Captura de nêutrons - Neutron capture

Gráfico de nuclídeos mostrando valores de seção transversal de captura de nêutrons térmicos

A captura de nêutrons é uma reação nuclear na qual um núcleo atômico e um ou mais nêutrons colidem e se fundem para formar um núcleo mais pesado. Como os nêutrons não têm carga elétrica, eles podem entrar no núcleo mais facilmente do que os prótons com carga positiva , que são repelidos eletrostaticamente .

A captura de nêutrons desempenha um papel significativo na nucleossíntese cósmica de elementos pesados. Nas estrelas, pode ocorrer de duas maneiras: como um processo rápido ( processo-r ) ou um processo lento ( processo-s ). Núcleos de massas maiores que 56 não podem ser formados por reações termonucleares (isto é, por fusão nuclear ), mas podem ser formados por captura de nêutrons. A captura de nêutrons em prótons produz uma linha de 2,223 MeV prevista e comumente observada em erupções solares .

Captura de nêutrons em um pequeno fluxo de nêutrons

Esquema de decaimento de 198 Au

Em um fluxo pequeno de nêutrons , como em um reator nuclear , um único nêutron é capturado por um núcleo. Por exemplo, quando o ouro natural ( 197 Au) é irradiado por nêutrons (n), o isótopo 198 Au é formado em um estado altamente excitado e decai rapidamente para o estado fundamental de 198 Au pela emissão de raios gama (γ). Nesse processo, o número de massa aumenta em um. Isso é escrito como uma fórmula na forma 197 Au + n → 198 Au + γ, ou na forma abreviada 197 Au (n, γ) 198 Au. Se nêutrons térmicos forem usados, o processo é chamado de captura térmica.

O isótopo 198 Au é um emissor beta que decai no isótopo de mercúrio 198 Hg. Nesse processo, o número atômico aumenta em um.

Captura de nêutrons em alto fluxo de nêutrons

O processo-r acontece dentro das estrelas se a densidade do fluxo de nêutrons é tão alta que o núcleo atômico não tem tempo para decair via emissão beta entre as capturas de nêutrons. O número de massa, portanto, aumenta em uma grande quantidade, enquanto o número atômico (ou seja, o elemento) permanece o mesmo. Quando a captura adicional de nêutrons não é mais possível, os núcleos altamente instáveis ​​decaem via muitos β - decai para isótopos beta-estáveis de elementos de numeração mais alta.

Capturar seção transversal

A seção transversal de absorção de nêutrons de um isótopo de um elemento químico é a área da seção transversal efetiva que um átomo desse isótopo apresenta para absorção e é uma medida da probabilidade de captura de nêutrons. Geralmente é medido em celeiros .

A seção transversal de absorção é frequentemente altamente dependente da energia dos nêutrons . Em geral, a probabilidade de absorção é proporcional ao tempo que o nêutron está nas proximidades do núcleo. O tempo gasto na vizinhança do núcleo é inversamente proporcional à velocidade relativa entre o nêutron e o núcleo. Outras questões mais específicas modificam este princípio geral. Duas das medidas mais especificadas são a seção transversal para absorção de nêutrons térmicos e a integral de ressonância, que considera a contribuição dos picos de absorção em certas energias de nêutrons específicas para um determinado nuclídeo , geralmente acima da faixa térmica, mas encontrada porque a moderação de nêutrons desacelera o nêutron de uma alta energia original.

A energia térmica do núcleo também tem efeito; conforme as temperaturas sobem, o alargamento Doppler aumenta a chance de alcançar um pico de ressonância. Em particular, o aumento da capacidade do urânio-238 de absorver nêutrons em temperaturas mais altas (e de fazê-lo sem fissão) é um mecanismo de feedback negativo que ajuda a manter os reatores nucleares sob controle.

Significado termoquímico

A captura de nêutrons está envolvida na formação de isótopos de elementos químicos. A energia de captura de nêutrons, portanto, intervém na entalpia padrão de formação de isótopos.

Usos

A análise de ativação de nêutrons pode ser usada para detectar remotamente a composição química dos materiais. Isso ocorre porque elementos diferentes liberam radiação de características diferentes quando absorvem nêutrons. Isso o torna útil em muitos campos relacionados à exploração e segurança mineral.

Absorventes de nêutrons

Seção transversal de nêutrons de boro (a curva superior é para 10 B e a curva inferior para 11 B)

Em engenharia, o absorvedor de nêutrons mais importante é o 10 B , usado como carboneto de boro em barras de controle de reatores nucleares ou como ácido bórico como aditivo de água de refrigeração em reatores de água pressurizada . Outros absorvedores de nêutrons usados ​​em reatores nucleares são xenônio , cádmio , háfnio , gadolínio , cobalto , samário , titânio , disprósio , érbio , európio , molibdênio e itérbio . Todos esses ocorrem na natureza como misturas de vários isótopos, alguns dos quais são excelentes absorvedores de nêutrons. Eles podem ocorrer em compostos como boreto de molibdênio, diboreto de háfnio , diboreto de titânio , titanato de disprósio e titanato de gadolínio .

O háfnio absorve nêutrons avidamente e pode ser usado em hastes de controle de reatores . No entanto, ele é encontrado nos mesmos minérios que o zircônio , que compartilha a mesma configuração de camada externa de elétrons e, portanto, tem propriedades químicas semelhantes. Suas propriedades nucleares são profundamente diferentes: o háfnio absorve nêutrons 600 vezes melhor do que o zircônio. Este último, sendo essencialmente transparente aos nêutrons, é valorizado para as partes internas do reator, incluindo o revestimento metálico das barras de combustível . Para usar esses elementos em suas respectivas aplicações, o zircônio deve ser separado do háfnio que ocorre naturalmente. Isso pode ser feito economicamente com resinas de troca iônica .

Veja também

Referências

links externos