La radiación de neutrones es una forma de radiación ionizante que se presenta en forma de 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 nucleidos , que, a su vez, pueden desencadenar más radiación de neutrones. Los neutrones libres son inestables y se desintegran en un protón , un electrón y un antineutrino electrónico . Los neutrones libres tienen una vida media de 887 segundos (14 minutos y 47 segundos). [1]
La radiación de neutrones se distingue de la radiación alfa , beta y gamma . [2]
Los neutrones pueden emitirse a partir de la fusión nuclear o la fisión nuclear , o de otras reacciones nucleares como la desintegración radiactiva o las interacciones de partículas con rayos cósmicos o dentro de aceleradores de partículas . Las grandes fuentes de neutrones 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 al observar una partícula alfa colisionando con un núcleo de berilio , que se transformó en un núcleo de carbono mientras emitía un neutrón , Be ( 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 común de neutrones.
Los neutrones de 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 ( distribución de Maxwell-Boltzmann ) a la de un gas en equilibrio termodinámico , pero son fácilmente capturados por los núcleos atómicos y son el principal medio 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, liberando más neutrones. En la mayoría de los diseños de reactores de fisión, el combustible nuclear no está lo suficientemente refinado como para absorber suficientes neutrones rápidos para continuar 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 que permitan una absorción suficiente. Los moderadores de neutrones más comunes incluyen grafito , agua ordinaria (ligera) y agua pesada . Algunos reactores ( reactores de neutrones rápidos ) y todas las armas nucleares dependen de neutrones rápidos.
Los neutrones cosmogénicos se producen a partir de la radiación cósmica en la atmósfera o la superficie de la Tierra, así como en los aceleradores de partículas. A menudo poseen niveles de energía más altos en comparación con los neutrones que se encuentran en los reactores. Muchos de estos neutrones activan los núcleos atómicos antes de llegar a la superficie de la Tierra, mientras que una fracción más pequeña interactúa con los núcleos en el aire atmosférico. [3] Cuando estos neutrones interactúan con átomos de nitrógeno-14, pueden transformarlos en carbono-14 (14C), que se utiliza ampliamente en la datación por radiocarbono. [4]
La radiación de neutrones fría , térmica y caliente se utiliza con mayor frecuencia en experimentos de dispersión y difracción , para evaluar las propiedades y la estructura de los materiales en cristalografía , física de la materia condensada , biología , química del estado sólido , ciencia de los materiales , geología , mineralogía y ciencias relacionadas. La radiación de neutrones también se utiliza en la terapia de captura de neutrones de boro para tratar tumores cancerosos debido a su naturaleza altamente penetrante y dañina para la estructura celular. Los neutrones también se pueden utilizar para la obtención de imágenes de piezas industriales denominadas radiografía de neutrones cuando se utiliza película, radioscopia de neutrones cuando se toma una imagen digital, como a través de placas de imagen, y tomografía de neutrones para imágenes tridimensionales. La obtención de imágenes de neutrones se utiliza comúnmente en la industria nuclear, la industria espacial y aeroespacial, así como en la industria de explosivos de alta confiabilidad.
La radiación de neutrones se suele denominar 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 los 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 a partir de una interacción de neutrones se ioniza y causa una ionización posterior más tradicional en otros átomos. Debido a que los neutrones no tienen carga, son más penetrantes que la radiación alfa o la radiación beta . En algunos casos, son más penetrantes que la radiación gamma, que se ve 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.
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 neutrónica , la capacidad de la radiación de neutrones de inducir radiactividad en la mayoría de las sustancias que encuentra, incluidos los tejidos corporales. [5] Esto ocurre a través de la captura de neutrones por núcleos atómicos, que se transforman en otro nucleido , con frecuencia un radionucleido . Este proceso representa 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 vuelve radiactivo el equipo de modo que eventualmente debe reemplazarse y desecharse como residuo radiactivo de bajo nivel .
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 neutrones rebotan y se ralentizan (absorben) repetidamente por los núcleos ligeros, por lo que el material rico en hidrógeno es más eficaz como blindaje que los núcleos de hierro . Los átomos ligeros sirven para ralentizar los neutrones mediante dispersión elástica para que luego puedan ser absorbidos por las reacciones nucleares . Sin embargo, en tales reacciones a menudo se produce radiación gamma, por lo que se debe proporcionar un blindaje adicional para absorberla. Se debe tener cuidado para evitar el uso de materiales cuyos núcleos experimenten fisión o captura de neutrones que provoque la desintegración radiactiva de los núcleos, produciendo rayos gamma.
Los neutrones pasan fácilmente a través de la mayoría de los materiales y, por lo tanto, la dosis absorbida (medida en grays ) de una cantidad dada 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 en agua (WEP) es eficaz como pared 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, de física de la salud y de defensa. [6] Los materiales a base de hidrógeno son adecuados para el blindaje, ya que son barreras adecuadas contra la radiación. [7]
El hormigón (donde una cantidad considerable de moléculas de agua se unen químicamente al cemento) y la grava proporcionan una solución barata debido a su protección combinada tanto de los rayos gamma como de los neutrones. El boro también es un excelente absorbente de neutrones (y también sufre cierta dispersión de neutrones). El boro se desintegra en carbono o helio y prácticamente no produce radiación gamma con carburo de boro , un escudo que se utiliza habitualmente donde el hormigón sería prohibitivo en cuanto a costes. En el ámbito comercial, los tanques de agua o fueloil, hormigón, grava y B4C son escudos comunes que rodean zonas con grandes cantidades de flujo de neutrones , por ejemplo, reactores nucleares. El vidrio de sílice impregnado con boro, el vidrio de borosilicato estándar , el acero con alto contenido de 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 rompen 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 por 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, lo que causa daño al cuerpo con el tiempo. [8] Los neutrones son particularmente dañinos para los tejidos blandos como la córnea del ojo.
Los neutrones de alta energía dañan y degradan los materiales con el tiempo; el bombardeo de materiales con neutrones crea cascadas de colisiones 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. Con altas fluencias de neutrones , esto puede provocar la fragilización de los metales y otros materiales, y la hinchazón inducida por neutrones en algunos de ellos. Esto plantea un problema para los recipientes de los reactores nucleares y limita significativamente su vida útil (que puede prolongarse un poco mediante el recocido controlado del recipiente, lo que reduce 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 de esas operaciones de recocido.
El daño por radiación a los materiales ocurre como resultado de la interacción de una partícula incidente energética (un neutrón, u otro) con un átomo de la red en el material. La colisión causa 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 primario de reacción en cadena (PKA). Debido a que el PKA está rodeado 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 de reacción en cadena adicionales, produciendo lo que se conoce como la cascada de colisión o cascada de desplazamiento. Los átomos de reacción en cadena pierden energía con cada colisión y terminan como intersticiales , creando efectivamente una serie de defectos de Frenkel en la red. También se crea calor como resultado de las colisiones (por pérdida de energía electrónica), al igual que posiblemente se transmuten átomos . La magnitud del daño es tal que un solo neutrón de 1 MeV que crea un PKA en una red de hierro produce aproximadamente 1100 pares de Frenkel. [9] Todo el evento en cascada ocurre en una escala de tiempo de 1 × 10 −13 segundos y, por lo tanto, solo puede "observarse" en simulaciones por computadora del evento. [10]
Los átomos en reacción terminan en posiciones intersticiales de no equilibrio en la red, muchos de los cuales se aniquilan a sí mismos difundiéndose de nuevo hacia los sitios vacíos vecinos de la red y restauran la red ordenada. Aquellos que no lo hacen o no pueden dejar las vacantes, lo que provoca un aumento local en la concentración de vacantes muy por encima de la concentración de equilibrio. Estas vacantes tienden a migrar como resultado de la difusión térmica hacia los sumideros de vacantes (es decir, los límites de grano , las dislocaciones ), pero existen durante cantidades significativas de tiempo, durante las cuales partículas adicionales de alta energía bombardean la red, creando cascadas de colisiones y vacantes adicionales, que migran hacia los sumideros. El principal efecto de la irradiación en una red es el flujo significativo y persistente de defectos hacia los sumideros en lo que se conoce como el viento de defectos. Las vacantes también pueden aniquilarse al combinarse entre sí para formar bucles de dislocación y, más tarde, vacíos en la red . [9]
La cascada de colisiones crea muchas más vacantes e intersticiales en el material que el equilibrio para una temperatura dada, 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 con el 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. [11]
Los efectos mecánicos de estos mecanismos incluyen endurecimiento por irradiación, fragilización , fluencia y agrietamiento asistido por el medio ambiente . Los grupos de defectos, bucles de dislocación, huecos, burbujas y precipitados producidos como resultado de la radiación en un material contribuyen al fortalecimiento y fragilización (pérdida de ductilidad ) en el material. [15] La fragilización es de particular preocupación para el material que comprende el recipiente de presión del reactor, donde como resultado la energía requerida para fracturar el recipiente disminuye significativamente. Es posible restaurar la ductilidad mediante el recocido de los defectos, y gran parte de la prolongación de la vida útil de los reactores nucleares depende de la capacidad de 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 reticular y la microestructura en desarrollo. El agrietamiento asistido por el medio ambiente 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, causado por la absorción de hidrógeno en las puntas de las grietas resultante de la radiólisis del agua, lo que lleva a una reducción de la energía requerida para propagar la grieta. [9]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |website=ignorado ( ayuda )https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501