¿Qué es el neutrón? Definición

¿Qué es el neutrón?

Un neutrón es una de las partículas subatómicas que forman la materia. En el universo, los neutrones son abundantes y constituyen más de la mitad de toda la materia visible. No tiene carga eléctrica y una masa en reposo igual a 1,67493 × 10-27 kg, marginalmente mayor que la del protón pero casi 1839 veces mayor que la del electrón. El neutrón tiene un radio cuadrático medio de aproximadamente 0,8 × 10-15 m, o 0,8 fm, y es un fermión de espín ½.

Los neutrones existen en los núcleos de los átomos típicos, junto con sus homólogos cargados positivamente, los protones. Los neutrones y protones, comúnmente llamados nucleones , están unidos en el núcleo atómico, donde representan el 99,9 por ciento de la masa del átomo. La investigación en física de partículas de alta energía en el siglo XX reveló que ni el neutrón ni el protón no son los bloques de construcción más pequeños de la materia. Los protones y neutrones también tienen su estructura. Dentro de los protones y neutrones, encontramos verdaderas partículas elementales llamadas quarks . Dentro del núcleo, los protones y neutrones están unidos mediante la fuerza fuerte, una interacción fundamental que gobierna el comportamiento de los quarks que componen los protones y neutrones individuales.

La estabilidad nuclear está determinada por la competencia entre dos interacciones fundamentales. Los protones y los neutrones se atraen entre sí mediante una fuerza fuerte. Por otro lado, los protones se repelen entre sí a través de la fuerza eléctrica debido a su carga positiva. Por lo tanto, los neutrones dentro del núcleo actúan como un pegamento nuclear, los neutrones se atraen entre sí y los protones, lo que ayuda a compensar la repulsión eléctrica entre los protones. Solo existen ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman núcleos estables. Por ejemplo, el nucleido más común del elemento químico común plomo (Pb) tiene 82 protones y 126 neutrones.

Curva de energía de enlace nuclear.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Debido a la fuerza de la fuerza nuclear a distancias cortas , la energía de enlace nuclear (la energía necesaria para desmontar un núcleo de un átomo en sus partes componentes) de los nucleones es más de siete órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une los electrones en los átomos. . Las reacciones nucleares (como la fisión nuclear o la fusión nuclear ) tienen, por tanto, una densidad de energía que es más de 10 000 000 veces la de las reacciones químicas.
El conocimiento del comportamiento y las propiedades de los neutrones es fundamental para la producción de energía nuclear . Poco después del descubrimiento del neutrón en 1932, se comprendió rápidamente que los neutrones podrían actuar para formar una reacción nuclear en cadena . Cuando se descubrió la fisión nuclear en 1938, quedó claro que, si una reacción de fisión producía neutrones libres , cada uno de estos neutrones podría provocar una reacción de fisión adicional en una cascada conocida como reacción en cadena . El conocimiento de las secciones transversales (el parámetro clave que representa la probabilidad de interacción entre un neutrón y un núcleo) se volvió fundamental para el diseño de núcleos de reactores y la primera arma nuclear (Trinity, 1945).

Descubrimiento del neutrón

La historia del descubrimiento del neutrón y sus propiedades es fundamental para los extraordinarios desarrollos de

la física atómica ocurridos en la primera mitad del siglo XX. El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick , pero desde la época de Ernest Rutherford se sabía que el número de masa atómica A de los núcleos es un poco más del doble del número atómico Z para la mayoría de los átomos y que esencialmente todos los La masa del átomo se concentra en el núcleo relativamente pequeño. El modelo de Rutherford para el átomo en 1911 afirma que los átomos tienen su masa y carga positiva concentrada en un núcleo muy pequeño.

Cámara de Chadwicks. — Cámara de neutrones de Chadwick que contiene discos paralelos de polonio y berilio radiactivo. La radiación se emite desde una ventana de aluminio al final de la cámara.
Fuente: imgkid.com

Un avance experimental se produjo en 1930 con la observación de Bothe y Becker. Descubrieron que si las partículas alfa muy energéticas emitidas por el polonio caían sobre ciertos elementos ligeros , específicamente berilio, boro o litio, una radiación inusualmente penetrantefue producido. Dado que esta radiación no estaba influenciada por un campo eléctrico (los neutrones no tienen carga), supusieron que eran rayos gamma (pero mucho más penetrantes). Se demostró (Curie y Joliot) que cuando se bombardea un objetivo de parafina con esta radiación, expulsa protones con una energía de aproximadamente 5,3 MeV. La parafina tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo que ofrece un objetivo denso en protones (dado que los neutrones y los protones tienen una masa casi igual, los protones se dispersan energéticamente a partir de los neutrones). Estos resultados experimentales fueron difíciles de interpretar. James Chadwick pudo demostrar que la partícula neutra no podía ser un fotón bombardeando objetivos distintos del hidrógeno, incluidos nitrógeno, oxígeno, helio y argón. Estos no solo eran incompatibles con la emisión de fotones por motivos de energía, la sección transversalpara las interacciones fue órdenes de magnitud mayor que para la dispersión de Compton por fotones. En Roma, el joven físico Ettore Majorana sugirió que la forma en que la nueva radiación interactuaba con los protones requería una nueva partícula neutra.

La tarea consistía en determinar la masa de esta partícula neutra. James Chadwick optó por bombardear boro con partículas alfa y analizar la interacción de las partículas neutras con nitrógeno. Estos objetivos particulares se eligieron en parte porque las masas de boro y nitrógeno eran bien conocidas. Usando cinemática, Chadwick pudo determinar la velocidad de los protones. Luego, mediante técnicas de conservación de la cantidad de movimiento, pudo determinar que la masa de la radiación neutra era casi exactamente la misma que la de un protón. En 1932, Chadwick propuso que la partícula neutra era el neutrón de Rutherford. En 1935, recibió el Premio Nobel por su descubrimiento.

Ver también: Descubrimiento del neutrón

Estructura del neutrón

Estructura de quarks del neutrón — La estructura de quarks del neutrón. La asignación de color de los quarks individuales es arbitraria, pero los tres colores deben estar presentes. Las fuerzas entre quarks están mediadas por gluones.

Los neutrones y protones se clasifican como hadrones , partículas subatómicas que están sujetas a la fuerza fuerte y como bariones ya que están compuestos por tres quarks . El neutrón es una partícula compuesta formada por dos quarks abajo con carga −⅓ e y un quark arriba con carga + ⅔ e. Dado que el neutrón no tiene carga eléctrica neta , no se ve afectado por las fuerzas eléctricas, pero el neutrón tiene una ligera distribución de carga eléctrica dentro de él. Esto da como resultado un momento magnético distinto de cero (momento dipolar) del neutrón. Por lo tanto, el neutrón interactúa también a través de la interacción electromagnética, pero mucho más débil que el protón.

La masa del neutrón es 939,565 MeV / c ² , mientras que la masa de los tres quarks es sólo de unos 12 MeV / c ² (sólo alrededor del 1% de la masa-energía del neutrón). Al igual que el protón, la mayor parte de la masa (energía) del neutrón está en forma de energía de fuerza nuclear fuerte (gluones). Los quarks del neutrón se mantienen unidos por gluones, las partículas de intercambio por la fuerza nuclear fuerte. Los gluones llevan la carga de color de la fuerza nuclear fuerte.

Ver también: Estructura del neutrón

Propiedades del neutrón

Las propiedades clave de los neutrones se resumen a continuación:

El radio cuadrático medio de un neutrón es ~ 0,8 x ^10-15 m (0,8 fermi)
La masa del neutrón es 939,565 MeV / c ²
Los neutrones son partículas de ½ espín – estadísticas fermiónicas
Los neutrones son partículas neutras , sin carga eléctrica neta.
Los neutrones tienen un momento magnético distinto de cero .
Los neutrones libres (fuera de un núcleo) son inestables y se desintegran a través de la desintegración beta. La desintegración del neutrón implica la interacción débil y está asociada con una transformación de quark (un quark abajo se convierte en un quark arriba).
La vida media de un neutrón libre es de 882 segundos (es decir , la vida media es de 611 segundos).
Un fondo de neutrones naturales de neutrones libres existe en todas partes de la Tierra y es causado por los muones producidos en la atmósfera, donde los rayos cósmicos de alta energía chocan con las partículas de la atmósfera terrestre.
Los neutrones no pueden causar ionización directamente . Los neutrones ionizan la materia sólo indirectamente.
Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción. La radiación de neutrones es muy penetrante .
Los neutrones desencadenan la fisión nuclear .
El proceso de fisión produce neutrones libres (2 o 3).
Los neutrones térmicos o fríos tienen longitudes de onda similares a los espaciamientos atómicos. Se pueden utilizar en experimentos de difracción de neutrones para determinar la estructura atómica y / o magnética de un material.

Consulte también: Propiedades del neutrón

Neutron Energy

Los neutrones libres se pueden clasificar según su energía cinética. Esta energía generalmente se expresa en electronvoltios (eV). El término temperatura también puede describir esta energía que representa el equilibrio térmico entre un neutrón y un medio con una determinada temperatura.

Clasificación de neutrones libres según energías cinéticas

Neutrones fríos (0 eV; 0,025 eV). Neutrones en equilibrio térmico con entornos muy fríos como el deuterio líquido. Este espectro se utiliza para experimentos de dispersión de neutrones.
Neutrones térmicos . Neutrones en equilibrio térmico con medio circundante. La energía más probable a 20 ° C (68 ° F) para la distribución maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de los neutrones constituye la parte más importante del espectro en los reactores térmicos .
Neutrones epitermales (0,025 eV; 0,4 eV). Neutrones de energía cinética superior a la térmica. Algunos de los diseños de reactores funcionan con el espectro de neutrones epitermales. Este diseño permite alcanzar una tasa de reproducción de combustible más alta que en los reactores térmicos.
Los neutrones de energía cinética por debajo de la energía de corte de cadmio (~ 0.5 eV) son fuertemente absorbidos por 113-Cd.
Fuente: JANIS (software de información nuclear basado en Java) www.oecd-nea.org/janis/

Neutrones de cadmio (0,4 eV; 0,5 eV). Neutrones de energía cinética por debajo de la energía de corte de cadmio . Un isótopo de cadmio, ¹¹³ Cd, absorbe neutrones fuertemente solo si están por debajo de ~ 0.5 eV (energía de corte de cadmio).
Neutrones de epicadmio (0,5 eV; 1 eV). Neutrones de energía cinética por encima de la energía de corte de cadmio . Estos neutrones no son absorbidos por el cadmio .
Neutrones lentos (1 eV; 10 eV).
Neutrones de resonancia (10 eV; 300 eV). Los neutrones de resonancia se denominan resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, las secciones transversales pueden alcanzar picos más de 100 veces superiores al valor base de la sección transversal. A estas energías, la captura de neutrones supera significativamente la probabilidad de fisión . Por lo tanto, es muy importante (para los reactores térmicos) superar rápidamente este rango de energía y operar el reactor con neutrones térmicos, lo que aumenta la probabilidad de fisión.
Neutrones intermedios (300 eV; 1 MeV).
Neutrones rápidos (1 MeV; 20 MeV). Los neutrones de energía cinética superior a 1 MeV (~ 15 000 km / s) suelen denominarse neutrones de fisión. Estos neutrones son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o reacciones (ɑ, n) . Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para una fisión de ²³⁵ U ) de 2 MeV. Dentro de un reactor nuclear, los neutrones rápidos se reducen a energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones .
Neutrones relativistas (20 MeV; ->)

Energías de neutrones en reactor térmico — Distribución de energías cinéticas de neutrones en el reactor térmico. Los neutrones de fisión (flujo rápido) se ralentizan inmediatamente a las energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones.
Fuente: serc.carleton.edu

La física del reactor no necesita esta fina división de energías de neutrones. Los neutrones se pueden dividir aproximadamente (a efectos de la física del reactor) en tres rangos de energía:

Neutrones térmicos (0,025 eV – 1 eV).
Neutrones de resonancia (1 eV – 1 keV).
Neutrones rápidos (1 keV – 10 MeV).

Incluso la mayoría de los códigos de computación de los reactores utilizan solo dos grupos de energía de neutrones:

Grupo de neutrones lentos (0.025 eV – 1 keV).
Grupo de neutrones rápidos (1 keV – 10 MeV).

Ver también: Energía de neutrones

Interacciones de neutrones con la materia

Los neutrones son partículas neutras, por lo tanto, viajan en línea recta , desviándose de su camino solo cuando chocan con un núcleo para ser dispersados en una nueva dirección o absorbidos. Ni los electrones que rodean (nube de electrones atómicos) un núcleo ni el campo eléctrico causado por un núcleo cargado positivamente afectan el vuelo de un neutrón. En resumen, los neutrones chocan con los núcleos , no con los átomos. Una característica muy descriptiva de la transmisión de neutrones a través de la materia a granel es la longitud media del camino libre ( λ – lambda ), que es la distancia media que recorre un neutrón entre interacciones. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

λ = 1 / Σ

Los neutrones pueden interactuar con los núcleos de una de las siguientes formas:

Neutron Cross-section

Sección transversal de neutrones — Secciones transversales típicas de material de fisión. La ralentización de los neutrones aumenta la probabilidad de interacción (por ejemplo, reacción de fisión).

La medida en que los neutrones interactúan con los núcleos se describe en términos de cantidades conocidas como secciones transversales . Las secciones transversales se utilizan para expresar la probabilidad de una interacción particular entre un neutrón incidente y un núcleo objetivo . Debe tenerse en cuenta que esta probabilidad no depende de las dimensiones reales del objetivo. Junto con el flujo de neutrones, permite el cálculo de la velocidad de reacción, por ejemplo para derivar la potencia térmica de una central nuclear. La unidad estándar para la medición de la sección transversal microscópica ( σ-sigma ) es el granero , que es igual a 10 ^-28 m ². Esta unidad es muy pequeña, por lo que los graneros (abreviados como «b») se utilizan comúnmente. La sección transversal microscópica se puede interpretar como el «área objetivo» efectiva en la que un núcleo interactúa con un neutrón incidente.

Una sección transversal macroscópica se deriva de la densidad microscópica y del material:

Σ = σ.N

Aquí σ, que tiene unidades de m ² , se denomina sección transversal microscópica. Dado que las unidades de N (densidad de núcleos) son núcleos / m ³ , la sección transversal macroscópica Σ tiene unidades de m ^-1 , por lo que de hecho es un nombre incorrecto, porque no es una unidad correcta de secciones transversales.

Las secciones transversales de neutrones constituyen parámetros clave del combustible nuclear. Las secciones transversales de neutrones deben calcularse para conjuntos de combustible nuevos, generalmente en modelos bidimensionales de la red de combustible.

La sección transversal de neutrones es variable y depende de:

Núcleo objetivo (hidrógeno, boro, uranio, etc.) Cada isótopo tiene su propio conjunto de secciones transversales.
Tipo de reacción (captura, fisión, etc.). Las secciones transversales son diferentes para cada reacción nuclear.
Energía de neutrones (neutrón térmico, neutrón de resonancia, neutrón rápido). Para un objetivo y un tipo de reacción determinados, la sección transversal depende en gran medida de la energía del neutrón. En el caso común, la sección transversal suele ser mucho mayor a bajas energías que a altas energías. Es por eso que la mayoría de los reactores nucleares utilizan un moderador de neutrones para reducir la energía del neutrón y así aumentar la probabilidad de fisión, esencial para producir energía y sostener la reacción en cadena.
Energía objetivo (temperatura del material objetivo – ensanchamiento Doppler) Esta dependencia no es tan significativa, pero la energía objetivo influye fuertemente en la seguridad inherente de los reactores nucleares debido a un ensanchamiento Doppler de resonancias.

Ver también: JANIS (software de información nuclear basado en Java)

Ver también: Interacciones de neutrones con materia.

Ver también: sección transversal de neutrones

Ley 1 / v

1 / v Ley — Para los neutrones térmicos (en la región 1 / v), las secciones transversales de absorción aumentan a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón.
Fuente: JANIS 4.0

Para los neutrones térmicos ( en la región 1 / v ), las secciones transversales de absorción aumentan a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón. Por lo tanto, la ley 1 / v se puede utilizar para determinar el desplazamiento en la sección transversal de absorción, si el neutrón está en equilibrio con el medio circundante. Este fenómeno se debe al hecho de que la fuerza nuclear entre el núcleo objetivo y el neutrón tiene más tiempo para interactuar.

$\ sigma_a \ sim \ frac {1} {v}}} \ sim \ frac {1} {\ sqrt {E}}}}} \ sim \ frac {1} {\ sqrt {T}}}}}$

Esta ley es aplicable solo para la sección de absorción y solo en la región 1 / v.

Ejemplo de secciones transversales en la región 1 / v:

La sección transversal de absorción para 238U a 20 ° C = 293K (~ 0.0253 eV) es:

$\ sigma_a (293K) = 2.68b$ .

La sección transversal de absorción para 238U a 1000 ° C = 1273K es igual a:

Esta reducción de la sección transversal se debe únicamente al cambio de temperatura del medio circundante.

Captura de neutrones por resonancia

Picos de resonancia para la captura radiativa de U238. En energías de resonancia, la probabilidad de captura puede ser más de 100 veces mayor que el valor base.
Fuente: programa JANIS

La sección transversal de absorción a menudo depende en gran medida de la energía de los neutrones. Tenga en cuenta que la fisión nuclear produce neutrones con una energía media de 2 MeV (200 TJ / kg, es decir, 20.000 km / s). El neutrón se puede dividir aproximadamente en tres rangos de energía:

Neutrón rápido. (10MeV – 1keV)
Neutrón de resonancia (1keV – 1eV)
Neutrón térmico. (1eV – 0.025eV)

Los neutrones de resonancia se denominan resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, la sección transversal puede alcanzar picos más de 100 veces superiores al valor base de la sección transversal. A estas energías, la captura de neutrones supera significativamente la probabilidad de fisión. Por lo tanto, es muy importante (para los reactores térmicos) superar rápidamente este rango de energía y operar el reactor con neutrones térmicos, lo que aumenta la probabilidad de fisión.

Ampliación Doppler

El efecto Doppler mejora la estabilidad del reactor. La resonancia ampliada (calentamiento de un combustible) da como resultado una mayor probabilidad de absorción, lo que provoca una inserción de reactividad negativa (reducción de la potencia del reactor).

Un ensanchamiento Doppler de resonancias es un fenómeno muy importante, que mejora la estabilidad del reactor . El coeficiente de temperatura rápida de la mayoría de los reactores térmicos es negativo , debido a un efecto Doppler nuclear. Aunque la sección transversal de absorción depende significativamente de la energía de neutrones incidente, la forma de la curva de la sección transversal depende también de la temperatura objetivo.

Los núcleos se encuentran en átomos que están en continuo movimiento debido a su energía térmica. Como resultado de estos movimientos térmicos, los neutrones que inciden en un objetivo parecen tener una dispersión continua de energía en los núcleos del objetivo. Esto, a su vez, tiene un efecto sobre la forma de resonancia observada. La resonancia se vuelve más corta y más ancha que cuando los núcleos están en reposo.

Aunque la forma de una resonancia cambia con la temperatura, el área total bajo la resonancia permanece esencialmente constante. Pero esto no implica una absorción constante de neutrones . A pesar del área constante bajo resonancia, una integral de resonancia , que determina la absorción, aumenta con el aumento de la temperatura objetivo. Esto, por supuesto, disminuye el coeficiente k (se inserta reactividad negativa).

Secciones típicas de materiales en el reactor.

La siguiente tabla muestra las secciones transversales de neutrones de los isótopos más comunes del núcleo del reactor.

Tipos de reacciones neutrón-nucleares

Elastic Scattering Reaction

Generalmente, una dispersión de neutrones La reacción ocurre cuando un núcleo objetivo emite un solo neutrón después de una interacción neutrón-núcleo. En una reacción de dispersión elástica entre un neutrón y un núcleo objetivo, no se transfiere energía a la excitación nuclear. [/Su_spoiler]

«Reacción

Neutron Absorption

La reacción de absorción de neutrones es el tipo de reacciones más importante que tienen lugar en un reactor nuclear . Las reacciones de absorción son reacciones en las que el neutrón se absorbe por completo y se forma el núcleo compuesto . Esta es la característica muy importante, porque el modo de desintegración de dicho núcleo compuesto no depende de la forma en que se formó el núcleo compuesto.Por lo tanto, puede seguir una variedad de emisiones o desintegraciones. Las reacciones de absorción más importantes se dividen por el canal de salida en dos reacciones siguientes:

Captura radiativa. La mayoría de las reacciones de absorción dan como resultado la pérdida de un neutrón junto con la producción de uno o más rayos gamma . Esto se conoce como reacción de captura y se denota por σ _γ .

Reacción de fisión inducida por neutrones. Algunos núcleos (núcleos fisionables ) pueden sufrir un evento de fisión , dando lugar a dos o más fragmentos de fisión (núcleos de peso atómico intermedio) y algunos neutrones . En un material fisionable, el neutrón puede simplemente ser capturado o puede causar fisión nuclear. Para los materiales fisionables, dividimos la sección transversal de absorción como σ _a = σ _γ + σ _f .

Captura radiativa

La captura de neutrones es una de las posibles reacciones de absorción que pueden ocurrir. De hecho, para los núcleos no fisionables es la única reacción de absorción posible. Las reacciones de captura dan como resultado la pérdida de un neutrón junto con la producción de uno o más rayos gamma . Esta reacción de captura también se conoce como captura radiativa o reacción (n, γ) , y su sección transversal se indica mediante σ _γ .

La captura radiativa es una reacción en la que el neutrón incidente se absorbe por completo y se forma un núcleo compuesto . El núcleo compuesto luego decae a su estado fundamental por emisión gamma . Este proceso puede ocurrir con todas las energías de neutrones incidentes , pero la probabilidad de la interacción depende en gran medida de la energía de neutrones incidente y también de la energía objetivo (temperatura). De hecho, la energía en el sistema de centro de masa determina esta probabilidad. [/Su_spoiler]

Nuclear Fission

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo se divideen partes más pequeñas (núcleos más ligeros). El proceso de fisión a menudo produce neutrones y fotones libres (en forma de rayos gamma ) y libera una gran cantidad de energía . En física nuclear, la fisión nuclear es una reacción nuclear o un proceso de desintegración radiactiva . El caso del proceso de desintegración se llama fisión espontánea y es un proceso muy raro. [/Su_spoiler]

Neutron Emission

Aunque la emisión de neutrones generalmente se asocia con la desintegración nuclear, también debe mencionarse en relación con las reacciones nucleares de neutrones . Algunos neutrones interactúan con un núcleo objetivo a través de unnúcleo compuesto . Entre estas reacciones del núcleo compuesto también se encuentran las reacciones, en las que se expulsa un neutrón del núcleo y pueden denominarse reacciones de emisión de neutrones . El punto es que los núcleos compuestos pierden su energía de excitación de una manera idéntica a la desintegración radiactiva. Una característica muy importante es el hecho de que el modo de desintegración del núcleo compuesto no depende de la forma en que se formó el núcleo compuesto.

Expulsión de partículas cargadas

Las reacciones de partículas cargadas generalmente se asocian con la formación de un núcleo compuesto , que se excita a un alto nivel de energía , que dicho núcleo compuestopuede expulsar una nueva partícula cargada mientras el neutrón incidente permanece en el núcleo . Después de que se expulsa la nueva partícula, el núcleo restante cambia por completo, pero puede o no existir en un estado excitado dependiendo del balance de masa-energía de la reacción. Este tipo de reacción es más común para partículas cargadas como partículas incidentes (como partículas alfa , protones, etc.).

El caso de las reacciones de partículas cargadas inducidas por neutrones no es tan común, pero existen algunas reacciones de partículas cargadas inducidas por neutrones, que son importantes en el control de la reactividad y también en la detección de neutrones . [/Su_spoiler]

[ su_divider top = "no" style = "dotted" size = "2"]

Detección de neutrones

Dado que los neutrones son partículas eléctricamente neutras, están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares, pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no se ionizan directamente y, por lo general, deben convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. Generalmente, todo tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector de gases, detector de semiconductores, etc.).

Convertidores de neutrones

Para este propósito, se encuentran disponibles dos tipos básicos de interacciones de neutrones con la materia:

Dispersión elástica . El neutrón libre puede ser dispersado por un núcleo, transfiriendo parte de su energía cinética al núcleo. Si el neutrón tiene suficiente energía para dispersar los núcleos, el núcleo en retroceso ioniza el material que rodea al convertidor. De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente ligeros para una aplicación práctica. La carga producida de esta manera puede ser recogida por el detector convencional para producir una señal detectada. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos ligeros. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos (los neutrones rápidos no tienen una sección transversal alta para la absorción), lo que permite la detección de neutrones rápidos sin un moderador .
Absorción de neutrones . Este es un método común que permite la detección de neutrones de todo el espectro energético . Este método se basa en una variedad de reacciones de absorción ( captura radiativa , fisión nuclear , reacciones de reordenamiento, etc.). El neutrón es absorbido aquí por el material objetivo (convertidor) que emite partículas secundarias como protones, partículas alfa , partículas beta , fotones (rayos gamma) o fragmentos de fisión . Algunas reacciones son reacciones de umbral (que requieren una energía mínima de neutrones), pero la mayoría de las reacciones ocurren a energías epitermales y térmicas.. Eso significa que se requiere la moderación de los neutrones rápidos, lo que conduce a una información energética deficiente de los neutrones. Los núcleos más comunes para el material del convertidor de neutrones son:
- ¹⁰ B (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 3820 graneros y el boro naturaltiene una abundancia de¹⁰ B 19,8%.
- ³ Él (n, p). Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 5350 graneros y el helio natural tiene una abundancia de³ He 0.014%.
- ⁶ Li (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 925 graneros y el litio natural tiene una abundancia de⁶ Li 7,4%.
- ¹¹³ Cd (n, ɣ). Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 20820 graneros y el cadmio naturaltiene una abundancia de¹¹³ Cd 12,2%.
- ²³⁵ U (n, fisión). Donde la sección transversal de fisión para los neutrones térmicos es σ = 585 graneros y el uranio naturaltiene una abundancia de²³⁵ U 0,711%. El uranio como convertidor produce fragmentos de fisión que son partículas con carga pesada. Esto tiene una ventaja significativa. Las partículas con carga pesada (fragmentos de fisión) crean una señal de salida alta, porque los fragmentos depositan una gran cantidad de energía en un volumen sensible al detector. Esto permite una fácil discriminación de la radiación de fondo (ei radiación gamma). Esta importante característica se puede utilizar, por ejemplo, en la medición de la potencia deun reactor nuclear , donde el campo de neutrones está acompañado por un fondo gamma significativo.

Ver también: Detección de neutrones

Free Neutron

Un neutrón libre es un neutrón que no está limitado a un núcleo. El neutrón libre, a diferencia de un neutrón limitado, está sujeto a la desintegración beta radiactiva .

Se descompone en un protón, un electrón y un antineutrino (la contraparte de antimateria del neutrino, una partícula sin carga y con poca o ninguna masa). Un neutrón libre se desintegrará con una vida media de aproximadamente 611 segundos (10,3 minutos). Esta desintegración implica la interacción débil y está asociada con una transformación de quark (un quark abajo se convierte en un quark arriba). La decadencia del neutrón es un buen ejemplo de las observaciones que condujeron al descubrimiento de la neutrinos . Debido a que se desintegra de esta manera, el neutrón no existe en la naturaleza en su estado libre, excepto entre otras partículas altamente energéticas en los rayos cósmicos. Dado que los neutrones libres son eléctricamente neutros, pasan a través de los campos eléctricos dentro de los átomos sin ninguna interacción y están interactuando con la materia casi exclusivamente a través de colisiones relativamente raras con núcleos atómicos.

Ver también: Neutrón libre

Blindaje de radiación de neutrones

En protección radiológica, hay tres formas de proteger a las personas de las fuentes de radiación identificadas:

Limitando el tiempo. La cantidad de exposición a la radiación depende directamente (linealmente) del tiempo que las personas pasan cerca de la fuente de radiación. La dosis se puede reducir limitando el tiempo de exposición .
Distancia. La cantidad de exposición a la radiación depende de la distancia a la fuente de radiación. De manera similar al calor de un incendio, si está demasiado cerca, la intensidad de la radiación de calor es alta y puede quemarse. Si estás a la distancia adecuada podrás aguantar allí sin problemas y además es cómodo. Si está demasiado lejos de la fuente de calor, la insuficiencia de calor también puede dañarlo. Esta analogía, en cierto sentido, se puede aplicar a la radiación también de fuentes nucleares.
Blindaje. Finalmente, si la fuente es demasiado intensa y el tiempo o la distancia no proporcionan suficiente protección contra la radiación, se debe utilizar el blindaje. El blindaje contra la radiación generalmente consta de barreras de plomo, hormigón o agua. Incluso el uranio empobrecido puede utilizarse como una buena protección contra la radiación gamma, pero, por otro lado, el uranio es un blindaje absolutamente inadecuado de la radiación de neutrones. En resumen, depende del tipo de radiación a blindar, qué blindaje será efectivo o no.

Blindaje de neutrones

Blindaje de radiación de neutrones — Agua como escudo de neutrones

Hay tres características principales de los neutrones, que son cruciales en el blindaje de los neutrones.

Los neutrones no tienen carga eléctrica neta , por lo tanto, las fuerzas eléctricas no pueden afectarlos ni detenerlos. Los neutrones ionizan la materia solo indirectamente, lo que hace que los neutrones sean un tipo de radiación altamente penetrante.
Los neutrones se dispersan con núcleos pesados de forma muy elástica . Los núcleos pesados con mucha fuerza ralentizan un neutrón y mucho menos absorben un neutrón rápido.
Una absorción de neutrones (uno diría que blindaje) provoca el inicio de cierta reacción nuclear (por ejemplo, captura radiativa o incluso fisión ), que va acompañada de varios otros tipos de radiación . En resumen, los neutrones hacen que la materia sea radiactiva, por lo tanto, con los neutrones tenemos que proteger también los otros tipos de radiación.

Los mejores materiales para proteger neutrones deben poder:

Reducir la velocidad de los neutrones (el mismo principio que la moderación de neutrones ). El primer punto solo puede cumplirse con material que contenga átomos ligeros (por ejemplo, átomos de hidrógeno), como agua, polietileno y hormigón. El núcleo de un núcleo de hidrógeno contiene solo un protón. Dado que un protón y un neutrón tienen masas casi idénticas, la dispersión de un neutrón en un núcleo de hidrógeno puede ceder una gran cantidad de su energía (incluso la energía cinética completa de un neutrón puede transferirse a un protón después de una colisión). Esto es similar a un billar. Dado que una bola blanca y otra bola de billar tienen masas idénticas, la bola blanca que golpea otra bola puede detenerse y la otra bola comenzará a moverse con la misma velocidad. Por otro lado, si se lanza una pelota de ping pong contra una bola de boliche (neutrón frente a núcleo pesado), la pelota de ping pong rebotará con muy poco cambio de velocidad, solo un cambio de dirección. Por lo tanto, el plomo es bastante ineficaz para bloquear la radiación de neutrones, ya que los neutrones no están cargados y simplemente pueden atravesar materiales densos.
Tabla de secciones transversales

Absorbe este lento neutrón. Los neutrones térmicos se pueden absorber fácilmente mediante la captura en materiales con secciones transversales de alta captura de neutrones (miles de graneros) como el boro , el litio o el cadmio . Generalmente, solo una capa delgada de tal absorbente es suficiente para proteger los neutrones térmicos. El hidrógeno (en forma de agua), que se puede utilizar para ralentizar los neutrones, tiene una sección transversal de absorción de 0,3 graneros. Esto no es suficiente, pero esta insuficiencia puede compensarse con un espesor suficiente del escudo de agua.
Proteja la radiación acompañante . En el caso del escudo de cadmio, la absorción de neutrones va acompañada de una fuerte emisión de rayos gamma . Por lo tanto, es necesario un escudo adicional para atenuar los rayos gamma . Este fenómeno prácticamente no existe para el litio y es mucho menos importante para el boro como material de absorción de neutrones. Por esta razón, los materiales que contienen boro se utilizan a menudo en escudos de neutrones. Además, el boro (en forma de ácido bórico) es muy soluble en agua, lo que hace que esta combinación sea un escudo de neutrones muy eficaz.

Agua como escudo de neutrones

El agua debido al alto contenido de hidrógeno y la disponibilidad es un blindaje de neutrones efectivo y común. Sin embargo, debido al bajo número atómico de hidrógeno y oxígeno, el agua no es un escudo aceptable contra los rayos gamma. Por otro lado, en algunos casos, esta desventaja (baja densidad) puede compensarse con un alto espesor del escudo de agua. En el caso de los neutrones, el agua modera perfectamente los neutrones, pero con la absorción de neutrones por el núcleo de hidrógeno se producen rayos gamma secundarios con alta energía. Estos rayos gamma penetran mucho en la materia y, por lo tanto, pueden aumentar los requisitos sobre el grosor del escudo de agua. La adición de ácido bórico puede ayudar con este problema (absorción de neutrones en núcleos de boro sin una fuerte emisión gamma), pero da lugar a otros problemas con la corrosión de los materiales de construcción.

Hormigón como escudo de neutrones

El blindaje de neutrones más utilizado en muchos sectores de la ciencia y la ingeniería nucleares es el blindaje de hormigón. El hormigón también es un material que contiene hidrógeno , pero a diferencia del agua, el hormigón tiene una densidad más alta ( adecuado para el blindaje secundario gamma ) y no necesita ningún mantenimiento. Debido a que el hormigón es una mezcla de varios materiales diferentes, su composición no es constante. Por lo tanto, cuando se hace referencia al hormigón como material de protección contra neutrones, se debe indicar correctamente el material utilizado en su composición. Generalmente, el hormigón se divide en hormigón "ordinario" y hormigón "pesado" . El hormigón pesado utiliza áridos naturales pesadoscomo barita (sulfato de bario) o magnetita o agregados manufacturados como hierro, bolas de acero, punzón de acero u otros aditivos. Como resultado de estos aditivos, el hormigón pesado tiene una densidad más alta que el hormigón