La probabilità che un nucleo assorba un neutrone è importante per molte aree della scienza nucleare, compresa la produzione di elementi nel cosmo, prestazioni del reattore, medicina nucleare e applicazioni per la difesa.

Una nuova ricerca di un team guidato dagli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) rivela che l'isotopo radioattivo zirconio-88 (⁸⁸Zr) è 100, 000 volte più probabilità del previsto di assorbire qualsiasi neutrone ("termico") a temperatura ambiente che incontra. La ricerca appare nell'edizione del 7 gennaio della rivista Natura .

Lo zirconio-88 è un tipo particolare, o isotopo, di zirconio, distinto dal numero di neutroni che contiene. Lo zirconio tipico contiene circa 50 neutroni, ma ⁸⁸Zr, che è radioattivo e non si trova naturalmente sulla Terra, ha meno del normale, con 48 neutroni.

Mentre l'assorbimento dei neutroni (noto come sezione d'urto di cattura dei neutroni) è stato studiato in dettaglio per molti isotopi stabili, non si sa molto su questa proprietà per gli isotopi radioattivi. La sezione d'urto di cattura dei neutroni termici ⁸⁸Zr recentemente scoperta è più grande di quella di qualsiasi isotopo stabile. Ciò significa che quando il nucleo ⁸⁸Zr incontra un neutrone termico, è molto probabile che lo catturi e lo incorpori come parte del nucleo. I neutroni termici si trovano nei reattori nucleari, e qualsiasi altro neutrone (da una reazione nucleare o decadimento nucleare) che inizia ad alta energia, rimbalzerà fino a raggiungere la temperatura ambiente.

"La grande sorpresa qui è che ⁸⁸Zr, un isotopo radioattivo dello zirconio con due neutroni in meno rispetto all'isotopo stabile più leggero dello zirconio, ha una sezione d'urto di cattura di neutroni termici molto più grande del previsto ed è infatti la seconda più grande mai scoperta, " ha detto il fisico LLNL Nicholas Scielzo, ricercatore principale per il progetto di ricerca. "L'ultima volta che è stata scoperta una sezione trasversale di questa grandezza è stato quando i reattori nucleari sono stati accesi per la prima volta alla fine degli anni '40".

La scoperta è significativa perché mostra quanto poco si sappia su come gli isotopi radioattivi interagiscono con i neutroni, così come le implicazioni per ⁸⁸Zr nelle missioni di sicurezza nazionale.

"Le reazioni di cattura dei neutroni sono importanti per una varietà di applicazioni e per come sono stati costruiti gli elementi pesanti, — disse Scielzo. — Per esempio, queste reazioni influiscono sulle prestazioni del reattore rimuovendo i neutroni che potrebbero altrimenti causare la fissione nucleare, e sono responsabili della trasmutazione di alcuni degli isotopi diagnostici utilizzati nella gestione delle scorte".

Le sezioni d'urto di cattura dei neutroni per la maggior parte dei nuclei radioattivi sono poco conosciute, nonostante l'importanza di queste informazioni per una serie di argomenti sia nella scienza nucleare fondamentale che applicata. Comprendere l'origine degli elementi nel cosmo è una delle sfide più importanti nella scienza nucleare e richiede sezioni d'urto di cattura dei neutroni per i molti nuclei radioattivi prodotti lungo le vie della nucleosintesi. Essenzialmente tutti gli elementi più pesanti del ferro sono stati creati tramite successive catture di neutroni in ambienti come stelle ramificate giganti, supernova con collasso del nucleo e fusioni di stelle di neutroni.

I reattori nucleari e le armi hanno sfruttato le reazioni indotte dai neutroni per sfruttare enormi quantità di energia, basandosi su un inventario dettagliato dei neutroni per prestazioni prevedibili. In un reattore nucleare, i nuclidi con grandi sezioni d'urto di cattura dei neutroni agiscono come un veleno nel carburante e diminuiscono le prestazioni o possono essere introdotti intenzionalmente per controllare la reattività del carburante.

Il programma di gestione delle scorte basato sulla scienza, che viene utilizzato per mantenere alta la fiducia nella sicurezza, sicurezza, affidabilità ed efficacia delle scorte nucleari in assenza di test nucleari, si basa in parte su sezioni d'urto per isotopi radioattivi per interpretare i dati d'archivio dei test sotterranei (UGT) di dispositivi nucleari. La trasmutazione del materiale rivelatore di ittrio e zirconio stabile caricato in UGT ha prodotto isotopi radioattivi, come ⁸⁸Zr che serviva come importante diagnostica sensibile alle fluenze di neutroni e particelle cariche. Però, i calcoli della rete di reazione nucleare, che modellano la produzione e la distruzione di questi isotopi radioattivi, fare affidamento su sezioni trasversali per le quali i dati sono limitati o assenti, rendendo difficile interpretare i dati storici.

"Ciò che trovo particolarmente interessante è che le due più grandi sezioni d'urto di cattura dei neutroni termici sono entrambe su isotopi radioattivi (lo xeno-135 è il più grande, ⁸⁸Zr è il secondo più grande) e nessuno dei due era previsto, quindi forse ci sono molte altre sorprese da scoprire mentre continuiamo a indagare sugli isotopi radioattivi, "Scielzo ha detto. "Forse questo è un suggerimento che queste reazioni non saranno proprio quelle che ci aspettiamo e questo avrebbe un grande impatto sulla nostra comprensione di come si sono formati gli elementi dal ferro all'uranio nel cosmo".