Замедление нейтронов в средах

Рассеяние нейтронов ядрами. Рассеянием называется процесс, при котором нейтрон сталкивается с ядром и отскакивает в сторону, передав ядру часть своей энергии. Все виды рассеяния нейтронов делятся на две группы – упругое и неупругое рассеяние.

При упругом рассеянии суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра сохраняется: Е₀ =Е + Е_я.о., где Е₀ и Е – энергии нейтрона до и после столкновения, Е_я.о. – энергия ядра отдачи. При этом максимальная энергия передается ядру при «лобовом» ударе, когда нейтрон отскакивает назад с энергией , а ядро отдачи улетает вперед с энергией , где А – массовое число ядра, с которым столкнулся нейтрон. Наибольшую энергию нейтрон теряет при столкновении с протоном (А = 1): в этом случае Е = 0, т.е. нейтрон останавливается, а протон, получив всю его энергию, улетает вперед. Нечто похожее можно наблюдать при столкновении шаров при игре в бильярд. При не лобовом ударе нейтрон теряет лишь часть своей энергии, но всё равно, чем меньше масса ядра, тем большую долю энергии теряет нейтрон при рассеянии, а при столкновении с очень тяжелым ядром (А >>1) Е ≈ Е₀, т.е. нейтрон отскакивает от ядра, как от стенки, почти не потеряв энергии.

При неупругом рассеянии часть энергии нейтрона расходуется на возбуждение одного из уровней ядра, поэтому кинетическая энергия частиц не сохраняется, и нейтрон теряет значительно большую долю энергии, чем при упругом столкновении. Рассмотрим в качестве примера столкновение нейтрона с энергией 1 МэВ с ядром железа-56. Если рассеяние будет упругим, то даже при лобовом столкновении, когда потеря энергии максимальна, энергия нейтрона после столкновения будет равна 0,93 МэВ, т.е. он потеряет всего 7 % энергии, тогда как при неупругом рассеянии с возбуждением первого уровня ядра железа с энергией возбуждения 0,83 МэВ энергия нейтрона после столкновения окажется равной всего лишь 0,17 МэВ, т.е. он потеряет 83 % энергии. Очевидно, что неупругое рассеяние может происходить лишь при энергиях нейтронов выше первого возбужденного уровня ядер среды. При энергии нейтронов ниже этого уровня, нейтроны могут испытывать только упругое рассеяние. Как отмечалось выше, переход ядер из возбужденных состояний в основные происходит путем испускания гамма-квантов, поэтому неупругое рассеяние нейтронов всегда сопровождается гамма-излучением.

Неупругое рассеяние в реакторе играет огромную роль поскольку топливная загрузка в нем состоит, в основном из ядер ²³⁸U, которые имеют сильные уровни неупругого рассеяния начиная с энергии 46 кэВ и выше.

Замедление нейтронов. При различных ядерных реакциях, в том числе и при делении ядер, возникают быстрые нейтроны с энергиями, как правило, от сотен кэВ до нескольких МэВ. Но для ядерных реакторов, работающих на тепловых нейтронах, энергии нейтронов должны быть меньше 1 эВ. Для получения нейтронов со столь малыми энергиями, первичные быстрые нейтроны приходится замедлять. С этой целью источники быстрых нейтронов, в том числе и блочки из делящихся материалов, помещают в среды из легких материалов, таких, как обычная вода, тяжелая вода, бериллий или углерод (графит). Такие вещества называются замедлителями. Сталкиваясь с ядрами замедлителя, нейтроны рассеиваются на них и передают им при этом часть своей энергии. Поэтому от столкновения к столкновению энергия нейтрона постепенно снижается, пока нейтрон не достигнет тепловой области. Этот процесс постепенного снижения энергии нейтронов в результате многократных столкновений с ядрами замедлителя и называется процессом замедления нейтронов. Количественно процесс замедления нейтронов характеризуется т.н. длиной замедления L_s, которая равняется среднему расстоянию от точки рождения нейтрона до точки, в которой он становится тепловым. Значения L_s для различных замедлителей приведены в табл.1.8.

Для реакторной технологии важно, что при замедлении в чистом замедлителе формируется т.н. спектр Ферми Ф_ф(Е) @ Const/E, такую же асимптотическую форму он имеет и в реакторе в присутствии поглощающих (топливных и других) материалов. При этом поглощение во всей области замедления (от 1эВ до примерно 0.5 МэВ) определяется т.н. резонансным интегралом поглощения на этом спектре:

I_a^U= ò s_a^U(E)*dE/E

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: