중성자 활성화

3. 중성자 활성화의 발생

중성자 활성화는 안정적인 물질을 방사성 물질로 만들 수 있는 일반적인 방법이다. 활성화는 오염과는 다르다. 중성자는 핵무기 폭발 시 마이크로초 단위, 가동 중인 원자로 또는 파쇄 중성자원에서만 다량으로 존재한다.^[1]

원자폭탄에서 중성자는 1~50마이크로초 동안만 생성되지만, 엄청난 수로 생성된다. 대부분은 금속 폭탄 케이싱에 흡수되는데, 이 케이싱은 내부 폭발의 영향을 받기 시작할 무렵이다. 곧 증발될 금속의 중성자 활성화는 대기 상층부에서의 핵폭발의 핵낙진 상당 부분을 차지한다. 다른 유형의 활성화에서는 중성자가 지표면 또는 그 근처의 버섯구름에 분산된 토양을 조사(照射)하여 토양 화학 원소의 활성화로 인한 낙진을 초래할 수 있다.^[1]

4. 시간에 따른 재료에 미치는 영향

중성자 플럭스가 높은 곳, 예를 들어 원자로 중심부에서는 중성자 활성화 때문에 재료가 부식되고, 주기적으로 내장재 자체를 저준위 방사성 폐기물로 폐기해야 한다. 어떤 재료는 다른 재료보다 중성자 활성화에 더 취약하므로, 적절하게 선택된 저활성화 재료는 이러한 문제를 크게 줄일 수 있다(국제 핵융합 재료 조사 시설). 예를 들어, 전형적인 원자로 중성자 플럭스에 노출된 크롬강(Cr-50 함유)에서는 중성자 활성화에 의해 크롬-51이 생성된다.^[5]

탄소-14는 대부분 대기 질소-14의 열중성자에 의한 중성자 활성화에 의해 생성되지만(우주선-대기 상호작용에 의한 주요한 자연적 생성 경로와 대기 핵실험에 의한 과거 생성과 함께), 많은 원자로 설계에서 연료 피복재, 냉각수에 포함된 질소 가스 불순물 및 물 자체에 포함된 산소의 중성자 활성화에 의해 비교적 미량으로 생성된다. 고속 증식로(FBR)는 가장 일반적인 원자로 유형인 가압경수로보다 약 10배 정도 적은 C-14를 생성하는데, 이는 FBR이 물을 1차 냉각재로 사용하지 않기 때문이다.^[6]

5. 활용 분야

중성자 활성화는 다양한 분야에서 활용된다.

의학 및 방사선 안전 분야에서는 인체에 흡수된 중성자 선량을 추정하는 데 사용된다. 인체 내 나트륨은 나트륨-24로, 인은 인-32로 활성화되는 성질을 이용한다.^[7]

핵융합 연구에서는 핵융합 반응 여부 및 수율을 측정하는 데 활용된다. 관성 제한 핵융합 방식에서는 알루미늄 또는 구리 표적의 감마선 방출을 측정하여 핵융합 수율을 결정한다.^[8] 알루미늄은 중성자와 반응하여 방사성 나트륨-24를 생성한다.^[9][10][11] 황, 구리, 탄탈륨, 금과 같은 원소는 순수 핵분열 무기^[12][13]와 열핵 무기의 수율을 결정하는 데 사용된다.^[14]

중성자 방사화 분석(NAA)은 시료에 중성자를 쬐어 방사성 동위원소를 생성하고, 방출되는 감마선을 분석하여 미량 원소의 종류와 양을 파악하는 방법이다. 시료를 손상시키지 않고 분석할 수 있어, 예술품과 같이 원형 보존이 필요한 물체에 유용하다.^[15] 석유 시추 과정에서 지하 점토 함량(점토는 알루미늄규산염이 주성분)을 결정하는 등 현장 분석에도 활용된다.^[16] 알루미늄(Al-27)은 낮은 에너지의 중성자를 포획하여 2.3분의 반감기를 갖는 Al-28을 생성한다.^[15] 역사학에서는 유물에 포함된 특정 동위원소의 존재 여부를 통해 진위 여부를 판별하기도 한다. 트리니티 핵실험 장소에서 발견되는 트리니타이트에는 바륨 중성자 방사화 생성물이 존재하는데, 이는 실험에 사용된 저속 폭약 렌즈인 바라톨에서 유래한 것이다.^[17]

반도체 생산 과정에서는 플로트존 실리콘 웨이퍼에 중성자를 조사하여 실리콘 원자 일부를 인(P)으로 변환시켜 n형 실리콘으로 도핑하는 데 사용된다.^[18]

:$\backslash ce\{\_14^\{30\}Si\}\; +\; 중성자\; \backslash xrightarrow\{\}\; \backslash ce\{\_14^\{31\}Si\}\; +\; 감마선\backslash xrightarrow\{2.62시간\}\backslash ce\{\_15^\{31\}P\}\; +\; 베타선$

5. 1. 방사선 안전

5. 2. 중성자 검출

5. 3. 재료 분석

5. 4. 반도체 생산

참조

_[1] 간행물 Manual for reactor produced radioisotopes http://www-pub.iaea.[...] International Atomic Energy Agency
_[2] 서적 The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors https://books.google[...] Walter de Gruyter 1997
_[3] 논문 Efficiency calibration of a portable CZT detector for 2016
_[4] 웹사이트 Standards for Protection Against Radiation https://www.nrc.gov/[...] Nuclear Regulatory Commission 10 CFR 20.1402
_[5] 웹사이트 Table of Isotopes decay data https://web.archive.[...] 2014-03-05
_[6] 간행물 IAEA Technical report series no.421, Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14 http://www-pub.iaea.[...]
_[7] 간행물 ORNL Report on determination of dose from criticality accidents http://web.ornl.gov/[...]
_[8] 웹사이트 DT neutron yield measurements using neutron activation of aluminum http://www.geneseo.e[...]
_[9] 웹사이트 4 Identified radioactive isotopes http://www.aanda.org[...] Aanda.org 1998-03-02
_[10] 웹사이트 Nuclear Reactions http://kubchemistry.[...] 2014-11-29
_[11] 웹사이트 http://www.site.uott[...]
_[12] 서적 Reassessment of the Atomic Bomb Radiation Dosimetry for Hiroshima and Nagasaki – Dosimetry System 2002 https://web.archive.[...] The Radiation Effects Research Foundation 2005
_[13] 웹사이트 The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions http://www.osti.gov/[...] Los Alamos National Laboratory 1985-09
_[14] 서적 Operation Ivy Final Report Joint Task Force 132 http://apps.dtic.mil[...] 1952
_[15] 웹사이트 http://www.site.uott[...]
_[16] 웹사이트 Search Results - Schlumberger Oilfield Glossary https://www.glossary[...]
_[17] 논문 Radioactivity in Trinitite six decades later http://www.ecolo.org[...] 2006
_[18] 서적 Semiconductor devices : physics and technology https://www.worldcat[...] Wiley 2012