Captura de neutrones

La captura de neutrones es una reacción nuclear en la que un núcleo atómico y uno o más neutrones colisionan y se fusionan para formar un núcleo más pesado. ^{[ 1 ]} Dado que los neutrones no tienen carga eléctrica, pueden entrar en un núcleo más fácilmente que los protones con carga positiva , que son repelidos electrostáticamente . ^{[ 1 ]}

La captura de neutrones juega un papel significativo en la nucleosíntesis cósmica de elementos pesados. En las estrellas puede proceder de dos maneras: como un proceso rápido ( proceso r ) o un proceso lento ( proceso s ). ^{[ 1 ]} Los núcleos de masas mayores a 56 no pueden formarse por reacciones termonucleares exotérmicas (es decir, por fusión nuclear ) pero pueden formarse por captura de neutrones. ^{[ 1 ]} La captura de neutrones en protones produce una línea a 2,223 MeV predicha ^{[ 2 ]} y comúnmente observada ^{[ 3 ]} en erupciones solares .

Con un flujo de neutrones bajo , como en un reactor nuclear , un núcleo captura un solo neutrón. Por ejemplo, cuando el oro natural ( ^¹⁹⁷Au ) se irradia con neutrones (n), se forma el isótopo ^¹⁹⁸Au en un estado altamente excitado, que se desintegra rápidamente al estado fundamental de ^¹⁹⁸Au mediante la emisión de rayos gamma ( γ ). En este proceso, el número másico aumenta en uno. Esto se expresa mediante la fórmula ^¹⁹⁷Au + n → ^¹⁹⁸Au + γ , o, de forma abreviada, ¹⁹⁷Au ⁽ n,γ) ^¹⁹⁸Au . Si se utilizan neutrones térmicos , el proceso se denomina captura térmica.

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

El proceso r ocurre dentro de las estrellas si la densidad de flujo de neutrones es tan alta que el núcleo atómico no tiene tiempo de desintegrarse por emisión beta entre capturas de neutrones. Por lo tanto, el número másico aumenta considerablemente, mientras que el número atómico (es decir, el elemento) permanece constante. Cuando ya no es posible capturar más neutrones, los núcleos altamente inestables se desintegran mediante múltiples desintegraciones β⁻ ^, dando lugar a isótopos beta-estables de elementos con números atómicos más altos.

La sección transversal de absorción de neutrones de un isótopo de un elemento químico es el área de sección transversal efectiva que un átomo de ese isótopo presenta a la absorción y es una medida de la probabilidad de captura de neutrones. Generalmente se mide en barns .

La sección transversal de absorción suele depender en gran medida de la energía del neutrón . En general, la probabilidad de absorción es proporcional al tiempo que el neutrón permanece cerca del núcleo. El tiempo que pasa cerca del núcleo es inversamente proporcional a la velocidad relativa entre el neutrón y el núcleo. Otros aspectos más específicos modifican este principio general. Dos de las medidas más específicas son la sección transversal de 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 nucleido en particular , generalmente por encima del rango térmico, pero que se presentan cuando la moderación de neutrones ralentiza al neutrón desde una energía inicial alta.

La energía térmica del núcleo también influye; a medida que aumenta la temperatura, el ensanchamiento Doppler incrementa la probabilidad de detectar un pico de resonancia. En particular, el aumento de la capacidad del uranio-238 para absorber neutrones a temperaturas más elevadas (y hacerlo sin fisionarse) constituye un mecanismo de retroalimentación negativa que contribuye a mantener bajo control los reactores nucleares.

La captura de neutrones interviene en la formación de isótopos de elementos químicos. Por lo tanto, la energía de captura de neutrones influye en la entalpía estándar de formación de los isótopos.

El análisis por activación neutrónica permite detectar de forma remota la composición química de los materiales. Esto se debe a que, al absorber neutrones, los distintos elementos emiten radiaciones características diferentes. Por ello, resulta útil en diversos campos relacionados con la exploración minera y la seguridad.

En ingeniería, el absorbente de neutrones más importante es el 10B ^, utilizado como carburo de boro en barras de control de reactores nucleares o como ácido bórico como aditivo de agua de refrigeración en reactores de agua a presión . Otros absorbentes de neutrones utilizados en reactores nucleares son xenón , cadmio , hafnio , gadolinio , cobalto , samario , titanio , disprosio , erbio , europio , molibdeno e iterbio . ^{[ 4 ]} Todos estos se encuentran en la naturaleza como mezclas de varios isótopos, algunos de los cuales son excelentes absorbentes de neutrones. Pueden encontrarse en compuestos como boruro de molibdeno, diboruro de hafnio , diboruro de titanio , titanato de disprosio y titanato de gadolinio .

El hafnio absorbe neutrones con avidez y puede utilizarse en las barras de control de los reactores . Sin embargo, se encuentra en los mismos minerales que el circonio , que comparte la misma configuración electrónica externa 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 prácticamente transparente a los neutrones, es muy valorado para las partes internas de los reactores, incluido el revestimiento metálico de las barras de combustible . Para utilizar estos elementos en sus respectivas aplicaciones, el circonio debe separarse del hafnio, que se encuentra de forma natural junto a él. Esto puede lograrse de forma económica con resinas de intercambio iónico . ^{[ 5 ]}

• Desintegración beta
• Radiactividad inducida
• Lista de partículas
• Emisión de neutrones
• Desintegración radiactiva
• Rayos: α — β — γ — δ
• Proceso p (captura de protones)

• XSPlot, un graficador en línea de secciones transversales de neutrones
• Datos de captura de neutrones térmicos
• Secciones transversales de neutrones térmicos en el Organismo Internacional de Energía Atómica