijke benaderingen voor het gebruik van radioactieve isotopen om neutronen te genereren:

  • Radioactief geïnduceerde fusie-neutronen

  • Neutronen van isotopen ondergaan spontane splijting
  • Fotoneutronbronnen
  • Een voorbeeld van de radioactieve fusiebronnen is plutonium gemengd met beryllium. Het plutonium stoot alfadeeltjes (heliumkernen) uit die samensmelten met de berylliumkernen en een neutron en een paar alfadeeltjes vormen. Spontane splijtingsbronnen bevatten meestal californium-252, a

    transuranen isotoop die vergaat door te splitsen in twee delen met meerdere neutronen over. In de fotoneutronbronnen breken energetische gammastralen beryllium af in dezelfde producten als gezien vanuit de fusie-neutronenbronnen.

    Radioactieve neutronengeneratoren stoten gewoonlijk minder dan een miljard neutronen per seconde uit met een kinetische energie van enkele MeV. Het vermogen van de geëmitteerde neutronen is slechts ongeveer een milliwatt, maar de opbrengst is voldoende voor veel toepassingen.

    Het probleem met radioactieve bronnen is dat ze gevaarlijk zijn, niet kunnen worden uitgeschakeld en mogelijk niet altijd worden gebruikt door mensen die het gevaar begrijpen. In veel gevallen is de vereiste afscherming erg groot in vergelijking met de grootte van de bron. Hoewel dergelijke bronnen nog steeds voor bepaalde taken worden gebruikt, wonnen uiteindelijk geminiaturiseerde deeltjesversnellers die fusiereacties van laag niveau beheersen, en op versnellers gebaseerde neutronengeneratoren over de grootte van een mailingbuis die aan een elektronicapakket van kofferformaat is bevestigd, werden beschikbaar .

    De geminiaturiseerde neutronengeneratoren versnellen deuterium (D) - of tritium (T) -ionen tot energieën van 100 KeV (kilo-elektronvolt) of minder, wat ongeveer overeenkomt met een temperatuur van ongeveer een miljard graden Kelvin. Deze ionen worden vervolgens gericht in een straal die inslaat op een doelwit dat deuterium bevat. Wanneer deuterium wordt gebruikt in de ionenbundel, smelten twee deuteriumionen (DD-fusie), terwijl, als tritium wordt gebruikt, een deuterium- en een tritiumionenzekering (DT-fusie). In beide gevallen zijn neutronen producten van de fusiereactie.

    Er zijn twee hoofdproblemen met op versnellers gebaseerde neutronengeneratoren: hun grootte en hun kosten. Er zijn toepassingen waarvoor een cilinder van drie inch (7, 5 cm) te groot is, hetzij fysiek (geïmplanteerde neutronenkankertherapie), of wanneer een puntvormige neutronenbron gewenst is (bijvoorbeeld voor neutroneninspectie van lasfouten). Ook beginnen op accelerator gebaseerde generatoren bij ongeveer honderdduizend Amerikaanse dollars, wat voor sommige toepassingen een te hoge prijs is. Er is bijvoorbeeld een neutronengenerator nodig voor neutronenactivatie-analyse, een techniek voor het snel identificeren van de samenstelling van een monster. Dit is het soort techniek dat geweldig zou zijn om op te nemen in een Star Trek- stijl tricorder, maar is veel te groot en te duur geweest.

    SNL 's compacte neutronengenerator

    Een Sandia-neutristor, met verschillende onderdelen gelabeld

    Nu heeft SNL de ontwikkeling aangekondigd van een nieuw type neutronengenerator die veel van deze problemen oplost door een deeltjesversneller op een chip te zetten. Zoals te zien in de bovenstaande afbeelding is de neutristor gelaagd in keramische isolatie vanwege de grote spanningen die worden gebruikt. De hier getoonde eenheid produceert neutronen door DD-fusie. De DT-reactie is gemakkelijker te initiëren, maar er is voor gekozen om geen radioactieve materialen te gebruiken in het ontwerp van de generator.

    Een spanning wordt aangelegd tussen de ionenbron en het deuteriumdoel, zodat de deuteriumionen uit de bron worden aangetrokken door het deuteriumdoel. De ionen versnellen in het driftgebied tussen de bron en het doelwit. Het driftgebied moet in vacuüm zijn, zodat de ionen niet uit de luchtmoleculen diffunderen. Wanneer de energetische ionen het doelwit raken, zal een kleine fractie DD-fusie veroorzaken, waardoor een neutron wordt gegenereerd. Sandia heeft geen typische versnellingsspanningen aangekondigd die worden gebruikt met de neutristor, maar commerciële neutronengeneratoren gebruiken ongeveer 100 kV, maar significante spanningen in neutronen kunnen worden verkregen bij spanningen van minder dan tien kV.

    De ionenlens modificeert het elektrisch veld tussen de ionenbron en het doel, zodat de versnelde ionen worden geconcentreerd op het gebied van het doelwit geladen met deuterium. De SNL-onthulling vermeldt niet hoe het deuteriumgas is opgeslagen, maar een algemene benadering is om de ionenbron en / of het doelwit te bekleden met palladium of een ander metaal dat gemakkelijk hydriden vormt, of in dit geval deuteriden. Een palladiumcoating kan bijvoorbeeld bijna één deuteriumatoom opslaan voor elk palladiumatoom. De ionenstroom is voldoende laag zodat zelfs deze kleine hoeveelheden deuterium een ​​zeer lange tijd in de voltooide neutristor zullen blijven. Neuristors kunnen naar behoefte in continue of gepulseerde modus worden gebruikt.

    Huidige neuristen hebben een driftgebied van enkele millimeters breed, waardoor ze een voldoende klein pakket vormen voor veel nieuwe toepassingen. De geschatte productiekosten voor neutristoren liggen in de buurt van US $ 2.000, ongeveer een vijftigste van de kosten van huidige op versnellers gebaseerde neutronengeneratoren. De volgende generatie volledig neutrale solidstors in vaste toestand zal geen vacuüm vereisen voor bediening, waardoor de kosten worden verlaagd en de duurzaamheid van de inrichting wordt verhoogd. Daarnaast werkt SNL aan neutristoren die twee tot drie orden van grootte kleiner zijn en die zouden worden vervaardigd met behulp van MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen).

    De volgende film is een uitstekende introductie tot hoe de ontwikkeling van neutristoren tot stand kwam en een goed overzicht van de onderliggende technologie.

    Bron: Sandia National Laboratories

    Drie Sandia neutrister-neutronengeneratoren gemonteerd in een testdoos onder vacuüm

    Een geïsoleerde neutristor

    Een Sandia-neutristor, met verschillende onderdelen gelabeld