La radiación de neutrones es una forma de radiación ionizante que se presenta como neutrones libres . Los fenómenos típicos son la fisión nuclear o la fusión nuclear que causan la liberación de neutrones libres, que luego reaccionan con núcleos de otros átomos para formar nuevos nucleidos , lo que, a su vez, puede 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, 47 segundos). [1]
La radiación de neutrones se diferencia de la radiación alfa , beta y gamma .
Los neutrones pueden ser emitidos por fusión o fisión nuclear , o por 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 generalmente 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 chocando 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 de neutrones común.
Los neutrones de los reactores nucleares generalmente se clasifican como neutrones lentos (térmicos) o neutrones rápidos según su energía. Los neutrones térmicos son similares en distribución de energía (la distribución de Maxwell-Boltzmann ) a un gas en equilibrio termodinámico ; pero son fácilmente capturados por los núcleos atómicos y son el medio principal por el cual los elementos sufren 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 y liberan 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 llevar a cabo 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 frenar los neutrones rápidos. a velocidades térmicas para permitir una absorción suficiente. Los moderadores de neutrones comunes incluyen el grafito , el agua ordinaria (ligera) y el agua pesada . Algunos reactores ( reactores de neutrones rápidos ) y todas las armas nucleares dependen de neutrones rápidos.
Los neutrones cosmogénicos, los neutrones producidos a partir de la radiación cósmica en la atmósfera o la superficie de la Tierra, y los producidos en los aceleradores de partículas, pueden tener una energía significativamente mayor que los que se encuentran en los reactores. La mayoría de ellos activan un núcleo antes de llegar al suelo; unos pocos reaccionan con los núcleos en el aire [ se necesita aclaración ] . Las reacciones con el nitrógeno-14 conducen a la formación del carbono-14 ( 14 C), muy utilizado en la datación por radiocarbono .
La radiación de neutrones fríos , térmicos y calientes se utiliza más comúnmente enexperimentos de dispersión y difracción , para evaluar las propiedades y la estructura de materiales en cristalografía , física de la materia condensada , biología , química del estado sólido , ciencia de materiales , geología , mineralogía y ciencias relacionadas. La radiación de neutrones también se utiliza en la terapia de captura de neutrones con boro para tratar tumores cancerosos debido a su naturaleza altamente penetrante y dañina para la estructura celular. Los neutrones también se pueden utilizar para obtener imágenes de piezas industriales, lo que se denomina 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. Las imágenes de neutrones se utilizan comúnmente en la industria nuclear, la industria espacial y aeroespacial, así como en la industria de explosivos de alta confiabilidad.
La radiación de neutrones suele denominarse 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 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 cuando un núcleo que retrocede debido a una interacción de neutrones se ioniza y causa una ionización posterior más tradicional en otros. átomos. Debido a que los neutrones no están cargados, son más penetrantes que la radiación alfa o la radiación beta . En algunos casos son más penetrantes que la radiación gamma, que se ve obstaculizada 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 de neutrones , la capacidad de la radiación de neutrones de inducir radiactividad en la mayoría de las sustancias que encuentra, incluidos los tejidos corporales. [2] Esto ocurre mediante la captura de neutrones por los núcleos atómicos, que se transforman en otro nucleido , frecuentemente 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 y fusión nuclear, ya que gradualmente hace que el equipo sea radiactivo, de modo que eventualmente debe ser reemplazado y eliminado 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 más grave 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 núcleos ligeros rebotan y frenan (absorben) repetidamente los neutrones, por lo que el material rico en hidrógeno es más eficaz como protección que los núcleos de hierro . Los átomos ligeros sirven para frenar los neutrones mediante dispersión elástica para que luego puedan ser absorbidos por reacciones nucleares . Sin embargo, en tales reacciones a menudo se produce radiación gamma, por lo que se debe proporcionar una protección adicional para absorberla. Se debe tener cuidado de evitar el uso de materiales cuyos núcleos sufren fisión o captura de neutrones que provoca la desintegración radiactiva de los núcleos, produciendo rayos gamma.
Los neutrones atraviesan fácilmente la mayor parte del material y, por lo tanto, la dosis absorbida (medida en grises ) de una determinada cantidad de radiación es baja, pero interactúan 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 con agua (WEP) es eficaz como pared protectora 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. [3] Los materiales a base de hidrógeno son adecuados para el blindaje, ya que son barreras adecuadas contra la radiación. [4]
El hormigón (donde un número considerable de moléculas de agua se unen químicamente al cemento) y la grava proporcionan una solución económica 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 descompone en carbono o helio y prácticamente no produce radiación gamma con carburo de boro , un escudo comúnmente utilizado donde el costo del concreto sería prohibitivo. Comercialmente, los tanques de agua o fueloil, hormigón, grava y B 4 C son escudos comunes que rodean áreas de 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 especializados.
Debido a que los neutrones que chocan contra el núcleo de hidrógeno ( protón o deuterón ) imparten energía a ese núcleo, a su vez rompen sus enlaces químicos y viajan una distancia corta antes de detenerse. Estos núcleos de hidrógeno son partículas de alta transferencia lineal de energía y, a su vez, se detienen mediante la ionización del material por el que 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 dejen de replicarse por completo, causando daños al cuerpo con el tiempo. [5] 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 se producen con el tiempo en los materiales expuestos a la radiación. En el caso de fluencias de neutrones elevadas, esto puede provocar la fragilización de los metales y otros materiales, y en algunos de ellos el hinchamiento inducido por los neutrones . Esto plantea un problema para las vasijas de los reactores nucleares y limita significativamente su vida útil (que puede prolongarse un poco mediante el recocido controlado de la vasija, 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 operación de recocido de este tipo.
El daño por radiación a los materiales se produce 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 provoca una transferencia masiva de energía cinética al átomo de la red, que se desplaza de su sitio en la red, convirtiéndose en lo que se conoce como átomo primario de arrastre (PKA). Debido a que la PKA está rodeada 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 adicionales, produciendo lo que se conoce como cascada de colisiones o cascada de desplazamiento. Los átomos 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 la pérdida de energía electrónica), al igual que posiblemente los átomos transmutados . La magnitud del daño es tal que un solo neutrón de 1 MeV que crea una PKA en una red de hierro produce aproximadamente 1.100 pares de Frenkel. [6] Todo el evento en cascada ocurre en una escala de tiempo de 1 × 10 −13 segundos y, por lo tanto, sólo puede "observarse" en simulaciones por computadora del evento. [7]
Los átomos en cadena terminan en posiciones de red intersticiales de desequilibrio, muchas de las cuales se aniquilan a sí mismas al difundirse nuevamente en sitios vacantes de la red vecina y restaurar la red ordenada. Aquellos que no dejan o no pueden dejar 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 sumideros de vacantes (es decir, límites de grano , dislocaciones ), pero existen durante períodos de tiempo significativos, durante los cuales partículas adicionales de alta energía bombardean la red, creando cascadas de colisiones y vacantes adicionales, que migran. hacia los lavabos. 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 viento de defecto. Las vacantes también pueden aniquilarse combinándose entre sí para formar bucles de dislocación y, más tarde, vacíos de red . [6]
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 dramáticamente. 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 objeto de amplio estudio. [8]
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 ) del material. [12] La fragilización es de particular preocupación para el material que comprende la vasija de presión del reactor, donde como resultado la energía requerida para fracturar la vasija disminuye significativamente. Es posible restaurar la ductilidad eliminando los defectos, y gran parte de la extensión de la vida útil de los reactores nucleares depende de la capacidad de hacerlo de manera segura. La fluencia también se acelera enormemente en materiales irradiados, aunque no como resultado de las difusividades mejoradas, sino más bien como resultado de la interacción entre la tensión de la red y la microestructura en desarrollo. El craqueo asistido por el medio ambiente o, más específicamente, el craqueo 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 conduce a una Reducción de la energía necesaria para propagar la grieta. [6]
{{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