La activación de neutrones es el proceso en el que la radiación de neutrones 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 al emitir 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 resulta en la formación de un producto de activación inestable.. Dichos núcleos radiactivos pueden exhibir vidas medias que van desde pequeñas fracciones de segundo hasta muchos años.
La activación de neutrones es la única forma común de inducir a un material estable a convertirse en intrínsecamente radiactivo. Todos los materiales naturales, incluidos el aire, el agua y el suelo, pueden inducirse (activarse) mediante la 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 captura doble para lograr la inestabilidad como tritio ( hidrógeno-3 ), mientras que el oxígeno natural (oxígeno-16) requiere tres capturas para volverse inestable el oxígeno-19 . 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 los de cloro se vuelven inestables con una sola captura cada uno. Estos hechos se descubrieron de primera mano en la serie de pruebas atómicas Operation Crossroads en 1946.
Ejemplos de
Un ejemplo de este tipo de reacción nuclear ocurre en la producción de cobalto-60 dentro de un reactor nuclear : el cobalto-60 luego se desintegra por la emisión de una partícula beta más rayos gamma en níquel -60. Esta reacción tiene una vida media de aproximadamente 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 fuente valiosa de radiación nuclear (es decir, radiación gamma) para radioterapia. . [1]
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, proviene de la energía cinética del neutrón. Un ejemplo de este tipo de fisión en un elemento ligero puede ocurrir cuando el isótopo estable de litio , litio-7 , es bombardeado con neutrones rápidos y sufre la siguiente reacción nuclear:
- 7
3Li
+ 1
0norte
→ 4
2Él
+ 3
1H
+ 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 Enewetak en 1954 explotó con 2,5 veces el rendimiento esperado, fue causado por la inesperadamente alta probabilidad de esta reacción.
En las áreas alrededor de reactores de agua a presión o reactores de agua hirviendo durante el funcionamiento normal, se produce una cantidad significativa de radiación debido a la rápida activación neutrónica 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 volver a descomponerse en oxígeno-16 (que emite partículas beta de 6,13 MeV). [2]
- 16 8O + 1 0norte → 1 1pag + 16 7norte (Decae rápidamente)
- 59 27Co + 1 0norte → 60 27Co
- 16
7norte
→ γ + 0 -1mi- + 16
8O
Esta activación del agua refrigerante requiere un blindaje biológico adicional alrededor de la planta del reactor nuclear. Es el rayo gamma de alta energía en la segunda reacción lo que causa la mayor preocupación. Es por eso que el agua que ha estado recientemente dentro del núcleo de un reactor nuclear debe protegerse hasta que esta radiación disminuya. Por lo general, es suficiente con uno o dos minutos.
En las instalaciones que albergaban un ciclotrón, la base de hormigón armado puede volverse radiactiva debido a la activación de neutrones. Seis importantes isótopos radiactivos de larga duración ( 54 Mn, 55 Fe, 60 Co, 65 Zn, 133 Ba y 152 Eu) se pueden encontrar dentro de núcleos de hormigón afectados por neutrones. [3] La radiactividad residual se debe principalmente a los oligoelementos presentes y, por tanto, la cantidad de radiactividad derivada de la activación del ciclotrón es minúscula, es decir, pCi / go Bq / g . El límite de emisión 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 de barras de refuerzo de hierro:
- 54 26Fe + 1 0norte → 55 26Fe
Ocurrencia
La activación de neutrones es la única forma común de inducir a un material estable a convertirse en intrínsecamente radiactivo. 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 de espalación .
En un arma atómica, los neutrones solo se generan entre 1 y 50 microsegundos, pero en grandes cantidades. La mayoría son absorbidos por la carcasa metálica de la bomba, que apenas comienza a verse afectada por la explosión dentro de ella. La activación de neutrones del metal que pronto se vaporizará es responsable de una parte significativa de la lluvia radiactiva en explosiones nucleares en lo alto de la atmósfera. En otros tipos de activación, los neutrones pueden irradiar el suelo que está disperso en una nube en forma de hongo en o cerca de la superficie de la Tierra, lo que resulta en una lluvia radiactiva por la activación de elementos químicos del suelo.
Efectos sobre los materiales a lo largo del tiempo
En cualquier lugar con altos flujos de neutrones , como dentro de los núcleos de los reactores nucleares, la activación de neutrones contribuye a la erosión del material; periódicamente, los materiales de revestimiento deben eliminarse como residuos radiactivos de baja actividad . Algunos materiales están más sujetos a la activación de neutrones que otros, por lo que un material de baja activación adecuadamente elegido puede reducir significativamente este problema (consulte la Instalación de irradiación de materiales de fusión internacional ). Por ejemplo, el cromo-51 se formará por activación de neutrones en acero al cromo (que contiene Cr-50) que está expuesto a un flujo de neutrones típico del reactor. [5]
El carbono 14 , que se genera con mayor frecuencia, pero no exclusivamente, por la activación neutrónica del nitrógeno 14 atmosférico con neutrones térmicos , también se genera (junto con su vía de producción natural dominante a partir de las interacciones entre los rayos cósmicos y el aire y la producción histórica de las pruebas nucleares atmosféricas ) en Cantidades comparativamente diminutas 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 a presión , ya que los FBR no utilizan agua como refrigerante primario. [6]
Usos
Seguridad radiológica
Para los médicos y los oficiales de seguridad radiológica, la activación del sodio en el cuerpo humano a sodio-24 y del fósforo a fósforo-32 puede dar una buena estimación inmediata de la exposición aguda accidental a neutrones. [7]
Detección de neutrones
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 rayos gamma que se produce a partir de una hoja de papel de aluminio .
En el enfoque de fusión ICF , el rendimiento de fusión del experimento (directamente proporcional a la producción de neutrones) generalmente se determina 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 objetivo de prueba, como azufre , cobre, tantalio y oro, se ha utilizado para determinar el rendimiento tanto de fisión pura [12] [13] como de armas termonucleares . [14]
Análisis de materiales
El análisis de activación de neutrones es uno de los métodos más sensibles y precisos de análisis de elementos traza. No requiere preparación de muestras ni solubilización y, por lo tanto, se puede aplicar a objetos que deben mantenerse intactos, como una valiosa obra 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 de neutrones es un método de análisis no destructivo.
El análisis de activación de neutrones 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 con una energía de desintegración de 4,642 MeV. [15] Este isótopo activado se utiliza en la extracción de petróleo para determinar la arcilla contenido (arcilla es generalmente un alumino-silicato ) de la zona subterránea en exploración. [dieciséis]
Los historiadores pueden usar la activación accidental de neutrones para autenticar artefactos atómicos y materiales sujetos a flujos de neutrones por incidentes de fisión. Por ejemplo, uno de los isótopos bastante únicos que se encuentran en la trinitita , y por lo tanto, con su ausencia probablemente significando 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. , conocido como Baratol . [17]
Ver también
- Radiactividad inducida
- Análisis de activación de neutrones
- El fósforo-32 se produce cuando el azufre captura un neutrón.
- Bomba salada
- Tabla de nucleidos
Referencias
- ^ Manual para radioisótopos producidos por reactores de la Agencia Internacional de Energía Atómica
- ^ Neeb, Karl Heinz (1997). La radioquímica de las centrales nucleares con reactores de agua ligera . Berlín-Nueva York: Walter de Gruyter. pag. 227. ISBN 3-11-013242-7.
- ^ Vichi, Sara (2016). "Calibración de la eficiencia de un detector CZT portátil para". Efectos de la radiación y defectos en sólidos . 171 : 705–713. doi : 10.1080 / 10420150.2016.1244675 .
- ^ Comisión Reguladora Nuclear 10 CFR 20.1402. "Normas de protección contra las radiaciones" .
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 5 de marzo de 2014 . Consultado el 5 de marzo de 2014 .Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "Serie de informes técnicos del OIEA No 421, Gestión de desechos que contienen tritio y carbono-14" (PDF) .
- ^ Informe ORNL Archivado el 1 de octubre de 2013 en la Wayback Machine sobre la determinación de dosis de accidentes de criticidad
- ^ Stephen Padalino; Heather Oliver y Joel Nyquist. "Mediciones de rendimiento de neutrones DT utilizando la activación de neutrones de aluminio" . Colaboradores de LLE: Vladimir Smalyukand, Nancy Rogers.
- ^ "4 isótopos radiactivos identificados" . Aanda.org. 1998-03-02 . Consultado el 14 de noviembre de 2019 .
- ^ [1]
- ^ http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#sodium24 Archivado el 5 de julio de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ Kerr, George D .; Young, Robert W .; Sacrificios, Harry M .; Christy, Robert F. (2005). "Parámetros de bomba" (PDF) . En Robert W. Young, George D. Kerr (ed.). Reevaluación de la dosimetría de radiación de la bomba atómica para Hiroshima y Nagasaki - Sistema de dosimetría 2002 . La Fundación para la Investigación de los Efectos de las Radiaciones. págs. 42–43. Archivado desde el original (PDF) el 10 de agosto de 2015 . Consultado el 13 de marzo de 2014 .
- ^ Malik, John (septiembre de 1985). "Los rendimientos de las explosiones de Hiroshima y Nagasaki" (PDF) . Laboratorio Nacional de Los Alamos . Consultado el 9 de marzo de 2014 .
- ^ Ejército de Estados Unidos (1952). Informe final de la Operación Ivy Joint Task Force 132 (PDF) .
- ^ http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#aluminium28 Archivado el 5 de julio de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ "Resultados de la búsqueda - Glosario de campos petrolíferos de Schlumberger" . www.glossary.oilfield.slb.com .
- ^ Parekh, PP; Semkow, TM; Torres, MA; Haines, DK; Cooper, JM; Rosenberga, PM; Kittoa, ME (2006). "Radiactividad en Trinitite seis décadas después" (PDF) . Revista de radiactividad ambiental . 85 (1): 103-120. CiteSeerX 10.1.1.494.5179 . doi : 10.1016 / j.jenvrad.2005.01.017 . PMID 16102878 .
enlaces externos
- Web de análisis de activación de neutrones
- 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 gráfico de nucleidos
- La carta de los Nuclides
- Descubrimiento de los isótopos de cromo, cromo-55 por captura de neutrones Cr-54
- ORILL : transmutación 1D, agotamiento de combustible y código de protección radiológica
Otras lecturas
- Ejército de Estados Unidos (1952). Informe final de la Operación Ivy Joint Task Force 132 (PDF) .