¿De dónde sacas tus neutrones? Fuentes de neutrones para fusión nuclear, ciencia, medicina e industria

Probablemente todos sepamos qué son los neutrones, o al menos hemos oído hablar de ellos en clase física. Sin embargo, estos quarks son mucho más que un relleno dentro de un núcleo atómico. Además de ser una parte esencial para hacer que la materia sea tan estable como (normalmente), los neutrones libres se pueden utilizar de diversas formas.

Desde la separación atómica (fisión nuclear), hasta cambiar la composición de los átomos mediante la adición de neutrones (transmutación), hasta el uso de neutrones en la detección de agua y la inspección de materiales, los neutrones son una herramienta esencial en las ciencias, así como en la medicina y la industria. . aplicaciones. Esto significó mucho desarrollo con el propósito de mejorar las fuentes de neutrones. Si bien la fisión nuclear es una forma eficaz de obtener muchos neutrones, para la mayoría de las aplicaciones se utiliza un enfoque más compacto y menos complicado, algunos de los cuales utilizan la fusión nuclear en su lugar.

En este artículo veremos las muchas aplicaciones de las fuentes de neutrones y estas mismas fuentes de neutrones.

El neutrón humilde

Estrictamente definido, un neutrón es un hadrón, al igual que un protón. Esto significa que ambos están compuestos por partículas que constan de dos o más quarks valentes. En el protón y el neutrón encontramos que contienen tres quarks. Esto los convierte en el subtipo bariónico de hadrones. La diferencia es que un neutrón tiene dos quarks abajo y un quark arriba, mientras que un protón tiene dos quarks arriba y un quark. Por confuso que parezca, es esencial comprender cómo el mundo subatómico afecta todo lo que nos rodea.

Fuera del núcleo, un neutrón es inestable, con una vida media de aproximadamente 10 minutos y 11 segundos, después de lo cual se desintegra beta en un protón. Uno de los quarks de neutrones emite un bosón W, que luego se desintegra en un electrón y un antineutrino:

O usando la notación de quark:

Aproximadamente 1 de cada 1000 de estas desintegraciones beta también producen radiación gamma, que es una forma de brakstrahlung interno. Esto ocurre cuando la partícula beta emitida (el electrón) interactúa con el protón (cargado positivamente).

Generalmente un poco inestable

Además, dentro de un núcleo, un neutrón no es necesariamente estable. Un nucleido (una colección de neutrones y protones ligados) forma un sistema de mecánica cuántica que puede o no formar un estado de energía estable. Básicamente, si hay un estado de energía más bajo disponible dentro del nucleido, se producirá la desintegración de neutrones. Un ejemplo de esto es el carbono-14 (6 protones, 8 neutrones) que se desintegra en el nitrógeno-14 más estable (7 protones, 7 neutrones).

Durante la desintegración de neutrones ligados, vemos el mismo proceso que para la desintegración de neutrones libres. Esto se distingue de la desintegración beta inversa y la captura de electrones, dos procesos mediante los cuales un protón en un nucleido puede transformarse en un neutrón. El último tipo es útil para nuestros propósitos, como veremos en la siguiente sección.

Generando neutrones libres a voluntad

Debido a que los neutrones no pueden existir durante largos períodos fuera de un nucleido, esto significa que deben generarse neutrones libres donde se necesitan. La forma más sencilla de hacer esto es tomar un isótopo que exhibe emisiones de neutrones como parte de su cadena de desintegración radiactiva, como california-252 o berilio-13:

La desventaja obvia de usar un isótopo radiactivo como fuente de neutrones es que no se puede apagar y emitirá cada vez menos neutrones por unidad de tiempo, ya que más de sus nucleidos se asentarán en un nuevo estado que será estable o no emitirá. neutrones cuando decaen. Una solución parcial aquí es el uso de fotodaño, mediante el cual se utilizan rayos gamma para excitar un nucleido hasta el punto en que emite un neutrón. Por ejemplo, en el caso de la forma estable única de berilio:

Esto nos lleva curiosamente a otra fuente fascinante de neutrones: la fusión nuclear de deuterio y tritio (DT):

La relativa facilidad de usar combustible DT (barato) en un dispositivo simple de contención electrostática inercial (IEC) (como un rifle) los ha llevado a convertirse en una fuente de neutrones popular tanto para la investigación científica como para la medicina, lo que permite un dispositivo que genera neutrones a voluntad. y a un ritmo constante durante la vida útil del dispositivo.

Neutrones en Marte

La curiosa nave espacial, que ha estado en Marte durante años, ahora tiene a bordo un instrumento llamado DAN, que es una abreviatura de Dynamic Neutron Albedo. Utiliza un haz de neutrones que apunta al suelo desde una altura de unos 80 cm. Los neutrones, que se dispersan de nuevo a sus sensores después de interactuar con el suelo, brindan información sobre el contenido del suelo, específicamente sobre su contenido de humedad. Esto es causado por la interacción de neutrones e hidrógeno.

Módulo generador de neutrones VNIIA ING-10K. (Cortesía de VNIIA)

Este instrumento DAN utiliza un generador de pulsos de neutrones basado en tubos de neutrones ING-10K, fabricado por VNIIA (empresa Rosatom). Emite 107 neutrones por pulso, clasificados para 107 pulsos durante una vida útil de 3 años. Estos generadores de neutrones generalmente usan fusión DT, usando un acelerador lineal para acelerar el deuterio, el tritio o una combinación de ellos en un objetivo de hidruro metálico que también contiene estos isótopos. Con suficiente energía para superar la barrera de culombio, los nucleidos de estos isótopos se fusionarán y emitirán neutrones.

Neutrones en Medicina

Los tubos de neutrones son similares al concepto de fusión conceptual, junto con el del fusor y el polypute antes mencionados, en el sentido de que utilizan el principio IEC para realizar la fusión. El rifle usa dos rejillas esféricas, usando cargas opuestas para acelerar los isótopos, mientras que el polypute hace esencialmente lo mismo, pero tiene como objetivo eliminar estas rejillas físicas para aumentar la eficiencia de la reacción de fusión.

Independientemente de la configuración correcta, estos dispositivos IEC han encontrado un gran interés en el campo de la salud.

Generador de tecnecio simple de 1958-99m en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

isótopos, específicamente molibdeno-99 (99Mo). Este isótopo en particular es el precursor del tecnecio-99m (99mTc) metaestable, su producto de desintegración, antes de que el 99mTc se desintegra a 99Tc con una vida media de 6,01 horas. Aquí, el 99mTc es clave en la medicina como rastreador radiactivo, ya que se usa regularmente para estudios de imágenes del cuerpo, ya que emite rayos claramente detectables en el rango de 104 keV.

Desafortunadamente, la fuente principal de 99Mo proviene de algunos reactores de fisión en los que los objetivos de uranio-235 son bombardeados con neutrones. Con estos reactores sufriendo fallas prolongadas debido al cierre de reactores de mantenimiento y reemplazo, la falta de 99Mo se está volviendo crítica. Esto ha llevado a la investigación de alternativas, una de las cuales es el uso de dispositivos de fusión IEC como fuente de neutrones.

Un enfoque prometedor de una empresa llamada Phoenix LLC utiliza un acelerador de línea de rifle para generar neutrones que irradian a un objetivo de uranio, lo que hace que se fisione y genere el 99Mo y otros isótopos. Luego, el 99Mo se puede separar y transportar a los hospitales en un generador de tecnecio-99m como ya es habitual a diario. Esta producción de 99Mo comenzará en 2021 con una escala comercial proyectada para 2022, según Phoenix.

Imágenes de neutrones

La representación de objetos que utilizan neutrones es muy similar a la de los rayos X, con la principal diferencia en la forma en que

Ejemplo de imágenes de neutrones contra rayos X de una linterna. (Cortesía de Phoenix, LLC)

que producen una imagen. Con los rayos X, la imagen resultante depende de la densidad de los materiales encontrados, por lo que la imagen final depende de cuánto se hayan suavizado los rayos X. Con las imágenes de neutrones, la interacción con los materiales determina cuántos neutrones llegarán al sensor y cuáles son sus propiedades físicas (moleculares). El resultado es algo similar a una radiografía, pero con importantes diferencias debido a cómo interactúan los neutrones con el objeto en relación con los rayos X, como ilustra la imagen de la derecha.

Prototipo de explosivo NEMESIS. (A cargo de Phoenix LLC)

En la formación de imágenes de neutrones, una vez que se han producido los neutrones, deben reducirse a la velocidad deseada para la formación de imágenes. La velocidad de los neutrones afectará la profundidad de penetración y los resultados finales de la imagen, lo que permitirá afinar el proceso. El uso de imágenes de neutrones abarca desde la inspección de productos terminados, incluidas soldaduras, piezas fundidas, álabes de turbinas, barras de combustible nuclear y piezas de alta precisión en la industria y más allá, hasta usos propuestos como la detección de explosivos, como en una zona militar.

Particular de las imágenes de neutrones es el análisis de activación de neutrones (NAA), que esencialmente hace el módulo DAN de Curiosity.

El uso de generadores de neutrones basados ​​en fusión nuclear se está volviendo más común para la formación de imágenes de neutrones y dispositivos relacionados, debido al potencial de dispositivos más pequeños y eficientes. El programa NEMESIS (Sistema Móvil de Detección e Identificación de Neutrones de Explosión) del ejército de los EE. UU. Es un ejemplo de esto que puede permitir el uso de pequeños dispositivos que pueden detectar explosivos como dispositivos explosivos improvisados ​​(IED) y minas terrestres con mucha facilidad, incluso sin metales duros. minas terrestres que luchan por detectar detectores de metales y radares de penetración en el suelo.

En el programa NEMESIS está involucrada la mencionada Phoenix LLC, que expresa su creencia de que tales NAA, así como los generadores de imágenes de neutrones, pueden usarse en el futuro no solo para tareas peligrosas, sino también para tareas más rutinarias, como inspecciones de puentes y presumiblemente inspecciones en aviación. . . Según Phoenix, la mayoría de los esfuerzos se están realizando actualmente para mejorar los algoritmos de detección y hacer que el equipo sea más crudo y económico.

Más allá de la ciencia ficción

Aunque mucho de esto puede parecer bastante sorprendente, como la capacidad de "mirar" en el suelo para encontrar algunos explosivos enterrados allí, o ver fracturas dentro de una pala de turbina o costura de soldadura, esto puede verse como el avance de tecnologías de uso común como como radiografías. Si bien los rayos X y sus parientes fueron bastante fáciles de producir durante principios del siglo XX y más allá, el proceso de producir una gran cantidad de neutrones de manera eficiente que no requirió el uso de un reactor de fisión nuclear se remonta a décadas.

Los dispositivos Fusion tienen muchas ventajas, y el mantenimiento también es bastante simple. Para los dispositivos de fusión no herméticos, se entrega un suministro continuo de combustible deuterio-tritum (o deuterio-deuterio), donde el dispositivo funciona sin mantenimiento más que el intercambio de componentes del generador que se vuelven radiactivos debido a la activación de neutrones. Estas partículas caen bajo desechos radiactivos de nivel bajo a medio, similar a lo que producen los laboratorios y hospitales, lo que facilita su eliminación.

Si bien la posibilidad de un dispositivo de escaneo portátil que use una fuente de neutrones para realizar un análisis ambiental aún está un poco escasa, las imágenes de neutrones tienen buenas posibilidades de mejorar la vida de muchas maneras, similar a los rayos X.

  • Dr dice:

    Gracias por la bonita inscripción de neutrones. Permítanme agregar un hecho menos conocido sobre el neutrón aquí para todos ustedes:

    Si logra ralentizar los neutrones por debajo de aproximadamente 6 m / s, muchos materiales los reflejan en algún ángulo de incidencia, es decir, se comportan como pelotas de tenis de mesa.

    A estos los llamamos "neutrones ultraextraños", consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Ultracold_neutrons (un poco pasado de moda, desafortunadamente) y podemos hacer algunos experimentos físicos agradables. con ellos, midiendo con tanta precisión la vida útil del neutrón, o si hay un dipolo eléctrico en el neutrón.

    La física es hermosa.

  • Mike Massen dice:

    Buen post, gracias
    Se trata de una fuente de neutrones modulada por una corriente eléctrica por lo que se puede encender y apagar a voluntad ...
    https://share-ng.sandia.gov/news/resources/news_releases/neutron_generator/

  • DM dice:

    Ejemplo de una fuente de neutrones más grande ...
    https://www.nist.gov/ncnr/about-ncnr

  • Andrés Wesper dice:

    ¡Gran edición Maya! Gracias por incluir a Phoenix.
    Para obtener más información sobre Phoenix, visite nuestro sitio web: https://phoenixwi.com/

    • Brian dice:

      ¿Es una empresa que cotiza en bolsa? Inversor interesado aquí.

      • Paul dice:

        Fénix LLC...

        • Nate dice:

          La sociedad matriz o sociedad de la LLC puede cotizar en bolsa.

  • elliot dice:

    Puedo escribir mal en la notación de cuatro, ¿debería ser uud el lado derecho?

  • Paul dice:

    Cuando era estudiante de física, teníamos un bombardero de neutrones en el departamento. Tal como suena, dispara neutrones en una dirección desde un barril. Sin acelerador, no se requiere electricidad. Tampoco hay interruptor de "APAGADO" ... https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_howitzer
    Aunque me gusta el método del reactor TRIGA para producir grandes gotas del tamaño de un gigavatio a la vez, bajo demanda.

    • Vadear dice:

      > Aunque me gusta el método del reactor TRIGA para producir grandes gotas del tamaño de un gigavatio a la vez, bajo demanda.

      Para las personas curiosas, rápidamente arrojan un bastón fuera del núcleo. Esto produce una enorme presión de neutrones que se extingue rápidamente cuando el reactor vuelve al equilibrio.

    • RW versión 0.0.1 dice:

      R: "¿Deberíamos construir un interruptor para detener las partículas alfa que activan el berilio?"
      B: "No, simplemente diríjalo a la bioquímica cuando no lo estemos usando".

      • Paul dice:

        No estoy seguro de cómo conseguirías un obturador allí, AFAIK, el polvo mágico está completamente mezclado.
        Tenía una especie de tapón de cera (o tal vez de polietileno), pero no puedo imaginar que eso haría más que ralentizar los neutrones. Efectivamente, no había una capa de cadmio o boro, pero la cosa todavía estaba almacenada en una sala de almacenamiento subterránea.

        Me recuerda la historia de un amigo en los laboratorios nacionales de Brookhaven: construyeron una pared con cajas de ropa de bórax para que actuara como absorbente de neutrones. Aparentemente, era la forma más rápida y económica de conseguir el refugio necesario.

        • RW versión 0.0.1 dice:

          Ah, pensé que era un arreglo de objetivo de berilio de fuente alfa.

          Y tal vez me equivoque de nuevo, pero pensé que disolver el bórax en agua, una solución saturada, funcionaba mejor que la materia seca. No estoy seguro de que los absorba tanto como los ralentiza, por lo que se llama moderador, convirtiendo los neutrones rápidos en neutrones lentos.

    • RW versión 0.0.1 dice:

      Por cierto, WTH una vez estudiante de física, siempre estudiante de física.

  • SDY en Vancouver dice:

    Nunca obtengo neutrones, compro mis suministros de hack que brillan en la oscuridad ...

  • Alain dice:

    Puede producir neutrones (e incluso fusión) con un cristal piroeléctrico: https://en.wikipedia.org/wiki/Pyroelectric_fusion

  • localroger dice:

    Ah, recuerdos. Cuando era niño, en la década de 1970, mi padre tenía un neutrón de California 252 en su modesto laboratorio para hacer lo que ahora consideraríamos un análisis primitivo de activación de neutrones. Estaba alojado en una caja de hojalata de aproximadamente el doble del tamaño de un tambor de 55 galones hecho principalmente de plomo, y se mantuvo detrás de una pared llena de cenizas. Recuerdo que hizo que las muestras de aluminio fueran profundas e incluso un poco peligrosamente radiactivas.

    • matemático dice:

      Oh, esos tiempos deben haber sido divertidos XD
      Me gustaría ver una foto de él.

      • Greenaum dice:

        Desafortunadamente, ninguna de las películas apareció correctamente.

  • Comedias dice:

    Obtuve el mío de un caracol de acero inoxidable que contenía plutonio y berilio. Se guardó en un recipiente de acero lleno de parafina. Los neutrones se ralentizaron o "termalizaron" por una colisión con la parafina y cuando lo suficientemente lento, transformaron un átomo de hidrógeno en la parafina en un deuterio, que emitió un rango relacionado con la energía de unión del deuterón.

    Nada de esto se escapó del contenedor. Había algunos "barriles" para el obús. Estos eran puertos que daban acceso a los neutrones no termizados. Normalmente llenos de cilindros de plástico (también en su mayoría de hidrógeno). Colocamos muestras para que los neutrones las activen y luego obtenemos un espectro de rayos gamma de los isótopos. ¡Gran diversión! El bombardero y algunas poderosas fuentes de cobalto fueron retiradas de los edificios en el entusiasmo de seguridad hiperconsciente de hoy. El analizador de altura de pulso y los cristales de centelleo también desaparecieron. Supongo que ahora solo están mezclando colorantes alimentarios en bandejas de plástico seguras para microexperimentos. Corazones hermosos!

    • Profesor dice:

      Sí, la fuente de neutrones berilio-plutonio se ha proporcionado a muchas universidades y facultades para la experimentación. Estábamos acostumbrados a un experimento de medio tiempo con un cuarto de 1964 (90% de plata) en uno de los barriles. Los neutrones del Pu-Be activaron parte de la plata, cambiando los isótopos 107 y 109 en 108 y 110. Uno de estos decayó con bastante rapidez, con una vida media de unos 30 segundos. Si subió los cuatro pasos desde la fuente hasta el aula, podría obtener suficientes cálculos del otro isótopo para determinar la vida media, que fue de aproximadamente 2,5 minutos. Algunos estudiantes que estaban particularmente preocupados por la radiactividad optaron por saltarse ese laboratorio. Por supuesto, como profesor, recibí una docena de veces más exposición que el alumno más cercano ...

      • Comedias dice:

        Creo que usamos India para eso. Te permite acumular muchos pulsos del rango. Creo que la vida media es un poco menos de 1 hora y la muestra se colocó cerca del exterior de los bloques de plástico para obtener los neutrones de energía adecuados. ¿También siempre tuvimos Sodio 22, Cobalto 60 y Cesio 136? Todo bien para la calibración. Creo que todos vinieron del reactor de la Universidad. de Washington.

        Usamos un imán en una cuerda una vez para sacar el caracol y rodearlo con agua para eliminar el ruido del carbono en la parafina y medir la energía de unión del deuterio. Lo dejó caer una vez (una polea del techo se movió desde el otro lado de la habitación) y alguien tuvo que hacer una carrera y volver a colocarlo en el bombardero. Probablemente sea un informe para la mitad de las agencias estatales y federales de hoy 🙂

  • Shromp dice:

    ¡Buen articulo!

  • Diamante Diggity Dave dice:

    No te olvides de la espalación: https://en.wikipedia.org/wiki/Spallation, p. Ej. La fuente de neutrones de espalación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge https://neutrons.ornl.gov/sns

  • Helge dice:

    Uno de mis favoritos de todos los tiempos son las imágenes de neutrones de la preparación del café:
    https://www.youtube.com/watch?v=DZrCc4fD5Qk

    • Paul dice:

      Bueno, eso es muy bueno. Me encanta el contraste entre el agua y el aluminio, frente al de los rayos X.

  • Shawn85206 dice:

    Mientras miraba, ¡me di cuenta de que tenía el mismo café! Muy bueno para ver exactamente cómo funciona.

Joel Carrasco
Joel Carrasco

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.