Neutronenstrahlung

Neutronenstrahlungist eineionisierendeTeilchenstrahlung,die aus freienNeutronen(mit u. U. verschiedenenkinetischen Energien) besteht.

Da Neutronenelektrischneutral sind, haben die Ladungen vonAtomkernenundElektronenauf ihre Bewegung keinen Einfluss. Neutronenstrahlung durchdringt Materie deshalb relativ leicht. DerionisierendeEffekt entsteht indirekt, meist durch Anstoßen leichter Atomkerne bzw. deren Bestandteile (z. B.Protonen), die dann ihrerseits ionisierend wirken. Durch derartige Stöße geben die Neutronen Energie ab und werden langsamer. Eine Substanz, die besonders geeignet ist, Neutronen zu verlangsamen, nennt manNeutronenmoderator.In der Kerntechnik wird der Begriff üblicherweise auf jene Isotope begrenzt, welche zusätzlich zu ihrer Eigenschaft als Moderator nur wenigeNeutronen absorbieren.

Die Hauptwirkung von langsamen, vor allemthermischen Neutronenberuht auf ihrer Fähigkeit, sich an Atomkerne anzulagern (Neutroneneinfang). Dabei bildet sich einIsotopdes einfangenden Atoms mit einer um 1 erhöhtenMassenzahl.Viele dieser so entstandenen Isotope sindradioaktiv,so dass noch sehr lange nach einer Neutronenbestrahlung (je nachHalbwertszeitdes Isotops) durch den Zerfall ionisierende Strahlung auftreten kann. Umgekehrt können radioaktive Isotope durch Einfang eines Neutrons in stabile Isotope umgewandelt werden und langlebige radioaktive Isotope in kurzlebige oder umgekehrt.

Der Einfang eines Neutrons ist üblicherweise einexothermerProzess. Die dabei frei werdende Energie äußert sich zunächst in der Versetzung des neu gebildeten Kerns in einen angeregten Zustand. Üblicherweise wird diese Energie in Folge durch einGamma-Quantwieder abgegeben. Bei einigen wenigen Kernen (zum Beispiel²³⁵U) ist der angeregte Zustand derartig instabil, dass es zu einer weiteren Kernreaktion kommenkann(im Falle von²³⁵U bei circa 84 % der Einfänge thermischer Neutronen), bei der noch bedeutend größere Mengen Energie freigesetzt werden können. Im Falle von²³⁵U ist diese Reaktion dieKernspaltung,welche ihrerseits wieder Neutronen freisetzt und damit eineKettenreaktionbilden kann.

Der freie Zustand des Neutrons endet nach kürzester Zeit immer mit einem Neutroneneinfang oder einer anderenKernreaktion.Nur imHochvakuumhat ein freies Neutron eine „Chance “,seinen radioaktiven Zerfallzu „erleben “.

Aufbau eines Neutrons. Es besteht aus einem 1 Up- und 2 Down-Quarks.Die „Farb “zuordnung der einzelnen Quarks ist beliebig, es müssen jedoch alle drei Farben vorhanden sein. Kräfte zwischen Quarks werden durchGluonenvermittelt.

Quellen

Siehe auch:Neutronenquelle

Diekosmische Strahlungsetzt in der Atmosphäre oder am Boden durch Wechselwirkung mit Molekülen natürliche Neutronenstrahlung frei. Durch natürlichen Zerfall vonAtomkernenentsteht Neutronenstrahlung selten; man stellt sie künstlich mit Hilfe vonNeutronenquellenher.Spontanspaltungist eine seltene Zerfallsart in Uran und Thorium, kommt jedoch inCalifornium-252 häufiger vor. Hierbei werden Neutronen freigesetzt, weswegen Californium als „handliche “Neutronenquelle beliebt ist. ImKernreaktorwerden bei derKernspaltungNeutronen freigesetzt, ebenso bei einigen Formen derKernfusion.

Die Freisetzung von Neutronen in der Kernfusion ist einerseits ein gerne genutzter Effekt bei Geräten wie demFusor,welcher mehr nutzbare Energie verbraucht als er erzeugt aber als kleine Neutronenquelle dient, andererseits ein unerwünschter Nebeneffekt bei Versuchen, die Kernfusion kommerziell zu nutzen. „Aneutronische “(= keine Neutronen freisetzende) Reaktionswege der Kernfusion existieren zwar, erfordern jedoch zumeist noch höhere Teilchengeschwindigkeiten als solche Fusionsprozesse, die Neutronen freisetzen. Die bei der Fusion frei werdenden Neutronen dienen bei allen Konzepten einesKernfusionsreaktorsder Abführung der Nutzwärme und werden bei der Deuterium-Tritium Fusion benötigt, um imBlanketdas für die Fusion benötigte Tritium aus Lithium zu erbrüten.

BeimTeller-Ulam-Designthermonuklearer Sprengköpfe werden Neutronen, welche aus der Fusion der Bestandteile der zweiten Stufe entstehen, dazu verwendet,²³⁸U zu spalten.²³⁸U kann nur durch hinreichend schnelle Neutronen zuverlässig gespalten werden – Kernspaltung liefert nicht ausreichend Neutronen dieser Geschwindigkeit, Kernfusion kann sie liefern. Dadurch erhöht sich die Sprengleistung nochmals erheblich durch den Einsatz eines billig verfügbaren Materials, derFalloutnimmt jedoch ebenfalls – gegenüber einer „sauberen “thermonuklearen Bombe mit möglichst hohem Fusionsanteil – erheblich zu.

Historisch bedeutend und noch immer im Labormaßstab angewandt werden sogenannte (α,n)-Quellen. Hierbei treffenAlphateilchenauf ein geeignetes Material – heute zumeistBeryllium– und setzen dabei in einer Kernreaktion ein Neutron frei.James Chadwickwies die Existenz des Neutrons durch Ergründung der Reaktion⁹Be(α,n)¹²C nach. Chadwick nutzte als Quelle der AlphastrahlungRadium.Radium wird jedoch heute kaum noch verwendet, da es kaum noch produziert wird, weil die Extraktion aus Uranerz bei einem Gehalt von nur ca. 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran enorm aufwendig ist. Stattdessen werden Alphastrahler aus Kernreaktoren wie Polonium-210 verwendet, welche preiswerter verfügbar sind.

Eine weitere starke Quelle sindNeutronenbomben.Sie kann mit Hilfe von Neutronenstrahlung Personen im Zielgebiet töten, aber Gebäude und Infrastruktur relativ unbeschädigt lassen.

Für Forschungszwecke werden teilweise auch Neutronenflussdichten benötigt, die durch Kernspaltung kaum erzielbar sind. DerForschungsreaktor München IIist die stärkste kernspaltungsbasierte Neutronenquelle der Welt und mit einer Nennleistung von 20 Megawatt_thermischschon weit vom Ideal desNullleistungsreaktorsentfernt. Höhere Neutronenflussdichten, wie sie an derEuropean Spallation SourceinLunderzielt werden, werden daher durch eine andere Technologie erzeugt. Die Lösung lautetSpallation.Enorm hochenergetische Protonen werden mittelsTeilchenbeschleunigerauf einTargetgefeuert, wodurch große Mengen Neutronen frei werden, welche dann der Forschung zur Verfügung stehen. Zwar ist dieendothermeReaktion enorm energieintensiv (~20–50 MeV pro nutzbares Neutron), jedoch sind den erreichbaren Mengen und Flussdichten quasi keine Grenzen gesetzt.

Nutzung

In der Materialforschung werden Neutronenstrahlen eingesetzt, um die atomare oder molekulare Struktur von Festkörpern zu bestimmen (Neutronenstreuung). Zur Überwachung der Unterkritikalitäteines Kernreaktors kann die Neutronenstrahlung z. B. einerRadium-Beryllium-Neutronenquelleverwendet werden. Bei derStrahlentherapiewurde versucht, Krebszellen mit Neutronenstrahlen abzutöten; wegen der Nebenwirkungen im gesunden Gewebe wird dies nur noch selten angewandt.

Siehe auch:Forschung mit Neutronen

Nachweis

Neutronenstrahlung wird durch die Wechselwirkung der Neutronen mit dem Detektormaterial nachgewiesen. Es gibtNeutronendetektorenfür schnelle und für langsame Neutronen. Schnelle Neutronen werden in vielen Fällen jedoch nachgewiesen, indem sie zunächst auf thermische Energien moderiert werden. Dieses Prinzip findet zum Beispiel Anwendung imBonner-Kugelspektrometer,bei dem mehrere verschieden große kugelförmigeModeratorenverwendet werden, um unterschiedlich schnelle Neutronen zu moderieren und so die Energieverteilung der Neutronen zu bestimmen.Die äußere Exposition von Personen gegenüber Neutronenstrahlung wird mitAlbedodosimeternbestimmt, die die Moderation und Rückstreuung der Neutronen im menschlichen Körper nutzen.Neutronenemitter, die in den menschlichen Körperinkorporiertworden sind, werden entweder in den Ausscheidungen durchradioanalytisch-chemische Verfahrenbestimmt oder mit einemGanzkörperzählerüber dieGammastrahlung,die durch Wechselwirkung der Neutronen im Körper entsteht, gemessen.

Schädliche Wirkung auf Lebewesen

Die wichtigste SchadwirkungschnellerNeutronen in lebendem Gewebe ist die elastische Streuung anWasserstoff.Sie erzeugt Rückstoßprotonen,die ihrerseits stark ionisierend und damit im Gewebe schädlich wirken. Eine indirekte Schädigung durchthermischeNeutronenstrahlung kommt durch dieGammastrahlungzustande, die beimEinfangdes Neutrons an Wasserstoff entsteht:¹H + n →²H + 2,2MeV.

Die Schädlichkeit von Neutronenstrahlung wird durch die hohenStrahlungswichtungsfaktoren$\mathrm {w_{R}}$der deutschen Strahlenschutzverordnung mit Werten von 5 bis 20 berücksichtigt.

Schnelle wie auch thermische Neutronenstrahlung kann stabile Atomkerne durchKernreaktioneninradioaktiveAtomkerne umwandeln – dies ist die sogenannteAktivierung.

Schädliche Wirkung auf strukturelle Werkstoffe

Neutronenstrahlung hat im Allgemeinen einen negativen Einfluss auf strukturelle Materialien wieStahl(sieheStrahlenschaden). Neutronen erzeugen durch Streuung an Atomkernen Defekte im Kristallgitter, die meist zur Versprödung des Materials führen. Auch dieAktivierungund die damit verbundene Umwandlung von Legierungsbestandteilen können sich (meist negativ) auf die Materialeigenschaften auswirken. Diese Prozesse treten besonders an Orten mit sehr hoherNeutronenfluenzauf wie etwaReaktordruckbehältern,deren Einbauten und denBrennstabhüllen.InFusionsreaktorentreten ähnlich große Neutronenfluenzen auf, wobei hier auch noch die Energie der Neutronen besonders hoch ist. Daher ist die Werkstoffentwicklung für künftige Fusionskraftwerke eine große Herausforderung.

Abschirmung

EineAbschirmunggegen Neutronenstrahlung nutzt meist eine Kombination physikalischer Effekte und ist aus mehreren Materialien in Schichten aufgebaut. EinModerator,zum Beispiel Wasser,Paraffin,Graphit oder Kunststoff, bremst schnelle freie Neutronen ab. Thermische Neutronen werden beispielsweise vonCadmiumoderBorabsorbiert. Die begleitendeGammastrahlungwird insbesondere durch entsprechend starkeBeton-,Stahl- undBleischichtenreduziert.

Weblinks

Wiktionary: Neutronenstrahlung– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Literatur von und über Neutronenstrahlungim Katalog derDeutschen Nationalbibliothek
• Das„Glossar Strahlenschutz “desForschungszentrums Jülicherläutert viele Begriffe rund um ionisierende Strahlen (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung, Regelwerke, Strahlenschutz etc.)