fuente de neutrones

Algunos isótopos experimentan fisión espontánea (FE) con emisión de neutrones . La fuente de fisión espontánea más común es el isótopo californio -252. El ^252Cf y todas las demás fuentes de neutrones de FE se producen irradiando uranio o un elemento transuránico en un reactor nuclear , donde los neutrones son absorbidos por el material de partida y sus productos de reacción subsiguientes, transmutando el material de partida en el isótopo de FE. Las fuentes de neutrones de ^252Cf suelen tener un diámetro de 6 mm a 12 mm y una longitud de 25 mm a 5 cm. Una fuente típica de neutrones de ^252Cf emite de ^10⁷ a ^10⁹ neutrones por segundo cuando es nueva; pero con una vida media de 2,6 años, la producción de neutrones se reduce a la mitad en 2,6 años.

Los neutrones se producen cuando las partículas alfa chocan con diversos isótopos ligeros, como los de berilio , carbono u oxígeno . Por lo tanto, una fuente de neutrones se puede fabricar mezclando un emisor alfa, como ^{radio, polonio o americio, con un isótopo de bajo peso atómico, generalmente mediante la mezcla de polvos de ambos materiales. Las fuentes de neutrones alfa suelen producir entre 10⁶ y 10⁸} neutrones por segundo . Una fuente ^de neutrones alfa-berilio puede producir unos 30 neutrones por cada 10⁶ ^partículas alfa. La vida útil de estas fuentes depende de la vida media del radioisótopo. El tamaño y el coste de estas fuentes de neutrones son comparables a los de las fuentes de fisión espontánea. Las combinaciones habituales de materiales son plutonio -berilio (PuBe), americio-berilio (AmBe) o americio- litio (AmLi).

La radiación gamma con una energía que excede la energía de enlace del neutrón de un núcleo puede expulsar un neutrón, un proceso conocido como fotodesintegración . Dos ejemplos de reacciones son:

• ⁹ Be + fotón >1,7 MeV → 1 neutrón + 2 ⁴ He
• ² H ( deuterio ) + fotón >2,26 MeV → 1 neutrón + ¹ H

Algunos generadores de neutrones basados ​​en aceleradores inducen la fusión entre haces de iones de deuterio y/o tritio y blancos de hidruro metálico que también contienen estos isótopos.

La fuente de neutrones de enfoque de plasma denso produce fusión nuclear controlada mediante la creación de un plasma denso dentro del cual se calienta gas de deuterio y/o tritio ionizado a temperaturas suficientes para generar fusión.

Los dispositivos de confinamiento electrostático inercial , como el fusor de Farnsworth-Hirsch, utilizan un campo eléctrico para calentar un plasma hasta alcanzar las condiciones de fusión y producir neutrones. Se han desarrollado diversas aplicaciones, desde el ámbito de los aficionados hasta aplicaciones comerciales , principalmente en Estados Unidos.

Los aceleradores de partículas tradicionales con fuentes de iones de hidrógeno, deuterio o tritio pueden utilizarse para producir neutrones mediante blancos de deuterio, tritio, litio, berilio y otros materiales de bajo número atómico. Normalmente, estos aceleradores operan con energías superiores a 1 MeV.

En un sistema de bremsstrahlung , los neutrones se producen cuando fotones con energías superiores a la energía de enlace nuclear de una sustancia inciden sobre ella, provocando una resonancia dipolar gigante tras la cual emite un neutrón (fotoneutrón) o sufre fisión ( fotofisión ). El número de neutrones liberados por cada evento de fisión depende de la sustancia. Normalmente, los fotones comienzan a producir neutrones al interactuar con la materia ordinaria a energías de entre 7 y 40 MeV , lo que significa que las instalaciones de radioterapia que utilizan rayos X de megavoltaje también producen neutrones, y algunas requieren blindaje contra neutrones. Además, los electrones con energías superiores a unos 50 MeV pueden inducir una resonancia dipolar gigante en los nucleidos mediante un mecanismo inverso a la conversión interna y, por lo tanto, producir neutrones mediante un mecanismo similar al de los fotoneutrones. ^{[ 1 ]}

La fisión nuclear dentro de un reactor produce gran cantidad de neutrones y puede utilizarse para diversos fines, como la generación de energía y la experimentación. Los reactores de investigación suelen diseñarse específicamente para permitir la colocación de muestras de material en un entorno con un alto flujo de neutrones .

La fusión nuclear, la fusión de isótopos pesados ​​de hidrógeno, tiene el potencial de producir grandes cantidades de neutrones. Existen sistemas de fusión a pequeña escala para fines de investigación (de plasma) en numerosas universidades y laboratorios de todo el mundo. También existen algunos experimentos de fusión a gran escala, como la Instalación Nacional de Ignición (NIIF ) en EE. UU., el JET en el Reino Unido y, próximamente, el experimento ITER, actualmente en construcción en Francia. Ninguno de ellos se utiliza todavía como fuente de neutrones.

La fusión por confinamiento inercial tiene el potencial de producir órdenes de magnitud más neutrones que la espalación . ^{[ 2 ]} Esto podría ser útil para la radiografía de neutrones , que puede utilizarse para localizar átomos de hidrógeno en estructuras, resolver el movimiento térmico atómico y estudiar la excitación colectiva de los núcleos de forma más eficaz que los rayos X.

Una fuente de espalación es una fuente de alto flujo en la que protones acelerados a altas energías impactan contra un blanco, provocando la emisión de neutrones. Las fuentes de neutrones más potentes del mundo suelen basarse en la espalación, ya que los reactores de fisión de alto flujo tienen un límite superior en la producción de neutrones. En 2022, la fuente de neutrones más potente del mundo era la Fuente de Neutrones por Espalación en Oak Ridge, Tennessee , ^{[ 3 ]} y la Fuente Europea de Espalación en Lund , Suecia, se encontraba en construcción para convertirse en la fuente de neutrones pulsados ​​de duración intermedia más potente del mundo.

Se propone que los reactores de fisión nuclear subcríticos utilicen fuentes de neutrones por espalación y pueden emplearse tanto para la transmutación nuclear (por ejemplo, la producción de radionúclidos médicos o la síntesis de metales preciosos ) como para la generación de energía, ya que la energía necesaria para producir un neutrón por espalación (~30 MeV con los niveles tecnológicos actuales) es casi un orden de magnitud menor que la energía liberada por la fisión (~200 MeV para la mayoría de los actínidos fisionables ).

Las fuentes de neutrones láser constituyen otra tecnología emergente que utiliza pulsos láser ultraintensos para producir neutrones mediante reacciones nucleares secundarias. Cuando láseres de alta potencia interactúan con blancos densos, generan partículas de alta energía, como protones o deuterones, que pueden colisionar con un material secundario, induciendo la emisión de neutrones. Estas fuentes son compactas en comparación con las instalaciones tradicionales de espalación o basadas en reactores, y ofrecen capacidades únicas, como ráfagas de neutrones ultracortas y un alto brillo.