Neutronstrålning, skydd och skärmning

Det var länge sedan jag gjorde något inlägg i min serie om strålning av olika slag, och hur man skyddar mot den. Nu är det dags att ta tag i neutronerna, med viss inspiration från diskussioner på mötet jag var på förra månaden.

Vad är en neutron, och var uppstår neutronstrålning?

Neutroner är förstås, som du nog minns, de oladdade partiklarna som finns i atomkärnor. De liknar protoner, men har ingen elektrisk laddning. Faktum är att neutroner inte är stabila, en fritt omkringflygande neutron sönderfaller efter runt en kvart, och kvar blir en proton och en elektron. Det är bara inuti en atomkärna som de kan bli stabila och överleva — det har att göra med bindningarna i själva kärnan.

En neutron är alltså stor och tung jämfört med till exempel elektroner, men mindre än nästan alla atomkärnor.

Neutronstrålning bildas i reaktioner med atomkärnor, reaktioner som får dem att splittras och kasta ut en neutron. Det här kan hända när en partikel från rymden (kosmisk strålning) med hög energi krockar med en atomkärna — det är den sortens reaktion som ligger bakom att kol-14 bildas i atmosfären.

För att få en stark källa till neutroner behövs särskilda knep. En kärnreaktor producerar neutroner, det är en del av själva den kedjereaktion som producerar energi i reaktorn. I en så kallad spallationskälla (som ESS ska bli) skickas protoner med hög energi in i ett strålmål av ett tungt material som Wolfram, och i partikelkollisionerna bildas en massa neutroner som kan användas för experiment. Ett klassiskt sätt att bygga en neutronkälla för laboratioriebruk är att kombinera ett ämne som sönderfaller så att det ger alfastrålning (typiskt används beryllium) med ett ämne som har lätt att avge neutroner när det träffas av alfapartiklar (till exempel americium).

Vad har neutronstrålning för effekt på kroppen?

Eftersom de är elektriskt neutrala tränger neutroner igenom de flesta material väldigt bra. För att förstå hur det hänger ihop måste du komma ihåg att atomer är väldigt tomma: atomkärnan är oerhört liten jämfört med hur långt ut elektronmolnet sträcker sig, och det är elektronerna som avgör hur mycket plats atomen tar. En elektron i sig själv har liksom inte någon utsträckning alls, utan det är dess elektriska laddning som spelar roll. Hela atomen är uppfylld av elektriska fält, men inte mycket mer. Och det elektromagnetiska fältet är i princip ”osynligt” för en neutron (i princip, för det finns en liten finess med nåt som heter magnetiskt dipolmoment som jag inte tänker gå in på här).

Det betyder att en neutron troligen kommer att passera igenom massor av atomer helt utan att påverkas, tills den stöter ihop med en atomkärna. Och då kan två saker hända: antingen studsar neutronen bara bort, ungefär som en boll som krockar med en annan, eller också tränger den in i kärnan och stökar till det inuti den.

Om neutronen studsar mot kärnan kan den ge den en knuff, och den ivägknuffade atomkärnan kan vara ett stort problem i kroppen. Det är en tung laddad partikel, som ställer till med en massa problem för elektronerna i atomer och molekyler runtomkring — den drar loss elektroner, och joniserar alltså materialet. Eftersom det är elektronerna som binder ihop molekyler kan viktiga molekyler skadas på det här viset (det är det som alltid är själva problemet med joniserande strålning).

Om neutronen istället tränger in i kärnan kan det hända lite olika saker, men det involverar oftast att kärnan blir instabil på något sätt och skickar ut någon form av annan strålning efter ett tag. När många neutroner kommer in i ett material och gör kärnor radioaktiva som inte var det tidigare säger man att materialet aktiveras. Det är det som gör att uttjänta delar av gamla kärnkraftverk måste hanteras försiktigt och slutförvaras. Atomer i kroppen kan också aktiveras, i värsta fall.

Risken beror på neutronernas energi, och på hur många de är. I vardagen stöter du knappast på någon neutronkälla som du behöver oroa dig för.

Hur kan jag stoppa neutroner?

Det luriga med neutroner är att de inte stoppas särskilt effektivt av material som används för att skärma av gamma- eller betastrålning. Det har att göra med att gamma- och betastrålar stoppas bäst i tunga material, med många elektroner och stora atomkärnor med starka fält kring sig (många protoner ger större laddning). Men neutroner är som sagt inte imponerade av elektromagnetiska fält, utan bara av kärnan.

Tänk dig neutronen som en liten boll, i stil med en biljardboll. Om den krockar med en stor boll, mycket större än den själv — en stor atomkärna — då kommer den att studsa iväg igen med i stort sett samma fart som den hade innan, för den kommer inte att ge särskilt stor rekyl till den stora tröga bollen. (Det här är den sortens studs som på fysikspråk kallas för elastisk stöt.) Neutronen har så gott som oförändrad energi och fortsätter bara framåt.

Men om atomkärnan istället är liten, jämförbar med neutronen, då blir det annorlunda. Då delas energin i neutronens rörelse, och både neutronen och atomkärnan studsar iväg — båda långsammare än neutronen ursprungligen rörde sig. Atomkärnor som är små är alltså vad som behövs för att bromsa in neutroner. Som väte. Kärnan i en väteatom är ju som bekant en proton, som bara är något litet lättare än en neutron.

Den här analogin med biljardbollar bryter förstås ihop i de fall då atomkärnan inte alls beter sig som en hård boll som studsar. Vissa atomkärnor har mycket större tendens än andra att suga åt sig neutronen och bli instabil (det är en inelastisk stöt den får då). Det här gör att det inte bara är så enkelt som att jämföra storlekar på atomkärnor för att se vilka som är bra på att stoppa neutroner och inte.

Detaljerna är krångliga, men vill du skydda dig mot neutronstrålning gör du ändå bäst i att inte försöka stoppa neutroner med något tungt material. Då är nämligen risken stor att du istället får en massa annan strålning, som kanske inte stoppas eftersom neutronerna som orsakar den redan har trängt igenom det mesta av det tänkta skyddet.

För att inte krångla till det: använd material som innehåller mycket väteatomer. Som vatten. Eller plast.

Men kom ihåg: det är väldigt ovanligt att neutroner är ett problem. Neutroner som orsakas av kosmisk strålning eller så, det är bara något att bry sig om ifall du vill bygga en hyperkänslig detektor. Till exempel för att försöka fånga upp mörk materia. Men det är en helt annan historia.

PICASSO-detektormodulerna finns bakom de vita lådorna som är fyllda med vatten. (Bilden är min egen.)

PICASSO-detektormodulerna finns bakom de vita lådorna som är fyllda med vatten för att stoppa neutroner som kan orsaka falska signaler i detektorn. (Bilden är min egen.)

Om åka

Fysiker, sf-fantast, allmän entusiast.
Det här inlägget postades i Uncategorized. Bokmärk permalänken.

11 kommentarer till Neutronstrålning, skydd och skärmning

  1. Ping: Så skyddar du dig mot farlig strålning! Hela listan ;) | Stjärnstoft och kugghjul

  2. Marcus skriver:

    Hej o tack för en intressant blogg, jag undrar om du har en mail adress där du kan svara på frågor, det blir lite mer personligt då ?

    • åka skriver:

      Hmm, bra fråga. Jag brukar inte sätta ut kontaktuppgifter så extremt tydligt, även om de går att hitta. Jag gillar ju frågor, men att ge personliga svar, det vet jag inte om jag egentligen vill syssla med. Det tar ju en massa tid, och jag är själv mest intresserad av att skriva så att det blir tillgängligt för fler. Du får nog ge en bättre motivering till varför jag skulle vilja ha mer personlig kontakt😉

  3. Kego skriver:

    Jag ser rök från reaktorhusen i Fukushima snart sagt varje dag/natt där. Ibland färgars röken av inslag av blått, grönt, rött. Rök inte bara ånga.vad betyder det? Ser också partiklar som stiger i röken, mest vita, ibland svarta. Vadär det? Mvh

    • åka skriver:

      Jag har inte den blekaste aning, är jag rädd. Har inte själv sett den där röken, och jag har inte läst på om det där heller. Om jag råkar läsa eller höra nåt om det ska jag svara här!

  4. Kego skriver:

    Ok, då frågar jag; om neutroner frigörs från kärnbränslet, betyder det kärnklyvning eller vad? Neutroner har färger-grön, blå, röd. Jag tror det är neutronurladdning jag ser i röken.

    • åka skriver:

      Varför säger du att neutroner har färger? Neutronstrålning kan du inte se över huvud taget. Och ”neutronurladdning”, vad är det för typ av reaktion? Vad det än är du ser i röken är det minst lika mycket kemi som fysik, och fria neutroner har inte med färgerna att göra.

      Men din första fråga då: om det frigörs neutroner någonstans, då betyder det i princip att atomkärnor bryts sönder — se texten ovan. Men det behöver förstås inte leda till någon kedjereaktion, det beror på vad neutronen stöter på.

  5. Kego skriver:

    Sorry I asked. ska inte störa mer…

  6. Peac skriver:

    Hej, har du någon kommentar eller tankar kring ESS forskningsanläggning som ska byggas i Lund?

    Länk till SvD angående tillstånd för verksamhet med joniserande strålning.
    http://www.svd.se/nyheter/inrikes/stralning-fran-ess-far-godkant_3754982.svd

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s