De waarschijnlijkheid dat een kern een neutron zal absorberen is belangrijk voor veel gebieden van de nucleaire wetenschap, inclusief de productie van elementen in de kosmos, reactorprestaties, nucleaire geneeskunde en defensietoepassingen.

Nieuw onderzoek van een team onder leiding van wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) onthult dat de radioactieve isotoop zirkonium-88 (⁸⁸Zr) 100, 000 keer meer kans dan verwacht om elk neutron bij kamertemperatuur ("thermisch") dat het tegenkomt te absorberen. Het onderzoek verschijnt in de 7 januari-editie van het tijdschrift Natuur .

Zirkonium-88 is een bepaald type, of isotoop, van zirkonium, onderscheiden door het aantal neutronen dat het bevat. Typisch zirkonium bevat ongeveer 50 neutronen, maar ⁸⁸Zr, die radioactief is en van nature niet op aarde voorkomt, heeft minder dan normaal, met 48 neutronen.

Hoewel neutronenabsorptie (bekend als een neutronenvangstdwarsdoorsnede) in detail is bestudeerd voor veel stabiele isotopen, over deze eigenschap voor radioactieve isotopen is niet veel bekend. De nieuw ontdekte doorsnede van de thermische neutronenvangst van ⁸⁸Zr is groter dan die van welke stabiele isotoop dan ook. Dit betekent dat wanneer de ⁸⁸Zr-kern een thermisch neutron tegenkomt, het is zeer waarschijnlijk dat het het zal vangen en opnemen als onderdeel van de kern. Thermische neutronen worden gevonden in kernreactoren, en elk ander neutron (van een nucleaire reactie of nucleair verval) dat begint met hoge energie, zal rondspringen totdat het op kamertemperatuur is.

"De grote verrassing hier is dat ⁸⁸Zr, een radioactieve isotoop van zirkonium met twee neutronen minder dan de lichtste stabiele zirkoniumisotoop, heeft een dwarsdoorsnede voor het opvangen van thermische neutronen die zoveel groter is dan verwacht en in feite de op één na grootste is die ooit is ontdekt, " zei LLNL-natuurkundige Nicholas Scielzo, hoofdonderzoeker van het onderzoeksproject. "De laatste keer dat een dwarsdoorsnede van deze omvang werd ontdekt, was toen kernreactoren eind jaren veertig voor het eerst werden ingeschakeld."

De bevinding is belangrijk omdat het laat zien hoe weinig bekend is over hoe radioactieve isotopen interageren met neutronen, evenals implicaties voor ⁸⁸Zr in nationale veiligheidsmissies.

"Neutronenvangreacties zijn belangrijk voor een verscheidenheid aan toepassingen en voor hoe de zware elementen werden opgebouwd, " zei Scielzo. "Bijvoorbeeld, deze reacties beïnvloeden de prestaties van de reactor door neutronen weg te nemen die anders kernsplijting zouden kunnen veroorzaken, en ze zijn verantwoordelijk voor de transmutatie van enkele van de diagnostische isotopen die worden gebruikt bij het beheer van de voorraad."

De doorsneden van de opname van neutronen voor de meeste radioactieve kernen zijn slecht bekend, ondanks het belang van deze informatie voor een reeks onderwerpen in zowel de fundamentele als de toegepaste nucleaire wetenschap. Het begrijpen van de oorsprong van de elementen in de kosmos is een van de belangrijkste overkoepelende uitdagingen in de nucleaire wetenschap en vereist neutronenvangstdwarsdoorsneden voor de vele radioactieve kernen die langs de nucleosyntheseroutes worden geproduceerd. In wezen zijn alle elementen die zwaarder zijn dan ijzer gecreëerd via opeenvolgende neutronenvangst in omgevingen zoals gigantische taksterren, kern-instorting supernova en neutronenster fusies.

Kernreactoren en wapens hebben door neutronen geïnduceerde reacties uitgebuit om enorme hoeveelheden energie te benutten, vertrouwen op gedetailleerde neutroneninventaris voor voorspelbare prestaties. In een kernreactor nucliden met grote neutronenvangstdwarsdoorsneden werken als een gif in de brandstof en verminderen de prestaties of kunnen opzettelijk worden geïntroduceerd om de brandstofreactiviteit te beheersen.

Het op wetenschap gebaseerde programma voor voorraadbeheer, die wordt gebruikt om een ​​hoog vertrouwen in de veiligheid te behouden, veiligheid, betrouwbaarheid en effectiviteit van de nucleaire voorraad bij afwezigheid van kernproeven, vertrouwt gedeeltelijk op dwarsdoorsneden voor radioactieve isotopen om archiefgegevens van ondergrondse tests (UGT's) van nucleaire apparaten te interpreteren. De transmutatie van stabiel yttrium- en zirkoniumdetectormateriaal geladen in UGT's produceerde radioactieve isotopen, zoals ⁸⁸Zr dat diende als belangrijke diagnostische gegevens die gevoelig zijn voor invloeden van neutronen en geladen deeltjes. Echter, de berekeningen van het kernreactienetwerk, die de productie en vernietiging van deze radioactieve isotopen modelleren, afgaan op doorsneden waarvoor er beperkte of geen gegevens zijn, waardoor het een uitdaging is om de historische gegevens te interpreteren.

"Wat ik vooral intrigerend vind, is dat de twee grootste dwarsdoorsneden voor het opvangen van thermische neutronen zich beide op radioactieve isotopen bevinden (xenon-135 is de grootste, ⁸⁸Zr is de op één na grootste) en geen van beide werd verwacht, dus misschien zijn er nog veel meer verrassingen te ontdekken als we doorgaan met het onderzoeken van radioactieve isotopen, "Zei Scielzo. "Misschien is dit een hint dat deze reacties niet helemaal zullen zijn wat we verwachten en dit zou een grote impact hebben op ons begrip van hoe de elementen van ijzer tot uranium in de kosmos werden gevormd."