Qué es el neutrón rápido – Neutrón de alta energía – Definición

Los neutrones libres se pueden clasificar según su energía cinética. Esta energía generalmente se da en electronvoltios (eV). El término temperatura también puede describir esta energía que representa el equilibrio térmico entre un neutrón y un medio con cierta temperatura.

Energías cinéticas de los neutrones – Neutrones rápidos

• Neutrones fríos  (0 eV; 0.025 eV). Neutrones en equilibrio térmico con entornos muy fríos como el deuterio líquido. Este espectro se utiliza para experimentos de dispersión de neutrones.
• Neutrones Térmicos . Neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante. La energía más probable a 20 ° C (68 ° F) para la distribución Maxwelliana es  0.025 eV  (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de neutrones constituye la parte más importante del espectro  en los reactores térmicos .
• Neutrones epitermales  (0.025 eV; 0.4 eV). Neutrones de energía cinética mayor que la térmica. Algunos de los diseños de reactores funcionan con el espectro de neutrones epitermales. Este diseño permite alcanzar una mayor relación de cría de combustible que en los reactores térmicos.

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  Neutrones de cadmio  (0.4 eV; 0.5 eV). Neutrones de energía cinética por debajo de la energía de  corte de cadmio  . Un isótopo de cadmio,  ¹¹³ Cd, absorbe los neutrones fuertemente solo si están por debajo de ~ 0.5 eV (energía de corte de cadmio).

• Neutrones de epicadmio  (0.5 eV; 1 eV). Neutrones de energía cinética por encima de la energía de  corte de cadmio . Estos neutrones no son absorbidos por el  cadmio .
• Neutrones lentos  (1 eV; 10 eV).
• Neutrones de resonancia  (10 eV; 300 eV). Los neutrones de resonancia  se llaman resonancia por su comportamiento especial. A energías de resonancia, las  secciones transversales pueden 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.
• Neutrones intermedios  (300 eV; 1 MeV).
• Neutrones rápidos  (1 MeV; 20 MeV). Los neutrones de energía cinética mayores de 1 MeV (~ 15 000 km / s) generalmente se denominan neutrones de fisión. Estos neutrones son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o las reacciones (ɑ, n)  . Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para  ²³⁵ U de fisión ) 2 MeV. Dentro de un  reactor nuclear,  los neutrones rápidos se reducen a las energías térmicas a través de un proceso llamado  moderación de neutrones .
• Neutrones Relativistas  (20 MeV; ->)

La física del reactor  no necesita esta fina división de las energías de neutrones. Los neutrones se pueden dividir aproximadamente (para fines de física del reactor) en tres rangos de energía:

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

Incluso la mayoría de los códigos informáticos del reactor usan solo dos grupos de energía de neutrones:

• Grupo de neutrones lentos  (0.025 eV – 1 keV).
• Grupo de neutrones rápidos  (1 keV – 10 MeV).

Ver también:  energía de neutrones

Clasificación de reactores según el espectro de flujo de neutrones

Ver también: espectros de flujo de neutrones

Desde el punto de vista físico, las principales diferencias entre los  tipos de reactores  surgen de las diferencias en sus  espectros de energía de neutrones . De hecho, la  clasificación básica  de  los reactores nucleares  se basa en la energía promedio de los neutrones que causan la mayor parte de las  fisión  en el  núcleo del reactor . Desde este punto de vista, los reactores nucleares se dividen en  dos categorías :

• Reactores Térmicos  Casi todos los reactores actuales que se han construido hasta la fecha utilizan  neutrones térmicos  para mantener la  reacción en cadena . Estos reactores contienen  moderador de neutrones  que ralentiza los neutrones de la fisión hasta que su energía cinética está más o menos en  equilibrio térmico  con los átomos (E <1 eV) en el sistema.
• Reactores de neutrones rápidos .  Los reactores rápidos no contienen moderador de neutrones  y usan  refrigerantes primarios menos moderadores , porque usan  neutrones rápidos  (E> 1 keV), para causar fisión en su combustible.

Comparación de espectros de neutrones en un LWR típico   y un reactor reproductor rápido refrigerado por sodio . Tenga en cuenta que el  espectro del reactor rápido  se ve muy afectado por la  sección transversal de dispersión elástica  del refrigerante usado.

Las principales diferencias entre estos dos tipos están, por supuesto, en  las secciones transversales de neutrones , que exhiben una dependencia energética significativa  . Se puede caracterizar por la relación  captura-fisión , que es  menor en reactores rápidos . También hay una diferencia en el  número de neutrones producidos por una fisión , que es mayor en los reactores rápidos que en los reactores térmicos. Estas diferencias muy importantes son causadas principalmente por  diferencias en los flujos de neutrones . Por lo tanto, es muy importante conocer la distribución detallada de la energía de neutrones en el núcleo de un reactor.

Detección de neutrones usando la cámara de ionización

Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de los neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de una emisión gamma de 0.48 MeV  .

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo  el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando una cámara de ionización es usar el trifluoruro de boro gaseoso   (BF ₃ ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los  contadores BF ₃ generalmente se operan en la región proporcional.

Detección de neutrones usando el contador de centelleo

Como los neutrones son partículas eléctricamente neutras, están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.). Los neutrones rápidos (> 0.5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos.