La activación de neutrones es el proceso en el que la radiación de neutrones induce radiactividad en los materiales, y se produce cuando los núcleos atómicos capturan neutrones libres , volviéndose más pesados y entrando en estados excitados . El núcleo excitado decae inmediatamente emitiendo rayos gamma , o partículas como las partículas beta , las partículas alfa , los productos de fisión y los neutrones (en la fisión nuclear ). Así, el proceso de captura de neutrones , incluso después de cualquier desintegración intermedia, a menudo resulta en la formación de un producto de activación inestable . Estos núcleos radiactivos pueden presentar vidas medias que van desde pequeñas fracciones de segundo hasta muchos años.
La activación de neutrones es la única forma común de inducir que un material estable se vuelva intrínsecamente radiactivo. Todos los materiales naturales, incluidos el aire, el agua y el suelo, pueden ser inducidos (activados) mediante la captura de neutrones a cierta cantidad de radiactividad en diversos grados, como resultado de la producción de radioisótopos ricos en neutrones . [ cita necesaria ] Algunos átomos requieren más de un neutrón para volverse inestables, lo que los hace más difíciles de activar porque la probabilidad de una captura doble o triple por parte de un núcleo es menor que la de una captura única. El agua, por ejemplo, está formada por hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno requiere una doble captura para alcanzar la inestabilidad como tritio ( hidrógeno-3 ), mientras que el oxígeno natural ( oxígeno-16 ) requiere tres capturas para convertirse en oxígeno-19 inestable . Por tanto, el agua es relativamente difícil de activar, en comparación con el cloruro de sodio ( NaCl ) , en el que tanto los átomos de sodio como los de cloro se vuelven inestables con una sola captura cada uno. Estos hechos se experimentaron de primera mano en la serie de pruebas atómicas Operación Crossroads en 1946.
Un ejemplo de este tipo de reacción nuclear ocurre en la producción de cobalto-60 dentro de un reactor nuclear : el cobalto-60 luego se desintegra mediante la emisión de una partícula beta más rayos gamma en níquel -60. Esta reacción tiene una vida media de aproximadamente 5,27 años y, debido a la disponibilidad de cobalto-59 (100% de su abundancia natural ), este isótopo de cobalto bombardeado con neutrones es una fuente valiosa de radiación nuclear (es decir, radiación gamma) para radioterapia. . [1]
En otros casos, y dependiendo de la energía cinética del neutrón, la captura de un neutrón puede provocar la fisión nuclear —la división del núcleo atómico en dos núcleos más pequeños—. Si la fisión requiere un aporte de energía, éste proviene de la energía cinética del neutrón. Un ejemplo de este tipo de fisión en un elemento ligero puede ocurrir cuando el isótopo estable del litio , litio-7 , es bombardeado con neutrones rápidos y sufre la siguiente reacción nuclear:
En otras palabras, la captura de un neutrón por el litio-7 provoca que éste se divida en un núcleo energético de helio ( partícula alfa ), un núcleo de hidrógeno-3 ( tritio ) y un neutrón libre. El accidente de Castle Bravo , en el que la bomba termonuclear probada en el atolón Bikini en 1954 explotó con una potencia 2,5 veces superior a la esperada, se debió a la probabilidad inesperadamente alta de esta reacción.
En las áreas alrededor de reactores de agua a presión o reactores de agua en ebullición durante el funcionamiento normal, se produce una cantidad significativa de radiación debido a la rápida activación de neutrones del oxígeno del agua refrigerante a través de una reacción (n,p) . El núcleo de oxígeno-16 activado emite un protón (núcleo de hidrógeno) y se transmuta en nitrógeno-16, que tiene una vida muy corta (7,13 segundos) antes de descomponerse nuevamente en oxígeno-16 (emitiendo partículas beta de 6,13 MeV). [2]
Esta activación del agua refrigerante requiere un blindaje biológico adicional alrededor de la planta del reactor nuclear. Es el rayo gamma de alta energía en la segunda reacción el que causa la mayor preocupación. Esta es la razón por la que el agua que ha estado recientemente dentro del núcleo de un reactor nuclear debe protegerse hasta que la radiación disminuya. Generalmente es suficiente con uno o dos minutos.
En las instalaciones que albergaban un ciclotrón, la base de hormigón armado puede volverse radiactiva debido a la activación de neutrones. Dentro de los núcleos de hormigón afectados por neutrones se pueden encontrar seis importantes isótopos radiactivos de larga duración ( 54 Mn, 55 Fe, 60 Co, 65 Zn, 133 Ba y 152 Eu). [3] La radiactividad residual se debe predominantemente a los oligoelementos presentes y, por lo tanto, la cantidad de radiactividad derivada de la activación del ciclotrón es minúscula, es decir, pCi/g o Bq/g . El límite de emisión para instalaciones con radiactividad residual es de 25 mrem/año. [4] A continuación se muestra un ejemplo de producción de 55 Fe a partir de la activación del hierro en barras de refuerzo que se encuentran en el hormigón:
La activación de neutrones es la única forma común de inducir que un material estable se vuelva intrínsecamente radiactivo. Los neutrones sólo están libres en cantidad en los microsegundos de la explosión de un arma nuclear, en un reactor nuclear activo o en una fuente de neutrones por espalación .
En un arma atómica, los neutrones sólo se generan durante de 1 a 50 microsegundos, pero en cantidades enormes. La mayoría son absorbidas por la carcasa metálica de la bomba, que apenas comienza a verse afectada por la explosión en su interior. La activación de neutrones del metal que pronto se vaporizará es responsable de una parte significativa de la lluvia radiactiva en explosiones nucleares en lo alto de la atmósfera. En otros tipos de activación, los neutrones pueden irradiar el suelo que está disperso en una nube en forma de hongo en la superficie de la Tierra o cerca de ella, lo que produce precipitaciones por la activación de los elementos químicos del suelo.
En cualquier lugar con altos flujos de neutrones , como dentro de los núcleos de los reactores nucleares, la activación de neutrones contribuye a la erosión del material y periódicamente los propios materiales del revestimiento deben eliminarse como desechos radiactivos de bajo nivel . Algunos materiales están más sujetos a la activación de neutrones que otros, por lo que un material de baja activación elegido adecuadamente puede reducir significativamente este problema (ver Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión ). Por ejemplo, el cromo-51 se formará mediante activación de neutrones en acero al cromo (que contiene Cr-50) que está expuesto a un flujo de neutrones típico de un reactor. [5]
El carbono-14 , generado con mayor frecuencia, pero no exclusivamente, por la activación neutrónica del nitrógeno-14 atmosférico con un neutrón térmico , también se genera (junto con su vía de producción natural dominante a partir de interacciones entre rayos cósmicos y aire y la producción histórica a partir de pruebas nucleares atmosféricas ). en cantidades comparativamente pequeñas dentro de muchos diseños de reactores nucleares que contienen impurezas de gas nitrógeno en su revestimiento de combustible , agua refrigerante y por activación neutrónica del oxígeno contenido en el agua misma. Los reactores reproductores rápidos (FBR) producen aproximadamente un orden de magnitud menos de C-14 que el tipo de reactor más común, el reactor de agua a presión , ya que los FBR no utilizan agua como refrigerante primario. [6]
Para los médicos y responsables de seguridad radiológica, la activación del sodio en el cuerpo humano a sodio-24 y del fósforo a fósforo-32 puede proporcionar una buena estimación inmediata de la exposición aguda accidental a neutrones. [7]
Una forma de demostrar que se ha producido una fusión nuclear dentro de un dispositivo fusor es utilizar un contador Geiger para medir la radiactividad de rayos gamma que se produce a partir de una lámina de papel de aluminio .
En el enfoque de fusión ICF , el rendimiento de la fusión del experimento (directamente proporcional a la producción de neutrones) generalmente se determina midiendo las emisiones de rayos gamma de objetivos de activación de neutrones de aluminio o cobre. [8] El aluminio puede capturar un neutrón y generar sodio-24 radiactivo , que tiene una vida media de 15 horas [9] [10] y una energía de desintegración beta de 5,514 MeV. [11]
La activación de una serie de elementos objetivo de prueba, como azufre , cobre, tantalio y oro , se ha utilizado para determinar el rendimiento tanto de fisión pura [12] [13] como de armas termonucleares . [14]
El análisis de activación de neutrones es uno de los métodos más sensibles y precisos de análisis de elementos traza. No requiere preparación ni solubilización de muestras y, por lo tanto, se puede aplicar a objetos que deben mantenerse intactos, como una obra de arte valiosa. Aunque la activación induce radiactividad en el objeto, su nivel suele ser bajo y su vida útil puede ser corta, por lo que sus efectos desaparecen pronto. En este sentido, la activación neutrónica es un método de análisis no destructivo.
El análisis de activación de neutrones se puede realizar in situ. Por ejemplo, el aluminio (Al-27) se puede activar capturando neutrones de energía relativamente baja para producir el isótopo Al-28 , que se desintegra con una vida media de 2,3 minutos con una energía de desintegración de 4,642 MeV. [15] Este isótopo activado se utiliza en la extracción de petróleo para determinar el contenido de arcilla (la arcilla es generalmente un aluminosilicato ) del área subterránea bajo exploración. [dieciséis]
Los historiadores pueden utilizar la activación accidental de neutrones para autentificar artefactos atómicos y materiales sujetos a flujos de neutrones debido a incidentes de fisión. Por ejemplo, uno de los isótopos raros que se encuentran en la trinitita y, por lo tanto, su ausencia probablemente signifique una muestra falsa del mineral, es un producto de activación de neutrones de bario; el bario en el dispositivo Trinity proviene de la lente explosiva lenta empleada en el dispositivo. conocido como Baratol . [17]
La irradiación de neutrones se puede utilizar para rodajas de silicio de zona flotante ( obleas ) para desencadenar la transmutación fraccionada de átomos de Si en fósforo (P) y, por lo tanto, doparlos en silicio tipo n [18] : 366
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