Neutrony emitowane podczas rozszczepień mają energie rzędu kilku megaelektronowoltów i określane są jako neutrony prędkie (rysunek 1). W wyniku zderzeń z jądrami ośrodka, głównie moderatora, w widmie neutronów pojawia się obszar neutronów epitermicznych o charakterystycznej zależności od energii typu 1/E. Po osiągnięciu energii rzędu kilkunastu meV ustala się stan równowagi termodynamicznej między energiami neutronów a energiami drgań termicznych ośrodka. Stąd nazwa: neutrony termiczne. W tym obszarze widmo energetyczne neutronów charakteryzuje się rozkładem Maxwella. Ze względu na wykorzystanie do badań fizycznych w obszarze niskich energii wydzielone są jeszcze obszary neutronów zimnych i ultrazimnych.

Neutrony ze wszystkich zakresów energii znajdują swoje zastosowanie. Neutrony prędkie w tzw. reakcjach progowych, czyli reakcjach jądrowych, które zachodzą z udziałem neutronów o pewnej minimalnej energii progowej. W obszarze energii neutronów powyżej

0.1 eV zachodzą reakcje rezonansowe, których przekroje czynne mają charakterystyczny, rezonansowy charakter. Neutrony termiczne są najczęściej wykorzystywane w reakcjach wychwytu radiacyjnego; przekroje czynne tych reakcji mają najczęściej charakterystyczny przebieg typu 1/v.

Długości fali de Broglie’a neutronów termicznych są porównywalne z odległościami międzyatomowymi w ciele stałym i stąd powszechne wykorzystanie tych neutronów do badań w zakresie fizyki materii skondensowanej.

Do wytwarzania izotopów promieniotwórczych w reaktorze MARIA wykorzystuje się kilkadziesiąt tzw. kanałów izotopowych, charakteryzujących się różnymi natężeniami i widmami energetycznymi neutronów. Materiały tarczowe, z których powstają radioizotopy, są na ogół napromieniane w zasobnikach aluminiowych.

Ze względu na uzyskiwane rocznie aktywności, listę radioizotopów wytwarzanych w reaktorze MARIA otwierają: ¹³¹I, ³⁵S, ³²P, ¹⁵³Sm, ¹⁶⁹Yb, ⁶⁰Co i ¹⁷⁷Lu. Większość z radioizotopów, pochodzących z reaktora MARIA to izotopy stosowane w medycynie nuklearnej.

Produkcję radioizotopów, wyrażoną w liczbie zasobników z materiałami tarczowymi napromienionych w kolejnych latach pracy reaktora MARIA pokazano na rysunku.

Szczególnie ważnym radioizotopem, stosowanym w 80% procedur z zakresu medycyny nuklearnej, jest technet-99m. Izotop ten jest produktem rozpadu ⁹⁹Mo (rozpad ten następuje w tzw. generatorach technetowych). Molibden-99 może być wytwarzany w procesie aktywacji naturalnego izotopu ⁹⁸Mo, lecz najbardziej wydajnym źródłem ⁹⁹Mo jest proces rozszczepienia uranu-235.

W reaktorze MARIA tarcze uranowe do produkcji ⁹⁹Mo są napromieniane w specjalnie do tego celu zaadaptowanych kanałach paliwowych. Dzięki wydajnemu układowi chłodzenia, jakim jest obieg chłodzenia kanałów paliwowych, w płytkach uranowych można uzyskać wysokie gęstości rozszczepień i tym samym wysokie aktywności ⁹⁹Mo. Czas trwania napromieniania płytek wynosi ok. 140 godzin, co pozwala na uzyskanie na zakończenie aktywacji 7500 Ci ⁹⁹Mo z 40 gramów uranu-235. Po napromienieniu i kilkunastogodzinnym okresie schładzania, wysokoaktywne płytki uranowe są przewożone do zakładu przerobu (Petten, Holandia), w którym wydobywany jest izotop ⁹⁹Mo.

Z napromienionych w MARII tarcz uranowych otrzymywane jest ok 10% światowego zapotrzebowania na ten izotop, w rekordowym roku 2014, kiedy konieczne było zastąpienie czasowo wyłączonych z powodu remontu innych reaktorów, było to aż 20%.

Oddziaływanie neutronów z materią prowadzi nie tylko do powstawania izotopów promieniotwórczych, lecz często do zmian własności materiałów. Tak dzieje się np. w przypadku napromieniania neutronami prędkimi niektórych nadprzewodników wysokotemperaturowych, gdzie w wyniku takiego napromieniania obserwuje się znaczne zwiększenie prądów krytycznych.

Innym przykładem zmiany własności materiałów jest barwienie minerałów topazu. Minerały topazu, występujące w przyrodzie są bezbarwne. Napromienianie takich minerałów neutronami prędkich powoduje zmianę ich zabarwienia na niebieski. W reaktorze MARIA barwienie minerałów topazu przeprowadza się w specjalnie przystosowanych kanałach izotopowych, w reflektorze grafitowym. W instalacjach tych zastosowano ekranowanie neutronów termicznych w celu zminimalizowania niepożądanej aktywacji minerałów.

Neutrony reaktorowe są również wykorzystywane w procesie neutronowego domieszkowania krzemu (NTD). Podstawą fizyczną tego procesu jest reakcja ³⁰Si (n,) ³¹Si ³¹P. Powstający w jej wyniku stabilny izotop fosforu stanowi domieszkę typu n w krzemie. O własnościach półprzewodnikowych krzemu (oporności właściwej) decyduje poziom domieszkowania fosforem czyli koncentracja ³¹P. Ta z kolei zależy od fluencji (dawki) neutronów termicznych, którą otrzymał krzem w reaktorze.

Kluczowym parametrem jakościowym technologii NTD jest jednorodność pola neutronowego w krzemie, ponieważ tylko wówczas można uzyskać jednorodny poziom domieszkowania, przewyższający klasyczne metody domieszkowania. W reaktorze MARIA próbki krzemu o znacznych wymiarach (walce o wysokości 50 cm i średnicy do 6) są napromieniane w specjalnie przystosowanym kanale. Na rysunku pokazano schematycznie obszar napromieniania krzemu w instalacji krzemowej oraz sposób zapewnienia osiowej i promieniowej jednorodności dawki neutronów. Oprócz ciągłej rotacji próbki podczas napromieniania (jednorodność promieniowa) w połowie cyklu napromieniania walec krzemowy jest odwracany góra-dół (jednorodność osiowa).

(materiał historyczny; obecnie trwa modernizacja hali eksperymentalnej, w której zostanie zamontowana nowa aparatura badawcza)

Z reaktora MARIA są wyprowadzone wiązki neutronów, wykorzystywane w większości do badań materii skondensowanej. Pięć spośród 6-ciu aktualnie dostępnych kanałów poziomych wyposażonych jest w urządzenia, wykorzystujące efekty rozpraszania fal neutronów (dyfraktometry, spektrometry trójosiowe). Fizyczne podstawy rozpraszania neutronów na strukturach krystalicznych ilustruje schemat na rysunku 1.

Dyfraktometr ultraniskokątowego rozpraszania umożliwia między innymi badania rozmiarów domen magnetycznych w materiałach amorficznych, nanokrystalicznych i polikrystalicznych, a także wpływ czynników zewnętrznych, takich jak temperatura, naprężenia mechaniczne i pole magnetyczne na rozmiary tych domen. Dyfraktometr niskokątowego rozpraszania neutronów jest przeznaczony do badania drobnych (1 nm 30 nm) niejednorodności występujących w materiałach, natomiast dyfraktometr o dużej zdolności rozdzielczej służy między innymi do badań jakości monokryształów metali. Dyfraktometr przeznaczony do badań uporządkowań atomowych i magnetycznych może być wykorzystany jako dyfraktometr spolaryzowanych neutronów.

Trójosiowe spektrometry neutronów termicznych służą głównie do badania kolektywnych ruchów atomów (fononów) i momentów magnetycznych (magnonów) metodą nieelastycznego (spójnego) rozpraszania neutronów. Stosowane są również do badania elektronowych poziomów energetycznych w jonach tworzących ciało stałe metodą nieelastycznego (niespójnego) rozpraszania neutronów.

Przy jednym z kanałów poziomych (H8) zainstalowane jest stanowisko radiografii neutronowej i gamma. Radiografia jest metodą otrzymywania obrazów wnętrz obiektów nieprzezroczystych dla światła widzialnego. Przedmiot, który całkowicie pochłania promieniowanie świetlne, może być prawie przezroczysty dla innych rodzajów promieniowania, takiego jak promieniowanie rentgenowskie, gamma czy neutronowe. Gdy rejestracja obrazu pozwala na obserwację ruchu badanego obiektu mówi się o radiografii dynamicznej. W znajdującym się przy reaktorze MARIA stanowisku dynamicznej radiografii neutronowej i gamma wykorzystywane jest wytwarzane w reaktorze promieniowanie neutronowe i gamma. Szczególnie dużo informacji otrzymuje się dzięki zastosowaniu neutronów. Obecnie zastosowania radiografii neutronowej koncentrują się na badaniu obiektów statycznych (wewnętrzna struktura urządzeń technicznych, wykrywanie defektów i niejednorodności materiałów) oraz na badaniu procesów, takich jak: migracja wody w materiałach porowatych, transport cieczy w złożach filtracyjnych, rozwój systemu korzeniowego roślin, transport ropy naftowej w złożach geologicznych itp.

Wiązka neutronów z kanału poziomego może być również wykorzystana do badania malowideł techniką autoradiografii neutronowej. Technikę taką zastosowano w reaktorze MARIA do badania obrazów mistrzów malarstwa weneckiego XIV – XVIII wieku ze zbiorów Muzeum Narodowego w Warszawie, prezentowanych w ramach wystawy „Serenissima – światło Wenecji” w 2000 roku.

Technika autoradiografii polega na napromienieniu malowideł neutronami termicznymi i wywołaniu reakcji wychwytu radiacyjnego w niektórych izotopach, wchodzących w skład warstw malarskich, np. ³¹P (n, γ) ³²P. Po zakończeniu procesu napromieniania neutronami następuje rozpad (na ogół rozpad beta) powstałych izotopów promieniotwórczych, np. ³²P→³²S. Jeśli w tym czasie obraz pokryty jest kliszą rentgenowską β^-, emitowane cząstki powodują zaczernienie kliszy. Wzór powstały na kliszy odzwierciedla rozkład izotopu – emitera cząstek beta w warstwie malarskiej. Dotyczy to nie tylko powierzchni obrazu lecz również głębszych struktur warstwy malarskiej. Obraz zaczernienia kliszy jest charakterystyczny dla użytego pigmentu i pozwala na analizę głębszych warstw malarskich. Na rys. NCBJ-4.6 pokazano schematycznie technikę autoradiografii malowideł.

Spektakularnym przykładem zastosowania tej techniki jest autoradiografia obrazu „Portret weneckiego admirała” pędzla Jacopo Tintoretto. Na rysunku 2. pokazano oryginał oraz jeden z autoradiogramów, wskazujący na istnienie innego portretu pod właściwym obrazem.