Fonte de nêutrons - Neutron source

Uma fonte de nêutrons é qualquer dispositivo que emita nêutrons , independentemente do mecanismo usado para produzi-los. As fontes de nêutrons são usadas em física, engenharia, medicina, armas nucleares, exploração de petróleo, biologia, química e energia nuclear.

As variáveis ​​da fonte de nêutrons incluem a energia dos nêutrons emitidos pela fonte, a taxa de nêutrons emitidos pela fonte, o tamanho da fonte, o custo de possuir e manter a fonte e as regulamentações governamentais relacionadas à fonte.

Dispositivos pequenos

Radioisótopos que sofrem fissão espontânea

Certos isótopos sofrer cisão espontânea com emissão de neutrões. A fonte de fissão espontânea mais comumente usada é o isótopo radioativo califórnio -252. 252 Cf e todas as outras fontes de nêutrons de fissão espontânea são produzidos por irradiação de urânio ou outro elemento transurânico em um reator nuclear, onde nêutrons são absorvidos no material de partida e seus produtos de reação subsequentes, transmutando o material de partida no isótopo SF . As fontes de nêutrons 252 Cf têm tipicamente 1/4 "a 1/2" de diâmetro e 1 "a 2" de comprimento. Quando comprada, uma fonte típica de nêutrons de 252 Cf emite entre 1 × 10 7 a 1 × 10 9 nêutrons por segundo, mas, com meia-vida de 2,6 anos, essa taxa de saída de nêutrons cai para a metade desse valor original em 2,6 anos. O preço de uma fonte típica de nêutrons de 252 Cf é de $ 15.000 a $ 20.000.

Radioisótopos que decaem com partículas alfa empacotadas em uma matriz elementar de baixo Z

Os nêutrons são produzidos quando as partículas alfa colidem com qualquer um dos vários isótopos de baixo peso atômico, incluindo os isótopos de berílio, carbono e oxigênio. Esta reação nuclear pode ser usada para construir uma fonte de nêutrons misturando um radioisótopo que emite partículas alfa, como rádio , polônio ou amerício com um isótopo de baixo peso atômico, geralmente misturando pós dos dois materiais. As taxas de emissão típicas para fontes de nêutrons de reação alfa variam de 1 × 10 6 a 1 × 10 8 nêutrons por segundo. Como exemplo, pode-se esperar que uma fonte representativa de nêutrons alfa-berílio produza aproximadamente 30 nêutrons para cada milhão de partículas alfa. A vida útil para esses tipos de fontes é altamente variável, dependendo da meia-vida do radioisótopo que emite as partículas alfa. O tamanho e o custo dessas fontes de nêutrons são comparáveis ​​às fontes de fissão espontânea. As combinações usuais de materiais são plutônio - berílio (PuBe), amerício -berílio (AmBe) ou amerício- lítio (AmLi).

Radioisótopos que decaem com fótons de alta energia co-localizados com berílio ou deutério

A radiação gama com uma energia que excede a energia de ligação de nêutrons de um núcleo pode ejetar um nêutron (um fotoneutron ). Dois exemplos de reações são:

  • 9 Be +> 1,7 MeV fóton → 1 nêutron + 2 4 He
  • 2 H ( deutério ) +> 2,26 MeV fóton → 1 nêutron + 1 H

Geradores de nêutrons de tubo selado

Alguns geradores de nêutrons baseados em aceleradores induzem a fusão entre feixes de íons de deutério e / ou trítio e alvos de hidreto de metal que também contêm esses isótopos.

Dispositivos de tamanho médio

Foco de plasma e dispositivos de compressão de plasma

A fonte de nêutrons de foco de plasma denso produz fusão nuclear controlada , criando um plasma denso dentro do qual aquece deutério ionizado e / ou gás trítio a temperaturas suficientes para criar a fusão.

Confinamento eletrostático inercial

Dispositivos de confinamento eletrostático inercial , como o fusor Farnsworth-Hirsch, usam um campo elétrico para aquecer um plasma até as condições de fusão e produzir nêutrons. Vários aplicativos, desde uma cena de entusiasta de hobby até aplicativos comerciais foram desenvolvidos, principalmente nos Estados Unidos.

Aceleradores de íons leves

Os aceleradores de partículas tradicionais com fontes de íon hidrogênio (H), deutério (D) ou trítio (T) podem ser usados ​​para produzir nêutrons usando alvos de deutério, trítio, lítio, berílio e outros materiais de baixo Z. Normalmente, esses aceleradores operam com energias na faixa> 1 MeV.

Sistemas de fotoneutron / fotofissão bremsstrahlung de alta energia

Os nêutrons são produzidos quando os fótons acima da energia de ligação nuclear de uma substância incidem sobre essa substância, fazendo com que ela passe por uma ressonância de dipolo gigante, após a qual ela emite um nêutron ( fotoneutron ) ou sofre uma fissão ( fotofissão ). O número de nêutrons liberados por cada evento de fissão depende da substância. Normalmente os fótons começam a produzir nêutrons na interação com a matéria normal em energias de cerca de 7 a 40 MeV , o que significa que as instalações de radioterapia que usam raios-X de megavoltagem também produzem nêutrons, e alguns requerem blindagem de nêutrons. Além disso, elétrons de energia acima de 50 MeV podem induzir ressonância dipolo gigante em nuclídeos por um mecanismo que é o inverso da conversão interna e, assim, produzir nêutrons por um mecanismo semelhante ao dos fotoneutrons.

Dispositivos grandes

Reatores de fissão nuclear

A fissão nuclear que ocorre dentro de um reator produz grandes quantidades de nêutrons e pode ser usada para uma variedade de propósitos, incluindo geração de energia e experimentos. Os reatores de pesquisa são frequentemente projetados especialmente para permitir a colocação de experimentos em um ambiente de alto fluxo de nêutrons.

Sistemas de fusão nuclear

A fusão nuclear , a combinação dos isótopos pesados ​​do hidrogênio, também tem o potencial de produzir grandes quantidades de nêutrons. Existem sistemas de fusão em pequena escala para fins de pesquisa (plasma) em muitas universidades e laboratórios em todo o mundo. Um pequeno número de experimentos de fusão nuclear em grande escala também existe, incluindo a National Ignition Facility nos EUA, o JET no Reino Unido e, em breve, o experimento ITER atualmente em construção na França. Nenhum ainda é usado como fonte de nêutrons.

A fusão por confinamento inercial tem o potencial de produzir ordens de magnitude mais nêutrons do que a fragmentação . Isso poderia ser útil para radiografia de nêutrons, que pode ser usada para localizar átomos de hidrogênio em estruturas, resolver o movimento térmico atômico e estudar excitações coletivas de núcleos de forma mais eficaz do que os raios-X .

Aceleradores de partículas de alta energia

Uma fonte de fragmentação é uma fonte de alto fluxo em que prótons que foram acelerados para altas energias atingem um material alvo, solicitando a emissão de nêutrons.

Fluxo de nêutrons

Para a maioria das aplicações, um fluxo de nêutrons mais alto é melhor (pois reduz o tempo necessário para conduzir o experimento, adquirir a imagem, etc.). Dispositivos de fusão amadores, como o fusor , gerar apenas cerca de 300 000 neutrões por segundo. Dispositivos fusores comerciais podem gerar na ordem de 10 9 nêutrons por segundo, o que corresponde a um fluxo utilizável de menos de 10 5 n / (cm² s). Grandes linhas de luz de nêutrons em todo o mundo alcançam um fluxo muito maior. Fontes baseadas em reatores agora produzem 10 15 n / (cm² s), e fontes de fragmentação geram mais de 10 17 n / (cm² s).

Veja também

Referências

  1. ^ Gigante dipolo Ressonância Neutron rendimentos Produzido por electrões como uma Função do Alvo Material e Espessura
  2. ^ Taylor, Andrew; Dunne, M; Bennington, S; Ansell, S; Gardner, I; Norreys, P; Broome, T; Findlay, D; Nelmes, R (fevereiro de 2007). "Uma rota para a fonte de nêutrons mais brilhante possível?". Ciência . 315 (5815): 1092–1095. Bibcode : 2007Sci ... 315.1092T . doi : 10.1126 / science.1127185 . PMID  17322053 .

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