Jak se chránit před radioaktivitou? Neutronové záření. Muskovy vize o cestě na Mars.

?Tímto blogem se dostávám na tenký led. Když vám radím, jak se chránit před neutrony, naznačuji, že asi máte potřebu schovávat atomovou bombu. Nebo jste jen zvídaví a chcete letět na Mars? (délka blogu 15 min.)

Neutronové záření je jedno z nejobávanějších, jak je vidět už z koeficientu, kterým se přepočítává původní dávka záření na ekvivalentní dávku - tedy dávku, která počítá s typem záření a jeho vlivem na živý organismus.

U neutronového záření se (v závislosti na jeho energii) uvádí koeficient 5 - 20. Znamená to, že je tento druh záření biologicky 5x - 20x škodlivější, než srovnatelné množství rentgenového záření. Čím je to způsobeno? Může za to samozřejmě… fyzika.

Škodlivost neutronového záření

Na neutronovém záření nám (z biologického úhlu pohledu) vadí především jeho schopnost reagovat s lehkými prvky. Naše těla jsou plná vody, sloučeniny, která obsahuje ten nejlehčí prvek, jaký ve vesmíru existuje, vodík. Také ostatní organické sloučeniny mají ve svých strukturách zabudováno hodně atomů vodíku. Neutrony mají téměř identickou hmotnost jako zmiňovaná vodíková jádra - a mohou s nimi proto interagovat velice efektivně.

Pokud narazí neutron přímo na nějaké atomové jádro, může se od něj “odrazit”. Přitom ztrácí část své energie, kterou předá atomu, od které se odrazil. Tento atom pak ze srážky odchází se zvýšenou kinetickou energií nebo přechází do tzv. nabuzeného stavu. V tomto stavu nebývají atomy příliš šťastné. Přebytečné energie se snaží zbavit. Jsou schopny vyprodukovat fotony s poměrně vysokou energií, které jsou velice nepříjemné, ionizují okolní látku a tím mohou poškodit její strukturu.

Kromě toho může také docházet k pohlcení neutronu jádrem atomu. Tady už musí být splněna řada podmínek - neutrony musí mít například pro optimální záchyt určitou specifickou energii (rychlost) a také samotný atom musí mít určité vlastnosti. Při záchytu neutronu se následně uvolní foton gama záření. Podobně jako při prosté srážce neutronů a jádra - je tento foton nosičem relativně vysoké energie a ionizuje okolní látku.

Kromě toho zná neutronové záření ještě jeden trik. Zachycené neutrony mohou látku tzv. aktivovat - a tím ji převést ze stabilního do (radio)aktivního stavu.

Neutrony tedy ionizují látku nepřímo, například díky následným reakcím hmoty a druhotných fotonů - nebo ji dokonce přímo mění na radioaktivní. To všechno nám dává dostatek motivace k tomu, abychom se před ním chránili.  

Pohlcení neutronu

Neutrony jsou (jak už název říká) neutrální částice, které  nenesou žádný elektrický náboj. Na rozdíla od elektronů a alfa částic tedy nemohou reagovat se záporně nabitým atomovým obalem - ale jen s jeho jádrem. To se samo skládá z neutronů a protonů, je ovšem velice malé. Pokud bychom je chtěli porovnat, bude elektronový obal atomu velký zhruba jako fotbalový stadion a jádro bude znázorňovat zrnko rýže v jeho centru.

Aby mohl neutron reagovat s částicemi v jádru atomu, musí využít tzv. silné jaderné interakce - jednu ze základních vesmírných sil (slovo síla se tu používá spíše ve smyslu zákonitost). Musí se k němu dostat velice blízko, silná jaderná interakce na rozdíl od elektromagnetismu působí jen na malé vzdálenosti (typicky zhruba 5x10^-15m).

Vědci zavedli pro tento případ novou veličinu s názvem účinný průřez - barn. Barn odpovídá ploše, kterou musí zasáhnout částice (neutron) aby mohla reagovat s jádrem atomu. 1 barn je přibližně 10^-28 m2.

Malé odbočení

Některé atomy mají tuto plochu ovšem daleko větší. Vysvětluje se tím ochota zachytávat neutrony nebo protony - a také rozdíly ve výskytu jednotlivých prvků ve vesmíru. Pomalým záchytem neutronů a následnou přeměnou zbytečných neutronů na protony, jejichž počet určuje typ chemického prvku (princip, který probíhá jak v atmosférách Rudých obrů, tak při výbuchu různých druhů supernov a kilonovy) ve vesmíru vznikají prvky, které jsou těžší než železo. 

Účinný průřez

Složité? A přitom to ještě není všechno. Hodnota účinného průřezu závisí na energii dopadajících neutronů. Při některých hodnotách energií dochází k tzv. rezonanci. Jádra určitého prvku zachycují neutrony s danou energií (rychlostí) daleko ochotněji než neutrony s jinou energií. Tak je tomu například u kadmia, které má účinný průřez při energii odpovídající 0,5 eV zhruba tisíckrát vyšší než při ostatních energiích.

U samotného vodíku, který nás v případě interakce neutronů s biomateriálem zajímá nejvíce, je účinný průřez při 0,1 - 100 eV (energie dopadajícího neutronu) téměř konstantní. Při vyšších energiích se průřez snižuje podle vzorce 1/v - přesně tak, jak to očekává fyzikální teorie. Vodík je k nám v tomto případě shovívavý - žádné rezonance se u něj nepozorují.

Energie neutronů

S jakou neutronovou energií se můžeme v praxi setkat? Neutrony, které opouštějí svůj zdroj díky jaderné reakci, nemají jednu určitou přesnou a konstantní hodnotu, jejich energie jsou různé a odpovídají určitému spektru. Typické hodnoty se přitom pohybují kolem 2 MeV. Pokud se procesů vzniku neutronů účastní ještě navíc i alfa záření, může být energie neutronů až kolem 10 MeV.

Pro srovnání: jak rychle letí neutrony s určitou energií?

menší než 0,02 eV = menší než 2,2 km/s (subtermické) 

0,0252 eV = 2,2 km/s (tepelné neutrony - název si zapamatujte, je důležitý) 

0,5 - 10 keV = 10 - 1400 km/s (středně rychlé neutrony) 

více než 5 MeV = 0,1 c - téměř c (c = rychlost světla, těmto neutronům se říká relativistické) 

Tím se konečně dostáváme k principům ochrany před neutronovým zářením. Největší hodnoty účinných průřezů (a tedy schopnost jádra daný neutron pohltit a ochránit nás před ním) totiž odpovídají relativně nízkým hodnotám energií neutronů. Jinými slovy, pomalu letící neutrony mají dost času na to, aby reagovaly s jádrem atomu. Jejich rychlí kolegové proletí kolem, aniž by si jádra všimli.

Pokud se chceme neutronů zbavit, musíme je nejprve zpomalit a teprve pak pohlcovat vhodným materiálem.

Ochrana před neutronovým zářením

Zpomalování se děje díky srážkám neutronů s atomovými jádry stínícího materiálu. Neutrony ztrácejí při srážce vždy přibližně stejný díl své původní energie. Tento díl je o to větší, čím menší (lehčí) je atomové jádro, se kterým reagovaly. Nejefektivnější jsou tedy srážky s materiálem, který je neutronovému jádru hmotnostně nejpodobnější - vodíkem.

...

Pokud chceme zabrzdit typický neutron s energií kolem 2 MeV (to bývá ten, který má za zdroj například nějaký radioaktivní prvek) na takovou energii, při které se dá dobře pohltit jiným atomovým jádrem, potřebuje tento neutron celých 18 srážek s atomem vodíku nebo 115 srážek s atomem uhlíku nebo 2170 srážek s atomem uranu (prvkem, který má velice těžké jádro, obsahující typicky 238 nukleonů). 

Tím se vysvětluje výběr materiálu, který se používá na zpomalení neutronového záření. Uran nebo olovo by byly kontraproduktivní. Jako první tzv. zpomalovací vrstvu používáme materiál s vysokým obsahem vodíku a uhlíku. Optimální jsou různé plasty, umělé hmoty. Ty sice moc neutronů nepohltí, zato je ale celkem efektivně zpomalí na rychlost, při které je může pohltit jiný materiál.

Také prvky s těžkými jádry mohou přispět ke zpomalení neutronů. Děje se tak při neelastických srážkách. To jsou ty druhy srážek, při kterých se část energie neutronu předá jádru, které se tím energeticky nabudí (a následně svou přebytečnou energii odevzdá ve formě gama fotonu). Na takové zpomalení se používají jádra prvků, které mají vyšší množství nukleonů v jádře.

Následující obrázek ukazuje, jak může vypadat kompaktní stínicí materiál, který vás ochrání před neutronovým zářením. Skládá se z několika vrstev. Jedna nebo dvě vrstvy materiálu se starají o zpomalení dopadajících neutronů elastickým nebo neelastickým rozptylem. Další vrstva se stará o pohlcení samotného záření, které má v tomto místě už tu “správnou” rychlost. Při hrátkách neutronů s jádry samozřejmě vznikají nové fotony. S jejich pomocí se jádra zbavují přebytečné energie. Proto je potřeba použít ještě jednu vrstvu, která pohlcuje vznikající sekundární gama záření. Ta může být tvořena například olovem.

Pokud nezáleží na prostorové náročnosti nebo hmotnosti stínicího materiálu - mohou se samozřejmě použít i jiné látky. Stejnou službu tak vykonají například dvě patřičně mohutné vrstvy - vrstva vody a betonu.

Co mají neutrony společného s vizionářem Muskem?

Zpomalení a záchyt neutronů je (jak je vidět) komplexní úloha. A přitom se jedná jen o jeden druh záření. Jak náročné asi bude odstínit všechny druhy (i ty, které jsem popisovala v minulých blozích) a celé spektrum energií takového záření - působící ve volném vesmírném prostoru?

Problém musí být hlavně vyřešen už předtím, než se začne (skutečně realisticky) uvažovat o cestách k jiným planetám. Proti kosmickému záření nepomohou žádné naivní vize o super výkonných raketách, nepomohou pestrobarevné obrázky budoucích obydlí na Marsu. Pravda je ta, že zatím umíme odstínit nízkoenergetické záření, které vzniká dejme tomu při rozpadu radioaktivních jader. Není to jednoduché ani levné a už vůbec to není lehké (ve smyslu hmotnosti stínící vrstvy).

Kosmické záření má ale daleko komplexnější charakter - a hlavně - figurují tu úplně jiné energie. Použiji oblíbený slogan - jsou tak jiné, že je to úplně jiný sport, nejen jiná liga.

Faktem zůstává, že určité části kosmického záření neumíme odstínit vůbec ničím. Ničím, co by se dalo poslat na oběžnou dráhu Země. Ne náhodou se této otázce ve svých barevně blikavých show PR-vizionář Musk … vyhýbá.

Zdroje:https://agenda.infn.it/event/8734/contributions/75087/attachments/54702/64532/UCANS2015_Wyss_given.pdf, Grundkurs zum Strahlenschutz Nr. 3, FHA Aachen, 1991