Cattura neutronica

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Tabella dei nuclidi che mostra i valori delle sezioni trasversali della cattura dei neutroni termici.

La cattura neutronica è un tipo di reazione nucleare nella quale un nucleo atomico collide con uno o più neutroni, fondendosi per formare un nucleo più pesante.[1] Poiché i neutroni non hanno carica elettrica possono entrare in un nucleo più facilmente dei protoni carichi positivamente, che sono respinti elettrostaticamente.[1]

La cattura neutronica gioca un ruolo importante nella nucleosintesi stellare degli elementi pesanti. Nelle stelle essa può procedere in due modi: come un processo "rapido" (rapid in inglese, da cui "processo r") o come un processo "lento" (slow in inglese, da cui "processo s").[1] I nuclei con masse maggiori di 56 non possono essere formati mediante reazioni termonucleari (cioè mediante fusione nucleare), ma mediante cattura neutronica.[1]

Cattura neutronica a basso flusso neutronico[modifica | modifica sorgente]

In presenza di un basso flusso neutronico, come in un reattore nucleare, un unico neutrone è catturato da un nucleo. Per esempio, quando l'oro naturale (197Au) è irradiato da neutroni, si forma l'isotopo 198Au in uno stato altamente eccitato che poi decade rapidamente allo stato fondamentale di 198Au mediante l'emissione di raggi γ. In questo processo, il numero di massa aumenta di uno. In termini di formula, questo è scritto come 197Au+n → 198Au+γ, o in forma breve 197Au(n,γ)198Au. Se si usano i neutroni termici, il processo è chiamato cattura termica.

L'isotopo 198Au è un emettitore beta che decade nell'isotopo del mercurio 198Hg. In questo processo, il numero atomico sale di uno.

Cattura neutronica ad alto flusso neutronico[modifica | modifica sorgente]

Il processo r avviene all'interno delle stelle se la densità del flusso neutronico è così alta che il nucleo atomico non ha il tempo di decadere attraverso l'emissione beta tra successive catture neutroniche. Il numero di massa perciò sale di una quantità elevata mentre il numero atomico (cioè, l'elemento) resta lo stesso. Solo dopo, i nuclei altamente instabili decadono attraverso molti decadimenti β- in nuclei stabili o instabili di numero atomico elevato.

Sezione d'urto della cattura[modifica | modifica sorgente]

La sezione d'urto (o sezione trasversale)[2] neutronica dell'isotopo di un elemento chimico è l'area effettiva della sezione d'urto che l'atomo di un isotopo presenta all'assorbimento, ed è una misura della probabilità della cattura neutronica. È solitamente misurata in barn (b).

La sezione d'urto dell'assorbimento è spesso fortemente dipendente dall'energia dei neutroni. Due delle due misure più comunemente specificate sono la sezione trasversale per l'assorbimento dei neutroni termici, e l'integrale della risonanza che considera il contributo dei picchi di assorbimento di certe energie dei neutroni specifiche di un particolare nuclide, solitamente al di sopra dell'intervallo termico, ma incontrata come moderazione nucleare rallenta il neutrone rispetto a un'energia originale elevata.

L'energia termica del nucleo ha anche un effetto; quando le temperature salgono, l'allargamento Doppler aumenta la possibilità di catturare un picco di risonanza. In particolare, l'aumento della capacità dell'uranio 238 di assorbire i neutroni a temperature più alte (e di farlo senza innescare una fissione) è un meccanismo di retroazione (feedback) negativa che aiuta a tenere i reattori nucleari sotto controllo.

Usi[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Attivazione neutronica e Analisi per attivazione neutronica.

L'analisi per attivazione neutronica può essere usata per scoprire a distanza la composizione chimica dei materiali. Questo è perché elementi diversi liberano una radiazione caratteristica diversa quando assorbono i neutroni. Ciò la rende utile in molti campi legati all'esplorazione e alla sicurezza mineraria.

Assorbitori neutronici[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Veleno neutronico.

Gli assorbitori neutronici che svolgono meglio la loro funzione sono gli isotopi radioattivi degli elementi che aumentano la loro stabilità assorbendo un neutrone. Un esempio di questi è lo xeno-135 (emivita circa 9,1 ore), che assorbe un neutrone per dare luogo all'isotopo stabile xeno-136. Lo xeno-135 si forma attraverso una reazione nucleare a catena nei reattori nucleari a partire dalla scissione dell'uranio-235, dell'uranio-233 o del plutonio-239, che producono una certa quantità di iodio-135. Lo iodio-135 subisce quasi istantaneamente il decadimento radioattivo, emettendo una particella beta (avente un'emivita piuttosto breve), producendo a sua volta lo xeno-135. L'accumulo di xeno-135 nei reattori nucleari può portare all'avvelenamento da xeno, con un conseguente peggioramento della funzionalità dei reattori.

Sezione trasversale dei neutroni del boro (la curva superiore è per il 10B e la curva inferiore per il 11B)

Il più importante assorbitore neutronico è il 10boro come 10B4C nelle barre di controllo, o acido borico come additivo per l'acqua di raffreddamento nei reattori nucleari ad acqua pressurizzata. Altri importanti assorbitori neutronici che sono usati nei reattori nucleari sono cadmio, afnio, gadolinio, cobalto, samario, titanio, disprosio, erbio, europio, molibdeno e itterbio;[3] tutti i quali consistono solitamente di miscele di vari isotopi — alcuni dei quali sono eccellenti assorbitori di neutroni. Tali isotopi si presentano anche in combinazioni quali Mo2B5, diboruro di afnio, diboruro di titanio, titanato di disprosio e titanato di gadolinio.

L'afnio, uno degli ultimi elementi stabili a essere scoperti, presenta un caso interessante. Anche se l'afnio è un elemento più pesante, la sua configurazione elettronica lo rende praticamente identico all'elemento zirconio, e si trovano sempre negli stessi giacimenti. Tuttavia, le loro proprietà nucleari sono diverse in modo profondo. L'afnio assorbe avidamente i neutroni (l'Hf assorbe 600 volte di più dello Zr), e può essere usato nelle barre di controllo, mentre lo zirconio naturale è praticamente trasparente ai neutroni. Perciò, lo zirconio è un materiale di costruzione molto desiderabile per le parti interne dei reattori, compreso il rivestimento metallico delle due barre combustibili che contengono o uranio, plutonio, od ossidi misti dei due elementi (MOX fuel).

Di conseguenza, è piuttosto importante essere in grado di separare lo zirconio dall'afnio nella loro lega naturale. Questo fatto senza spese soltanto utilizzando le moderne resine chimiche a scambio ionico.[4] Resine simili si usano anche nelle barre combustibili nucleari del riprocessamento, quando è necessario separare l'uranio e il plutonio, e a volte il torio.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b c d Ishfaq Ahmad, Hans Mes e Jacques Hebert, Progress of theoretical physics: Resonance in the Nucleus in Institute of Physics, vol. 3, nº 3, Ottawa, Canada, University of Ottawa (Department of Physics), 1966, pp. pp. 556–600.
  2. ^ La sezione d'urto o sezione trasversale (cross section in inglese) di un fascio di particelle in fisica nucleare è un concetto che rileva soprattutto in relazione a fenomeni di dispersione (scattering) o di assorbimento, misurando la probabilità dell'interazione tra particelle. Vedi la voce relativa.
  3. ^ http://www-nds.iaea.org/pgaa/pgaa7/index.html
  4. ^ http://books.google.com/books?id=RjTFTU8LgpgC&pg=PA26 Zirconium in the nuclear industry: sixth international symposium By D. Franklin, R. B. Adamson

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]