بخشی از مقاله
چکیده:
با توجه به پتانسیلهای صنعتی و کشاورزی در منطقه تربت حیدریه، برای دستیابی به توسعه پایدار در این منطقه، تاسیس آزمایشگاهی به منظور بررسی و آنالیز محصولات صنعتی و کشاورزی بدون تخریب آنها، ضروری مینماید. یکی از روشهای متداول آزمایشگاهی بدون تخریب، استفاده از چشمههای نوترونی میباشد. برای تهیه چشمه نوترونزای امرسیوم-بریلیوم از سازمان انرژی اتمی، ارائه طراحی و حفاظبندی و همچنین مطالعه بر روی اثرات احتمالی آن چشمه در منطقه، ضروری و الزامی میباشد.
در این پروژه با استفاده از روش مونت کارلو و نرمافزار MCNP، یک آزمایشگاه حاوی چشمه نوترونزا در دانشگاه تربت حیدریه شبیهسازی شده و شار حجمی و سطحی در پیرامون این آزمایشگاه با مقادیر استاندارد آن مقایسه گردید. نتایج این تحقیق نشان میدهد که بهترین نوع آزمایشگاه مورد نظر، یک اتاقک استاندارد با دیوارههای بتونی به ضخامت 30 سانتیمتر است. همچنین میتوان از یک جعبه سربی با ابعاد نیممتر که با پارافین خالص پر شده است، برای حفاظبندی این چشمه نوترونزا، استفاده کرد. همچنین نتایج شبیهسازی نشان میدهد که حداکثر دز معادل در حدود 0/3 میکرو سیورت بر ساعت خواهد بود که از میزان دز مجاز که در حدود 6 میکرو سیورت در ساعت میباشد، بسیار کمتر است.
مقدمه
نوترون و پروتون دو جفت نوکلئونی میباشند، که هر دو فقط از ترکیب 3 عدد از دو نوع کوارک بالا و پایین، اما با ترکیبهای متفاوت، ساخته شده اند. نوترون برای اولین بار در سال 1931 توسط بوته و بکر به صورت تجربی مشاهده گردید. با این حال آنها مشاهده خود را یک پرتوی پر انرژی گاما فرض کردند. تا اینکه در سال 1932 چادویک، نوترون را به عنوان یک عضو سازنده هسته اتم کشف و معرفی نمود - فراشباشی مسجد، . - 1384
مهمترین ویژگی نوترون، این است که از نظر بار الکتریکی خنثی است با این حال دارای گشتاور مغناطیسی است. به این ترتیب حتی با انرژیهای بسیار کم نیز میتواند از سد کولنی اتم و هسته گذشته و به داخل هسته نفوذ کند. نوترونها را از نظر انرژی می-توان به شش دسته تقسیم کرد. جدول - 1 - ، تقسیمبندی نوترونها را از لحاظ انرژی نشان میدهد - ابوکاظمی و رهبر، . - 1385
انواع چشمههای نوترونی
به طور کلی میتوان از پنج روش متفاوت، نوترون آزاد تولید کرد. هر یک از این روشها دارای مزیتها و محدودیتهای متفاوتی میباشند، که با توجه به ظرفیتها و پتانسیلهای منطقه تربت حیدریه باید چشمهای مناسب برای دانشگاه تربت حیدریه انتخاب کرد - رحیمی، . - 1384
1. چشمه راکتوری به عنوان منبع تولید نوترون آزاد
در راکتور هستهای پس از شکافت سوخت هستهای، باریکه نوترونی با شار بسیار بالا - در حدود 1014 نوترون در سانتیمتر مربع برثانیه - تولید میشود. معمولا در راکتورهای تحقیقاتی، با ایجاد یک حفره در حفاظ راکتور، باریکهای از نوترون را به داخل آزمایشگاه هدایت میکنند. با توجه به شار و انرژی این باریکه نوترونی، از چشمه راکتوری معمولا برای تولید ایزوتوپهای پرتوزا برای استفاده در صنعت و به ویژه تولید ایزوتوپهای پزشکی، استفاده میشود.
مهمترین محدودیت در استفاده از چشمه راکتوری نوترون، تکنولوژی و قیمت بسیار بالای این نوع راکتورها میباشد. در ایران دو راکتور تحقیقاتی به عنوان چشمه نوترونی - یکی در تهران و دیگری در اصفهان - مورد استفاده قرار میگیرد. بنابراین نمیتوان برای ساخت آزمایشگاه مورد نظر در دانشگاه تربت حیدریه از این نوع چشمه استفاده کرد.
2. واکنشهای هستهای به عنوان چشمه تولید نوترون آزاد
در برخی از واکنشهای هستهای، نوترون آزاد تولید میشود. از مهمترین نوع این واکنشها میتوان به همجوشی هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر، اشاره کرد. نتیجه این همجوشی تولید هستههای سنگینتر همانند هلیوم، مقدار زیادی انرژی، و همچنین تولید نوترون آزاد میباشد. برای ایجاد این نوع واکنشهای هستهای، یک شتابدهنده ذرات نیاز است تا باریکه ذرات را وادار به واکنش کند. علاوه بر این، در این نوع واکنشها باید بتوان انرژی حاصل از این واکنش را مهار کرد. بنابراین این روش نیز علاوه بر تکنولوژی بسیار بالای مورد نیاز، دارای هزینه بسیار زیادی میباشد. پس انتخاب این روش نیز برای تولید نوترون آزاد در آزمایشگاه دانشگاه تربت حیدریه، مقدور نمیباشد.
3. شکافت خودبهخودی به عنوان چشمه تولید نوترون آزاد
متداولترین نوع چشمه نوترونی حاصل از شکافت خود به خودی، ایزوتوپ کالیفرنیوم - 252Cf - با نیمه عمر کمتر از یک ربع ساعت میباشد. علاوه بر نیمه عمر بسیار پایین این ایزوتوپ، تنها 4 نوترون در هر شکافت خود به خودی تولید میشوند. با توجه به این موارد و همچنین دوری جغرافیایی منطقه تربت حیدریه نسبت به راکتورهای تحقیقاتی کشور به عنوان تولید کننده ایزوتوپ 252Cf، استفاده از این نوع چشمه نیز در دانشگاه تربت حیدریه امکانپذیر نیست.
4. چشمه فوتونوترونی
برخی از ایزوتوپها دارای یک نوترون مقید، اما تقریبا سست میباشند که میتوان با تحریک این نوترون سست آن را از هسته هدف جدا کرد. یکی از متداولترین نوع آن از این ایزوتوپها، ایزوتوپ پایدار بیریلیوم - 9Be - است. میتوان با قرار دادن یک چشمه گامازا در کنار ایزوتوپ 9Be، نوترون آزاد تولید کرد. مهمترین مزیت چشمه نوترونی 'n - - ، تولید نوترونهای تقریبا تک انرژی است. اما به طور معمول چشمههای تولید کننده گاما همانند ایزوتوپ سدیم - 24Na - دارای نیمه عمر بسیار کم - معمولا کمتر از یک روز - میباشند. بنابراین انتخاب این نوع چشمه نیز برای دانشگاه تربت حیدریه مناسب نمیباشد.
5. چشمه -Be
در این نوع از چشمهها در فرایندی مشابه با فرایند چشمههای نوع فوتونوترونی، ایزوتوپ پایدار 9Be را توسط ذرات آلفا بمباران میکنند. مزیت بزرگ این روش، طول عمر بالای مواد گسیلکننده ذرات آلفا، میباشد. در گذشته از ایزوتوپ رادیوم - 226Ra - به عنوان گسیلنده آلفا در چشمه نوترونی رادیوم - بریلیوم استفاده میگردید. اما به دلیل گسیل بالای گاما از رادیوم و دخترانش، امروزه ایزوتوپهای دیگر از جمله پولونیوم - 210Po - با نیمه عمر 138 روز، پولوتونیوم - 238Pu - با نیمه عمر 86 سال، و امرسیوم - 241Am - با نیمه عمر 458 سال، به عنوان ایزوتوپهای آلفازا در کنار ایزوتوپ پایدار 9Be، برای تولید نوترون آزاد، بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند.
مفاهیم و کمیتهای اساسی در حفاظبندی در برابر تشعشع
اثرات پرتوها بر حسب دز جذبی بررسی میشوند، که براساس تعریف، میزان انرژی جذب شده در واحد جرم میباشد. دز جذبی برای ارزیابی کمی اثرات اشعه بر روی اجسام غیر زنده، بسیار مناسب و کافی است. اما برای حفاظت افراد در برابر پرتو تنها اندازه-گیری دز جذبی کافی نیست و باید اثرات بیولوژیکی تشعشعات را بر روی سلولهای زنده نیز ارزیابی کرد.
