Activación de neutrones

Ciencia con neutrones
Cimientos
Temperatura del neutrón Flujo , radiación , transporte Sección transversal , Absorción , Activación
Dispersión de neutrones
Difracción de neutrones Dispersión de neutrones de ángulo pequeño GISANOS Reflectometría Dispersión inelástica de neutrones Espectómetro de tres ejes Espectrómetro de tiempo de vuelo Espectrómetro de retrodispersión Espectrómetro de eco de espín
Otras aplicaciones
Tomografía de neutrones Análisis de activación , Análisis de activación gamma rápido Investigación fundamental con neutrones: Neutrones ultrafríos , Interferometría Terapia con neutrones rápidos Terapia de captura de neutrones
Infraestructura
Fuentes de neutrones : reactor de investigación , espalación , moderador de neutrones Óptica neutrónica: reflector , superespejo Detección
Instalaciones de neutrones
América: HFIR , LANSCE , NIST CNR - SNS Australia: ÓPALO Asia: J-PARC , Hanarō Europa: BER II , FRM II , ILL , ISIS Fuente de neutrones y muones , JINR , SINQ Histórico: IPNS , HFBR En construcción: ESS
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La activación neutrónica es el proceso en el que la radiación neutrónica induce radiactividad en los materiales, y ocurre cuando los núcleos atómicos capturan neutrones libres , volviéndose más pesados ​​y entrando en estados excitados . El núcleo excitado se desintegra inmediatamente emitiendo rayos gamma , o partículas como partículas beta , partículas alfa , productos de fisión y neutrones (en la fisión nuclear ). Por lo tanto, el proceso de captura de neutrones , incluso después de cualquier desintegración intermedia, a menudo da como resultado la formación de un producto de activación inestable . Dichos núcleos radiactivos pueden presentar vidas medias que van desde pequeñas fracciones de segundo hasta muchos años.

La activación neutrónica es la única forma común en que un material estable puede ser inducido a volverse intrínsecamente radiactivo. Todos los materiales naturales, incluidos el aire, el agua y el suelo, pueden ser inducidos (activados) por captura de neutrones en cierta cantidad de radiactividad en diversos grados, como resultado de la producción de radioisótopos ricos en neutrones . ^{[ cita requerida ]} Algunos átomos requieren más de un neutrón para volverse inestables, lo que los hace más difíciles de activar porque la probabilidad de una captura doble o triple por un núcleo es menor que la de una captura simple. El agua, por ejemplo, está compuesta de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno requiere una doble captura para alcanzar la inestabilidad como el tritio ( hidrógeno-3 ), mientras que el oxígeno natural ( oxígeno-16 ) requiere tres capturas para convertirse en oxígeno-19 inestable . Por lo tanto, el agua es relativamente difícil de activar, en comparación con el cloruro de sodio ( Na Cl ), en el que tanto los átomos de sodio como de cloro se vuelven inestables con una sola captura cada uno. Estos hechos se vivieron durante la serie de pruebas atómicas Operación Crossroads en 1946.

Un ejemplo de este tipo de reacción nuclear se produce en la producción de cobalto-60 dentro de un reactor nuclear : el cobalto-60 se desintegra mediante la emisión de una partícula beta más rayos gamma en níquel -60. Esta reacción tiene una vida media de unos 5,27 años y, debido a la disponibilidad de cobalto-59 (100% de su abundancia natural ), este isótopo de cobalto bombardeado con neutrones es una valiosa fuente de radiación nuclear (en concreto, radiación gamma) para radioterapia . ^[1]

⁵⁹
₂₇Co
+¹
₀norte
→⁶⁰
₂₇Co

En otros casos, y dependiendo de la energía cinética del neutrón, la captura de un neutrón puede provocar una fisión nuclear , es decir, la división del núcleo atómico en dos núcleos más pequeños. Si la fisión requiere un aporte de energía, ésta procede de la energía cinética del neutrón. Un ejemplo de este tipo de fisión en un elemento ligero puede ocurrir cuando el isótopo estable del litio , el litio-7 , es bombardeado con neutrones rápidos y experimenta la siguiente reacción nuclear:

⁷
₃Li
+¹
₀norte
→⁴
₂Él
+³
₁yo
+¹
₀norte
+ rayos gamma + energía cinética

En otras palabras, la captura de un neutrón por el litio-7 hace que se divida en un núcleo energético de helio ( partícula alfa ), un núcleo de hidrógeno-3 ( tritio ) y un neutrón libre. El accidente de Castle Bravo , en el que la prueba de la bomba termonuclear en el atolón de Bikini en 1954 explotó con un rendimiento 2,5 veces superior al esperado, fue causado por la probabilidad inesperadamente alta de esta reacción.

En el área que rodea a un reactor de agua presurizada o un reactor de agua en ebullición durante su funcionamiento normal, se produce una cantidad significativa de radiación debido a la activación rápida de neutrones del oxígeno del agua refrigerante a través de una reacción (n,p) . El núcleo de oxígeno-16 activado emite un protón (núcleo de hidrógeno) y se transmuta en nitrógeno-16, que tiene una vida muy corta (7,13 segundos) antes de desintegrarse nuevamente en oxígeno-16 (emitiendo partículas beta de 10,4 MeV y radiaciones gamma de 6,13 MeV). ^[2]

¹⁶
₈Oh
+¹
₀norte
→¹
₁pag
+¹⁶
₇norte
(Se desintegra rápidamente)

¹⁶
₇norte
→
gamma
+⁰
_-1mi^-
+¹⁶
₈Oh

Esta activación del agua refrigerante requiere una protección biológica adicional alrededor de la planta del reactor nuclear. La principal preocupación son los rayos gamma de alta energía de la segunda reacción. Por eso, el agua que ha estado recientemente en el interior del núcleo de un reactor nuclear debe protegerse hasta que esta radiación disminuya. Por lo general, basta con uno o dos minutos.

En las instalaciones que albergan un ciclotrón, la base de hormigón armado puede volverse radiactiva debido a la activación neutrónica. Se pueden encontrar seis importantes isótopos radiactivos de larga duración (54Mn, ⁵⁵ Fe , ⁶⁰ Co , 65Zn, 133Ba y 152Eu) dentro de los núcleos de hormigón afectados por neutrones. ^[3] La radiactividad residual se debe predominantemente a los elementos traza presentes y, por lo tanto, la cantidad de radiactividad derivada de la activación del ciclotrón es minúscula, es decir, pCi/g o Bq/g . El límite de liberación para instalaciones con radiactividad residual es de 25 mrem/año. ^[4] A continuación se muestra un ejemplo de producción de ⁵⁵ Fe a partir de la activación del hierro en las barras de refuerzo que se encuentran en el hormigón:

⁵⁴
₂₆Fé
+¹
₀norte
→⁵⁵
₂₆Fé

La activación neutrónica es la única forma habitual de inducir a un material estable a volverse intrínsecamente radiactivo. La activación es inherentemente diferente de la contaminación. Los neutrones solo están libres en cantidad en los microsegundos de la explosión de un arma nuclear, en un reactor nuclear activo o en una fuente de neutrones por espalación .

En un arma atómica, los neutrones se generan durante sólo entre 1 y 50 microsegundos, pero en cantidades enormes. La mayoría son absorbidos por la carcasa metálica de la bomba, que apenas está empezando a verse afectada por la explosión en su interior. La activación por neutrones del metal que pronto se vaporizará es responsable de una parte importante de la precipitación radiactiva en las explosiones nucleares en la atmósfera. En otros tipos de activación, los neutrones pueden irradiar el suelo que se dispersa en una nube de hongo en la superficie de la Tierra o cerca de ella, lo que da lugar a una precipitación radiactiva por activación de los elementos químicos del suelo.

En cualquier lugar con altos flujos de neutrones , como dentro de los núcleos de los reactores nucleares, la activación neutrónica contribuye a la erosión del material y periódicamente los materiales de revestimiento deben eliminarse como desechos de baja radiactividad . Algunos materiales están más sujetos a la activación neutrónica que otros, por lo que un material de baja activación adecuadamente elegido puede reducir significativamente este problema (véase Instalación internacional de irradiación de materiales de fusión ). Por ejemplo, el cromo-51 se formará por activación neutrónica en acero cromado (que contiene Cr-50) que esté expuesto a un flujo de neutrones típico de reactor. ^[5]

El carbono-14 , generado con mayor frecuencia pero no exclusivamente por la activación neutrónica del nitrógeno-14 atmosférico con un neutrón térmico , se genera (junto con su vía de producción natural dominante a partir de interacciones entre rayos cósmicos y aire y la producción histórica a partir de pruebas nucleares atmosféricas ) también en cantidades comparativamente minúsculas dentro de muchos diseños de reactores nucleares que contienen impurezas de gas nitrógeno en su vaina de combustible , agua refrigerante y por activación neutrónica del oxígeno contenido en el agua misma. Los reactores reproductores rápidos (FBR) producen aproximadamente un orden de magnitud menos de C-14 que el tipo de reactor más común, el reactor de agua presurizada , ya que los FBR no utilizan agua como refrigerante primario. ^[6]

Para los médicos y los responsables de seguridad radiológica, la activación del sodio en el cuerpo humano a sodio-24 y del fósforo a fósforo-32 puede proporcionar una buena estimación inmediata de la exposición accidental aguda a neutrones. ^[7]

Una forma de demostrar que se ha producido una fusión nuclear dentro de un dispositivo fusor es utilizar un contador Geiger para medir la radiactividad de los rayos gamma que se produce a partir de una lámina de papel de aluminio .

En el método de fusión ICF , el rendimiento de fusión del experimento (directamente proporcional a la producción de neutrones) se determina generalmente midiendo las emisiones de rayos gamma de los objetivos de activación de neutrones de aluminio o cobre. ^[8] El aluminio puede capturar un neutrón y generar sodio-24 radiactivo , que tiene una vida media de 15 horas ^{[9] [10]} y una energía de desintegración beta de 5,514 MeV. ^[11]

La activación de una serie de elementos de prueba como el azufre , el cobre, el tantalio y el oro se ha utilizado para determinar el rendimiento tanto de la fisión pura ^{[12] [13]} como de las armas termonucleares . ^[14]

El análisis por activación neutrónica es uno de los métodos más sensibles y precisos para el análisis de oligoelementos. No requiere preparación ni solubilización de la muestra, por lo que puede aplicarse a objetos que deben conservarse intactos, como una valiosa pieza de arte. Aunque la activación induce radiactividad en el objeto, su nivel suele ser bajo y su vida útil puede ser corta, por lo que sus efectos desaparecen pronto. En este sentido, la activación neutrónica es un método de análisis no destructivo.

El análisis de activación neutrónica se puede realizar in situ. Por ejemplo, el aluminio (Al-27) se puede activar capturando neutrones de energía relativamente baja para producir el isótopo Al-28 , que se desintegra con una vida media de 2,3 minutos y una energía de desintegración de 4,642 MeV. ^[15] Este isótopo activado se utiliza en la perforación petrolera para determinar el contenido de arcilla (la arcilla es generalmente un aluminosilicato ) del área subterránea en exploración. ^[16]

Los historiadores pueden utilizar la activación accidental de neutrones para autentificar artefactos atómicos y materiales sometidos a flujos de neutrones a partir de incidentes de fisión. Por ejemplo, uno de los raros isótopos encontrados en la trinitita , y por lo tanto cuya ausencia probablemente signifique que se trata de una muestra falsa del mineral, es un producto de activación de neutrones de bario; el bario en el dispositivo Trinity proviene de la lente explosiva lenta empleada en el dispositivo, conocida como Baratol . ^[17]

La irradiación de neutrones se puede utilizar para láminas de silicio de zona flotante ( obleas ) para desencadenar la transmutación fraccionaria de átomos de Si en fósforo (P) y, por lo tanto, doparlo en silicio de tipo n ^{[18] : 366}

${\displaystyle {\ce {_14^{30}Si}}+neutron\xrightarrow {} {\ce {_14^{31}Si}}+\gamma -ray\xrightarrow {2.62hr} {\ce {_15^{31}P}}+\beta -ray}$

• Radiactividad inducida
• Análisis de activación neutrónica
• Fragilización neutrónica
• El fósforo-32 se produce cuando el azufre captura un neutrón.
• Bomba salada
• Tabla de nucleidos

• Análisis de activación neutrónica en la web
• Manual sobre secciones transversales de activación nuclear, OIEA, 1974
• Datos de desintegración en formato MIRD del Centro Nacional de Datos Nucleares del Laboratorio Nacional de Brookhaven
• Captura de neutrones en relación con la nucleosíntesis
• Captura de neutrones y el gráfico de los nucleidos
• El gráfico de los nucleidos
• Descubrimiento de los isótopos del cromo, cromo-55, mediante captura de neutrones en Cr-54
• ORILL: transmutación 1D, agotamiento de combustible y código de protección radiológica

• Ejército de los Estados Unidos (1952). Informe final de la Operación Ivy, Fuerza de Tarea Conjunta 132 (PDF) . Archivado (PDF) del original el 11 de marzo de 2014.