Zirconium isotop en mester i neutronfangst

Sandsynligheden for, at en kerne vil absorbere en neutron, er vigtig for mange områder inden for atomvidenskab, herunder produktion af elementer i kosmos, reaktor ydeevne, nuklearmedicin og forsvarsapplikationer.

Ny forskning fra et team ledet af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere afslører, at den radioaktive isotop zirconium-88 (⁸⁸Zr) er 100, 000 gange større sandsynlighed end forventet for at absorbere enhver rumtemperatur ("termisk") neutron, den støder på. Forskningen fremgår af 7. januar -udgaven af ​​tidsskriftet Natur .

Zirconium-88 er en særlig type, eller isotop, af zirkonium, kendetegnes ved antallet af neutroner, den indeholder. Typisk zirkonium indeholder omkring 50 neutroner, men ⁸⁸Zr, som er radioaktivt og ikke findes naturligt på Jorden, har færre end normalt, med 48 neutroner.

Mens neutronabsorption (kendt som et neutronfangstværsnit) er blevet undersøgt detaljeret for mange stabile isotoper, der er ikke meget kendt om denne egenskab for radioaktive isotoper. Det nyopdagede ⁸⁸Zr termiske neutronfangstværsnit er større end for enhver stabil isotop. Det betyder, at når ⁸⁸Zr -kernen støder på en termisk neutron, det er meget sandsynligt at fange det og inkorporere det som en del af kernen. Termiske neutroner findes i atomreaktorer, og enhver anden neutron (fra en atomreaktion eller atomforfald), der starter ved høj energi, vil hoppe rundt, indtil den når stuetemperatur.

"Den store overraskelse her er, at ⁸⁸Zr, en radioaktiv isotop af zirconium med to neutroner færre end den letteste stabile zirconiumisotop, har et termisk neutronfangstværsnit, der er så meget større end forventet og faktisk er det næststørste, der nogensinde er opdaget, "sagde LLNL -fysikeren Nicholas Scielzo, hovedforsker for forskningsprojektet. "Sidste gang et tværsnit af denne størrelse blev opdaget, var da atomreaktorer første gang blev tændt i slutningen af ​​1940'erne."

Fundet er vigtigt, fordi det viser, hvor lidt der er kendt om, hvordan radioaktive isotoper interagerer med neutroner, samt konsekvenser for ⁸⁸Zr i nationale sikkerhedsmissioner.

"Neutronoptagelsesreaktioner er vigtige for en række forskellige applikationer og for, hvordan de tunge elementer blev bygget op, "Sagde Scielzo." F.eks. disse reaktioner påvirker reaktorens ydeevne ved at fjerne neutroner, der ellers kan forårsage nuklear fission, og de er ansvarlige for transmutation af nogle af de diagnostiske isotoper, der bruges til forvaltning af lagre. "

Neutronfangstværsnittene for de fleste radioaktive kerner er dårligt kendte, på trods af denne informations betydning for en række emner inden for både grundlæggende og anvendt atomvidenskab. At forstå elementernes oprindelse i kosmos er en af ​​de vigtigste overordnede udfordringer inden for atomvidenskab og kræver neutronopsamlingstværsnit for de mange radioaktive kerner, der produceres langs nukleosyntesebanerne. I det væsentlige blev alle grundstofferne, der var tungere end jern, skabt via successiv neutronopsamling i miljøer som gigantiske grenstjerner, kernekollaps-supernova og neutronstjernefusioner.

Atomreaktorer og våben har udnyttet neutroninducerede reaktioner til at udnytte enorme mængder energi, afhængig af detaljeret neutroninventar for forudsigelig ydeevne. I en atomreaktor, nuklider med store neutronfangstværsnit fungerer som en gift i brændstoffet og reducerer ydeevnen eller kan indføres med vilje for at kontrollere brændstofreaktiviteten.

Det videnskabsbaserede lagerforvaltningsprogram, som bruges til at opretholde stor tillid til sikkerheden, sikkerhed, pålidelighed og effektivitet af atomlageret i fravær af atomprøvning, er delvis afhængig af tværsnit for radioaktive isotoper til at fortolke arkivdata fra underjordiske test (UGT'er) af nukleare enheder. Transmutationen af ​​stabilt yttrium- og zirconiumdetektormateriale, der er indlæst i UGT'er, producerer radioaktive isotoper, såsom ⁸⁸Zr, der fungerede som vigtig diagnostik, der er følsom over for neutron- og ladede partikel-fluenser. Imidlertid, nukleare reaktionsnetværksberegninger, som modellerer produktionen og ødelæggelsen af ​​disse radioaktive isotoper, stole på tværsnit, for hvilke der er begrænsede eller ingen data, gør det udfordrende at fortolke de historiske data.

"Det, jeg synes er særligt spændende, er, at de to største termiske neutronopsamlingstværsnit er begge på radioaktive isotoper (xenon-135 er det største, ⁸⁸Zr er den næststørste) og ingen var forventet, så måske er der mange flere overraskelser, der skal opdages, når vi fortsætter med at undersøge radioaktive isotoper, "Scielzo sagde." Måske er det en antydning af, at disse reaktioner ikke vil være helt, hvad vi forventer, og dette ville have en stor indflydelse på vores forståelse af, hvordan grundstofferne fra jern til uran blev dannet i kosmos. "