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Ciencia con neutrones
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La radiación de neutrones es una forma de radiación ionizante que se presenta como neutrones libres . Los fenómenos típicos son la fisión nuclear o la fusión nuclear que provocan la liberación de neutrones libres, que luego reaccionan con los núcleos de otros átomos para formar nuevos isótopos , que, a su vez, pueden desencadenar más radiación de neutrones. Los neutrones libres son inestables y se descomponen en un protón , un electrón y un anti-neutrino electrónico con una vida media de 887 segundos (14 minutos, 47 segundos). [1]

Fuentes [ editar ]

Artículo principal: fuente de neutrones
Ver también: Categoría: Fuentes de neutrones

Los neutrones pueden ser emitidos por fusión nuclear o fisión nuclear , o por otras reacciones nucleares como la desintegración radiactiva o interacciones de partículas con rayos cósmicos o dentro de aceleradores de partículas . Las fuentes de neutrones grandes son raras y, por lo general, se limitan a dispositivos de gran tamaño como reactores nucleares o aceleradores de partículas , incluida la fuente de neutrones por espalación .

La radiación de neutrones se descubrió a partir de la observación de una partícula alfa chocar con un berilio núcleo , que se transformó en un carbono núcleo mientras que la emisión de un neutrón , Ser ( α , n ) C . La combinación de un emisor de partículas alfa y un isótopo con una gran probabilidad de reacción nuclear ( α , n ) sigue siendo una fuente de neutrones común.

Radiación de neutrones de fisión [ editar ]

Los neutrones en los reactores nucleares se clasifican generalmente como neutrones lentos (térmicos) o neutrones rápidos según su energía. Los neutrones térmicos tienen una distribución de energía similar (la distribución de Maxwell-Boltzmann ) a un gas en equilibrio termodinámico ; pero son capturados fácilmente por núcleos atómicos y son el medio principal por el cual los elementos experimentan la transmutación nuclear .

Para lograr una reacción en cadena de fisión eficaz, los neutrones producidos durante la fisión deben ser capturados por núcleos fisionables, que luego se dividen y liberan más neutrones. En la mayoría de los diseños de reactores de fisión, el combustible nuclear no está lo suficientemente refinado para absorber suficientes neutrones rápidos para llevar a cabo la reacción en cadena, debido a la sección transversal más baja para los neutrones de mayor energía, por lo que se debe introducir un moderador de neutrones para reducir la velocidad de los neutrones rápidos. a velocidades térmicas para permitir una absorción suficiente. Los moderadores de neutrones comunes incluyen grafito , agua ordinaria (ligera) y agua pesada . Algunos reactores (reactores de neutrones rápidos ) y todas las armas nucleares dependen de neutrones rápidos.

Neutrones cosmogénicos [ editar ]

Artículo principal: neutrón cosmogénico

Los neutrones cosmogénicos, los neutrones producidos a partir de la radiación cósmica en la atmósfera o la superficie de la Tierra, y los producidos en aceleradores de partículas pueden tener una energía significativamente mayor que los que se encuentran en los reactores. La mayoría de ellos activan un núcleo antes de llegar al suelo; algunos reaccionan con núcleos en el aire. Las reacciones con nitrógeno 14 conducen a la formación de carbono 14 ( 14 C), muy utilizado en la datación por radiocarbono .

Usos [ editar ]

La radiación de neutrones fría , térmica y caliente se usa más comúnmente enexperimentos de dispersión y difracción , para evaluar las propiedades y la estructura de materiales en cristalografía , física de materia condensada , biología , química de estado sólido , ciencia de materiales , geología , mineralogía y ciencias relacionadas. La radiación de neutrones también se utiliza en la terapia de captura de neutrones de boropara tratar tumores cancerosos debido a su naturaleza altamente penetrante y dañina para la estructura celular. Los neutrones también se pueden usar para obtener imágenes de piezas industriales denominadas radiografía de neutrones cuando se usa película, radioscopia de neutrones al tomar una imagen digital, como a través de placas de imagen, y tomografía de neutrones para imágenes tridimensionales. Las imágenes de neutrones se utilizan comúnmente en la industria nuclear, la industria espacial y aeroespacial, así como en la industria de explosivos de alta confiabilidad.

Mecanismos y propiedades de ionización [ editar ]

La radiación de neutrones a menudo se denomina radiación ionizante indirecta . No ioniza los átomos de la misma manera que lo hacen las partículas cargadas, como los protones y los electrones (excitando un electrón), porque los neutrones no tienen carga. Sin embargo, las interacciones de neutrones son en gran medida ionizantes, por ejemplo, cuando la absorción de neutrones da como resultado una emisión gamma y el rayo gamma (fotón) posteriormente elimina un electrón de un átomo, o un núcleo que retrocede de una interacción de neutrones se ioniza y causa una ionización posterior más tradicional en otros. átomos. Debido a que los neutrones no están cargados, son más penetrantes que la radiación alfa o la radiación beta.. En algunos casos son más penetrantes que la radiación gamma, que está impedida en materiales de alto número atómico . En materiales de bajo número atómico como el hidrógeno , un rayo gamma de baja energía puede ser más penetrante que un neutrón de alta energía.

Protección y peligros para la salud [ editar ]

En física de la salud , la radiación de neutrones es un tipo de peligro de radiación. Otro peligro más grave de la radiación de neutrones es la activación de neutrones , la capacidad de la radiación de neutrones para inducir radiactividad en la mayoría de las sustancias que encuentra, incluidos los tejidos corporales. [2] Esto ocurre a través de la captura de neutrones por los núcleos atómicos, que se transforman en otro nucleido , frecuentemente un radionúclido . Este proceso explica gran parte del material radiactivo liberado por la detonación de un arma nuclear.. También es un problema en las instalaciones de fisión nuclear y fusión nuclear, ya que gradualmente hace que el equipo sea radiactivo, de modo que eventualmente deba ser reemplazado y eliminado como residuo radiactivo de baja actividad .

La protección contra la radiación de neutrones se basa en el blindaje contra la radiación . Debido a la alta energía cinética de los neutrones, esta radiación se considera la radiación más severa y peligrosa para todo el cuerpo cuando se expone a fuentes de radiación externas. En comparación con la radiación ionizante convencional basada en fotones o partículas cargadas, los núcleos ligeros hacen rebotar y ralentizar (absorber) los neutrones repetidamente, por lo que el material rico en hidrógeno es más eficaz para proteger que los núcleos de hierro . Los átomos de luz sirven para ralentizar los neutrones por dispersión elástica para que luego puedan ser absorbidos por reacciones nucleares.. Sin embargo, la radiación gamma se produce a menudo en tales reacciones, por lo que se debe proporcionar un blindaje adicional para absorberla. Se debe tener cuidado para evitar el uso de núcleos que se someten a fisión o captura de neutrones que provocan la desintegración radiactiva de los núcleos, produciendo rayos gamma.

Los neutrones atraviesan fácilmente la mayor parte del material y, por lo tanto, la dosis absorbida (medida en grises ) de una cantidad determinada de radiación es baja, pero interactúa lo suficiente como para causar daño biológico. Los materiales de protección más eficaces son el agua o los hidrocarburos como el polietileno o la cera de parafina . El poliéster extendido con agua (WEP) es eficaz como muro de protección en entornos hostiles debido a su alto contenido de hidrógeno y resistencia al fuego, lo que permite su uso en una variedad de industrias nucleares, físicas de la salud y de defensa. [3] Los materiales a base de hidrógeno son adecuados para el blindaje, ya que son barreras adecuadas contra la radiación. [4]

El hormigón (donde un número considerable de moléculas de agua se unen químicamente al cemento) y la grava proporcionan una solución barata debido a su blindaje combinado de rayos gamma y neutrones. El boro también es un excelente absorbedor de neutrones (y también sufre cierta dispersión de neutrones). El boro se descompone en carbono o helio y prácticamente no produce radiación gamma con el carburo de boro , un escudo que se usa comúnmente donde el concreto tendría un costo prohibitivo. Comercialmente, los tanques de agua o fuel oil, hormigón, grava y B 4 C son escudos comunes que rodean áreas de grandes cantidades de flujo de neutrones , por ejemplo, reactores nucleares. Vidrio de sílice impregnado de boro , vidrio de borosilicato estándar , altoel acero al boro , la parafina y el plexiglás tienen usos específicos.

Debido a que los neutrones que golpean el núcleo de hidrógeno ( protón o deuterón ) imparten energía a ese núcleo, a su vez se rompen de sus enlaces químicos y viajan una corta distancia antes de detenerse. Dichos núcleos de hidrógeno son partículas de alta transferencia de energía lineal y, a su vez, se detienen mediante la ionización del material a través del cual viajan. En consecuencia, en el tejido vivo, los neutrones tienen una efectividad biológica relativa relativamente alta y son aproximadamente diez veces más efectivos para causar daño biológico en comparación con la radiación gamma o beta de exposición a energía equivalente. Estos neutrones pueden hacer que las células cambien su funcionalidad o que dejen de replicarse por completo, causando daños al cuerpo con el tiempo. [5]Los neutrones son particularmente dañinos para los tejidos blandos como la córnea del ojo.

Efectos sobre los materiales [ editar ]

Los neutrones de alta energía dañan y degradan los materiales con el tiempo; El bombardeo de materiales con neutrones crea cascadas de colisión que pueden producir defectos puntuales y dislocaciones en el material, cuya creación es el principal impulsor de los cambios microestructurales que ocurren con el tiempo en los materiales expuestos a la radiación. A altas fluencias de neutrones, esto puede conducir a la fragilización de metales y otros materiales, y al hinchamiento inducido por neutrones en algunos de ellos. Esto plantea un problema para las vasijas de los reactores nucleares y limita significativamente su vida útil (que puede prolongarse un poco mediante el recocido controladodel vaso, reduciendo el número de dislocaciones acumuladas). Los bloques moderadores de neutrones de grafito son especialmente susceptibles a este efecto, conocido como efecto Wigner , y deben recocerse periódicamente. El incendio de Windscale fue causado por un percance durante una operación de recocido de este tipo.

El daño por radiación a los materiales se produce como resultado de la interacción de una partícula incidente energética (un neutrón o de otro tipo) con un átomo de red en el material. La colisión provoca una transferencia masiva de energía cinética al átomo de la red, que se desplaza de su sitio de red, convirtiéndose en lo que se conoce como el átomo de reacción primario (PKA). Debido a que la PKA está rodeada por otros átomos de la red, su desplazamiento y paso a través de la red da como resultado muchas colisiones posteriores y la creación de átomos adicionales, produciendo lo que se conoce como cascada de colisión o cascada de desplazamiento. Los átomos knock-on pierden energía con cada colisión y terminan como intersticiales , creando efectivamente una serie de defectos de Frenkel.en la celosía. El calor también se crea como resultado de las colisiones (de la pérdida de energía electrónica), al igual que los átomos posiblemente transmutados . La magnitud del daño es tal que un solo neutrón de 1 MeV que crea una PKA en una red de hierro produce aproximadamente 1.100 pares de Frenkel. [6] Todo el evento en cascada ocurre en una escala de tiempo de 1 × 10 −13 segundos y, por lo tanto, solo se puede "observar" en simulaciones por computadora del evento. [7]

Los átomos de reacción terminan en posiciones de celosía intersticial que no están en equilibrio, muchas de las cuales se aniquilan a sí mismas al difundirse de nuevo en los sitios de celosía vacantes vecinos y restauran la celosía ordenada. Aquellos que no dejan o no pueden dejar vacantes, lo que provoca un aumento local de la concentración de vacantes muy por encima de la concentración de equilibrio. Estas vacantes tienden a migrar como resultado de la difusión térmica hacia sumideros de vacantes (es decir, límites de grano , dislocaciones) pero existen durante un período de tiempo significativo, durante el cual partículas adicionales de alta energía bombardean la celosía, creando cascadas de colisión y vacantes adicionales, que migran hacia los sumideros. El principal efecto de la irradiación en una celosía es el flujo significativo y persistente de defectos a sumideros en lo que se conoce como viento de defecto . Las vacantes también pueden aniquilarse combinándose entre sí para formar bucles de dislocación y, más tarde, vacíos de celosía . [6]

La cascada de colisión crea muchas más vacantes e intersticiales en el material que el equilibrio para una temperatura determinada y, como resultado, la difusividad en el material aumenta drásticamente. Esto conduce a un efecto llamado difusión mejorada por radiación , que conduce a la evolución microestructural del material a lo largo del tiempo. Los mecanismos que conducen a la evolución de la microestructura son muchos, pueden variar con la temperatura, el flujo y la fluencia, y son un tema de estudio extenso. [8]

  • La segregación inducida por radiación resulta del flujo de vacantes a sumideros antes mencionado, lo que implica un flujo de átomos reticulares que se alejan de los sumideros; pero no necesariamente en la misma proporción con la composición de la aleación en el caso de un material aleado. Por lo tanto, estos flujos pueden conducir al agotamiento de los elementos de aleación en las proximidades de los sumideros. Para el flujo de intersticiales introducido por la cascada, el efecto se invierte: los intersticiales se difunden hacia los sumideros, lo que resulta en un enriquecimiento de la aleación cerca del sumidero. [6]
  • Los bucles de dislocación se forman si las vacantes forman grupos en un plano de celosía. Si esta concentración de vacantes se expande en tres dimensiones, se forma un vacío . Por definición, los huecos están al vacío, pero pueden llenarse de gas en el caso de la radiación de partículas alfa (helio) o si el gas se produce como resultado de reacciones de transmutación . El vacío se denomina burbuja y conduce a la inestabilidad dimensional (hinchazón inducida por neutrones) de las partes sujetas a radiación. El hinchamiento presenta un importante problema de diseño a largo plazo, especialmente en los componentes del reactor hechos de acero inoxidable. [9] Aleaciones con isotropía cristalográfica , como Zircaloysestán sujetos a la creación de bucles de dislocación, pero no presentan formación de vacíos. En cambio, los bucles se forman en planos de celosía particulares y pueden conducir a un crecimiento inducido por la irradiación , un fenómeno distinto del hinchamiento, pero que también puede producir cambios dimensionales significativos en una aleación. [10]
  • La irradiación de materiales también puede inducir transformaciones de fase en el material: en el caso de una solución sólida , el enriquecimiento o agotamiento del soluto en los sumideros , la segregación inducida por radiación puede conducir a la precipitación de nuevas fases en el material. [11]

Los efectos mecánicos de estos mecanismos incluyen endurecimiento por irradiación , fragilización , fluencia y agrietamiento asistido por el medio ambiente . Los grupos de defectos, los bucles de dislocación, los huecos, las burbujas y los precipitados producidos como resultado de la radiación en un material contribuyen al fortalecimiento y fragilización (pérdida de ductilidad ) del material. [12]La fragilización es de particular interés para el material que comprende la vasija de presión del reactor, donde, como resultado, la energía requerida para fracturar la vasija disminuye significativamente. Es posible restaurar la ductilidad recociendo los defectos, y gran parte de la vida útil de los reactores nucleares depende de la capacidad para hacerlo de forma segura. La fluencia también se acelera en gran medida en materiales irradiados, aunque no como resultado de las difusividades mejoradas, sino más bien como resultado de la interacción entre la tensión de la red y la microestructura en desarrollo. El agrietamiento ambientalmente asistido o, más específicamente, el agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por irradiación (IASCC) se observa especialmente en aleaciones sujetas a radiación de neutrones y en contacto con agua, causadas porAbsorción de hidrógeno en las puntas de las fisuras como resultado de la radiólisis del agua, lo que conduce a una reducción de la energía necesaria para propagar la fisura. [6]

Ver también [ editar ]

  • Emisión de neutrones
  • Flujo de neutrones
  • Radiografía de neutrones

Referencias [ editar ]

  1. ^ Yue, AT; Dewey, MS; Gilliam, DM; Greene, GL; Laptev, AB; Nico, JS; Snow, WM; Wietfeldt, FE (27 de noviembre de 2013). "Determinación mejorada de la vida útil de los neutrones". Cartas de revisión física . 111 (22): 222501. arXiv : 1309.2623 . Código Bibliográfico : 2013PhRvL.111v2501Y . doi : 10.1103 / PhysRevLett.111.222501 . PMID  24329445 .
  2. ^ "Cómo la radiación daña el tejido" . Universidad Estatal de Michigan . Consultado el 21 de diciembre de 2017 .
  3. ^ "Blindaje de radiación de neutrones" . www.frontier-cf252.com . Corporación de Tecnología de Frontera . Consultado el 21 de diciembre de 2017 .
  4. ↑ Carrillo, Héctor René Vega (15 de mayo de 2006). "Rendimiento de protección contra neutrones del poliéster extendido por agua" (PDF) . Dosimetría e instrumentación TA-3 . Consultado el 21 de diciembre de 2017 .
  5. ^ Especialista, WPI, Servicios de información ambiental - Shawn Denny, arquitecto de información; Mike Pizzuti, diseñador gráfico; Chelene Neal, especialista en información web; Kate Bessiere, Información web. "Informe final del Comité Asesor sobre Experimentos de Radiación Humana" . ehss.energy.gov . Consultado el 21 de diciembre de 2017 .
  6. ^ a b c d [Dunand, David. "Materiales en Generación de Energía Nuclear". Ciencia e ingeniería de materiales 381: Materiales para tecnología energéticamente eficiente. Universidad Northwestern, Evanston. 3 de febrero de 2015. Conferencia]
  7. ^ A. Struchbery, E. Bezakova "Vida útil de pico térmico de efectos de preequilibrio de duración de picosegundo en campos magnéticos hiperfinos después de la implantación de iones". 3 de mayo. 1999.
  8. ↑ Thomé, L .; Moll, S .; Debelle, A .; Garrido, F .; Sattonnay, G .; Jagielski, J. (1 de junio de 2018). "Efectos de la radiación en la cerámica nuclear" . Avances en Ciencia e Ingeniería de Materiales . 2012 : 1–13. doi : 10.1155 / 2012/905474 .
  9. ^ CAWTHORNE, C .; FULTON, EJ (1 de noviembre de 1967). "Vacíos en acero inoxidable irradiado". Naturaleza . 216 (5115): 575–576. Código Bibliográfico : 1967Natur.216..575C . doi : 10.1038 / 216575a0 .
  10. ^ Adamson, R. "Efectos de la radiación de neutrones en la microestructura y las propiedades de Zircaloy" 1977. 08 de febrero de 2015.
  11. ^ Hyun Ju Jin, Tae Kyu Kim. "Rendimiento de irradiación de neutrones de Zircaloy-4 en condiciones de funcionamiento del reactor de investigación". Annals of Nuclear Energy. 13 de septiembre de 2014 Web. 08 de febrero de 2015.
  12. ^ Baroch, CJ (1975). "Efecto de la irradiación a 130, 650 y 775 ° F sobre las propiedades de tracción de Zircaloy-4 a 70, 650 y 775 ° F" . Efectos de la radiación en materiales estructurales . astm.org . ASTM International. págs. 129-129-14. doi : 10.1520 / STP33683S . ISBN 978-0-8031-0539-3.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501

Enlaces externos [ editar ]

  • Definiciones de la EPA de varios términos
  • Comparación de imágenes radiográficas de neutrones y radiográficas X
  • Técnicas de neutrones Una herramienta única para la investigación y el desarrollo