중성자선
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1. 개요
중성자선은 전하를 띠지 않는 중성자 입자의 흐름으로, 핵분열, 우주 방사선, 입자 가속기 등에서 발생한다. 원자로 내에서는 핵분열을 지속시키는 데 중요한 역할을 하며, 우주 기원 중성자는 탄소-14 생성에 기여한다. 중성자선은 물질과 반응하여 흡수, 산란 등의 핵반응을 일으키며, 결정학, 응집 물질 물리학 등 다양한 과학 분야에서 물질의 특성과 구조를 분석하는 데 활용된다. 또한 암 치료, 산업 부품 이미징 등에도 사용된다. 중성자선은 전리 방사선이며, 물질을 방사성으로 만들고, 생물학적 손상을 유발하며, 재료의 기계적 특성을 저하시키는 등 위험성을 가지고 있어 방사선 방호가 필요하다.
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| 중성자선 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 이온화 방사선 |
| 구성 | 자유 중성자 |
| 발생 원인 | 핵분열 핵융합 (α, n) 반응 우주선 상호작용 기타 핵 반응 |
| 차폐 | 수소 함유 물질 (예: 물, 파라핀) |
| 영향 | 중성자 활성화 재료 손상 생물학적 위험 (간접적 이온화) |
| 탐지 | 기체 검출기 (예: BF3 계수관) 섬광 검출기 반도체 검출기 |
| 물리적 특성 | |
| 질량 | 1.6749 × 10⁻²⁷ kg (939.565 MeV/c²) |
| 전하 | 0 (중성) |
| 스핀 | 1/2 |
| 자기 모멘트 | -9.6623640 × 10⁻²⁷ J/T |
| 평균 수명 | 879.6 ± 0.8 초 (약 14분 39초) |
| 붕괴 모드 | 베타 붕괴 (양성자, 전자, 반중성미자 방출) |
| 상호 작용 | |
| 핵력 | 강한 상호작용 및 약한 상호작용을 통해 원자핵과 상호 작용 |
| 전자기력 | 직접적인 전자기적 상호작용은 없으나, 자기 모멘트를 통해 간접적인 상호작용 가능 |
| 물질과의 상호작용 | 탄성 충돌 (에너지 전달) 비탄성 충돌 (핵 반응 유발) 중성자 포획 (방사성 동위원소 생성) |
| 방호 | |
| 차폐재 | 물 파라핀 콘크리트 납 |
| 차폐 원리 | 중성자를 감속시키고 흡수하여 방사선량을 감소시킴 |
| 주의 사항 | 중성자 방사선은 직접적인 이온화 작용을 하지 않으므로, 간접적인 영향 고려 필요 중성자 활성화를 통해 생성되는 방사성 동위원소에 대한 주의 필요 |
| 활용 | |
| 원자력 | 핵분열 원자로의 연쇄 반응 유지 핵무기 |
| 과학 연구 | 중성자 산란 (물질 구조 연구) 중성자 회절 중성자 방사선 촬영 |
| 의학 | 중성자 포획 치료 (암 치료) |
| 산업 | 중성자 활성화 분석 (물질 성분 분석) |
2. 중성자선의 발생
중성자선을 물질에 쪼이면 중성자는 물질 내의 원자 원자핵과 충돌을 반복하면서 에너지를 잃어간다. 이윽고 주변 원자(분자)의 열운동과 열평형 상태에 도달하여 그 열운동과 비슷한 정도의 에너지( ''k''B''T'' 정도, ''k''B는 볼츠만 상수, ''T''는 절대 온도)가 된다. 이 상태가 된 중성자를 '''열중성자'''라고 하며, 상온(300 K)에서 대략 0.025 eV이다.
중성자는 전하가 없지만 스핀을 가지므로, 중성자선은 결정 구조 분석, 특히 자기 구조 분석에 유용하다.
중성자선 에너지는 중성자와 비슷한 질량을 가진 물체(가벼운 원자핵)와 충돌할 때 효과적으로 흡수된다. 따라서 중성자선을 막기 위해서는 수소 원자를 많이 포함하는 물(거대한 수조)이나 콘크리트 벽이 필요하며, 무거운 원소에 의한 차폐는 효과적이지 않다.[16][17]
2. 1. 핵분열로부터의 중성자 방사선
원자로 내 중성자는 일반적으로 에너지에 따라 느린(열) 중성자 또는 고속 중성자로 분류된다. 열 중성자는 열역학적 평형 상태의 기체와 유사한 에너지 분포(맥스웰-볼츠만 분포)를 가지지만, 원자핵에 쉽게 포획되어 원소가 핵 변환을 겪는 주요 수단이 된다.효과적인 핵분열 연쇄 반응을 달성하려면, 핵분열 중에 생성된 중성자가 분열성 핵에 포획되어야 하며, 이 핵은 다시 분열하여 더 많은 중성자를 방출한다. 대부분의 핵분열 원자로 설계에서 핵연료는 충분한 고속 중성자를 흡수하여 연쇄 반응을 지속하기에 충분히 정제되지 못한다. 이는 고에너지 중성자에 대한 낮은 유효 단면적 때문이며, 따라서 충분한 흡수를 허용하기 위해 고속 중성자를 열 속도로 늦추기 위해 중성자 감속재를 도입해야 한다. 일반적인 중성자 감속재로는 흑연, 일반(경수) 물 및 중수가 있다. 일부 원자로(고속 중성자로들)와 모든 핵무기는 고속 중성자에 의존한다.[16][17]
2. 2. 우주 기원 중성자
우주 방사성 중성자는 지구 대기나 표면에서 우주 방사선에 의해 생성되며, 입자 가속기에서도 생성된다. 이들은 원자로에서 발견되는 중성자에 비해 종종 더 높은 에너지 수준을 갖는다. 이러한 중성자 중 다수는 지구 표면에 도달하기 전에 원자핵을 활성화시키며, 더 작은 비율은 대기 중의 원자핵과 상호 작용한다.[3] 이러한 중성자가 질소-14 원자와 상호 작용하면 탄소-14(14C)로 변환될 수 있으며, 이는 방사성 탄소 연대 측정에 광범위하게 사용된다.[4]3. 중성자와 핵반응
중성자선을 물질에 조사하면 중성자와 물질 내 원자핵 간에 다양한 핵반응이 발생한다. 주로 원자로와 관련된 것으로, 중성자에 의한 핵반응은 '''흡수'''와 '''산란''' 두 가지로 나눌 수 있다.
3. 1. 흡수 (absorption)
중성자가 원자핵과 충돌할 때 중성자가 해당 원자핵에 흡수될 수 있는데, 이러한 핵반응을 '''흡수'''(absorption)라고 한다.[19] 흡수 반응에는 다음과 같은 두 가지가 있다.# 다른 입자 또는 감마선을 방출하는 '''포획'''(capture)[20]
# 원자핵 자체가 분열하는 '''핵분열'''(fission)
3. 2. 산란 (scattering)
중성자가 원자핵과 충돌할 때, 그 계에서 다시 중성자가 방출되는 경우가 있는데, 이 핵반응을 '''산란'''이라고 부른다[21]. 산란에는 '''탄성 산란'''과 '''비탄성 산란''' 두 가지가 있다.4. 중성자선의 활용
저온, 열, 고온 중성자 방사선은 결정학, 응집 물질 물리학, 생물학, 고체 화학, 재료 과학, 지질학, 광물학 및 관련 과학 분야에서 물질의 특성과 구조를 분석하는데 활용된다. 또한 붕소 중성자 포획 요법을 통해 암 종양 치료에도 사용되며, 중성자 방사선 촬영법, 중성자 라디오스코피, 중성자 단층 촬영법 등 산업 부품 이미징에도 사용된다.[1]
4. 1. 물질 특성 및 구조 분석
''Low'', ''thermal'', ''hot''영어 중성자 방사선은 결정학, 응집 물질 물리학, 생물학, 고체 화학, 재료 과학, 지질학, 광물학 및 관련 과학 분야에서 물질의 특성과 구조를 평가하기 위해 산란 및 회절 실험에 가장 일반적으로 사용된다.[1] 붕소 중성자 포획 요법은 세포 구조에 대한 침투력과 손상성이 높아 암 종양 치료에 사용된다.[1] 산업 부품의 이미징에는 필름을 사용할 때 중성자 방사선 촬영법, 이미지 플레이트 등을 통해 디지털 이미지를 찍을 때 중성자 라디오스코피, 3차원 이미지를 위한 중성자 단층 촬영법이 사용될 수 있다.[1] 중성자 영상은 원자력 산업, 우주 항공 산업, 그리고 고신뢰성 폭발물 산업에서 일반적으로 사용된다.[1]4. 2. 의료 분야
중성자 방사선은 세포 구조에 대한 침투력과 손상성이 높아 암 종양 치료에 사용되는 붕소 중성자 포획 요법에도 사용된다.[1] 붕소 중성자 포획 요법(BNCT)은 붕소 화합물을 암세포에 선택적으로 축적시킨 후 중성자선을 조사하여 암세포를 파괴하는 치료법이다.4. 3. 산업 분야
중성자 방사선은 원자력, 우주 항공, 폭발물 산업 등에서 중성자 방사선 촬영법, 중성자 라디오스코피, 3차원 이미지를 위한 중성자 단층 촬영법 등으로 불리는 산업 부품 이미징에 사용될 수 있다.[1] 이러한 방법들은 비파괴 검사 방법으로 활용된다.[1]5. 중성자선의 위험성 및 방호
중성자 방사선은 방사선 방호학에서 방사선 위험의 일종으로, 중성자 활성화를 통해 물질을 방사성으로 만들 수 있다는 특징이 있다.[5] 이는 원자핵이 중성자를 포획하여 다른 핵종, 흔히 방사성 핵종으로 변환되기 때문이다. 핵무기 폭발로 방출되는 방사성 물질의 상당 부분이 이 과정으로 생성되며, 핵분열 및 핵융합 시설에서도 장비가 점차 방사성을 띠게 되어 문제가 된다.
방사선 방호를 위해서는 방사선 차폐가 필요하다. 중성자는 높은 운동 에너지를 가지므로 외부 방사선원에 노출될 때 전신에 가장 위험한 방사선으로 간주된다. 중성자는 가벼운 핵에 의해 반복적으로 튕겨져 속도가 느려지므로, 수소 함량이 높은 물질이 차폐에 효과적이다. 가벼운 원자는 탄성 산란으로 중성자 속도를 늦춰 핵반응에 의해 흡수될 수 있게 한다. 그러나 이러한 반응에서 감마선이 종종 생성되므로 추가적인 차폐가 필요하다. 핵분열이나 핵의 중성자 포획을 거쳐 방사성 붕괴를 일으켜 감마선을 생성하는 물질은 피해야 한다.
가장 효과적인 차폐 물질은 물, 폴리에틸렌, 파라핀 왁스와 같은 탄화수소이다.[6] 물을 함유한 폴리에스터(WEP)는 높은 수소 함량과 내화성으로 인해 열악한 환경에서 차폐 벽으로 효과적이다.[7] 콘크리트(시멘트에 상당수의 물 분자가 화학적으로 결합됨)와 자갈은 감마선과 중성자 모두를 차폐하므로 저렴하다. 붕소는 우수한 중성자 흡수체이며, 탄화 붕소는 감마 방사선을 거의 생성하지 않아 차폐재로 사용된다. 상업적으로 물이나 연료유 탱크, 콘크리트, 자갈 및 B4C는 원자로와 같이 대량의 중성자 플럭스가 있는 지역을 둘러싸는 일반적인 차폐재이다. 붕소 함침 실리카 유리, 표준 붕규산 유리, 고-붕소강, 파라핀 및 플렉시글라스도 사용된다.
중성자는 수소 핵(양성자 또는 중수소)을 때려 에너지를 전달하고, 이들은 화학 결합에서 끊어져 짧은 거리를 이동한다. 이러한 수소 핵은 높은 선형 에너지 전달 입자이며, 통과하는 물질의 이온화에 의해 정지된다. 따라서 살아있는 조직에서 중성자는 비교적 높은 상대 생물학적 효과를 가지며, 동등한 에너지 노출의 감마 또는 베타 방사선보다 생물학적 손상을 유발하는 데 약 10배 더 효과적이다.[8] 중성자는 특히 눈의 각막과 같은 연조직에 해롭다.
5. 1. 전리 메커니즘 및 특성
중성자 방사선은 ''간접적인 전리 방사선''으로 불린다. 중성자는 전하가 없어서 양성자나 전자처럼 원자를 직접 전리시키지 않는다. 하지만 중성자 상호 작용은 대체로 전리를 유발한다. 예를 들어, 중성자가 흡수되면 감마선 방출이 일어나고, 이 감마선(광자)이 원자에서 전자를 제거할 수 있다. 또는 중성자 상호 작용으로 반동하는 핵이 다른 원자를 전리시켜 추가적인 전리를 일으킬 수 있다.중성자는 전하가 없기 때문에 알파 방사선이나 베타 방사선보다 침투력이 강하다. 심지어 어떤 경우에는 높은 원자 번호를 가진 물질에서 막히는 감마선보다 더 잘 침투할 수 있다. 그러나 수소처럼 원자 번호가 낮은 물질에서는 저에너지 감마선이 고에너지 중성자보다 더 깊이 침투하기도 한다.[16][17]
중성자선이 물질에 쪼여지면, 중성자는 물질 속 원자의 원자핵과 반복해서 충돌하며 에너지를 잃는다. 결국 주변 원자(분자)의 열운동과 같은 정도의 에너지 상태(''k''B''T'' 정도, ''k''B는 볼츠만 상수, ''T''는 절대 온도)에 도달하는데, 이를 '''열중성자'''라고 한다. 상온(300 K)에서 열중성자의 에너지는 대략 0.025 eV이다.
중성자는 전하는 없지만, 스핀을 가지고 있어서, 결정 구조 분석, 특히 자기 구조 분석에 유용하게 사용된다.
중성자선의 에너지는 중성자와 비슷한 질량을 가진 가벼운 원자핵과 충돌할 때 효과적으로 흡수된다. 따라서 중성자선을 막으려면 수소 원자를 많이 포함하는 물(거대한 수조에 담그는 방식)이나 두꺼운 콘크리트 벽이 필요하다. 무거운 원소로는 중성자선을 효과적으로 차폐할 수 없다.
5. 2. 건강 위험 및 방호
중성자 방사선은 방사선 방호학에서 방사선 위험의 일종으로, 중성자 활성화를 통해 물질을 방사성으로 만들 수 있다.[5] 이는 원자핵이 중성자를 포획하여 다른 핵종, 흔히 방사성 핵종으로 변환되기 때문이다. 이 과정은 핵무기 폭발로 방출되는 방사성 물질의 상당 부분을 차지하며, 핵분열 및 핵융합 시설에서도 장비를 점차 방사성으로 만들어 문제가 된다.중성자 방사선 방호는 방사선 차폐에 의존한다. 중성자는 높은 운동 에너지를 가지므로 외부 방사선원에 노출될 때 전신에 가장 위험한 방사선으로 간주된다. 중성자는 가벼운 핵에 의해 반복적으로 튕겨져 속도가 느려지므로, 수소 함량이 높은 물질이 차폐에 효과적이다. 가벼운 원자는 탄성 산란으로 중성자 속도를 늦춰 핵반응에 의해 흡수될 수 있게 한다. 그러나 이러한 반응에서 감마선이 종종 생성되므로 추가적인 차폐가 필요하다. 핵분열 또는 핵의 중성자 포획을 거쳐 방사성 붕괴를 일으켜 감마선을 생성하는 물질은 피해야 한다.
가장 효과적인 차폐 물질은 물, 폴리에틸렌, 파라핀 왁스와 같은 탄화수소이다.[6] 물을 함유한 폴리에스터(WEP)는 높은 수소 함량과 내화성으로 인해 열악한 환경에서 차폐 벽으로 효과적이다.[7] 콘크리트(시멘트에 상당수의 물 분자가 화학적으로 결합됨)와 자갈은 감마선과 중성자 모두를 차폐하므로 저렴하다. 붕소는 우수한 중성자 흡수체이며, 탄화 붕소는 감마 방사선을 거의 생성하지 않아 차폐재로 사용된다. 상업적으로 물이나 연료유 탱크, 콘크리트, 자갈 및 B4C는 원자로와 같이 대량의 중성자 플럭스가 있는 지역을 둘러싸는 일반적인 차폐재이다. 붕소 함침 실리카 유리, 표준 붕규산 유리, 고-붕소강, 파라핀 및 플렉시글라스도 사용된다.
중성자는 수소 핵(양성자 또는 중수소)을 때려 에너지를 전달하고, 이들은 화학 결합에서 끊어져 짧은 거리를 이동한다. 이러한 수소 핵은 높은 선형 에너지 전달 입자이며, 통과하는 물질의 이온화에 의해 정지된다. 따라서 살아있는 조직에서 중성자는 비교적 높은 상대 생물학적 효과를 가지며, 동등한 에너지 노출의 감마 또는 베타 방사선보다 생물학적 손상을 유발하는 데 약 10배 더 효과적이다.[8] 중성자는 특히 눈의 각막과 같은 연조직에 해롭다.
6. 재료에 미치는 영향
고에너지 중성자는 시간이 지남에 따라 재료를 손상시키고 열화시킨다. 중성자가 재료를 때리면 재료 내에 충돌 연쇄 반응이 생성되어 점 결함과 전위가 발생하는데, 이는 방사선에 노출된 재료에서 시간이 지남에 따라 발생하는 미세 구조 변화의 주요 원인이다. 높은 중성자 플루언스에서 이는 금속 및 기타 재료의 취성을 유발하고, 일부 재료에서는 중성자 유도 팽창을 일으킨다. 이는 원자로 용기에 문제를 일으켜 수명을 크게 제한한다.[9] 흑연 중성자 감속재 블록은 특히 위그너 효과에 취약하며 주기적으로 어닐링해야 한다. 윈드스케일 화재는 이러한 어닐링 작업 중 사고로 인해 발생했다.
재료에 대한 방사선 손상은 고에너지 입자(중성자 등)가 재료 내의 격자 원자와 상호 작용하여 발생한다. 충돌은 운동 에너지를 격자 원자에 전달하여 격자 위치에서 벗어나게 하고, 이를 1차 노크온 원자 (PKA)라고 한다. PKA는 다른 격자 원자로 둘러싸여 있기 때문에 격자를 통과하면서 많은 후속 충돌이 발생하고 추가 노크온 원자가 생성되어 충돌 연쇄 반응 (또는 변위 연쇄 반응)을 일으킨다. 노크온 원자는 각 충돌 시 에너지를 잃고 간극으로 종료되어 격자에 일련의 프렌켈 결함을 효과적으로 생성한다. 충돌의 결과로 열이 발생하고 (전자 에너지 손실로 인해) 잠재적으로 핵 변환된 원자가 생성된다. 1 MeV 중성자가 철 격자에 PKA를 생성하면 약 1,100개의 프렌켈 쌍이 생성될 정도로 손상이 크다.[9] 전체 연쇄 반응은 1 × 10−13 초의 시간 척도로 발생하므로, 이 현상은 컴퓨터 시뮬레이션에서만 "관찰"될 수 있다.[10]
노크온 원자는 비평형 간극 격자 위치에서 종료되며, 그 중 다수는 인접한 빈 격자 위치로 확산하여 스스로 소멸하고 정렬된 격자를 복원한다. 그렇지 않거나 공석을 남길 수 없는 경우, 공석 농도가 평형 농도보다 훨씬 높게 국소적으로 증가한다. 이러한 공석은 열적 투과의 결과로 공석 싱크(즉, 결정립계, 전위)로 이동하는 경향이 있지만 상당한 시간 동안 존재하며, 이 기간 동안 추가 고에너지 입자가 격자를 폭격하여 충돌 연쇄 반응과 추가 공석을 생성하고, 이들이 싱크로 이동한다. 격자에서 방사선의 주요 효과는 결함 바람으로 알려진 싱크로의 결함의 중요하고 지속적인 플럭스이다. 공석은 또한 서로 결합하여 전위 루프를 형성하고 나중에 격자 공극을 형성하여 소멸될 수 있다.[9]
충돌 연쇄 반응은 주어진 온도에서 평형보다 훨씬 더 많은 공석과 간극을 재료에 생성하며, 그 결과 재료의 확산율이 극적으로 증가한다. 이것은 방사선 강화 확산이라는 효과로 이어져 시간이 지남에 따라 재료의 미세 구조가 진화하게 된다. 미세 구조 진화를 유도하는 메커니즘은 많으며, 온도, 플럭스 및 플루언스에 따라 달라질 수 있으며 광범위한 연구 대상이다.[11]
- 방사선 유도 편석은 위에서 언급한 공석이 싱크로 이동하는 결과이며, 이는 격자 원자가 싱크에서 멀리 이동한다는 것을 의미한다. 그러나 합금 재료의 경우 합금 조성과 동일한 비율은 아니다. 따라서 이러한 플럭스는 싱크 근처에서 합금 원소의 고갈을 초래할 수 있다. 연쇄 반응에 의해 유입된 간극의 플럭스의 경우, 효과는 반대이다. 즉, 간극은 싱크로 확산되어 싱크 근처에서 합금 농축이 발생한다.[9]
- 전위 루프는 공석이 격자 평면에 클러스터를 형성하는 경우 형성된다. 이러한 공석 농도가 3차원으로 확장되면 공극이 형성된다. 정의상, 공극은 진공 상태에 있지만 알파 입자 (헬륨)의 방사선 또는 핵 변환 반응의 결과로 가스가 생성되는 경우 가스로 채워질 수 있다. 그러면 공극은 거품이라고 불리며, 방사선에 노출된 부품의 치수 불안정성(중성자 유도 팽창)을 유발한다. 팽창은 특히 스테인리스강으로 만들어진 원자로 부품에서 주요 장기 설계 문제를 나타낸다.[12] 지르칼로이와 같은 결정학적 등방성을 가진 합금은 전위 루프 생성이 일어나지만 공극 형성은 나타나지 않는다. 대신, 루프는 특정 격자 평면에 형성되어 팽창과는 구별되지만 합금의 상당한 치수 변화를 일으킬 수 있는 현상인 방사선 유도 성장을 유발할 수 있다.[13]
- 재료의 방사선 조사도 재료의 상전이를 유도할 수 있다. 고용체의 경우, 방사선 유도 편석으로 인한 싱크에서의 용질 농축 또는 고갈은 재료에 새로운 상의 석출을 유발할 수 있다.[14]
이러한 메커니즘의 기계적 영향에는 방사선 경화, 취성, 크리프 및 환경 지원 균열이 포함된다. 재료의 방사선 조사 결과로 생성된 결함 클러스터, 전위 루프, 공극, 거품 및 석출물은 모두 재료의 강화 및 취성 (연성 손실)에 기여한다.[15] 취성은 원자로 압력 용기를 구성하는 재료에 특히 우려되며, 그 결과 용기를 파괴하는 데 필요한 에너지가 현저하게 감소한다. 결함을 어닐링하여 연성을 복원하는 것이 가능하며, 원자력 발전소의 수명 연장의 대부분은 이를 안전하게 수행할 수 있는 능력에 달려 있다. 크리프도 조사된 재료에서 크게 가속화되지만, 강화된 확산율의 결과가 아니라 격자 응력과 발전하는 미세 구조 간의 상호 작용의 결과이다. 환경 지원 균열 또는, 보다 구체적으로 방사선 지원 응력 부식 균열 (IASCC)은 중성자 방사선에 노출되고 물과 접촉하는 합금에서 특히 관찰되며, 물의 방사선 분해로 인한 균열 팁에서 수소 취성 흡수로 인해 발생하며, 균열 전파에 필요한 에너지를 감소시킨다.[9]
참조
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