Temperatura de neutrones

Un neutrón térmico es un neutrón libre con una energía cinética de aproximadamente 0,025 eV (aproximadamente 4,0 × 10⁻²¹ ^J o 2,4 MJ/kg, por lo tanto, una velocidad de 2,19  km/s), que es la energía correspondiente a la velocidad más probable a una temperatura de 290 K (17  °C o 62  °F), el modo de la distribución de Maxwell-Boltzmann para esta temperatura, E _pico = k T.

Tras una serie de colisiones con núcleos ( dispersión ) en un medio ( moderador de neutrones ) a esta temperatura, los neutrones que no son absorbidos alcanzan aproximadamente este nivel de energía.

Los neutrones térmicos tienen una sección transversal de absorción de neutrones efectiva diferente y, en ocasiones, mucho mayor que la de los neutrones rápidos para un nucleido dado , por lo que a menudo pueden ser absorbidos más fácilmente por un núcleo atómico , creando como resultado un isótopo más pesado y, con frecuencia, inestable del elemento químico . Este fenómeno se denomina activación neutrónica .

Los neutrones epitérmicos son aquellos con energías superiores a la energía térmica a temperatura ambiente (es decir, 0,025 eV). Dependiendo del contexto, esto puede abarcar todas las energías hasta los neutrones rápidos (como en, por ejemplo, ^{[ 6 ] [ 7 ]} ).

Esto incluye neutrones producidos por conversión de protones acelerados en una geometría lanzador-receptor ^{[ 8 ].}

Los neutrones fríos son neutrones térmicos que se han equilibrado en una sustancia muy fría, como el deuterio líquido . Dicha fuente fría se coloca en el moderador de un reactor de investigación o una fuente de espalación. Los neutrones fríos son particularmente valiosos para experimentos de dispersión de neutrones . ^{[ 9 ]}

Los neutrones ultrafríos se producen por dispersión inelástica de neutrones fríos en sustancias con una sección transversal de absorción de neutrones baja a una temperatura de unos pocos kelvin, como el deuterio sólido ^{[ 10 ]} o el helio superfluido . ^{[ 11 ]} Un método de producción alternativo es la desaceleración mecánica de neutrones fríos aprovechando el desplazamiento Doppler. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Los neutrones ultrafríos se reflejan en todos los ángulos de incidencia. Esto se debe a que su momento es comparable al potencial óptico de los materiales. Este efecto se utiliza para almacenarlos en frascos y estudiar sus propiedades fundamentales ^{[ 5 ] [ 14 ]} , por ejemplo, su tiempo de vida, el momento dipolar eléctrico del neutrón, etc. Las principales limitaciones del uso de neutrones lentos son el bajo flujo y la falta de dispositivos ópticos eficientes (en el caso de CN y VCN). Se están desarrollando y optimizando componentes ópticos de neutrones eficientes para solucionar esta deficiencia. ^{[ 15 ]}

Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a 1 M eV (100 T J / kg ), por lo tanto, con una velocidad de 14 000 km/ s o superior. Se denominan neutrones rápidos para distinguirlos de los neutrones térmicos de menor energía y de los neutrones de alta energía producidos en lluvias cósmicas o aceleradores. Los neutrones rápidos se producen mediante procesos nucleares:   

• Fisión nuclear : fisión térmica del ²³⁵El uranio produce neutrones con una energía media de 2  MeV (200  TJ/kg, es decir, 20 000  km/s) ^{[ 16 ]} , lo que los clasifica como "rápidos". Sin embargo, el espectro de energía de estos neutrones sigue aproximadamente una distribución de Watt asimétrica a la derecha.${\displaystyle N(E)\propto \exp(-aE)\sinh({\sqrt {bE}})}$, ^{[ 17 ] [ 18 ]} con un rango de 0 a aproximadamente 17  MeV, ^{[ 16 ]} una mediana de 1,6  MeV, ^{[ 19 ]} y una moda de 0,75  MeV. ^{[ 16 ]} Una proporción significativa de neutrones de fisión no califica como "rápidos" incluso según el  criterio de 1 MeV.
• La fisión espontánea es un modo de desintegración radiactiva de algunos nucleidos pesados. Algunos ejemplos son el plutonio-240 y el californio-252 .
• Fusión nuclear : la fusión deuterio - tritio produce neutrones de 14,1  MeV (1400 TJ/kg,  es decir, 52 000  km/s, 17,3 % de la velocidad de la luz ) que pueden fisionar fácilmente el uranio-238 y otros actínidos no fisionables .
• La emisión de neutrones se produce cuando un núcleo contiene suficientes neutrones en exceso como para que la energía de separación de uno o más neutrones se vuelva negativa (es decir, los neutrones en exceso se desprenden del núcleo). Los núcleos inestables de este tipo suelen desintegrarse en menos de un segundo.

Los neutrones rápidos suelen ser indeseables en un reactor nuclear de estado estacionario, ya que la mayoría del combustible fisionable tiene una mayor tasa de reacción con los neutrones térmicos. Los neutrones rápidos pueden transformarse rápidamente en neutrones térmicos mediante un proceso llamado moderación. Esto se logra mediante numerosas colisiones con partículas (generalmente) más lentas y, por lo tanto, de menor temperatura, como los núcleos atómicos y otros neutrones. Estas colisiones generalmente aceleran la otra partícula y ralentizan el neutrón, dispersándolo. Idealmente, se utiliza un moderador de neutrones a temperatura ambiente para este proceso. En los reactores, se suele utilizar agua pesada , agua ligera o grafito para moderar los neutrones.

Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a1 MeV  (1,6 × 10 ⁻¹³ J  ), por lo tanto una velocidad de ~14 000  km/s (~ 5% de la velocidad de la luz). Se les llama neutrones de fisión o neutrones rápidos para distinguirlos de los neutrones térmicos de menor energía y de los neutrones de alta energía producidos en lluvias cósmicas o aceleradores. Los neutrones rápidos se producen mediante procesos nucleares como la fisión nuclear . Los neutrones producidos en la fisión, como se indicó anteriormente, tienen una distribución de Maxwell-Boltzmann de energías cinéticas de 0 a ~14 MeV, una energía media de 2 MeV (para los neutrones de fisión del ^235U ) y una moda de solo 0,75 MeV, lo que significa que más de la mitad de ellos no califican como rápidos (y, por lo tanto, casi no tienen posibilidades de iniciar la fisión en materiales fértiles , como ^{el 238U} y el ^232Th ).

Los neutrones rápidos se pueden convertir en neutrones térmicos mediante un proceso llamado moderación. Esto se realiza con un moderador de neutrones . En los reactores, normalmente se utiliza agua pesada , agua ligera o grafito para moderar los neutrones.

La fusión D-T ( deuterio - tritio ) es la reacción de fusión que produce los neutrones más energéticos, con 14,1 MeV de energía cinética y que viajan al 17 % de la velocidad de la luz . La fusión D-T es también la reacción de fusión más fácil de iniciar, alcanzando tasas cercanas al máximo incluso cuando los núcleos de deuterio y tritio tienen solo una milésima parte de la energía cinética de los 14,1 MeV que se producirán.  

Los neutrones de 14,1  MeV tienen aproximadamente 10 veces más energía que los neutrones de fisión y son muy eficaces para fisionar incluso núcleos pesados ​​no fisionables . Estas fisiones de alta energía también producen más neutrones en promedio que las fisiones producidas por neutrones de menor energía. Por lo tanto, las fuentes de neutrones de fusión D-T, como los reactores de potencia tokamak propuestos , son útiles para la transmutación de desechos transuránicos. Los neutrones de 14,1 MeV también pueden producir neutrones al desprenderlos de los núcleos . 

Por otro lado, es menos probable que estos neutrones de muy alta energía sean capturados sin causar fisión o espalación . Por estas razones, el diseño de armas nucleares utiliza ampliamente neutrones de fusión D-T de 14,1  MeV para provocar más fisión . Los neutrones de fusión pueden causar fisión en materiales normalmente no fisionables, como el uranio empobrecido (uranio-238), y estos materiales se han utilizado en las cubiertas de armas termonucleares . Los neutrones de fusión también pueden causar fisión en sustancias que no son adecuadas o son difíciles de convertir en bombas de fisión primarias, como el plutonio de grado reactor . Este hecho físico hace que los materiales comunes no aptos para armas nucleares sean motivo de preocupación en ciertos debates y tratados sobre proliferación nuclear .

Otras reacciones de fusión producen neutrones mucho menos energéticos. La fusión D–D produce un  neutrón de 2,45 MeV y helio-3 la mitad del tiempo, y produce tritio y un protón, pero ningún neutrón, el resto del tiempo. La fusión D– ^³He no produce ningún neutrón.

Un neutrón de energía de fisión que se ha ralentizado pero que aún no ha alcanzado energías térmicas se denomina neutrón epitérmico.

Las secciones transversales tanto para las reacciones de captura como de fisión suelen presentar múltiples picos de resonancia en energías específicas dentro del rango de energía epitérmica. Estos picos tienen menor relevancia en un reactor de neutrones rápidos , donde la mayoría de los neutrones se absorben antes de disminuir su velocidad hasta este rango, o en un reactor térmico bien moderado , donde los neutrones epitérmicos interactúan principalmente con los núcleos moderadores, y no con los nucleidos de actínidos fisionables o fértiles . Sin embargo, en un reactor parcialmente moderado, con mayor interacción de los neutrones epitérmicos con los núcleos de metales pesados, existen mayores posibilidades de que se produzcan cambios transitorios en la reactividad , lo que podría dificultar el control del reactor.

Las proporciones de reacciones de captura respecto a las de fisión también son peores (más capturas sin fisión) en la mayoría de los combustibles nucleares, como el plutonio-239 , lo que hace que los reactores de espectro epitérmico que utilizan estos combustibles sean menos deseables, ya que las capturas no solo desperdician el neutrón capturado, sino que también suelen dar como resultado un nucleido que no es fisionable con neutrones térmicos o epitérmicos, aunque sí lo es con neutrones rápidos. La excepción es el uranio-233 del ciclo del torio , que presenta buenas proporciones de captura-fisión en todas las energías de neutrones.

Los neutrones de alta energía tienen mucha más energía que los neutrones de fisión y se generan como partículas secundarias por aceleradores de partículas o en la atmósfera a partir de rayos cósmicos . Estos neutrones de alta energía son extremadamente eficientes en la ionización y tienen mucha más probabilidad de causar la muerte celular que los rayos X o los protones. ^{[ 20 ] [ 21 ]}