¿Qué es la interacción de los neutrones con la materia? Definición

Los neutrones pueden interactuar con la materia de muchas maneras. Los neutrones son partículas neutras, por lo tanto, colisionan con núcleos, no con átomos. Interacciones de neutrones con la materia. Dosimetría de radiación

Interacciones de neutrones con materia

Los neutrones son partículas neutras, por lo tanto, viajan en línea recta , desviándose de su camino solo cuando chocan con un núcleo para dispersarse en una nueva dirección o ser absorbidos. Ni los electrones que rodean (nube de electrones atómicos) un núcleo ni el campo eléctrico causado por un núcleo cargado positivamente afectan el vuelo de un neutrón. En resumen, los neutrones chocan con los núcleos , no con los átomos. Una característica muy descriptiva de la transmisión de neutrones a través de la materia en masa es la longitud media del camino libre ( λ – lambda ), que es la distancia media que recorre un neutrón entre las interacciones. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

λ = 1 / Σ

Los neutrones pueden interactuar con los núcleos de una de las siguientes maneras:

Neutron - Reacciones nucleares

Tipos de reacciones nucleares de neutrones

  • Reacción de dispersión elástica
  • Reacción de dispersión inelástica
  • Absorción de neutrones
  • Captura Radiativa
  • Fisión nuclear
  • Emisión de neutrones
  • Expulsión de partículas cargadas

Sección transversal de neutrones

Sección transversal de neutrones
Secciones transversales típicas de material de fisión. Disminuir la velocidad de los neutrones aumenta la probabilidad de interacción (por ejemplo, reacción de fisión).

La medida en que los neutrones interactúan con los núcleos se describe en términos de cantidades conocidas como secciones transversales . Las secciones transversales se utilizan para expresar la probabilidad de una interacción particular entre un neutrón incidente y un núcleo objetivo . Cabe señalar que esta probabilidad no depende de las dimensiones reales del objetivo. Junto con el flujo de neutrones, permite el cálculo de la velocidad de reacción, por ejemplo, para obtener la potencia térmica de una central nuclear. La unidad estándar para medir la sección transversal microscópica ( σ-sigma ) es el granero , que es igual a 10 -28  m 2. Esta unidad es muy pequeña, por lo tanto, los graneros (abreviados como «b») se usan comúnmente. La sección transversal microscópica puede interpretarse como el «área objetivo» efectiva en la que un núcleo interactúa con un neutrón incidente.

Una sección transversal macroscópica se deriva de la densidad microscópica y del material:

 Σ = σ.N

 Aquí σ, que tiene unidades de m 2 , se denomina sección transversal microscópica. Dado que las unidades de N (densidad de núcleos) son núcleos / m 3 , la sección transversal macroscópica Σ  tiene unidades de -1 , por lo tanto, de hecho es un nombre incorrecto, porque no es una unidad correcta de secciones transversales.

Las secciones transversales de neutrones constituyen parámetros clave del combustible nuclear. Las secciones transversales de neutrones deben calcularse para conjuntos de combustible nuevo, generalmente en modelos bidimensionales de la red de combustible.

 La sección transversal de neutrones es variable y depende de:

  • Núcleo objetivo (hidrógeno, boro, uranio, etc.) Cada isótopo tiene su propio conjunto de secciones transversales.
  • Tipo de reacción (captura, fisión, etc.). Las secciones transversales son diferentes para cada reacción nuclear.
  • Energía de neutrones (neutrones térmicos, neutrones de resonancia, neutrones rápidos). Para un determinado objetivo y tipo de reacción, la sección transversal depende en gran medida de la energía de neutrones. En el caso común, la sección transversal suele ser mucho más grande a bajas energías que a altas energías. Esta es la razón por la cual la mayoría de los reactores nucleares usan un moderador de neutrones para reducir la energía del neutrón y así aumentar la probabilidad de fisión, esencial para producir energía y mantener la reacción en cadena.
  • Energía objetivo (temperatura del material objetivo – Ampliación Doppler) Esta dependencia no es tan significativa, pero la energía objetivo influye fuertemente en la seguridad inherente de los reactores nucleares debido a una ampliación Doppler de resonancias.

Ver también: JANIS (software de información nuclear basado en Java) 

Ver también: sección transversal de neutrones

Ley 1 / v

1 / v Ley
Para los neutrones térmicos (en la región 1 / v), las secciones transversales de absorción aumentan a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón.
Fuente: JANIS 4.0

Para los neutrones térmicos ( en la región 1 / v ), las secciones transversales de absorción aumentan a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón. Por lo tanto, la Ley 1 / v puede usarse para determinar el cambio en la sección transversal de absorción, si el neutrón está en equilibrio con un medio circundante. Este fenómeno se debe al hecho de que la fuerza nuclear entre el núcleo objetivo y el neutrón tiene más tiempo para interactuar.

sigma_a sim frac {1} {v}}} sim frac {1} {sqrt {E}}}}} sim frac {1} {sqrt {T}}}}}

Esta ley es aplicable solo para la sección transversal de absorción y solo en la región 1 / v.

Ejemplo de secciones transversales en la región 1 / v:

La sección transversal de absorción para 238U a 20 ° C = 293K (~ 0.0253 eV) es:

sigma_a (293K) = 2.68b .

La sección transversal de absorción para 238U a 1000 ° C = 1273K es igual a:

Sección transversal de neutrones - ley 1-v

Esta reducción de la sección transversal se debe solo al cambio de temperatura del medio circundante.

Captura de neutrones por resonancia

Picos de resonancia para la captura radiativa de U238.
Picos de resonancia para la captura radiativa de U238. A energías de resonancia, la probabilidad de captura puede ser más de 100 veces mayor que el valor base.
Fuente: programa JANIS

La sección transversal de absorción a menudo depende en gran medida de la energía de neutrones. Tenga en cuenta que la fisión nuclear produce neutrones con una energía media de 2 MeV (200 TJ / kg, es decir, 20,000 km / s). El neutrón se puede dividir aproximadamente en tres rangos de energía:

  • Neutrones rápidos. (10MeV – 1keV)
  • Resonancia de neutrones (1keV – 1eV)
  • Neutrones térmicos. (1eV – 0.025eV)

Los neutrones de resonancia se llaman resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, la sección transversal puede alcanzar picos más de 100 veces más altos como el valor base de la sección transversal. A estas energías, la captura de neutrones excede significativamente la probabilidad de fisión. Por lo tanto, es muy importante (para los reactores térmicos) superar rápidamente este rango de energía y operar el reactor con neutrones térmicos, lo que aumenta la probabilidad de fisión.

Ampliación Doppler

 

efecto Doppler
El efecto Doppler mejora la estabilidad del reactor. La resonancia ampliada (calentamiento de un combustible) da como resultado una mayor probabilidad de absorción, lo que provoca una inserción de reactividad negativa (reducción de la potencia del reactor).

Una ampliación Doppler de resonancias es un fenómeno muy importante, que mejora la estabilidad del reactor . El rápido coeficiente de temperatura de la mayoría de los reactores térmicos es negativo , debido a un efecto Doppler nuclear. Aunque la sección transversal de la absorción depende significativamente de la energía de neutrones incidente, la forma de la curva de la sección transversal también depende de la temperatura objetivo.

Los núcleos se encuentran en átomos que están en continuo movimiento debido a su energía térmica. Como resultado de estos movimientos térmicos, los neutrones que inciden en un objetivo parecen tener una propagación continua de energía en los núcleos del objetivo. Esto, a su vez, tiene un efecto sobre la forma de resonancia observada. La resonancia se vuelve más corta y más ancha que cuando los núcleos están en reposo.

Aunque la forma de una resonancia cambia con la temperatura, el área total bajo la resonancia permanece esencialmente constante. Pero esto no implica una absorción constante de neutrones . A pesar del área constante bajo resonancia, una integral de resonancia , que determina la absorción, aumenta al aumentar la temperatura objetivo. Esto, por supuesto, disminuye el coeficiente k (se inserta reactividad negativa).

Secciones transversales típicas de materiales en el reactor

La siguiente tabla muestra secciones transversales de neutrones de los isótopos más comunes del núcleo del reactor.

Tabla de secciones transversales
Tabla de secciones transversales

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translati[email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.