Bildet Neutronenstrahlung Wolken?

Ich habe ein paar Gruselgeschichten von erfahrenen Beschleunigerphysikern über so etwas wie Neutronenwolken gehört. Wenn Sie ein Experiment wie ein Fixed-Target-Experiment haben, das viele Neutronen mit der richtigen Energie erzeugt, lösen sie sich anscheinend nicht einfach auf oder verfangen sich in umgebender Materie. Stattdessen hängen sie aufgrund ihrer großen Halbwertszeit (~15 Minuten) herum. Das Gerücht besagt, dass sie tatsächlich Wolken bilden, die durch die Anlage wandern, und dass die Menschen in den frühen Tagen einiger CERN-Experimente nicht über die Wirkung nachgedacht und eine böse (wenn auch nicht akute) Dosis erhalten haben, als sie in die Kollision eintraten Halle kurz nach dem Abschalten des Strahls.

Die Beschreibung des Verhaltens dieser Wolken variiert in verschiedenen Konten. Manchmal passieren sie einfach alles, aber manchmal sollen sie sich wie ein echtes Gas verhalten, das von Wänden zurückgehalten wird (aber durch kleine Öffnungen kriecht).

  • Ich kann mir vorstellen, dass dieses Phänomen real ist, aber wie groß ist das Problem in realen Experimenten / Kernanlagen?
  • Verhalten sich die Wolken wirklich wie ein Gas (ich denke, der nn-Querschnitt ist nicht groß genug, um Druck zu erzeugen)? Wie verhalten sie sich bzgl. Wände?
  • Und angesichts der jüngsten Atommülltransporte in Frankreich und Deutschland: Der Müll sendet viel Gamma- und Neutronenstrahlung aus, könnte er eine vorübergehende Spur von niederenergetischen Neutronenwolken hinterlassen?
""Der Müll gibt viel Gamma- und Neutronenstrahlung ab"" Wer sagt das? Hast du irgendeine Quelle?
Davon höre ich zum ersten Mal. Es erinnert mich an einen alten Witz in einem Tandembau: "Vor dem Fenster sind Neutronen". Bitte geben Sie einige Links für diese Behauptungen über solche kalten Neutronen an: Ein thermisches Neutron ist ein freies Neutron, das Boltzmann-verteilt ist, mit kT = 0,0253 eV (4,0 × 10-21 J) bei Raumtemperatur. Dies ergibt eine charakteristische (nicht durchschnittliche oder mittlere) Geschwindigkeit von 2,2 km/s. en.wikipedia.org/wiki/Neutron#Cold_neutrons . Da nur spezielles Material sie enthalten würde, würden sie in einer offenen Umgebung schnell genug verschwinden.
@Georg, das habe ich gerade auf einigen Nachrichtenseiten gelesen. Der fragliche Abfall stammt aus einer Wiederaufbereitungsanlage, daher gibt es wahrscheinlich viele verschiedene Isotope - ich habe sie jedoch nicht in einer Nuklidkarte nachgeschlagen. Es ist insofern plausibel, als Beta- und Alphastrahlung größtenteils durch das Glas abgeschirmt würden, in das der Abfall eingeschmolzen wird.
@anna v: Danke für die Schätzung, das würde bedeuten, dass sie tatsächlich verschwinden. Ich hätte die ganze Geschichte mit diesem Argument als Seemannsgarn abgetan, aber ich habe es in einem Strahlenschutzkurs gehört. Man sollte hoffen, dass sie solche Geschichten nicht erfinden. Ich habe jedoch keine schriftliche Quelle.
Hier ist ein weiterer Link lanl.gov/orgs/pa/newsbulletin/2004/05/04/text03.shtml für speziell erzeugte ultrakalte Neutronen, die immer noch magnetische Flaschen benötigen, um sie einzuschließen, aber immer noch eine Geschwindigkeit haben, die sie ausdiffundieren lassen würde von normaler Materie: Sie bewegen sich mit Geschwindigkeiten von weniger als 25 Fuß pro Sekunde und können gegen die Schwerkraft nur etwa 10 Fuß in die Höhe steigen.
Georg: Fixed-Target-Experimente mit signifikanten Strahlen erzeugen sehr viel prompte Strahlung. Relativ wenig davon sind Neutronen, aber bei JLAB hatten wir eine Verzögerung von ein paar Minuten in die Nicht-Notfall-Zugangsverfahren eingebaut, und selbst dann führte das Vermessungsteam den Strahlabwurf zuletzt durch . Das ist nicht quantitativ, aber es ist suggestiv.
@anna: Ich denke, Strahlintensitäten spielen hier eine Rolle. Bei JALB haben wir die Bohne in Mikroampere gemessen . Der Beschleuniger könnte bis zu 200 liefern μ A, obwohl wir in Halle C nie über 80 gingen, während ich dort war.
""Verhalten sich die Wolken wirklich wie ein Gas (ich denke, der nn-Querschnitt ist nicht groß genug, um Druck zu erzeugen)? Wie verhalten sie sich bzgl. Wände? "" Das ist falsch. Druck ist eine Frage einer Wand, nicht eines Querschnitts. Denken Sie an ein ideales Gas.
@dmkee . Je stärker die Quelle, desto mehr Neutronen natürlich. Ich bemerke nur, dass die "Wolke" -Aussage falsch ist, da die Neutronen nicht in der Nähe bleiben werden, um eine Wolke mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit zu erzeugen und leicht durch Luft zu gehen, da spezielle Maßnahmen erforderlich sind, um sie einzuschließen (magnetisch) oder Materialien, die haben hoher Neutroneneinfang, um sie zu neutralisieren.
Eine Wolke ist möglich wie die Wolke, wenn etwas Natrium oder Barium außerhalb unserer Atmosphäre verdampft wird. Aber eine solche Wolke ist nur vorübergehend und verschwindet bald. Voraussetzung sind thermische Neutronen und das Fehlen von Einfangkernen.
@jdm Was ist mit den Neutronen aus den Castor-Behältern? Wer hat das gesagt?
@Georg Auch in einem idealen Gas muss man davon ausgehen, dass die Atome streuen und Energie austauschen, sonst kann es nicht im thermischen Gleichgewicht sein. Was ich meinte, ist, dass die Zustandsgleichung einer nicht wechselwirkenden Wolke ganz anders wäre als die eines idealen Gases. In Bezug auf die Castoren halte ich es für gut belegt, dass sie Neutronen aussenden (nur einige deutsche Links, beide sind jedoch nicht unvoreingenommen: kernenergie-wissen.de/neutronenstrahlung.html umweltjournal.de/AfA_politik/17275.php )
Neutronen streuen gut aneinander, aber der Querschnitt ist sehr gering, weil es sich effektiv um eine Kontaktwechselwirkung handelt - auf die gleiche Weise streuen sie an allem anderen. Die Neutronen, die Sie in der Nähe einer terrestrischen Quelle finden, werden mit dem umgebenden Material thermalisiert. In KamLAND betrug diese durchschnittliche Reichweite etwa 30 cm (sowohl aus AmBe-, Cf- als auch PoC-Quellen) – aber das ist in Öl.

Antworten (3)

Thermische Neutronen fangen Wasserstoff und Kohlenstoff mit angemessenen (dh nicht großen, aber signifikanten) Querschnitten ein (dies sind die verzögerten Ereigniserkennungsmethoden der meisten organischen Flüssigszintillator-Anti-Neutrino-Detektoren - dh diejenigen, die ihren Szintillator nicht dotieren Gadolinium).

Obwohl sich also eine "Wolke" - also ein lokalisiertes diffuses Gas - aus Neutronen in der Nähe einer starken Quelle entwickeln kann (die Größe der Wolke hängt davon ab, wie weit sie beim Thermalisieren gehen), wird ihre Verteilung von ihrem Mittelwert bestimmt Erfassungszeit, nicht ihre Halbwertszeit.

Geständnis: Hier gehe ich davon aus, dass die mittlere Erfassungszeit deutlich kürzer als die Halbwertszeit ist, aber ich habe sie nicht in einer "labornahen" Einstellung gemessen. In einem organischen Flüssigszintillator liegt die Einfangzeit in der Größenordnung von 200   μ s , aber Luft enthält viel weniger Wasserstoff und Kohlenstoff. Beachten Sie, dass die Neutronen auch in den Boden, das Gebäude, in der Nähe befindliche Fahrzeuge und Passanten (falls vorhanden) gelangen, wo sie möglicherweise Dinge finden, mit denen sie interagieren können.

An meiner Graduiertenschule hatten wir eine 2 Curie (dh riesige ) AmBe-Quelle. Das Quellengewölbe registrierte einige Minuten lang ungewöhnlich hohe Hintergrundgeräusche auf einem Vermessungsmessgerät, nachdem es vom Moderatortank zum abgeschirmten Behälter zurückgebracht wurde, so dass dies ein grobes Maß für die Zeitskala sein kann. Es sagt auch etwas über die Stärke des Strahlungsfeldes aus: ein paar Mal so viel wie im Keller.

Die Abschirmungsmethodik für starke Neutronenquellen enthält im Allgemeinen viel Bor in verschiedenen Schichten, um das Aufsaugen des thermischen Neutronenflusses zu unterstützen; nicht zufällig bedeutet dies, dass die meisten Einfang-Gammas innerhalb der Abschirmung erzeugt werden. Borierte Kunststoffe sind ebenso üblich wie borierte Betone. Heutzutage ist Gadolinium so billig, dass ich mir vorstellen kann, dass wir anfangen werden, es im Abschirmungsdesign zu sehen. Das Quellengewölbe in der Graduiertenschule wurde aus boriertem Schlackenblock gebaut – zwei Schichten mit einem Meter Luftspalt dazwischen.

Eine weitere nicht sehr quantitative Geschichte, die etwas Licht ins Dunkel bringen könnte.

Ich war mit einem der Strahlenschutz-Jungs bei JLAB befreundet. Ein Teil seiner Arbeit bestand darin, den Strahlungspegel am Zaun um den Sicherheitsbereich mit den Beschleunigern, Experimentierhallen usw. zu überwachen. Meistens stellten sie nur Allzweckdetektoren auf und verglichen die Ergebnisse mit Hintergrundmessungen aus der Nähe, aber früh bauten sie noch mehr ausgeklügelter Detektor da draußen, um die verschiedenen Beiträge zur Dosis zu verstehen (wahrscheinlich versuchen sie, ihre Monte Carlos abzustimmen, diese Jungs sind wirklich groß in der Modellierung). Er erzählte mir zwei interessante Dinge

  • Wenn sie den Beschleuniger mit hohem Strom und hoher Einschaltdauer laufen ließen, konnten sie die Dosis am Zaun etwa verdoppeln (dh die beschleunigerbezogene Dosis war so groß wie der Hintergrund am Zaun).
  • Neutron Sky-Shine leistete den größten Einzelbeitrag. Sky-Shine bedeutet, dass die Neutronen durch die leicht abgeschirmten Dächer der Hallen (nur 50 cm Beton und 2 Meter gepackte Erde) herauskamen und ihre Detektoren Strahlung sahen, die von den Einfängen/Zerfällen kam, die über ihnen stattfanden.

Der Zaun war etwa 40 Meter von den Strahlhalden entfernt.

Sind Sie sich sicher, dass es um die Abscheidung durch Kohlenstoff geht? In bestimmten Reaktoren (z. B. Tschernobyl-Typ) wird Graphit als Moderator verwendet.
Der Einfangquerschnitt von C-12 beträgt etwa 1 % desjenigen von H-1, ist also überhaupt nicht groß, aber groß genug, um (zB) im Datensatz von KamLAND aufzutauchen. Aber das sind thermische Wirkungsquerschnitte, und im Reaktorkern sind die Neutronen generell ziemlich heiß. Es gibt auch n + 12 C → n + 12 C + γ  (4,9 MeV) für energiereichere Neutronen, aber sein Querschnitt ist auch ziemlich energieabhängig.

Wenn es ein Material gäbe, das ein thermisches Neutronengas für einen wesentlichen Teil der Neutronenlebensdauer einschließen könnte, könnten Sie "Flaschen" aus diesem Material bauen, sie mit Neutronen füllen und die Zerfälle überwachen, um die Neutronenlebensdauer zu messen.

Und tatsächlich ist das möglich --- aber nur für sogenannte „ultrakalte Neutronen“, die kinetische Energien unter 100 Nano-eV haben, nicht für thermische Neutronen mit Milli-eV kinetischer Energie. Stand der Technik für UCN-Speicherflaschen ist eine kombinierte Lebensdauer aufgrund von Neutronenzerfällen und Wandverlusten von etwa 400 Sekunden. Diese UCN-Flaschen sind in der Regel hand- bis personengroß. Tatsächlich hat es keinen Sinn, sie viel größer zu machen: Sie können durch Einheitenumrechnung zeigen, dass 100 neV die kinetische Energie ist, die ein Neutron verliert, das etwa einen Meter über der Erdoberfläche aufsteigt ( U = m g h ), sodass eine UCN-Flasche in Personengröße keinen Deckel benötigt. (Die oben offene Neutronenflasche, die von Serebrov und Mitarbeitern am PNPI gebaut wurde, wurde "Gravitrap" genannt.)

Für freie thermische Neutronen in Luft, die sich mit wenigen Metern pro Millisekunde bewegen, beträgt die mittlere freie Weglänge zwischen Streuungen (hauptsächlich von Wasserdampf) viele Meter. Die Vorstellung, dass eine Wolke aus Neutronen minutenlang in einem Raum oder Flur oder entlang einer Eisenbahnstrecke verweilt, nachdem ihre Quelle entfernt wurde, wie Rauchwolken, ist nicht wirklich glaubwürdig.

Beim Besuch eines Forschungskernreaktors habe ich einige Röhren für Neutronen gesehen, sie werden Neutronenkanäle genannt. Sie waren einige Meter lang. Also ja, das Neutronengas kann bis zu einem gewissen Grad eingedämmt werden.

Beziehen Sie sich auf Führungen oder Beamlines, um Neutronen vom Reaktorkern zu einem Experiment zu transportieren?
@rob: Ja, das ist er. Wenn die Neutronen in einem sehr flachen Winkel auftreffen, können Sie sie mit den richtigen Materialien tatsächlich reflektieren. frm2.tum.de/en/the-neutron-source/reactor/guiding-the-beams Vor Jahren, etwa 2 Wochen bevor FRM2 in Betrieb ging, machte ich ein Foto (vor Digitalkameras) dieser Führungen.
@datenwolf übrigens, werden sie von Elektronenwolken reflektiert?
@Anixx: Keine Ahnung. Ich bin gerade über diese Fragen und Antworten gestolpert, habe Ihre Antwort gesehen und mich sofort an unsere Besichtigung der FRM2-Anlage erinnert, nur wenige Wochen bevor der Reaktor zum ersten Mal kritisch wurde. Und die ganze Neutronenleitereinrichtung und ein Teil der Erklärung blieben in meinem Kopf "stecken". Das war eine der beeindruckendsten Touren, an denen ich teilgenommen habe: Wir konnten noch überall hingehen (nur das Reaktorzugangsbecken war geschlossen, da dort bereits einige Brennkerne gelagert waren, die HEU verwenden), weil nichts neutronenaktiviert war und so der Experimente des ersten Durchlaufs waren bereits vorhanden.
@datenwolf Ich war auf einer (von meiner Schule organisierten) Tour zum Moskauer Physikalisch-Technologischen Institut, wo es einen Forschungsreaktor gab, der von Studenten genutzt wurde. Wir durften das Reaktorbecken betreten. Uns wurde nur gesagt, dass wir die Dinge nicht anfassen sollten, weil sie "schmutzig" sein könnten. Uns wurde auch gesagt, dass es besser wäre, den Reaktor zu besuchen, wenn er in Betrieb sei, weil wir Tscherenkow-Strahlung nur etwa einen Meter unter unseren Füßen sehen würden.
@Anixx: Nun, beim FRM2 gab es über den gesamten Planungszeitraum hinweg ständig politischen Gegenwind, der sich mit Sicherheit und so weiter beschäftigte. Auch das war nur wenige Jahre nach 9/11 und Sicherheitstheater überall in höchster Alarmbereitschaft. Sinnlos, aber es ist passiert. Obwohl der FRM2 technisch gesehen ein Poolreaktor ist, befindet sich das Brennelement in einem Gehäuse. Der IIRC-Reaktor verwendet auch sowohl leichtes als auch schweres Wasser und das Gehäuse hält diese getrennt. Hier ein Bild davon: frm2.tum.de/fileadmin/_processed_/… (ohne Wasser)
Die Mathematik hinter Neutronenspiegelleitern ist ziemlich interessant. Die Theorie ist größtenteils die gleiche wie bei der Totalreflexion von Licht. Da sich Neutronen normalerweise schneller vom Vakuum zur Materie bewegen, während Licht langsamer wird, kommt es zu einer externen Totalreflexion von Neutronen von Oberflächen, wenn der Einfallswinkel kleiner als ein kritischer Winkel ist. Neutronen, die einen Leiter verlassen, haben typischerweise Impulse, die innerhalb von 0,5° parallel sind; wir nennen sie "Strahlen" von Neutronen. Eine „Wolke“ aus Neutronen würde Neutronen enthalten, die sich in alle Richtungen bewegen.
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