3.4 Coefficienti di interazione per i neutron
3.4.1 Generalità sulle sorgenti di neutron
Le sezioni d’urto di interazione dei neutroni e il tipo di reazioni che essi inducono in un materiale hanno in generale un andamento molto variabile con l’energia. È utile perciò distinguere e classificare i neutroni in base alla loro energia. La classificazione più comune include tre categorie:
• Neutroni freddi o sub-termici: sono i neutroni con energia inferiore a 10⁻² eV. Essi sono prodotti e utilizzati essenzialmente per studi di struttura dei materiali (come nelle analisi mediante diffrazione neutronica).
• Neutroni termici: sono i neutroni che hanno un’energia dipendente dalla temperatura all’interno del mezzo dove essi si propagano. A 20 °C il valore più probabile dell’energia dei neutroni termici (il cui spettro di energia è di tipo maxwelliano) è pari a 0,025 eV. Per convenzione il limite superiore di energia dei neutroni termici è posto a 0,5 eV. Il limite dei 0,5 eV corrisponde alla cosiddetta energia di taglio del cadmio (cadmium cut-off). A energie superiori a 0,5 eV il cadmio ha una sezione d’urto di cattura neutronica rapidamente decrescente. Quindi un filtro di cadmio di adeguato spessore assorbe praticamente tutti i neutroni con energie inferiori al “cadmium cut- off” mentre fa passare quelli di maggiore energia.
• Neutroni veloci: sono i neutroni con energie superiori a 10 keV. Gli intervalli di energia utilizzati per questa classificazione sono solo orientativi e i loro limiti vanno intesi con elasticità. Essi si basano sul fatto che le sezioni d’urto di interazione in funzione dell’energia dei neutroni su svariati materiali bersaglio, hanno un andamento che può differire sensibilmente quando ci si riferisce a uno o all’altro degli intervalli di energia.
Le modalità di produzione di neutroni sono molteplici e riguardano principalmente tre tipi di sorgente:
• i reattori nucleari,
• gli acceleratori di particelle, • le sorgenti radioattive.
I reattori nucleari sono le sorgenti a più elevata densità di flusso di neutroni. Nei reattori a fissione possono essere prodotti fino a 10¹⁶ neutroni cm⁻² s⁻¹. Lo spettro di energia e i valori del flusso di neutroni sono fortemente dipendenti da diversi fattori, quali il tipo e la dimensione del reattore e il punto dove si intende caratterizzare il campo neutronico. Gli eventi di fissione che hanno luogo nel nocciolo di un reattore nucleare a fissione danno origine a neutroni veloci, oltre che ai frammenti di fissione e a radiazione gamma. La frazione di neutroni
emessi nel processo di fissione, con energia compresa fra E ed E+dE è data da P
E dE dove P
E è una funzione di distribuzione di tipo maxwelliano (distribuzione di Watt) data da:
E Ce sinh bE
12P a
E
(3.77)
dove C è una costante di normalizzazione tale che l’integrale di P
E dE sull’intervallo di energia sia uguale a 1, a (MeV) e b (MeV⁻¹) sono parametri il cui valore dipende dal tipo di radionuclide in cui avviene il processo di fissione. L’energia massima dei neutroni prodotti in un reattore nucleare è di circa 18 MeV. In un reattore nucleare sono presenti anche neutroni termici derivanti dalla moderazione dei neutroni di fissione in materiali come l’acqua o la grafite.I neutroni prodotti dagli acceleratori hanno intensità più basse rispetto a quelle dei reattori nucleari. Essi sono ottenuti bombardando appropriati nuclei bersaglio con particelle incidenti di sufficiente energia. Tipicamente si accelerano deutoni (D) contro targhette di deuterio (D) o di trizio (T) per ottenere, rispettivamente, le seguenti reazioni:
n H He H 3 2 2 1 2 1 o 21H31H42Hen
Nella prima reazione, del tipo
D,D
, si producono neutroni con energia variabile fino a circa 3,3 MeV a seconda dell’angolo di emissione del neutrone rispetto alla direzione iniziale dei deutoni incidenti. Nella seconda reazione, del tipo
D,T
, i neutroni prodotti hanno un’energia variabile, a seconda dell’angolo di emissione, fino a un massimo di circa 17,6 MeV. In entrambe le reazioni i neutroni con la massima energia sono quelli emessi a 0°, nella stessa direzione delle particelle incidenti. I neutroni derivanti da sorgenti radioattive sono prodotti in modo diretto o indiretto dalla sorgente. Le sorgenti costituite dal radioisotopo252Cf, che decade per fissione spontanea, emettono direttamente
neutroni con uno spettro simile a quello descritto dalla (3.77) e con un’energia media di circa 2,2 MeV. La produzione di neutroni mediante sorgenti radioattive può essere anche ottenuta in modo indiretto a partire da sorgenti di lunga vita media come l’isotopo 241Am, che emette
radiazione alfa. Le particelle alfa emesse dal radionuclide incidono poi su un opportuno materiale bersaglio in cui ha luogo una reazione che produce neutroni. Una sorgente neutronica fra le più frequentemente utilizzate è costituita da una miscela granulare molto compatta di 241Am
e di 9Be realizzata in modo che gli atomi di berillio siano molto vicini agli
atomi di americio per poterne meglio intercettare le particelle alfa emesse. Ha quindi luogo la reazione di tipo
α,n :MeV 5,708 C Be 12 6 9 4 n α
in cui i neutroni emessi hanno uno spettro di energia continuo con un massimo fino a circa 10 MeV e un’energia media di circa 5 MeV. La quantità di neutroni prodotta con sorgenti basate su reazioni