Una fuente de neutrones es cualquier dispositivo que emita neutrones , independientemente del mecanismo utilizado para producirlos. Las fuentes de neutrones se utilizan en física, ingeniería, medicina, armas nucleares, exploración petrolera, 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.
Algunos isótopos sufren fisión espontánea (SF) con emisión de neutrones . La fuente de fisión espontánea más común es el isótopo californio -252. El 252 Cf y todas las demás fuentes de neutrones de SF se obtienen 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 el isótopo SF. Las fuentes de neutrones de 252 Cf suelen tener entre 1/4" y 1/2" de diámetro y entre 1" y 2" de longitud. Una fuente de neutrones de 252 Cf típica emite entre 10 7 y 10 9 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 cualquiera de varios isótopos ligeros, incluidos los isótopos de berilio , carbono u oxígeno . Por lo tanto, se puede fabricar una fuente de neutrones mezclando un emisor alfa como el radio , el polonio o el americio con un isótopo de bajo peso atómico, generalmente mezclando polvos de los dos materiales. Las fuentes de neutrones alfa suelen producir ~10 6 –10 8 neutrones por segundo. Una fuente de neutrones alfa-berilio puede producir alrededor de 30 neutrones por 10 6 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).
La radiación gamma con una energía superior a la energía de enlace de neutrones de un núcleo puede expulsar un neutrón, un proceso conocido como fotodesintegración . Dos reacciones de ejemplo son:
Algunos generadores de neutrones basados en aceleradores inducen la fusión entre haces de iones de deuterio y/o tritio y objetivos de hidruro metálico que también contienen estos isótopos.
La fuente de neutrones con foco de plasma denso produce una fusión nuclear controlada mediante la creación de un plasma denso en cuyo interior se calienta el gas ionizado deuterio y/o tritio a temperaturas suficientes para crear la fusión.
Los dispositivos de confinamiento electrostático inercial, como el fusor 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 los EE. UU.
Los aceleradores de partículas tradicionales con fuentes de iones de hidrógeno, deuterio o tritio se pueden utilizar para producir neutrones utilizando objetivos de deuterio, tritio, litio, berilio y otros materiales de bajo Z. [ cita requerida ] Normalmente, estos aceleradores funcionan con energías en el rango > 1 MeV.
En un sistema de bremsstrahlung , 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 experimente una resonancia dipolar gigante después de la cual emite un neutrón (fotoneutrón) o sufre fisión ( fotofisión ). La cantidad 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 blindaje neutrónico. [ cita requerida ] Además, los electrones de energía superior a aproximadamente 50 MeV pueden inducir una resonancia dipolar gigante en nucleidos mediante un mecanismo que es el inverso de 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 muchos neutrones y puede utilizarse para diversos fines, como la generación de energía y la realización de experimentos. Los reactores de investigación suelen estar especialmente diseñados 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 del hidrógeno, tiene el potencial de producir grandes cantidades de neutrones. Existen sistemas de fusión a pequeña escala para fines de investigación (plasmática) en muchas universidades y laboratorios de todo el mundo. También existe un pequeño número de experimentos de fusión a gran escala, incluidos el National Ignition Facility en los EE. UU., el JET en el Reino Unido y pronto el experimento ITER que se está construyendo actualmente 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 . [2] 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 de forma más efectiva que los rayos X.
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 potentes 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 potente del mundo es la fuente de neutrones por espalación en Oak Ridge, Tennessee , [3] y la fuente de espalación europea en Lund , Suecia, 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 de espalación y se puedan utilizar tanto para la transmutación nuclear (por ejemplo, la producción de radionucleidos médicos o la síntesis de metales preciosos ) como para la generación de energía, ya que la energía necesaria para producir un neutrón de espalación (~30 MeV en 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 ).
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 unos 300 000 neutrones por segundo. Los dispositivos fusores comerciales pueden generar del orden de 10 9 neutrones por segundo, por lo tanto un flujo utilizable de menos de 10 5 n/(cm 2 s). Los grandes haces de neutrones en todo el mundo logran un flujo mucho mayor. Las fuentes basadas en reactores ahora producen 10 15 n/(cm 2 s), y las fuentes de espalación generan > 10 17 n/(cm 2 s).