Fuente de neutrones

Una fuente de neutrones es cualquier dispositivo que emite neutrones, independientemente del mecanismo utilizado para producirlos. Las fuentes de neutrones se utilizan en física, ingeniería, medicina, armas nucleares, exploración de petróleo, biología, química y energía nuclear.

Las variables de la fuente de neutrones incluyen la energía de los neutrones emitidos por la fuente, la tasa de neutrones emitidos por la fuente, el tamaño de la fuente, el costo de poseer y mantener la fuente y las regulaciones gubernamentales relacionadas con la fuente.

Dispositivos pequeños

Fisión espontánea (SF)

Algunos isótopos experimentan SF con emisión de neutrones. La fuente de fisión espontánea más común es el isótopo californio-252. ²⁵²Cf y todas las demás fuentes de neutrones de SF se fabrican irradiando uranio o un elemento transuránico en un reactor nuclear, donde los neutrones se absorben en el material de partida y sus productos de reacción posteriores, transmutando el material de partida en SF isótopo. ²⁵²Las fuentes de neutrones Cf suelen ser de 1/4" a 1/2" de diámetro y 1" a 2" en longitud. Una fuente típica de neutrones 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. Una fuente típica de neutrones de ²⁵²Cf cuesta entre 15 000 y 20 000 dólares.

Radioisótopos que decaen alfa; mezclado con un elemento ligero

Los neutrones se producen cuando las partículas alfa golpean cualquiera de varios isótopos ligeros, incluidos los isótopos de berilio, carbono u oxígeno. Por lo tanto, se puede hacer una fuente de neutrones mezclando un emisor alfa como radio, polonio o americio con un isótopo de bajo peso atómico, generalmente mezclando polvos de los dos materiales. Las fuentes de neutrones alfa suelen producir ~10⁶–10⁸ neutrones por segundo. Una fuente de neutrones de alfa-berilio puede producir unos 30 neutrones por cada 10⁶ partículas alfa. La vida útil de tales fuentes depende de la vida media del radioisótopo. El tamaño y el costo de estas fuentes de neutrones son comparables a las fuentes de fisión espontánea. Las combinaciones habituales de materiales son plutonio-berilio (PuBe), americio-berilio (AmBe) o americio-litio (AmLi).

Radioisótopos que se desintegran con fotones de alta energía ubicados junto con berilio o deuterio

La radiación gamma con una energía que excede la energía de enlace de un neutrón de un núcleo puede expulsar un neutrón (fotoneutrón). Dos ejemplos de reacciones son:

• ⁹Ser + >1.7 MeV photon → 1 neutron + 2 ⁴Él
• ²H (deuterio) + √2.26 MeV foton → 1 neutron + ¹H

Generadores de neutrones de tubo sellado

Algunos generadores de neutrones basados en aceleradores inducen la fusión entre haces de iones de deuterio o tritio y objetivos de hidruros metálicos que también contienen estos isótopos.

Dispositivos de tamaño mediano

Dispositivos de pinza de plasma y foco de plasma

La fuente de neutrones de foco de plasma denso produce una fusión nuclear controlada mediante la creación de un plasma denso dentro del cual se calienta el deuterio ionizado o el gas tritio a temperaturas suficientes para crear la fusión.

Confinamiento electrostático inercial

Los dispositivos de confinamiento electrostático inercial, como el fusor Farnsworth-Hirsch, utilizan un campo eléctrico para calentar un plasma a condiciones de fusión y producir neutrones. Se han desarrollado varias aplicaciones, desde una escena de entusiastas de los pasatiempos hasta aplicaciones comerciales, principalmente en los EE. UU.

Aceleradores de iones ligeros

Los aceleradores de partículas tradicionales con fuentes de iones de hidrógeno (H), deuterio (D) o tritio (T) se pueden usar para producir neutrones utilizando objetivos de deuterio, tritio, litio, berilio y otros materiales de baja Z. Normalmente, estos aceleradores funcionan con energías en > Rango de 1 MeV.

Sistemas de fotofisión/fotoneutrones de bremsstrahlung de alta energía

Los neutrones se producen cuando fotones por encima de la energía de enlace nuclear de una sustancia inciden sobre esa sustancia, lo que hace que se someta a una resonancia dipolar gigante, después de lo cual emite un neutrón (fotoneutrón) o sufre una fisión (fotofisión). El número de neutrones liberados por cada evento de fisión depende de la sustancia. Por lo general, los fotones comienzan a producir neutrones al interactuar con la materia normal a energías de aproximadamente 7 a 40 MeV, lo que significa que las instalaciones de radioterapia que utilizan rayos X de megavoltaje también producen neutrones, y algunas requieren protección de neutrones. Además, los electrones de energía de más de 50 MeV pueden inducir una resonancia de dipolo 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.

Dispositivos grandes

Reactores de fisión nuclear

La fisión nuclear dentro de un reactor produce muchos neutrones y se puede utilizar para una variedad de propósitos, incluida la generación de energía y los experimentos. Los reactores de investigación a menudo están especialmente diseñados para permitir la colocación de muestras de materiales en un entorno de alto flujo de neutrones.

Sistemas de fusión nuclear

La fusión nuclear, la fusión de isótopos pesados de hidrógeno, también tiene el potencial de producir una gran cantidad de neutrones. Existen sistemas de fusión a pequeña escala para fines de investigación (de plasma) en muchas universidades y laboratorios de todo el mundo. También existe una pequeña cantidad de experimentos de fusión a gran escala, incluida la Instalación Nacional de Ignición en los EE. UU., JET en el Reino Unido y pronto el experimento ITER actualmente en construcción en Francia. Ninguno 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. Esto podría ser útil para la radiografía de neutrones que se puede utilizar para localizar átomos de hidrógeno en estructuras, resolver el movimiento térmico atómico y estudiar la excitación colectiva de los núcleos con mayor eficacia que los rayos X.

Aceleradores de partículas de alta energía

Una fuente de espalación es una fuente de alto flujo en la que los protones que se han acelerado a altas energías golpean un objetivo, lo que provoca la emisión de neutrones. Las fuentes de neutrones más fuertes del mundo tienden a basarse en la espalación, ya que los reactores de fisión de alto flujo tienen un límite superior de neutrones producidos. A partir de 2022, la fuente de neutrones más poderosa del mundo es la Fuente de neutrones por espalación en Oak Ridge, Tennessee, con la Fuente de espalación europea en Lund, Suecia en construcción para convertirse en la fuente de neutrones pulsados de duración intermedia más fuerte del mundo. Se propone que los reactores de fisión nuclear subcrítica utilicen fuentes de neutrones de espalación y se pueden utilizar tanto para la transmutación nuclear (por ejemplo, producción de radionúclidos médicos o síntesis de metales preciosos) como para la generación de energía como la energía necesaria para producir un neutrón de espalación (~30 MeV a la corriente). niveles tecnológicos) es casi un orden de magnitud inferior a la energía liberada por la fisión (~200 MeV para la mayoría de los actínidos fisionables).

Flujo de neutrones

Para la mayoría de las aplicaciones, es mejor un flujo de neutrones más alto (ya que reduce el tiempo necesario para realizar el experimento, adquirir la imagen, etc.). Los dispositivos de fusión amateur, como un fusor, generan solo alrededor de 300 000 neutrones por segundo. Los dispositivos fusores comerciales pueden generar del orden de 10⁹ neutrones por segundo, por lo tanto, un flujo utilizable de menos de 10⁵ n/(cm² s). Grandes haces de neutrones en todo el mundo logran un flujo mucho mayor. Las fuentes basadas en reactor ahora producen 10¹⁵ n/(cm² s), y las fuentes de espalación generan > 10¹⁷ n/(cm²·s).