Tangkapan neutron
Tangkapan neutron adalah reaksi nuklir di mana inti atom dan satu atau lebih neutron bertabrakan dan bergabung untuk membentuk inti yang lebih berat. Karena neutron tidak memiliki muatan listrik, mereka dapat masuk ke dalam inti lebih mudah dibandingkan proton yang bermuatan positf, yang ditolak dengan elektrostatis.
Tangkapan neutron memainkan peran penting dalam nukleosintesis kosmik unsur berat. Dalam bintang, reaksi ini dapat dilanjutkan dalam dua cara: sebagai proses yang cepat (proses r) atau proses yang lambat (proses s). Inti massa yang lebih besar dari 56 tidak dapat dibentuk oleh reaksi termonuklir (yaitu dengan fusi nuklir), namun dapat dibentuk oleh tangkapan neutron.
Pada fluks neutron kecil, seperti dalam reaktor nuklir, sebuah neutron tunggal ditangkap oleh inti. Misalnya, ketika emas alami (Au) teradiasi oleh neutron, isotop Au kemudian terbentuk dalam keadaan yang sangat tereksitasi, dan dengan cepat meluruh ke keadaan dasar Au sambil mengemisi sinar γ. Dalam proses ini, nomor massa meningkat satu. Reaksi ini ditulis dengan formula dalam bentuk Au+n → Au+γ, atau dalam bentuk singkat Au(n,γ)Au. Jika neutron termal yang digunakan, proses ini disebut tangkapan termal.
Isotop Au (Z=79) adalah emitor beta yang meluruh menjadi isotop merkuri Hg (Z=80). Dalam proses ini nomor atom (Z) meningkat satu.
Dalam Proses r yang terjadi di dalam bintang jika kerapatan fluks neutron begitu tinggi maka inti atom tidak memiliki waktu untuk meluruh melalui emisi beta di antara tangkapan neutron. Oleh karena itu nomor massa meningkat dengan jumlah yang besar sementara nomor atom (yaitu, unsur) tetap sama. Hanya saja setelah itu, inti yang sangat tidak stabil meluruh melalu banyak peluruhan β- menjadi inti stabil atau tidak stabil dengan (mengakibatkan) nomor atom (menjadi) tinggi.
Penampang lintang penyerapan neutron sebuah isotop unsur kimia merupakan area penampang lintang efektif bahwa atom dari isotop yang menyajikan penyerapan, dan merupakan ukuran kemungkinan tangkapan neutron. Proses ini biasanya diukur dalam barn (b).
Penampang lintang penyerapan sering sangat tergantung pada energi neutron. Dua langkah yang paling sering diukur adalah penampang lintang untuk penyerapan termal neutron, dan integral resonans yang dianggap sebagai kontribusi puncak serapan pada energi neutron tertentu khusus untuk nuklida tertentu, biasanya di atas kisaran termal, tetapi dihadapi sebagai moderasi neutron yang memperlambat neutron turun dari energi tinggi sesungguhnya.
Energi panas dari inti juga memiliki efek; sebagai kenaikan suhu, pelebaran Doppler meningkatkan kemungkinan menangkap puncak resonans. Secara khusus, peningkatan kemampuan uranium-238 untuk menyerap neutron pada suhu yang lebih tinggi (dan untuk melakukannya tanpa fisi) adalah mekanisme umpan balik negatif yang membantu menjaga reaktor nuklir di bawah kendali.
Analisis aktivasi neutron dapat digunakan untuk mendeteksi komposisi kimia pada bahan dari jarak jauh. Hal ini karena berbagai unsur melepaskan karakteristik radiasi yang berbeda ketika mereka menyerap neutron. Proses ini membuatnya berguna dalam berbagai bidang yang berhubungan dengan eksplorasi dan keamanan mineral.
Penyerap neutron yang paling penting adalah B sebagai BC pada batang kendali, atau asam borat sebagai air pendingin aditif pada PWR. Penyerap neutron penting lainnya yang digunakan dalam reaktor nuklir adalah xenon, kadmium, hafnium, gadolinium, kobalt, samarium, titanium, disprosium, erbium, europium, molibdenum, dan iterbium; yang semuanya biasanya terdiri dari campuran berbagai isotop-beberapa penyerap neutron yang sangat baik. Hal ini juga terdapat pada kombinasi seperti Mo2B5, hafnium diborida, titanium diborida, disprosium titanat, dan gadolinium titanat.
Hafnium, salah satu unsur stabil terakhir yang ditemukan, menyajikan kasus yang menarik. Meskipun hafnium merupakan unsur yang lebih berat, konfigurasi elektron yang membuatnya hampir identik dengan unsur zirkonium, dan mereka selalu ditemukan dalam bijih yang sama. Namun, sifat nuklir mereka berbeda dalam cara yang mendalam. Hafnium rajin menyerap neutron (Hf menyerap 600 kali lebih banyak dibanding Zr), dan dapat digunakan dalam batang kendali reaktor, sedangkan zirkonium alami bisa dibilang transparan untuk neutron. Jadi, zirkonium adalah bahan konstruksi yang sangat diinginkan untuk bagian internal reaktor, termasuk selubung logam dari batang bahan bakar yang mengandung baik uranium, plutonium, atau oksida campuran dari dua unsur (bahan bakar MOX).
Oleh karena itu, sangat penting untuk dapat memisahkan zirkonium dari hafnium pada paduan logam yang terdapat secara alamiah. Pemisahan ini hanya dapat dilakukan dengan biaya murah dengan menggunakan resin pertukaran ion kimia modern. Resin serupa juga digunakan dalam pengolahan ulang batang bahan bakar nuklir, jika diperlukan untuk uranium dan plutonium terpisah, dan kadang-kadang thorium.