Sannolikheten för att en kärna kommer att absorbera en neutron är viktig för många områden inom kärnvetenskap, inklusive produktion av element i kosmos, reaktorprestanda, kärnmedicin och försvarsapplikationer.

Ny forskning från ett team som leds av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) avslöjar att den radioaktiva isotopen zirkonium-88 (⁸⁸Zr) är 100, 000 gånger mer sannolikt än förväntat att absorbera någon rumstemperatur ("termisk") neutron som den stöter på. Forskningen visas i tidningen 7 januari Natur .

Zirkonium-88 är en särskild typ, eller isotop, av zirkonium, kännetecknas av antalet neutroner den innehåller. Typiskt zirkonium innehåller cirka 50 neutroner, men ⁸⁸Zr, som är radioaktivt och inte finns naturligt på jorden, har färre än normalt, med 48 neutroner.

Medan neutronabsorption (känd som ett neutronfångstvärsnitt) har studerats i detalj för många stabila isotoper, inte mycket är känt om denna egenskap för radioaktiva isotoper. Det nyupptäckta ⁸⁸Zr termiska neutronfångstvärsnittet är större än för någon stabil isotop. Detta betyder att när ⁸⁸Zr -kärnan stöter på en termisk neutron, det är mycket troligt att fånga det och införliva det som en del av kärnan. Termiska neutroner finns i kärnreaktorer, och alla andra neutroner (från en kärnreaktion eller kärnkraftsförfall) som börjar med hög energi, kommer att studsa runt tills den når rumstemperatur.

"Den stora överraskningen här är att ⁸⁸Zr, en radioaktiv isotop av zirkonium med två neutroner färre än den lättaste stabila zirkoniumisotopen, har ett termiskt neutronupptagningstvärsnitt som är så mycket större än förväntat och faktiskt är det näst största som någonsin upptäckts, "sa LLNL -fysikern Nicholas Scielzo, huvudutredare för forskningsprojektet. "Förra gången ett tvärsnitt av denna storlek upptäcktes var när kärnreaktorer först slogs på i slutet av 1940 -talet."

Fyndet är viktigt eftersom det visar hur lite som är känt om hur radioaktiva isotoper interagerar med neutroner, liksom konsekvenser för ⁸⁸Zr i nationella säkerhetsuppdrag.

"Neutroninsamlingsreaktioner är viktiga för en mängd olika applikationer och för hur de tunga elementen byggdes upp, "Sa Scielzo." Till exempel, dessa reaktioner påverkar reaktorns prestanda genom att ta bort neutroner som annars kan orsaka kärnklyvning, och de är ansvariga för transmutation av några av de diagnostiska isotoper som används vid lagringsförvaltning. "

Neutronfångstvärsnittet för de flesta radioaktiva kärnor är dåligt kända, trots betydelsen av denna information för en rad ämnen inom både grundläggande och tillämpad kärnteknik. Att förstå grundämnenas ursprung i kosmos är en av de viktigaste övergripande utmaningarna inom kärnvetenskap och kräver neutronfångstvärsnitt för de många radioaktiva kärnorna som produceras längs nukleosyntesvägarna. I huvudsak skapades alla element som är tyngre än järn via successiv neutronfångning i miljöer som jätte grenstjärnor, kärnkollaps supernova och neutronstjärna fusioner.

Kärnreaktorer och vapen har utnyttjat neutroninducerade reaktioner för att utnyttja enorma mängder energi, förlitar sig på detaljerad neutroninventering för förutsägbar prestanda. I en kärnreaktor, nuklider med stora neutronfångstvärsnitt fungerar som ett gift i bränslet och försämrar prestandan eller kan avsiktligt införas för att kontrollera bränslens reaktivitet.

Det vetenskapsbaserade lagringsförvaltningsprogrammet, som används för att upprätthålla ett stort förtroende för säkerheten, säkerhet, tillförlitlighet och effektivitet hos kärnenergilagret i avsaknad av kärnkraftsprov, bygger delvis på tvärsnitt för radioaktiva isotoper för att tolka arkivdata från underjordiska tester (UGT) av kärnkraftsanordningar. Transmutationen av stabilt yttrium- och zirkoniumdetektormaterial laddat i UGT producerar radioaktiva isotoper, såsom ⁸⁸Zr som fungerade som viktig diagnostik som är känslig för neutron- och laddade partikel fluenser. Dock, kärnreaktionsnätverkets beräkningar, som modellerar produktionen och förstörelsen av dessa radioaktiva isotoper, lita på tvärsnitt för vilka det finns begränsade eller inga data, vilket gör det utmanande att tolka historiska data.

"Vad jag tycker är särskilt spännande är att de två största termiska neutronfångstvärsnittet båda är på radioaktiva isotoper (xenon-135 är det största, ⁸⁸Zr är den näst största) och ingen förväntades, så kanske det finns många fler överraskningar att upptäcka när vi fortsätter att undersöka radioaktiva isotoper, "Sa Scielzo." Kanske är detta en antydan om att dessa reaktioner inte kommer att bli riktigt vad vi förväntar oss och detta skulle ha stor inverkan på vår förståelse av hur grundämnena från järn till uran bildades i kosmos. "