A probabilidade de que um núcleo absorva um nêutron é importante para muitas áreas da ciência nuclear, incluindo a produção de elementos no cosmos, desempenho do reator, medicina nuclear e aplicações de defesa.

Uma nova pesquisa de uma equipe liderada por cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) revela que o isótopo radioativo zircônio-88 (⁸⁸Zr) é 100, 000 vezes mais probabilidade do que o esperado de absorver qualquer nêutron à temperatura ambiente ("térmico") que encontrar. A pesquisa aparece na edição de 7 de janeiro da revista. Natureza .

Zircônio-88 é um tipo particular, ou isótopo, de zircônio, distinguido pelo número de nêutrons que contém. O zircônio típico contém cerca de 50 nêutrons, mas ⁸⁸Zr, que é radioativo e não encontrado naturalmente na Terra, tem menos do que o normal, com 48 nêutrons.

Embora a absorção de nêutrons (conhecida como seção transversal de captura de nêutrons) tenha sido estudada em detalhes para muitos isótopos estáveis, não se sabe muito sobre esta propriedade para isótopos radioativos. A seção transversal de captura de nêutrons térmicos ⁸⁸Zr recém-descoberta é maior do que a de qualquer isótopo estável. Isso significa que quando o núcleo ⁸⁸Zr encontra um nêutron térmico, é muito provável que o capture e o incorpore como parte do núcleo. Nêutrons térmicos são encontrados em reatores nucleares, e qualquer outro nêutron (de uma reação nuclear ou decadência nuclear) que começa em alta energia, vai pular até atingir a temperatura ambiente.

"A grande surpresa aqui é que ⁸⁸Zr, um isótopo radioativo de zircônio com dois nêutrons a menos do que o isótopo de zircônio estável mais leve, tem uma seção transversal de captura de nêutrons térmicos que é muito maior do que o esperado e é de fato a segunda maior já descoberta, "disse o físico do LLNL Nicholas Scielzo, pesquisador principal do projeto de pesquisa. "A última vez que uma seção transversal dessa magnitude foi descoberta foi quando os reatores nucleares foram ligados pela primeira vez no final dos anos 1940."

A descoberta é significativa porque mostra o quão pouco se sabe sobre como os isótopos radioativos interagem com os nêutrons, bem como implicações para ⁸⁸Zr em missões de segurança nacional.

"As reações de captura de nêutrons são importantes para uma variedade de aplicações e para como os elementos pesados ​​foram construídos, "Disse Scielzo." Por exemplo, essas reações afetam o desempenho do reator, removendo nêutrons que poderiam causar a fissão nuclear, e eles são responsáveis ​​pela transmutação de alguns dos isótopos diagnósticos usados ​​no gerenciamento de estoques. "

As seções transversais de captura de nêutrons para a maioria dos núcleos radioativos são pouco conhecidas, apesar da importância dessas informações para uma variedade de tópicos, tanto na ciência nuclear fundamental quanto na aplicada. Compreender a origem dos elementos no cosmos é um dos desafios abrangentes mais importantes na ciência nuclear e requer seções transversais de captura de nêutrons para os muitos núcleos radioativos produzidos ao longo das vias de nucleossíntese. Essencialmente, todos os elementos mais pesados ​​do que o ferro foram criados por meio de sucessivas capturas de nêutrons em ambientes como estrelas galhos gigantes, supernova colapso do núcleo e fusões de estrelas de nêutrons.

Reatores nucleares e armas exploraram reações induzidas por nêutrons para aproveitar enormes quantidades de energia, contando com um inventário detalhado de nêutrons para um desempenho previsível. Em um reator nuclear, nuclídeos com grandes seções transversais de captura de nêutrons agem como um veneno no combustível e diminuem o desempenho ou podem ser introduzidos intencionalmente para controlar a reatividade do combustível.

O programa de gestão de estoque com base científica, que é usado para manter alta confiança na segurança, segurança, confiabilidade e eficácia do estoque nuclear na ausência de testes nucleares, depende em parte de seções transversais de isótopos radioativos para interpretar dados arquivados de testes subterrâneos (UGTs) de dispositivos nucleares. A transmutação de material detector de ítrio e zircônio estável carregado em UGTs produziu isótopos radioativos, como ⁸⁸Zr que serviu como importante diagnóstico sensível a fluências de nêutrons e partículas carregadas. Contudo, os cálculos da rede de reação nuclear, que modelam a produção e destruição desses isótopos radioativos, dependem de seções transversais para as quais há dados limitados ou nenhum dado, tornando difícil interpretar os dados históricos.

"O que acho especialmente intrigante é que as duas maiores seções transversais de captura de nêutrons térmicos estão ambas em isótopos radioativos (xenônio-135 é o maior, ⁸⁸Zr é o segundo maior) e nenhum dos dois era esperado, então, talvez haja muito mais surpresas a serem descobertas à medida que continuamos a investigar os isótopos radioativos, "Scielzo disse." Talvez esta seja uma indicação de que essas reações não serão exatamente o que esperamos e isso teria um grande impacto em nossa compreensão de como os elementos do ferro ao urânio foram formados no cosmos. "