La temperatura de detección de neutrones , también llamada energía del neutrón , indica la energía cinética de un neutrón libre , generalmente expresada en electronvoltios . El término temperatura se utiliza porque los neutrones calientes, térmicos y fríos se moderan en un medio con una temperatura determinada. La distribución de energía de los neutrones se adapta entonces a la distribución de Maxwell conocida para el movimiento térmico. Cualitativamente, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía cinética de los neutrones libres. El momento y la longitud de onda del neutrón están relacionados a través de la relación de De Broglie . La longitud de onda larga de los neutrones lentos permite la gran sección transversal. [1]
Rangos de distribución de energía de neutrones
Pero en otras fuentes se observan rangos diferentes con nombres diferentes. [4]
A continuación se presenta una clasificación detallada:
Térmico
Un neutrón térmico es un neutrón libre con una energía cinética de aproximadamente 0,025 eV (aproximadamente 4,0×10 −21 J o 2,4 MJ/kg, por lo tanto una velocidad de 2,19 km/s), que es la energía correspondiente a la velocidad más probable a una temperatura de 290 K (17 °C o 62 °F), el modo de la distribución de Maxwell-Boltzmann para esta temperatura, E pico = k T.
Después de una serie de colisiones con núcleos ( dispersión ) en un medio ( moderador de neutrones ) a esta temperatura, los neutrones que no son absorbidos alcanzan aproximadamente este nivel de energía.
Neutrones de energía menor (mucho menor) que los neutrones térmicos.
Menos de 5 meV.
Los neutrones fríos (lentos) se subclasifican en neutrones fríos (CN), muy fríos (VCN) y ultrafríos (UCN), cada uno con características particulares en términos de sus interacciones ópticas con la materia. A medida que la longitud de onda se hace (se elige que sea) más larga, se pueden acceder a valores más bajos del intercambio de momento. Por lo tanto, es posible estudiar escalas mayores y dinámicas más lentas. La gravedad también juega un papel muy importante en el caso de los UCN. Sin embargo, los UCN reflejan en todos los ángulos de incidencia. Esto se debe a que su momento es comparable al potencial óptico de los materiales. Este efecto se utiliza para almacenarlos en botellas y estudiar sus propiedades fundamentales [5] [6], por ejemplo, vida útil, momento dipolar eléctrico del neutrón, etc. Las principales limitaciones del uso de neutrones lentos son el bajo flujo y la falta de dispositivos ópticos eficientes (en el caso de CN y VCN). Se están desarrollando y optimizando componentes ópticos neutrónicos eficientes para remediar esta carencia. [7]
Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a 1 M eV (100 T J / kg ), por lo tanto, una velocidad de 14.000 km/ s o superior. Se los denomina neutrones rápidos para distinguirlos de los neutrones térmicos de menor energía y de los neutrones de alta energía producidos en las lluvias cósmicas o en los aceleradores.
Los neutrones rápidos se producen mediante procesos nucleares:
La fisión nuclear produce neutrones con una energía media de 2 MeV (200 TJ/kg, es decir, 20.000 km/s), lo que la califica como "rápida". Sin embargo, el rango de neutrones de la fisión sigue una distribución de Maxwell-Boltzmann de 0 a aproximadamente 14 MeV en el marco del centro del momento de la desintegración, y la moda de la energía es de solo 0,75 MeV, lo que significa que menos de la mitad de los neutrones de fisión califican como "rápidos" incluso según el criterio de 1 MeV. [8]
La emisión de neutrones se produce en situaciones en las que un núcleo contiene suficientes neutrones en exceso como para que la energía de separación de uno o más neutrones se vuelva negativa (es decir, los neutrones en exceso " gotean " fuera del núcleo). Los núcleos inestables de este tipo suelen desintegrarse en menos de un segundo.
Los neutrones rápidos suelen ser indeseables en un reactor nuclear de estado estable porque la mayoría del combustible fisible tiene una mayor tasa de reacción con los neutrones térmicos. Los neutrones rápidos pueden transformarse rápidamente en neutrones térmicos mediante un proceso llamado moderación. Esto se realiza mediante numerosas colisiones con partículas (en general) de movimiento más lento y, por lo tanto, de menor temperatura, como los núcleos atómicos y otros neutrones. Estas colisiones generalmente acelerarán la otra partícula y ralentizarán el neutrón y lo dispersarán. Idealmente, se utiliza un moderador de neutrones a temperatura ambiente para este proceso. En los reactores, normalmente se utilizan agua pesada , agua ligera o grafito para moderar los neutrones.
Gráfico que muestra las funciones de densidad de probabilidad de velocidad de algunos gases nobles a una temperatura de 298,15 K (25 C). En la página de la imagen aparece una explicación de la etiqueta del eje vertical (haga clic para verla). Se obtienen distribuciones de velocidad similares para los neutrones tras moderación .
Un aumento de la temperatura del combustible también aumenta la absorción de neutrones térmicos del uranio-238 por ensanchamiento Doppler , lo que proporciona una retroalimentación negativa para ayudar a controlar el reactor. Cuando el refrigerante es un líquido que también contribuye a la moderación y la absorción (agua ligera o agua pesada), la ebullición del refrigerante reducirá la densidad del moderador, lo que puede proporcionar una retroalimentación positiva o negativa (un coeficiente de vacío positivo o negativo ), dependiendo de si el reactor está submoderado o sobremoderado.
Los neutrones de energía intermedia tienen peores índices de fisión/captura que los neutrones rápidos o térmicos para la mayoría de los combustibles. Una excepción es el uranio-233 del ciclo del torio , que tiene un buen índice de fisión/captura para todas las energías de neutrones.
Los reactores de neutrones rápidos utilizan neutrones rápidos no moderados para mantener la reacción y requieren que el combustible contenga una mayor concentración de material fisible en relación con el material fértil (uranio-238). Sin embargo, los neutrones rápidos tienen una mejor relación fisión/captura para muchos nucleidos y cada fisión rápida libera una mayor cantidad de neutrones, por lo que un reactor reproductor rápido puede potencialmente "reproducir" más combustible fisible del que consume.
El control de los reactores rápidos no puede depender únicamente del ensanchamiento Doppler o del coeficiente de vacío negativo de un moderador. Sin embargo, la expansión térmica del propio combustible puede proporcionar una rápida retroalimentación negativa. El desarrollo de reactores rápidos, que siempre se ha considerado como la tendencia del futuro, ha estado prácticamente inactivo, con solo un puñado de reactores construidos en las décadas transcurridas desde el accidente de Chernóbil debido a los bajos precios en el mercado del uranio , aunque ahora hay un resurgimiento con varios países asiáticos que planean completar prototipos de reactores rápidos más grandes en los próximos años. [ ¿Cuándo? ]
^ de Broglie, Louis. "Sobre la teoría de los cuantos" (PDF) . aflb.ensmp.fr . Consultado el 2 de febrero de 2019 .
^ Carron, NJ (2007). Introducción al paso de partículas energéticas a través de la materia . p. 308. Bibcode :2007ipep.book.....C.
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^
H. Tomita, C. Shoda, J. Kawarabayashi, T. Matsumoto, J. Hori, S. Uno, M. Shoji, T. Uchida, N. Fukumotoa y T. Iguchia, Desarrollo de una cámara de neutrones epitermales basada en imágenes filtradas por energía de resonancia con GEM , 2012, cita: "Los neutrones epitermales tienen energías entre 1 eV y 10 keV y secciones transversales nucleares más pequeñas que los neutrones térmicos".
^ "Introducción", Neutrones ultrafríos , WORLD SCIENTIFIC, págs. 1–9, 23 de septiembre de 2019, doi :10.1142/9789811212710_0001, ISBN978-981-12-1270-3, S2CID 243745548 , consultado el 11/11/2022
^ Jenke, Tobias; Bosina, Joachim; Micko, Jakob; Pitschmann, Mario; Sedmik, René; Abele, Hartmut (1 de junio de 2021). "Espectroscopia de resonancia gravitacional y campos simétricos de energía oscura". The European Physical Journal Special Topics . 230 (4): 1131–1136. arXiv : 2012.07472 . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN 1951-6401. S2CID 229156429.
^ Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi; Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (24 de mayo de 2022). "Rejillas compuestas de nanopartículas y polímeros basadas en nanodiamantes con modulación del índice de refracción de neutrones extremadamente grande". En McLeod, Robert R; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T; Pascual Villalobos, Inmaculada (eds.). Materiales fotosensibles y sus aplicaciones II . Vol. 12151. SPIE. págs. 70–76. Código Bibliográfico :2022SPIE12151E..09H. doi :10.1117/12.2623661. ISBN9781510651784.S2CID249056691 .
^ Byrne, J. Neutrones, núcleos y materia , Dover Publications, Mineola, Nueva York, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5 (pbk.) pág. 259.
^ Algunos datos sobre la física del uranio. Consultado el 7 de marzo de 2009
