中子嬗变

定义

中子嬗变指核素在中子作用下转变为另一种核素的过程，它从属于核嬗变，与高能γ量子、带电粒子引发的嬗变并列^[2]。中子不带电，与带正电的原子核之间不存在库仑排斥，因此不需要很高的动能就能进入原子核，这使中子成为人工嬗变中最常用的入射粒子^[1][2]。

判断是否发生嬗变，要看原子核的组成是否改变。核反应前后质量数与原子序数分别守恒，一旦产物的原子序数与靶核不同，就意味着生成了新的元素。化学变化只涉及核外电子的转移，原子核本身并不改变，嬗变因而与化学反应有本质区别。

原理

中子嬗变的第一步是靶核俘获中子。原子核吸收一个中子后质量数增加1，质子数不变，多余的能量常以γ射线放出，这一过程称为中子俘获，记作(n,γ)反应^[5][2]。若生成核不稳定，它会继续衰变：中子过多的核素会放出电子与反中微子，即发生β衰变，使原子序数增加1，从而变成另一种元素。

以硅为例，天然硅中30Si的丰度约为3.05%。30Si俘获热中子后生成半衰期约2.62小时的31Si，31Si再经β衰变变成稳定的31P，反应可写作 $^{30}\mathrm{Si}(\mathrm{n},\gamma){}^{31}\mathrm{Si}\xrightarrow{\beta^-}{}^{31}\mathrm{P}$^[6][7]。同一元素的各同位素在晶体中天然混合均匀，因此由嬗变产生的掺杂原子在原理上也是均匀分布的^[8][3]。

对于重核，中子俘获与裂变是两条相互竞争的反应路径，通常分别用俘获截面和裂变截面来描述，中子数奇偶不同的锕系核素两者相差很大^[2]。在硅掺杂中，生成的磷浓度可用 $N_\mathrm{D}=N_{\mathrm{Si30}}\sigma\varphi t$ 估算，其中σ为热中子俘获截面（约0.11靶恩），φ为热中子注量率，t为照射时间；与此同时31P也会俘获中子生成半衰期约14.3天的32P，这是必须考虑的副反应^[9][7]。

发展历程

嬗变一词可追溯到炼金术时代。1901年，卢瑟福与索迪发现钍会自发转变为镭，这属于天然核嬗变；1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮-14得到氧-17，这是人类首次实现人工核反应^[1]。1932年，考克饶夫与沃尔顿用加速质子轰击锂-7；1938年，哈恩等人发现重核的核裂变。

中子嬗变在材料领域的应用出现较早。1951年已有研究者提出用核反应为硅掺杂；20世纪60年代初，Tanenbaum等人在研究堆中用中子照射硅，得到了电阻率均匀的n型硅^[8]。1974年，丹麦里索研究堆首次实现实用规模的中子嬗变掺杂辐照，1975年前后该技术随半导体工业发展走向实用化^[6]。此后许多研究堆陆续建立辐照装置，用于批量生产中子嬗变掺杂硅^[6][10]。

在核废料处理方面，把长寿命核素转变为短寿命或稳定核素的思路自20世纪80年代末起受到重视，日本等国陆续开展分离-嬗变研究^[11][12]。中国的研究人员自1995年起对加速器驱动洁净核能系统进行概念研究^[13][14]。有关综述指出，中子嬗变处理长寿命核废物的研究工作已有二十多年历史，20世纪90年代以来该领域十分活跃^[12]。

应用

半导体掺杂是当前最成熟的应用。用反应堆热中子照射区熔或直拉硅单晶，把其中的30Si转变为31P，即可得到n型硅，这种方法称为中子嬗变掺杂(NTD)^[3][6]。早期实验显示其掺杂偏差可控制在±5%以内；对6英寸硅单晶，常规掺杂的不均匀度约为±20%，而NTD法约为±5%^[8][6]。该产品用于大功率晶闸管、整流器、高压直流输电、粒子探测器与硅靶摄像管等器件^[3][15]。类似的反应还可用于锗、砷化镓、碳化硅和氮化镓等半导体材料的掺杂^[15][16]。

在核废料处理中，中子嬗变是分离-嬗变技术的核心环节：把乏燃料中的次量锕系核素和长寿命裂变产物分离出来，放入强中子场中转变为短寿命或稳定核素^[4]。可提供中子场的设施包括热中子堆、快中子堆和加速器驱动次临界系统(ADS)^[4]。ADS用强流质子加速器轰击散裂靶产生中子，驱动装载次量锕系燃料的次临界堆芯，被认为适合集中嬗变这类核素^[17][11]。有研究给出，ADS的嬗变能力比快中子堆高一个数量级^[4]。

在反应堆中，238U俘获中子生成239U，再经两次β衰变依次变成239Np和239Pu，这是钚的主要生成途径^[1]。嬗变反应也是制备超铀元素和多种医用放射性同位素的手段之一^[1]。中子活化分析则利用样品俘获中子后放出的特征辐射来测定其成分^[5]。

局限

中子辐照会在材料中留下晶格损伤：快中子的碰撞以及β、γ辐射引起的反冲都会造成位移缺陷，需要通过退火恢复晶格与电阻率，硅材料常用的退火温度在500至900℃之间^[3][18][7]。此外，生成的31P会继续俘获中子形成带有残余放射性的32P，辐照后的材料需要放置一段时间待其衰变^[7][3]。

对核废料而言，嬗变只能减少而不能消灭长寿命核素，地质处置库仍然不可缺少^[4]。热中子场中长寿命裂变产物的中子俘获截面很小，嬗变所需时间很长、效率偏低，通常需要改用快中子照射以提高裂变份额^[4]。

专用嬗变装置尚未工程化。ADS需要高功率质子加速器、铅铋散裂靶和次临界堆等一整套技术，目前仍处在研究与实验阶段^[17][13]。中子嬗变还高度依赖反应堆或加速器提供的中子，辐照只能安排在专门的中子场中进行，注量与照射时间必须精确控制^[7][6]。

参见

• 核嬗变 —— 中子嬗变是核嬗变中研究和应用最多的一类。

• 中子俘获 —— 中子嬗变最基本的反应步骤。

• 中子嬗变掺杂 —— 中子嬗变在半导体硅掺杂中的工业应用。

• 加速器驱动次临界系统 —— 借助加速器中子源嬗变长寿命核废料的装置。

• 分离-嬗变 —— 处理高放废物的技术路线，以嬗变为核心环节。

• 中子活化分析 —— 利用中子俘获引起的核素变化与特征辐射进行成分分析。