La temperatura de detección de neutrones , también llamada energía de neutrones , indica la energía cinética de un neutrón libre , generalmente expresada en electronvoltios . Se utiliza el término temperatura , ya que los neutrones calientes, térmicos y fríos se moderan en un medio con una determinada temperatura. Luego, la distribución de energía de los neutrones se adapta a la distribución de Maxwell conocida por el movimiento térmico. Cualitativamente, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía cinética de los neutrones libres. El impulso y la longitud de onda del neutrón se relacionan mediante la relación de De Broglie . La larga longitud de onda de los neutrones lentos permite una gran sección transversal. [1]
Rangos de distribución de energía de neutrones.
Pero en otras fuentes se observan diferentes rangos con diferentes nombres. [4]
La siguiente es 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 en 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 varias 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 menor (mucha menor) energía que los neutrones térmicos.
Menos de 5 meV.
Los neutrones fríos (lentos) se subclasifican en neutrones fríos (CN), muy fríos (VCN) y ultrafríos (UCN), y cada uno tiene características particulares en términos de sus interacciones ópticas con la materia. A medida que la longitud de onda se hace (se elige) más larga, se vuelven accesibles valores más bajos del intercambio de impulso. Por tanto, es posible estudiar escalas mayores y dinámicas más lentas. La gravedad también juega un papel muy importante en el caso de UCN. Sin embargo, la UCN reflexiona en todos los ángulos de incidencia. Esto se debe a que su impulso 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 de los neutrones, etc. Las principales limitaciones del uso de neutrones lentos son el bajo flujo y la falta de eficiencia. dispositivos ópticos (en el caso de CN y VCN). Para remediar esta carencia se están desarrollando y optimizando componentes ópticos de neutrones eficientes. [7]
Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a 1 M eV (100 T J / kg ), de ahí una velocidad de 14.000 km/ s o superior. Se denominan neutrones rápidos para distinguirlos de los neutrones térmicos de menor energía y de los neutrones de alta energía producidos en lluvias cósmicas o 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 se considera "rápido". Sin embargo, el rango de neutrones de la fisión sigue una distribución de Maxwell-Boltzmann de 0 a aproximadamente 14 MeV en el centro del marco de momento de la desintegración, y el modo de la energía es sólo 0,75 MeV, lo que significa que menos de la mitad de los neutrones de la fisión califican como "rápido" incluso según el criterio de 1 MeV. [8]
La emisión de neutrones ocurre en situaciones en las que un núcleo contiene suficiente exceso de neutrones como para que la energía de separación de uno o más neutrones se vuelva negativa (es decir, el exceso de neutrones " gotea " 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 en estado estacionario porque la mayoría del combustible fisionable tiene una velocidad de reacción más alta con los neutrones térmicos. Los neutrones rápidos se pueden convertir rápidamente en neutrones térmicos mediante un proceso llamado moderación. Esto se consigue mediante numerosas colisiones con (en general) partículas de movimiento más lento y, por tanto, de menor temperatura, como núcleos atómicos y otros neutrones. Estas colisiones generalmente acelerarán la otra partícula y ralentizarán el neutrón y lo dispersarán. Idealmente, para este proceso se utiliza un moderador de neutrones a temperatura ambiente. En los reactores, normalmente se utiliza agua pesada , agua ligera o grafito para moderar los neutrones.
Un gráfico que muestra las funciones de densidad de probabilidad de velocidad de algunos gases nobles a una temperatura de 298,15 K (25 C). Aparece una explicación de la etiqueta del eje vertical en la página de la imagen (haga clic para ver). Se obtienen distribuciones de velocidad similares para los neutrones con moderación .
Un aumento en la temperatura del combustible también aumenta la absorción de neutrones térmicos del uranio-238 mediante ensanchamiento Doppler , proporcionando 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 retroalimentación positiva o negativa (un coeficiente de vacío positivo o negativo ), dependiendo de si el reactor está insuficiente o excesivamente moderado.
Los neutrones de energía intermedia tienen relaciones de fisión/captura más pobres que los neutrones rápidos o térmicos para la mayoría de los combustibles. Una excepción es el uranio-233 del ciclo del torio , que tiene una buena relación de fisión/captura en 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 fisionable 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 "generar" más combustible fisionable del que consume.
El control rápido del reactor 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. Siempre esperado como la ola del futuro, el desarrollo de reactores rápidos ha estado casi inactivo con sólo un puñado de reactores construidos en las décadas posteriores al accidente de Chernobyl debido a los bajos precios en el mercado del uranio , aunque ahora hay un resurgimiento en varios países asiáticos. planea completar prototipos de reactores rápidos más grandes en los próximos años. [ ¿cuando? ]
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^ Carron, Nueva Jersey (2007). Introducción al paso de partículas energéticas a través de la materia . pag. 308. Código Bib : 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 resonancia. Imágenes filtradas por energía 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, 2019-09-23, doi :10.1142/9789811212710_0001, ISBN978-981-12-1270-3, S2CID 243745548 , consultado el 11 de noviembre de 2022
^ Jenke, Tobías; Bosina, Joaquín; Micko, Jacob; Pitschmann, Mario; Sedmik, René; Abele, Hartmut (1 de junio de 2021). "Espectroscopia de resonancia de gravedad y campos de simetron de energía oscura". Temas especiales de la Revista Física Europea . 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, Tobías; Falla, Martín; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (24 de mayo de 2022). "Rejillas compuestas de polímeros de nanopartículas a base de 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. ESPÍA. págs. 70–76. Código Bib : 2022SPIE12151E..09H. doi :10.1117/12.2623661. ISBN9781510651784. S2CID 249056691.
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^ Algo de física del uranio. Consultado el 7 de marzo de 2009.
