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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 ]中性子は電荷を持たないため、正に帯電した陽子よりも容易に原子核に入り込むことができます。陽子は静電気的に反発されます。[ 1 ]
中性子捕獲は、宇宙における重元素の核合成において重要な役割を果たします。恒星では、高速プロセス（rプロセス）または低速プロセス（sプロセス）の2つの方法で進行します。[ 1 ]質量が56を超える原子核は、発熱性の熱核反応（すなわち核融合）では形成されませんが、中性子捕獲によって形成されます。[ 1 ]陽子による中性子捕獲は、太陽フレアで予測され[ 2 ]、一般的に観測されている[ 3 ] 2.223 MeVの線を生じます。
原子炉のように中性子束が小さい場合、原子核は1個の中性子を捕獲します。例えば、天然の金（197 Au）に中性子（n）を照射すると、高励起状態の同位体198 Auが生成され、ガンマ線（γ ）を放出してすぐに198 Auの基底状態に崩壊します。この過程で質量数は1増加します。これは、 197 Au + n → 198 Au + γという式で表され、略記すると197 Au(n,γ) 198 Auとなります。熱中性子を用いる場合、この過程は熱捕獲と呼ばれます。
r過程は、中性子束密度が非常に高く、原子核が中性子捕獲の合間にベータ崩壊を起こす時間がない場合に、恒星内部で発生します。そのため、質量数は大幅に増加しますが、原子番号（すなわち元素名）は変わりません。それ以上の中性子捕獲が不可能になると、非常に不安定な原子核は多数のβ⁻崩壊を経て、より番号の大きい元素のベータ安定同位体へと崩壊します。
ある化学元素の同位体の吸収中性子断面積とは、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、中性子捕獲の確率を表す指標である。通常、単位はバーン（barn）で表される。
吸収断面積は、中性子のエネルギーに大きく依存することが多い。一般に、吸収の可能性は、中性子が原子核の近傍にいる時間に比例する。原子核の近傍にいる時間は、中性子と原子核の相対速度に反比例する。その他のより具体的な問題によって、この一般的な原理は修正される。最も具体的な尺度の 2 つは、熱中性子吸収断面積と共鳴積分である。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における吸収ピークの寄与を考慮するもので、通常は熱中性子領域よりも高いが、中性子減速によって中性子が元の高エネルギーから減速される際に生じる。
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って共鳴ピークを捉える可能性が高まります。特に、ウラン238が高温で中性子を吸収する能力（しかも核分裂を起こさずに吸収する能力）が高まることは、原子炉の制御を維持するのに役立つ負のフィードバック機構です。
中性子捕獲は、化学元素の同位体形成に関与する。したがって、中性子捕獲エネルギーは、同位体の標準生成エンタルピーに影響を与える。
中性子放射化分析は、物質の化学組成を遠隔で検出するために利用できます。これは、異なる元素が中性子を吸収する際に放出する特性放射線が異なるためです。このため、鉱物探査やセキュリティなど、多くの分野で有用です。
工学において最も重要な中性子吸収体は10 Bであり、原子炉制御棒では炭化ホウ素として、加圧水型原子炉では冷却水添加剤としてホウ酸として使用される。原子炉で使用されるその他の中性子吸収体は、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、イッテルビウムである。[ 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、その中には優れた中性子吸収体となるものもある。これらは、モリブデンホウ化物、ハフニウムジボリド、チタンジボリド、ジスプロシウムチタン酸塩、ガドリニウムチタン酸塩などの化合物中に存在することがある。
ハフニウムは中性子を強く吸収するため、原子炉の制御棒に使用できます。しかし、ハフニウムはジルコニウムと同じ鉱石中に存在し、ジルコニウムは同じ外殻電子配置を持つため、化学的性質が似ています。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倍も中性子を吸収します。ジルコニウムは中性子に対してほぼ透明なので、燃料棒の金属被覆材を含む原子炉内部部品に重宝されています。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ります。これはイオン交換樹脂を用いることで経済的に実現できます。[ 5 ]