La captura de neutrones es una reacción nuclear en la que un núcleo atómico y uno o más neutrones chocan y se fusionan para formar un núcleo más pesado. [1] Dado que los neutrones no tienen carga eléctrica, pueden entrar en un núcleo más fácilmente que los protones con carga positiva , que son repelidos electrostáticamente . [1]
La captura de neutrones desempeña un papel importante en la nucleosíntesis cósmica de elementos pesados. En las estrellas puede proceder de dos maneras: como un proceso rápido ( proceso r ) o un proceso lento ( proceso s ). [1] Los núcleos de masas superiores a 56 no pueden formarse mediante reacciones termonucleares exotérmicas (es decir, por fusión nuclear ), pero sí pueden formarse mediante captura de neutrones. [1] La captura de neutrones en protones produce una línea a 2,223 MeV predicha [2] y observada comúnmente [3] en las erupciones solares .
En un flujo de neutrones pequeño , como en un reactor nuclear , un solo neutrón es capturado por un núcleo. Por ejemplo, cuando el oro natural ( 197 Au) es irradiado por neutrones (n), el isótopo 198 Au se forma en un estado altamente excitado y se desintegra rápidamente al estado fundamental de 198 Au por la emisión de rayos gamma (𝛾). En este proceso, el número másico aumenta en uno. Esto se escribe como una fórmula en la forma 197 Au + n → 198 Au + γ , o en forma corta 197 Au(n,γ) 198 Au . Si se utilizan neutrones térmicos , el proceso se llama captura térmica.
El isótopo 198 Au es un emisor beta que se desintegra en el isótopo de mercurio 198 Hg. En este proceso, el número atómico aumenta en uno.
El proceso r ocurre dentro de las estrellas si la densidad del flujo de neutrones es tan alta que el núcleo atómico no tiene tiempo de desintegrarse mediante emisión beta entre capturas de neutrones. Por lo tanto, el número másico aumenta en gran medida, mientras que el número atómico (es decir, el elemento) permanece igual. Cuando ya no es posible una mayor captura de neutrones, los núcleos altamente inestables se desintegran mediante muchas desintegraciones β − en isótopos beta-estables de elementos de mayor número.
La sección eficaz de absorción de neutrones de un isótopo de un elemento químico es el área transversal efectiva que presenta un átomo de ese isótopo a la absorción y es una medida de la probabilidad de captura de neutrones. Se mide habitualmente en barns .
La sección eficaz de absorción depende a menudo en gran medida de la energía del neutrón . En general, la probabilidad de absorción es proporcional al tiempo que el neutrón está en las proximidades del núcleo. El tiempo que pasa en las proximidades del núcleo es inversamente proporcional a la velocidad relativa entre el neutrón y el núcleo. Otras cuestiones más específicas modifican este principio general. Dos de las medidas más específicas son la sección eficaz para la absorción de neutrones térmicos y la integral de resonancia, que considera la contribución de los picos de absorción a ciertas energías de neutrones específicas de un nucleido particular , generalmente por encima del rango térmico, pero que se encuentran a medida que la moderación del neutrón frena el neutrón desde una alta energía original.
La energía térmica del núcleo también tiene un efecto: a medida que aumentan las temperaturas, el ensanchamiento Doppler aumenta la posibilidad de captar un pico de resonancia. En particular, el aumento de la capacidad del uranio-238 para absorber neutrones a temperaturas más altas (y hacerlo sin fisionarse) es un mecanismo de retroalimentación negativa que ayuda a mantener los reactores nucleares bajo control.
La captura de neutrones interviene en la formación de isótopos de elementos químicos. La energía de captura de neutrones interviene, por tanto, [ precisión necesaria ] en la entalpía estándar de formación de isótopos.
El análisis por activación neutrónica se puede utilizar para detectar de forma remota la composición química de los materiales. Esto se debe a que los distintos elementos liberan una radiación característica distinta cuando absorben neutrones. Esto lo hace útil en muchos campos relacionados con la exploración y la seguridad minera.
En ingeniería, el absorbedor de neutrones más importante es el 10 B , utilizado como carburo de boro en las barras de control de los reactores nucleares o como ácido bórico como aditivo del agua refrigerante en los reactores de agua a presión . Otros absorbedores de neutrones utilizados en los reactores nucleares son el xenón , el cadmio , el hafnio , el gadolinio , el cobalto , el samario , el titanio , el disprosio , el erbio , el europio , el molibdeno y el iterbio . [4] Todos ellos se encuentran en la naturaleza como mezclas de varios isótopos, algunos de los cuales son excelentes absorbedores de neutrones. Pueden encontrarse en compuestos como el boruro de molibdeno, el diboruro de hafnio , el diboruro de titanio , el titanato de disprosio y el titanato de gadolinio.
El hafnio absorbe neutrones con avidez y puede utilizarse en barras de control de reactores . Sin embargo, se encuentra en los mismos minerales que el circonio , que comparte la misma configuración de la capa electrónica externa y, por lo tanto, tiene propiedades químicas similares. Sus propiedades nucleares son profundamente diferentes: el hafnio absorbe neutrones 600 veces mejor que el circonio. Este último, al ser esencialmente transparente a los neutrones, es apreciado para las partes internas del reactor, incluido el revestimiento metálico de las barras de combustible . Para utilizar estos elementos en sus respectivas aplicaciones, el circonio debe separarse del hafnio que se encuentra naturalmente al mismo tiempo. Esto se puede lograr de manera económica con resinas de intercambio iónico . [5]