Los generadores de neutrones son dispositivos fuente de neutrones que contienen aceleradores de partículas lineales compactos y que producen neutrones fusionando isótopos de hidrógeno . Las reacciones de fusión tienen lugar en estos dispositivos acelerando deuterio , tritio o una mezcla de estos dos isótopos en un objetivo de hidruro metálico que también contiene deuterio, tritio o una mezcla de estos isótopos. La fusión de átomos de deuterio (D + D) da como resultado la formación de un ion de helio-3 y un neutrón con una energía cinética de aproximadamente 2,5 MeV . La fusión de un átomo de deuterio y un átomo de tritio (D + T) da como resultado la formación de un ion de helio-4 y un neutrón con una energía cinética de aproximadamente 14,1 MeV. Los generadores de neutrones tienen aplicaciones en medicina, seguridad y análisis de materiales. [1]
El concepto básico fue desarrollado por primera vez por el equipo de Ernest Rutherford en el Laboratorio Cavendish a principios de la década de 1930. Utilizando un acelerador lineal impulsado por un generador Cockcroft-Walton , Mark Oliphant dirigió un experimento que disparó iones de deuterio en una lámina metálica infundida con deuterio y observó que una pequeña cantidad de estas partículas emitían partículas alfa . Esta fue la primera demostración de fusión nuclear, así como el primer descubrimiento de helio-3 y tritio, creados en estas reacciones. La introducción de nuevas fuentes de energía ha reducido continuamente el tamaño de estas máquinas, desde las de Oliphant que llenaban la esquina del laboratorio, hasta las máquinas modernas que son altamente portátiles. Miles de estos sistemas pequeños y relativamente económicos se han construido en las últimas cinco décadas.
Si bien los generadores de neutrones producen reacciones de fusión, la cantidad de iones acelerados que causan estas reacciones es muy baja. Se puede demostrar fácilmente que la energía liberada por estas reacciones es mucho menor que la energía necesaria para acelerar los iones, por lo que no existe la posibilidad de que estas máquinas se utilicen para producir energía de fusión neta . Un concepto relacionado, la fusión por haces en colisión , intenta abordar esta cuestión utilizando dos aceleradores que se disparan entre sí.
Los pequeños generadores de neutrones que utilizan reacciones de fusión de deuterio (D, hidrógeno-2, 2 H) y tritio (T, hidrógeno-3, 3 H) son las fuentes de neutrones basadas en aceleradores más comunes (a diferencia de los isótopos radiactivos). En estos sistemas, los neutrones se producen creando iones de deuterio, tritio o deuterio y tritio y acelerándolos hasta un objetivo de hidruro cargado con deuterio o deuterio y tritio. La reacción DT se utiliza más que la reacción DD porque el rendimiento de la reacción DT es 50-100 veces mayor que el de la reacción DD.
D + T → n + 4 He E n = 14,1 MeV
D + D → n + 3 He E n = 2,5 MeV
Los neutrones producidos por las reacciones DD y DT se emiten de forma algo anisotrópica desde el objetivo, ligeramente sesgados en la dirección hacia delante (en el eje del haz de iones). La anisotropía de la emisión de neutrones de las reacciones DD y DT surge del hecho de que las reacciones son isotrópicas en el sistema de coordenadas del centro del momento (COM), pero esta isotropía se pierde en la transformación del sistema de coordenadas COM al marco de referencia del laboratorio . En ambos marcos de referencia, los núcleos de He retroceden en la dirección opuesta al neutrón emitido, de acuerdo con la ley de conservación del momento .
La presión del gas en la región de la fuente de iones de los tubos de neutrones generalmente oscila entre 0,1 y 0,01 mm Hg . El recorrido libre medio de los electrones debe ser más corto que el espacio de descarga para lograr la ionización (límite inferior de presión), mientras que la presión debe mantenerse lo suficientemente baja para evitar la formación de descargas a los altos voltajes de extracción aplicados entre los electrodos. La presión en la región de aceleración, sin embargo, tiene que ser mucho menor, ya que el recorrido libre medio de los electrones debe ser más largo para evitar la formación de una descarga entre los electrodos de alto voltaje. [2]
El acelerador de iones suele estar formado por varios electrodos con simetría cilíndrica, que actúan como una lente Einzel . De este modo, el haz de iones puede enfocarse en un pequeño punto del objetivo. Los aceleradores suelen requerir fuentes de alimentación de entre 100 y 500 kV. Suelen tener varias etapas, con un voltaje entre las etapas que no supera los 200 kV para evitar la emisión de campo . [2]
En comparación con las fuentes de neutrones de radionúclidos, los tubos de neutrones pueden producir flujos de neutrones mucho más altos y se pueden obtener espectros de energía de neutrones consistentes (monocromáticos). La tasa de producción de neutrones también se puede controlar. [2]
La parte central de un generador de neutrones es el propio acelerador de partículas, a veces llamado tubo de neutrones. Los tubos de neutrones tienen varios componentes, entre ellos una fuente de iones, elementos ópticos de iones y un objetivo de haz; todos ellos están encerrados dentro de un recinto hermético al vacío. El aislamiento de alto voltaje entre los elementos ópticos de iones del tubo lo proporcionan aisladores de vidrio y/o cerámica. El tubo de neutrones, a su vez, está encerrado en una carcasa metálica, el cabezal del acelerador, que está lleno de un medio dieléctrico para aislar los elementos de alto voltaje del tubo del área de operación. Los altos voltajes del acelerador y de la fuente de iones se proporcionan mediante fuentes de alimentación externas. La consola de control permite al operador ajustar los parámetros operativos del tubo de neutrones. Las fuentes de alimentación y el equipo de control normalmente se encuentran a entre 3 y 10 metros (10 y 30 pies) del cabezal del acelerador en los instrumentos de laboratorio, pero pueden estar a varios kilómetros de distancia en los instrumentos de registro de pozos .
En comparación con sus predecesores, los tubos de neutrones sellados no requieren bombas de vacío ni fuentes de gas para su funcionamiento. Por lo tanto, son más móviles y compactos, a la vez que duraderos y fiables. Por ejemplo, los tubos de neutrones sellados han sustituido a los iniciadores de neutrones modulados radiactivos , al suministrar un pulso de neutrones al núcleo implosionante de las armas nucleares modernas .
Ejemplos de ideas de tubos de neutrones datan de la década de 1930, la era anterior a las armas nucleares, por científicos alemanes que presentaron una patente alemana en 1938 (marzo de 1938, patente n.° 261 156) y obtuvieron una patente de los Estados Unidos (julio de 1941, USP n.° 2 251 190); ejemplos del estado actual de la técnica se dan por desarrollos como el Neutristor , [3] un dispositivo principalmente de estado sólido, parecido a un chip de computadora, inventado en los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque NM. [ cita requerida ] Los diseños sellados típicos se utilizan en un modo pulsado [4] y pueden funcionar a diferentes niveles de salida, dependiendo de la vida útil de la fuente de iones y los objetivos cargados. [5]
Una buena fuente de iones debe proporcionar un haz de iones potente sin consumir demasiado gas. En el caso de los isótopos de hidrógeno, la producción de iones atómicos es más favorable que la de iones moleculares, ya que los iones atómicos tienen un mayor rendimiento neutrónico en caso de colisión. Los iones generados en la fuente de iones se extraen mediante un campo eléctrico hacia la región del acelerador y se aceleran hacia el objetivo. El consumo de gas se debe principalmente a la diferencia de presión entre los espacios de generación de iones y de aceleración de iones que debe mantenerse. Se pueden lograr corrientes de iones de 10 mA con un consumo de gas de 40 cm3 / hora. [2]
Para un tubo de neutrones sellado, la fuente de iones ideal debe utilizar baja presión de gas, dar alta corriente de iones con gran proporción de iones atómicos, tener baja limpieza de gas, utilizar baja potencia, tener alta confiabilidad y alta vida útil, su construcción debe ser simple y robusta y sus requisitos de mantenimiento deben ser bajos. [2]
El gas se puede almacenar de forma eficiente en un regenerador, una bobina de alambre de circonio calentada eléctricamente. Su temperatura determina la velocidad de absorción/desorción del hidrógeno por parte del metal, lo que regula la presión en el recinto.
La fuente Penning es una fuente de iones de cátodo frío y baja presión de gas que utiliza campos eléctricos y magnéticos cruzados. El ánodo de la fuente de iones se encuentra a un potencial positivo, ya sea de corriente continua o pulsado, con respecto al cátodo de la fuente. El voltaje de la fuente de iones normalmente está entre 2 y 7 kilovoltios. Un imán permanente produce un campo magnético, orientado en paralelo al eje de la fuente . Se forma un plasma a lo largo del eje del ánodo que atrapa electrones que, a su vez, ionizan el gas en la fuente. Los iones se extraen a través del cátodo de salida. En condiciones normales de funcionamiento, las especies de iones producidas por la fuente Penning son más del 90% iones moleculares. Sin embargo, esta desventaja se compensa con las otras ventajas del sistema.
Uno de los cátodos es una copa hecha de hierro dulce , que encierra la mayor parte del espacio de descarga. La parte inferior de la copa tiene un orificio a través del cual la mayoría de los iones generados son expulsados por el campo magnético hacia el espacio de aceleración. El hierro dulce protege el espacio de aceleración del campo magnético, para evitar una ruptura. [2]
Los iones que salen del cátodo de salida se aceleran a través de la diferencia de potencial entre el cátodo de salida y el electrodo acelerador. El esquema indica que el cátodo de salida está a potencial de tierra y el objetivo a potencial alto (negativo). Este es el caso de muchos generadores de neutrones de tubo sellado. Sin embargo, en los casos en que se desea entregar el flujo máximo a una muestra, es conveniente operar el tubo de neutrones con el objetivo conectado a tierra y la fuente flotando a potencial alto (positivo). El voltaje del acelerador normalmente está entre 80 y 180 kilovoltios.
El electrodo de aceleración tiene la forma de un cilindro hueco alargado. El haz de iones tiene un ángulo ligeramente divergente (aproximadamente 0,1 radianes ). La forma del electrodo y la distancia al objetivo se pueden elegir de modo que toda la superficie del objetivo sea bombardeada con iones. Se pueden alcanzar voltajes de aceleración de hasta 200 kV.
Los iones pasan a través del electrodo acelerador y chocan contra el objetivo. Cuando los iones chocan contra el objetivo, se producen de 2 a 3 electrones por ion mediante emisión secundaria. Para evitar que estos electrones secundarios sean acelerados de nuevo hacia la fuente de iones, el electrodo acelerador está polarizado negativamente con respecto al objetivo. Este voltaje, llamado voltaje supresor, debe ser de al menos 500 voltios y puede llegar a ser de unos pocos kilovoltios. La pérdida del voltaje supresor provocará daños, posiblemente catastróficos, en el tubo de neutrones.
Algunos tubos de neutrones incorporan un electrodo intermedio, llamado electrodo de enfoque o extractor, para controlar el tamaño del punto de emisión del haz sobre el objetivo. La presión del gas en la fuente se regula calentando o enfriando el elemento de reserva de gas.
Los iones pueden ser creados por electrones formados en un campo electromagnético de alta frecuencia. La descarga se forma en un tubo ubicado entre electrodos o dentro de una bobina . Se puede lograr una proporción de iones atómicos superior al 90%. [2]
Los objetivos utilizados en los generadores de neutrones son películas delgadas de metal como titanio , escandio o circonio que se depositan sobre un sustrato de plata , cobre o molibdeno . El titanio, el escandio y el circonio forman compuestos químicos estables llamados hidruros metálicos cuando se combinan con hidrógeno o sus isótopos. Estos hidruros metálicos están formados por dos átomos de hidrógeno ( deuterio o tritio ) por átomo de metal y permiten que el objetivo tenga densidades extremadamente altas de hidrógeno. Esto es importante para maximizar el rendimiento neutrónico del tubo de neutrones. El elemento de depósito de gas también utiliza hidruros metálicos, por ejemplo, hidruro de uranio , como material activo.
El titanio es preferible al circonio, ya que puede soportar temperaturas más altas (200 °C) y ofrece un mayor rendimiento neutrónico, ya que captura deuterones mejor que el circonio. La temperatura máxima permitida para el objetivo, por encima de la cual los isótopos de hidrógeno sufren desorción y escapan del material, limita la corriente iónica por unidad de superficie del objetivo; por lo tanto, se utilizan haces ligeramente divergentes. Un haz de iones de 1 microamperio acelerado a 200 kV hacia un objetivo de titanio-tritio puede generar hasta 108 neutrones por segundo. El rendimiento neutrónico está determinado principalmente por el voltaje de aceleración y el nivel de corriente iónica. [2]
Un ejemplo de un objetivo de tritio en uso es un disco de plata de 0,2 mm de espesor con una capa de titanio de 1 micrómetro depositada en su superficie; luego el titanio se satura con tritio. [2]
Los metales con una difusión de hidrógeno suficientemente baja pueden convertirse en blancos de deuterio mediante el bombardeo de deuterones hasta que el metal se sature. Los blancos de oro en tales condiciones muestran una eficiencia cuatro veces mayor que el titanio. Se pueden lograr resultados aún mejores con blancos hechos de una película delgada de un metal de alta absorción y alta difusividad (por ejemplo, titanio) sobre un sustrato con baja difusividad de hidrógeno (por ejemplo, plata), ya que el hidrógeno se concentra entonces en la capa superior y no puede difundirse hacia el resto del material. Utilizando una mezcla de gases de deuterio y tritio, se pueden hacer blancos de DT autorrecargables. El rendimiento neutrónico de tales blancos es menor que el de los blancos saturados con tritio en haces de deuterones, pero su ventaja es una vida útil mucho más larga y un nivel constante de producción de neutrones. Los blancos autorrecargables también son tolerantes al horneado a alta temperatura de los tubos, ya que su saturación con isótopos de hidrógeno se realiza después del horneado y el sellado del tubo. [2]
Un método para generar los campos de alto voltaje necesarios para acelerar los iones en un tubo de neutrones es utilizar un cristal piroeléctrico . En abril de 2005, investigadores de la UCLA demostraron el uso de un cristal piroeléctrico ciclado térmicamente para generar campos eléctricos altos en una aplicación de generador de neutrones. En febrero de 2006, investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer demostraron el uso de dos cristales de polos opuestos para esta aplicación. Utilizando estas fuentes de alimentación de baja tecnología es posible generar un gradiente de campo eléctrico suficientemente alto a través de un espacio de aceleración para acelerar los iones de deuterio en un objetivo deuterado para producir la reacción de fusión D + D. Estos dispositivos son similares en su principio de funcionamiento a los generadores de neutrones de tubo sellado convencionales que normalmente utilizan fuentes de alimentación de alto voltaje de tipo Cockcroft-Walton . La novedad de este método está en la simplicidad de la fuente de alto voltaje. Lamentablemente, la corriente de aceleración relativamente baja que pueden generar los cristales piroeléctricos, junto con las modestas frecuencias de pulsación que se pueden lograr (unos pocos ciclos por minuto), limita su aplicación a corto plazo en comparación con los productos comerciales actuales (ver más abajo). Véase también fusión piroeléctrica . [6]
Además del diseño de generador de neutrones convencional descrito anteriormente, existen otros enfoques para utilizar sistemas eléctricos para producir neutrones.
Otro tipo de generador de neutrones innovador es el dispositivo de fusión por confinamiento electrostático inercial . Este generador de neutrones evita el uso de un objetivo sólido que se erosionaría por pulverización catódica, lo que provocaría la metalización de las superficies aislantes. También se evita el agotamiento del gas reactivo dentro del objetivo sólido. Se logra una vida útil operativa mucho mayor. Originalmente llamado fusor, fue inventado por Philo Farnsworth , el inventor de la televisión electrónica .
Los generadores de neutrones se utilizan en la industria de producción de semiconductores. También se utilizan en el enriquecimiento de uranio empobrecido, la aceleración de reactores reproductores y la activación y excitación de reactores experimentales de torio.
En el análisis de materiales, el análisis de activación neutrónica se utiliza para determinar la concentración de diferentes elementos en materiales mixtos, como minerales o menas.
