中性子捕獲

中性子捕獲は、原子核と1つ以上の中性子が衝突して融合し、より重い原子核を形成する核反応です。 ^{[1]中性子は電荷を持っていない}ため、静電的に反発する正に帯電した陽子よりも簡単に原子核に入ることができます。^[1]

中性子捕獲は、宇宙における重元素の元素合成において重要な役割を果たしている。恒星では、急速過程（r過程）と低速過程（s過程）の2つの方法で進行する。^[1]質量が56を超える原子核は、発熱性熱核反応（核融合）では形成されないが、中性子捕獲では形成される。^[1] 陽子による中性子捕獲では、2.223 MeVに線が生じると予測されており^[2]、太陽フレアでは一般的に観測されている^[3]。

小さな中性子束での中性子捕獲

原子炉のように中性子束が小さい場合、1個の中性子が原子核に捕獲される。例えば、天然の金（¹⁹⁷ Au）に中性子（n）が照射されると、同位体 ¹⁹⁸ Au が高度に励起された状態で形成され、ガンマ線（𝛾）の放出によって¹⁹⁸ Au の基底状態に急速に崩壊する。この過程で、質量数は1増加する。これは、 $197$ $Au + n \to$ $198$ $Au + γ$ という形式、または短縮形で $197$ $Au(n,γ)$ $198$ $Auという式で表されます。$ 熱中性子が使用される場合、このプロセスは熱捕獲と呼ばれます。

同位体¹⁹⁸ Au はベータ線放射体であり、水銀同位体¹⁹⁸ Hg に崩壊します。この過程で、原子番号は1 つ増加します。

高中性子束における中性子捕獲

r 過程は、中性子束密度が非常に高く、中性子捕獲の間に原子核がベータ放出によって崩壊する時間がない場合に恒星内部で発生します。したがって、質量数は大幅に増加しますが、原子番号 (つまり、元素) は同じままです。中性子捕獲がこれ以上不可能になると、非常に不安定な原子核は多数の β ^{−崩壊によって、より高い番号の元素の}ベータ安定同位体に崩壊します。

断面を撮影

化学元素の同位体の中性子吸収断面積は、その同位体の原子が吸収に対して示す有効断面積であり、中性子捕獲の確率の尺度です。通常はバーンで測定されます。

吸収断面積は、多くの場合、中性子エネルギーに大きく依存します。一般に、吸収の可能性は、中性子が原子核の近くにある時間に比例します。原子核の近くで過ごす時間は、中性子と原子核の相対速度に反比例します。他のより具体的な問題により、この一般原則が修正されます。最も指定されている尺度のうちの 2 つは、熱中性子吸収の断面積と共鳴積分です。共鳴積分は、特定の核種に固有の特定の中性子エネルギー(通常は熱範囲を超えるが、中性子の減速により元の高エネルギーから中性子が減速するときに発生する) での吸収ピークの寄与を考慮します。

原子核の熱エネルギーも影響を及ぼします。温度が上昇すると、ドップラー広がりにより共鳴ピークを捉える可能性が高まります。特に、高温でウラン 238の中性子吸収能力が増加する (核分裂せずに吸収する) ことは、原子炉を制御するのに役立つ負のフィードバックメカニズムです。

熱化学的意義

中性子捕獲は化学元素の同位体の形成に関与しています。したがって、中性子捕獲のエネルギーは、同位体の標準生成エンタルピーに影響を与えます^{[説明が必要]}。

用途

中性子放射化分析は、物質の化学組成を遠隔的に検出するために使用できます。これは、異なる元素が中性子を吸収すると異なる特性放射線を放出するためです。このため、鉱物探査やセキュリティに関連する多くの分野で役立ちます。

中性子吸収体

工学上、最も重要な中性子吸収剤は¹⁰Bであり、原子炉制御棒の炭化ホウ素として、または加圧水型原子炉の冷却水添加剤としてのホウ酸として使用されます。原子炉で使用されるその他の中性子吸収剤には、キセノン、カドミウム、ハフニウム、ガドリニウム、コバルト、サマリウム、チタン、ジスプロシウム、エルビウム、ユーロピウム、モリブデン、イッテルビウムがあります。^[4]これらはすべて、さまざまな同位体の混合物として自然界に存在し、その一部は優れた中性子吸収剤です。これらは、ホウ化モリブデン、二ホウ化ハフニウム、二ホウ化チタン、チタン酸ジスプロシウム、チタン酸ガドリニウムなどの化合物に存在する場合があります。

ハフニウムは中性子を吸収しやすく、原子炉の制御棒に使用できる。しかし、ハフニウムはジルコニウムと同じ鉱石に含まれており、同じ外殻電子構成を共有しているため、化学的性質が似ている。両者の核特性は大きく異なり、ハフニウムはジルコニウムよりも600倍も中性子を吸収する。ジルコニウムは基本的に中性子を透過するため、燃料棒の金属被覆を含む原子炉内部部品に重宝されている。これらの元素をそれぞれの用途で使用するには、ジルコニウムを天然に共存するハフニウムから分離する必要がある。これはイオン交換樹脂を使用することで経済的に行うことができる。^[5]

参照

参考文献

^ abcd Ahmad, Ishfaq ; Hans Mes; Jacques Hebert (1966). 「理論物理学の進歩: 原子核の共鳴」.物理学研究所. 3 (3): 556–600.
^ モリソン、P. (1958). 「ガンマ線天文学について」Il Nuovo Cimento . 7 (6): 858–865. Bibcode :1958NCim....7..858M. doi :10.1007/BF02745590. S2CID 121118803.
^ Chupp, E.; et al. (1973). 「太陽ガンマ線および中性子観測」NASA特別出版. 342 : 285. Bibcode :1973NASSP.342..285C.
^ 即発ガンマ線中性子放射化分析。国際原子力機関
^ D. フランクリン、RB アダムソン (1984 年 1 月 1 日)。原子力産業におけるジルコニウム: 第 6 回国際シンポジウム。ASTM インターナショナル。pp. 26– 。ISBN 978-0-8031-0270-5. 2012年10月7日閲覧。

外部リンク

XSPlot オンライン中性子断面積プロッター
熱中性子捕獲データ
国際原子力機関における熱中性子断面積

[University_of_Ottawa_(Department_of_Physics)-1] Ahmad, Ishfaq ; Hans Mes; Jacques Hebert (1966). 「理論物理学の進歩: 原子核の共鳴」.物理学研究所. 3 (3): 556–600.

[2] モリソン、P. (1958). 「ガンマ線天文学について」Il Nuovo Cimento . 7 (6): 858–865. Bibcode :1958NCim....7..858M. doi :10.1007/BF02745590. S2CID 121118803.

[3] Chupp, E.; et al. (1973). 「太陽ガンマ線および中性子観測」NASA特別出版. 342 : 285. Bibcode :1973NASSP.342..285C.

[4] 即発ガンマ線中性子放射化分析。国際原子力機関

[5] D. フランクリン、RB アダムソン (1984 年 1 月 1 日)。原子力産業におけるジルコニウム: 第 6 回国際シンポジウム。ASTM インターナショナル。pp. 26– 。ISBN 978-0-8031-0270-5. 2012年10月7日閲覧。