Nötron yakalama

Nötron yakalama, bir atom çekirdeğinin ve bir veya daha fazla nötronun daha ağır bir çekirdek oluşturmak için çarpıştığı ve birleştiği bir nükleer reaksiyondur. Nötronların elektrik yükü olmadığından, elektrostatik olarak itilen pozitif yüklü protonlardan daha kolay bir şekilde çekirdeğe girebilmektedirler.

56'dan büyük kütleli çekirdekler, termonükleer reaksiyonlarla (yani nükleer füzyonla) oluşturulamaz. Ancak nötron yakalama ile oluşturulabilmektedir. Protonlar üzerinde nötron yakalama, güneş patlamalarında tahmin edilen ve yaygın olarak gözlemlenen 2.223 MeV'de bir çizgi vermektedir.

Küçük nötron akışında, bir nükleer reaktörde olduğu gibi, tek bir nötron bir çekirdek tarafından yakalanmaktadır. Örneğin, doğal altın (197Au) nötronlar (n) tarafından ışınlandığında, izotop 198Au oldukça uyarılmış bir durumda oluşmaktadır. Gama ışınlarının (γ) emisyonu ile hızla 198Au temel durumuna bozunmaktadır. Bu süreçte kütle numarası bir artmaktadır. Bu, 197Au n → 198Au γ biçiminde veya 197Au(n,γ)198Au kısa biçiminde bir formül olarak yazılmaktadır. Termal nötronlar kullanılıyorsa, işleme termal yakalama denmektedir.

Nötron akı yoğunluğu, atom çekirdeğinin nötron yakalamaları arasında beta emisyonu yoluyla bozunmaya vakti olmayacak kadar yüksekse, yıldızların içinde r-süreci gerçekleşmektedir. Atom numarası (yani element) aynı kalırken kütle numarası bu nedenle büyük miktarda artmaktadır. Daha fazla nötron yakalaması artık mümkün olmadığında, oldukça kararsız çekirdekler birçok β- bozunması yoluyla daha yüksek numaralı elementlerin beta kararlı izotoplarına bozunmaktadır.

Bir kimyasal elementin izotopunun absorpsiyon nötron kesiti, o izotopun bir atomunun absorpsiyona sunduğu etkin kesit alanıdır. Nötron yakalama olasılığının bir ölçüsüdür. Genellikle ahırlarda ölçülmektedir.

Soğurma kesiti genellikle büyük ölçüde nötron enerjisine bağlıdır. Genel olarak, absorpsiyon olasılığı, nötronun çekirdeğe yakın olduğu zamanla orantılıdır. Çekirdeğin yakınında geçirilen zaman, nötron ve çekirdek arasındaki bağıl hız ile ters orantılıdır. Diğer daha özel konular bu genel ilkeyi değiştirmektedir. En çok belirtilen önlemlerden ikisi, termal nötron absorpsiyonu için enine kesit ve belirli bir nüklide özgü belirli nötron enerjilerindeki absorpsiyon zirvelerinin katkısını dikkate alan rezonans integralidir. Genellikle termal aralığın üzerindedir, ancak nötron ılımlılığı nötronu yavaşlattığından orijinalinden daha yüksek bir enerji ile karşılaşılmaktadır.

Çekirdeğin termal enerjisinin de bir etkisi vardır. Sıcaklık arttıkça Doppler genişlemesi bir rezonans zirvesi yakalama şansını arttırmaktadır. Özellikle, uranyum-238'in daha yüksek sıcaklıklarda nötronları emme (ve bunu parçalamadan yapabilme) kabiliyetindeki artış, nükleer reaktörleri kontrol altında tutmaya yardımcı olan negatif bir geri besleme mekanizmasıdır.

Nötron aktivasyon analizi, malzemelerin kimyasal bileşimini uzaktan tespit etmek için kullanılmaktadır. Bunun nedeni, farklı elementlerin nötronları emerken farklı karakteristik radyasyon salmasıdır. Bu, maden arama ve güvenliği ile ilgili birçok alanda faydalı olmasını sağlamaktadır.

Mühendislikte en önemli nötron soğurucu, nükleer reaktör kontrol çubuklarında bor karbür veya basınçlı su reaktörlerinde soğutucu su katkısı olarak borik asit olarak kullanılan 10B'dir. Nükleer reaktörlerde kullanılan diğer nötron emiciler ksenon, kadmiyum, hafniyum, gadolinyum, kobalt, samaryum, titanyum, disprosyum, erbiyum, öropyum, molibden ve iterbiyumdur. Bunların hepsi doğada, bazıları mükemmel nötron emiciler olan çeşitli izotopların karışımları olarak bulunmaktadır. Molibden borid, hafniyum diborid, titanyum diborid, disprosiyum titanat ve gadolinyum titanat gibi bileşiklerde oluşabilmektedirler.

Hafniyum, nötronları hevesle emer ve reaktör kontrol çubuklarında kullanılmaktadır. Bununla birlikte, aynı dış elektron kabuğu konfigürasyonunu paylaşan ve dolayısıyla benzer kimyasal özelliklere sahip olan zirkonyum ile aynı cevherlerde bulunmaktadır. Nükleer özellikleri tamamen farklıdır. (Hafniyum, nötronları zirkonyumdan 600 kat daha iyi emmektedir.) Esasen nötronlara karşı şeffaf olan ikincisi, yakıt çubuklarının metalik kaplaması dahil olmak üzere dahili reaktör parçaları için değerlidir. Bu elementleri ilgili uygulamalarında kullanmak için zirkonyum, doğal olarak birlikte oluşan hafniyumdan ayrılmalıdır. Bu, iyon değiştirici reçinelerle ekonomik olarak gerçekleşebilmektedir.