ativação de nêutrons -Neutron activation

A ativação de nêutrons é o processo no qual a radiação de nêutrons induz a radioatividade em materiais, e ocorre quando núcleos atômicos capturam nêutrons livres , tornando-se mais pesados ​​e entrando em estados excitados . O núcleo excitado decai imediatamente emitindo raios gama ou partículas como partículas beta , partículas alfa , produtos de fissão e nêutrons (na fissão nuclear ). Assim, o processo de captura de nêutrons , mesmo após qualquer decaimento intermediário, geralmente resulta na formação de um produto de ativação instável . Esses núcleos radioativos podem exibir meias-vidas que variam de pequenas frações de segundo a muitos anos.

A ativação por nêutrons é a única maneira comum pela qual um material estável pode ser induzido a se tornar intrinsecamente radioativo. Todos os materiais naturais, incluindo ar, água e solo, podem ser induzidos (ativados) pela captura de nêutrons em alguma quantidade de radioatividade em graus variados, como resultado da produção de radioisótopos ricos em nêutrons . Alguns átomos requerem mais de um nêutron para se tornarem instáveis, o que os torna mais difíceis de ativar porque a probabilidade de uma captura dupla ou tripla por um núcleo é menor que a de uma captura simples. A água, por exemplo, é composta de hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio requer uma captura dupla para atingir a instabilidade como trítio ( hidrogênio-3 ), enquanto o oxigênio natural ( oxigênio-16 ) requer três capturas para se tornar o oxigênio-19 instável . Assim, a água é relativamente difícil de ativar, em comparação com o cloreto de sódio ( Na Cl ), no qual ambos os átomos de sódio e cloro tornam-se instáveis ​​com uma única captura cada. Esses fatos foram experimentados em primeira mão na série de testes atômicos Operation Crossroads em 1946.

Exemplos

Um exemplo desse tipo de reação nuclear ocorre na produção de cobalto-60 dentro de um reator nuclear : O cobalto-60 então decai pela emissão de uma partícula beta mais raios gama em níquel -60. Esta reacção tem uma meia-vida de cerca de 5,27 anos, e devido à disponibilidade de cobalto-59 (100% da sua abundância natural ), este isótopo de cobalto bombardeado com neutrões é uma valiosa fonte de radiação nuclear (nomeadamente radiação gama) para radioterapia .

59
27
companhia
+1
0
n
60
27
companhia

Em outros casos, e dependendo da energia cinética do nêutron, a captura de um nêutron pode causar a fissão nuclear — a divisão do núcleo atômico em dois núcleos menores. Se a fissão requer uma entrada de energia, ela vem da energia cinética do nêutron. Um exemplo desse tipo de fissão em um elemento leve pode ocorrer quando o isótopo estável do lítio , o lítio-7 , é bombardeado com nêutrons rápidos e sofre a seguinte reação nuclear:

7
3
li
+1
0
n
4
2
Ele
+3
1
H
+1
0
n
+ raios gama + energia cinética

Em outras palavras, a captura de um nêutron pelo lítio-7 faz com que ele se divida em um núcleo energético de hélio ( partícula alfa ), um núcleo de hidrogênio-3 ( trítio ) e um nêutron livre. O acidente de Castle Bravo , no qual o teste da bomba termonuclear no Atol de Bikini em 1954 explodiu com 2,5 vezes o rendimento esperado, foi causado pela probabilidade inesperadamente alta dessa reação.

Nas áreas ao redor de reatores de água pressurizada ou reatores de água fervente durante a operação normal, uma quantidade significativa de radiação é produzida devido à rápida ativação de nêutrons do oxigênio da água refrigerante por meio de uma reação (n,p) . O núcleo de oxigênio-16 ativado emite um próton (núcleo de hidrogênio) e se transmuta em nitrogênio-16, que tem uma vida muito curta (7,13 segundos) antes de decair de volta para oxigênio-16 (emitindo partículas beta de 6,13 MeV).

16
8
O
+1
0
n
1
1
p
+16
7
N
(Decai rapidamente)
16
7
N

γ
+0
-1
e-
+16
8
O

Essa ativação da água refrigerante requer blindagem biológica extra ao redor da usina do reator nuclear. É o raio gama de alta energia na segunda reação que causa a maior preocupação. É por isso que a água que esteve recentemente dentro do núcleo de um reator nuclear deve ser protegida até que essa radiação diminua. Um a dois minutos é geralmente suficiente.

Em instalações que abrigavam um ciclotron, a fundação de concreto armado pode se tornar radioativa devido à ativação de nêutrons. Seis importantes isótopos radioativos de vida longa ( 54 Mn, 55 Fe, 60 Co, 65 Zn, 133 Ba e 152 Eu) podem ser encontrados em núcleos de concreto afetados por nêutrons. A radioatividade residual é predominantemente devida aos oligoelementos presentes e, portanto, a quantidade de radioatividade derivada da ativação do ciclotron é minúscula, ou seja, pCi/g ou Bq/g . O limite de liberação para instalações com radioatividade residual é de 25 mrem/ano. Um exemplo de produção de 55 Fe a partir da ativação do vergalhão de ferro é mostrado abaixo:

54
26

+1
0
n
55
26

Ocorrência

A ativação por nêutrons é a única maneira comum pela qual um material estável pode ser induzido a se tornar intrinsecamente radioativo. Os nêutrons são livres em quantidade apenas nos microssegundos da explosão de uma arma nuclear, em um reator nuclear ativo ou em uma fonte de nêutrons de espalação .

Em uma arma atômica, os nêutrons são gerados apenas de 1 a 50 microssegundos, mas em grandes números. A maioria é absorvida pelo invólucro da bomba metálica, que está apenas começando a ser afetada pela explosão dentro dela. A ativação de nêutrons do metal prestes a ser vaporizado é responsável por uma porção significativa da precipitação nuclear em explosões nucleares altas na atmosfera. Em outros tipos de ativação, os nêutrons podem irradiar o solo que está disperso em uma nuvem de cogumelo na superfície da Terra ou próximo a ela, resultando em precipitação radioativa da ativação de elementos químicos do solo.

Efeitos nos materiais ao longo do tempo

Em qualquer local com altos fluxos de nêutrons , como dentro dos núcleos de reatores nucleares, a ativação de nêutrons contribui para a erosão do material; periodicamente os próprios materiais de revestimento devem ser descartados, como lixo de baixo nível radioativo . Alguns materiais estão mais sujeitos à ativação de nêutrons do que outros, portanto, um material de baixa ativação adequadamente escolhido pode reduzir significativamente esse problema (consulte Instalação Internacional de Irradiação de Materiais de Fusão ). Por exemplo, o cromo-51 se formará por ativação de nêutrons em aço cromado (que contém Cr-50) que é exposto a um fluxo típico de nêutrons do reator.

O carbono-14 , mais frequentemente, mas não exclusivamente, gerado pela ativação de nêutrons do nitrogênio atmosférico-14 com um nêutron térmico , é (junto com sua via de produção natural dominante a partir de interações de raios cósmicos-ar e produção histórica de testes nucleares atmosféricos ) também gerado em quantidades relativamente pequenas dentro de muitos projetos de reatores nucleares que contêm impurezas de gás nitrogênio em seu revestimento de combustível , água refrigerante e por ativação de nêutrons do oxigênio contido na própria água. Os reatores de regeneração rápida (FBR) produzem cerca de uma ordem de grandeza menos C-14 do que o tipo de reator mais comum, o reator de água pressurizada , já que os FBRs não usam água como refrigerante primário.

Usos

segurança contra radiação

Para médicos e oficiais de segurança de radiação, a ativação de sódio no corpo humano para sódio-24 e fósforo para fósforo-32 pode fornecer uma boa estimativa imediata da exposição acidental aguda a nêutrons.

Detecção de nêutrons

Uma maneira de demonstrar que a fusão nuclear ocorreu dentro de um dispositivo fusor é usar um contador Geiger para medir a radioatividade de raios gama produzida a partir de uma folha de papel alumínio .

Na abordagem de fusão ICF , o rendimento de fusão do experimento (diretamente proporcional à produção de nêutrons) geralmente é determinado medindo as emissões de raios gama de alvos de ativação de nêutrons de alumínio ou cobre. O alumínio pode capturar um nêutron e gerar sódio-24 radioativo , que tem uma meia-vida de 15 horas e uma energia de decaimento beta de 5,514 MeV.

A ativação de vários elementos-alvo de teste, como enxofre , cobre, tântalo e ouro , foi usada para determinar o rendimento da fissão pura e das armas termonucleares .

análise de materiais

A análise de ativação de nêutrons é um dos métodos mais sensíveis e precisos de análise de oligoelementos. Não requer preparação ou solubilização de amostras e, portanto, pode ser aplicado a objetos que precisam ser mantidos intactos, como uma obra de arte valiosa. Embora a ativação induza radioatividade no objeto, seu nível é tipicamente baixo e seu tempo de vida pode ser curto, de modo que seus efeitos logo desaparecem. Nesse sentido, a ativação por nêutrons é um método de análise não destrutivo.

A análise de ativação de nêutrons pode ser feita in situ. Por exemplo, o alumínio (Al-27) pode ser ativado capturando nêutrons de energia relativamente baixa para produzir o isótopo Al-28 , que decai com uma meia-vida de 2,3 minutos com uma energia de decaimento de 4,642 MeV. Este isótopo ativado é usado na perfuração de petróleo para determinar o teor de argila (argila é geralmente um aluminossilicato ) da área subterrânea em exploração.

Os historiadores podem usar a ativação acidental de nêutrons para autenticar artefatos atômicos e materiais sujeitos a fluxos de nêutrons de incidentes de fissão. Por exemplo, um dos isótopos bastante únicos encontrados na trinitita e, portanto, com sua ausência provavelmente significando uma amostra falsa do mineral, é um produto de ativação de nêutrons de bário, o bário no dispositivo Trinity vindo da lente explosiva lenta empregada no dispositivo , conhecido como Baratol .

Produção de semicondutores

A irradiação de nêutrons pode ser usada para fatias de silício de zona flutuante ( wafers ) para desencadear a transmutação fracionada de átomos de Si em fósforo (P) e, portanto, dopá-lo em silício tipo n

Veja também

Referências

links externos

Leitura adicional