Captura de neutrones - Neutron capture

Gráfico de nucleidos que muestra los valores de la sección transversal de captura de neutrones térmicos

La captura de neutrones es una reacción nuclear en la que un núcleo atómico y uno o más neutrones chocan y se fusionan para formar un núcleo más pesado. Dado que los neutrones no tienen carga eléctrica, pueden entrar en un núcleo más fácilmente que los protones cargados positivamente , que son repelidos electrostáticamente .

La captura de neutrones juega un papel importante en la nucleosíntesis cósmica de elementos pesados. En las estrellas puede proceder de dos formas: como un proceso rápido (proceso r ) o como un proceso lento (proceso s ). Los núcleos de masas superiores a 56 no pueden formarse por reacciones termonucleares (es decir, por fusión nuclear ), pero pueden formarse por captura de neutrones. La captura de neutrones en los protones produce una línea de 2,223 MeV prevista y comúnmente observada en las erupciones solares .

Captura de neutrones con un flujo de neutrones pequeño

Con un flujo de neutrones pequeño , como en un reactor nuclear , un núcleo captura un solo neutrón. Por ejemplo, cuando el oro natural ( 197 Au) es irradiado por neutrones (n), el isótopo 198 Au se forma en un estado muy excitado y rápidamente decae al estado fundamental de 198 Au por la emisión de rayos gamma (γ). En este proceso, el número de masa aumenta en uno. Esto se escribe como una fórmula en la forma 197 Au + n → 198 Au + γ, o en forma abreviada 197 Au (n, γ) 198 Au. Si se utilizan neutrones térmicos , el proceso se denomina captura térmica.

El isótopo 198 Au es un emisor beta que se descompone en el isótopo de mercurio 198 Hg. En este proceso, el número atómico aumenta en uno.

Captura de neutrones con alto flujo de neutrones

El proceso r ocurre dentro de las estrellas si la densidad del flujo de neutrones es tan alta que el núcleo atómico no tiene tiempo para desintegrarse a través de la emisión beta entre las capturas de neutrones. Por lo tanto, el número másico aumenta en gran medida mientras que el número atómico (es decir, el elemento) permanece igual. Cuando además la captura de neutrones ya no es posible, los núcleos altamente inestables decaen a través de muchos β - decae a beta-estables isótopos de elementos números más altos.

Capturar sección transversal

La sección transversal del neutrón de absorción de un isótopo de un elemento químico es el área de la sección transversal efectiva que un átomo de ese isótopo presenta a la absorción y es una medida de la probabilidad de captura de neutrones. Suele medirse en graneros .

La sección transversal de absorción a menudo depende en gran medida de la energía de los neutrones . En general, la probabilidad de absorción es proporcional al tiempo que el neutrón está cerca del núcleo. El tiempo que se pasa en las proximidades del núcleo es inversamente proporcional a la velocidad relativa entre el neutrón y el núcleo. Otros temas más específicos modifican este principio general. Dos de las medidas más especificadas son la sección transversal para la absorción de neutrones térmicos y la integral de resonancia, que considera la contribución de los picos de absorción a ciertas energías de neutrones específicas de un núclido en particular , generalmente por encima del rango térmico, pero que se encuentran cuando la moderación del neutrón lo ralentiza de una alta energía original.

La energía térmica del núcleo también influye; a medida que aumentan las temperaturas, el ensanchamiento del Doppler aumenta la posibilidad de captar un pico de resonancia. En particular, el aumento de la capacidad del uranio-238 para absorber neutrones a temperaturas más altas (y hacerlo sin fisionarse) es un mecanismo de retroalimentación negativa que ayuda a mantener bajo control los reactores nucleares.

Importancia termoquímica

La captura de neutrones está involucrada en la formación de isótopos de elementos químicos. La energía de captura de neutrones interviene así en la entalpía estándar de formación de isótopos.

Usos

El análisis de activación de neutrones se puede utilizar para detectar de forma remota la composición química de los materiales. Esto se debe a que los diferentes elementos liberan una radiación característica diferente cuando absorben neutrones. Esto lo hace útil en muchos campos relacionados con la exploración y seguridad mineras.

Absorbedores de neutrones

Sección transversal de neutrones de boro (la curva superior es para 10 B y la curva inferior para 11 B)

En ingeniería, el absorbedor de neutrones más importante es el 10 B , utilizado como carburo de boro en barras de control de reactores nucleares o como ácido bórico como aditivo de agua refrigerante en reactores de agua a presión . Otros absorbedores de neutrones utilizados en reactores nucleares son xenón , cadmio , hafnio , gadolinio , cobalto , samario , titanio , disprosio , erbio , europio , molibdeno e iterbio . Todos estos ocurren en la naturaleza como mezclas de varios isótopos, algunos de los cuales son excelentes absorbentes de neutrones. Pueden aparecer en compuestos como boruro de molibdeno, diboruro de hafnio , diboruro de titanio , titanato de disprosio y titanato de gadolinio .

El hafnio absorbe los neutrones con avidez y se puede utilizar en barras de control de reactores . Sin embargo, se encuentra en los mismos minerales que el circonio , que comparte la misma configuración de capa externa de electrones y, por lo tanto, tiene propiedades químicas similares. Sus propiedades nucleares son profundamente diferentes: el hafnio absorbe neutrones 600 veces mejor que el circonio. Este último, al ser esencialmente transparente a los neutrones, es apreciado para las partes internas del reactor, incluido el revestimiento metálico de las barras de combustible . Para utilizar estos elementos en sus respectivas aplicaciones, el circonio debe separarse del hafnio que coexiste naturalmente. Esto se puede lograr de forma económica con resinas de intercambio iónico .

Ver también

Referencias

enlaces externos