La probabilidad de que un núcleo absorba un neutrón es importante para muchas áreas de la ciencia nuclear, incluyendo la producción de elementos en el cosmos, rendimiento del reactor, aplicaciones de medicina nuclear y defensa.

Una nueva investigación de un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) revela que el isótopo radiactivo zirconio-88 (⁸⁸Zr) es 100, 000 veces más probable de lo esperado de absorber cualquier neutrón a temperatura ambiente ("térmico") que encuentre. La investigación aparece en la edición del 7 de enero de la revista. Naturaleza .

El circonio-88 es un tipo particular, o isótopo, de circonio, se distingue por el número de neutrones que contiene. El circonio típico contiene alrededor de 50 neutrones, pero ⁸⁸Zr, que es radiactivo y no se encuentra naturalmente en la Tierra, tiene menos de lo normal, con 48 neutrones.

Si bien la absorción de neutrones (conocida como sección transversal de captura de neutrones) se ha estudiado en detalle para muchos isótopos estables, no se sabe mucho sobre esta propiedad de los isótopos radiactivos. La sección transversal de captura de neutrones térmicos ⁸⁸Zr recién descubierta es mayor que la de cualquier isótopo estable. Esto significa que cuando el núcleo ⁸⁸Zr encuentra un neutrón térmico, es muy probable que lo capture y lo incorpore como parte del núcleo. Los neutrones térmicos se encuentran en reactores nucleares, y cualquier otro neutrón (de una reacción nuclear o desintegración nuclear) que comience con alta energía, rebotará hasta que alcance la temperatura ambiente.

"La gran sorpresa aquí es que ⁸⁸Zr, un isótopo radiactivo de circonio con dos neutrones menos que el isótopo estable más ligero de circonio, tiene una sección transversal de captura de neutrones térmicos que es mucho más grande de lo esperado y, de hecho, es la segunda más grande jamás descubierta, "dijo el físico de LLNL Nicholas Scielzo, investigador principal del proyecto de investigación. "La última vez que se descubrió una sección transversal de esta magnitud fue cuando los reactores nucleares se encendieron por primera vez a fines de la década de 1940".

El hallazgo es significativo porque muestra lo poco que se sabe sobre cómo los isótopos radiactivos interactúan con los neutrones. así como implicaciones para ⁸⁸Zr en misiones de seguridad nacional.

"Las reacciones de captura de neutrones son importantes para una variedad de aplicaciones y para cómo se construyeron los elementos pesados, "Scielzo dijo." Por ejemplo, Estas reacciones impactan el rendimiento del reactor al eliminar neutrones que de otro modo podrían causar fisión nuclear. y son responsables de la transmutación de algunos de los isótopos de diagnóstico utilizados en la administración de existencias ".

Las secciones transversales de captura de neutrones para la mayoría de los núcleos radiactivos son poco conocidas, a pesar de la importancia de esta información para una variedad de temas de la ciencia nuclear fundamental y aplicada. Comprender el origen de los elementos en el cosmos es uno de los desafíos generales más importantes en la ciencia nuclear y requiere secciones transversales de captura de neutrones para los muchos núcleos radiactivos producidos a lo largo de las vías de la nucleosíntesis. Básicamente, todos los elementos más pesados ​​que el hierro se crearon a través de sucesivas capturas de neutrones en entornos como estrellas de ramas gigantes, supernova de colapso del núcleo y fusiones de estrellas de neutrones.

Los reactores y armas nucleares han aprovechado las reacciones inducidas por neutrones para aprovechar enormes cantidades de energía, confiando en un inventario detallado de neutrones para un desempeño predecible. En un reactor nuclear Los nucleidos con grandes secciones transversales de captura de neutrones actúan como un veneno en el combustible y disminuyen el rendimiento o pueden introducirse intencionalmente para controlar la reactividad del combustible.

El programa de administración de arsenales basado en la ciencia, que se utiliza para mantener una alta confianza en la seguridad, seguridad, fiabilidad y eficacia del arsenal nuclear en ausencia de ensayos nucleares, se basa en parte en secciones transversales de isótopos radiactivos para interpretar datos de archivo de pruebas subterráneas (UGT) de dispositivos nucleares. La transmutación del material detector estable de itrio y circonio cargado en UGT produjo isótopos radiactivos, como ⁸⁸Zr que sirvió como importante diagnóstico sensible a las fluencias de neutrones y partículas cargadas. Sin embargo, los cálculos de la red de reacción nuclear, que modelan la producción y destrucción de estos isótopos radiactivos, se basan en secciones transversales para las que hay datos limitados o nulos, lo que dificulta la interpretación de los datos históricos.

"Lo que encuentro especialmente intrigante es que las dos secciones transversales de captura de neutrones térmicos más grandes están en isótopos radiactivos (el xenón-135 es el más grande, ⁸⁸Zr es el segundo más grande) y ninguno de los dos se esperaba, así que tal vez haya muchas más sorpresas por descubrir a medida que continuamos investigando los isótopos radiactivos, ", Dijo Scielzo." Tal vez esto sea un indicio de que estas reacciones no serán lo que esperamos y esto tendría un gran impacto en nuestra comprensión de cómo se formaron los elementos del hierro al uranio en el cosmos ".