Учебное пособие Алматы 2013 ббк удк номер
§5.2 Замедление и диффузия нейтронов
жүктеу/скачать 1,73 Mb.
|
treatise11751
| §5.2 Замедление и диффузия нейтронов
Из-за своей электрической нейтральности нейтрон практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек. Поэтому атомные характеристики среды не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе. Это чисто ядерный процесс. При столкновении с ядром нейтрон может а) поглотиться, б) рассеяться в) размножиться. Нейтрон может и распасться на p, e-и . Время жизни n, однако, немного > характерных времен протекания указанных выше процессов. Размножение нейтронов, конечно, может происходить только в веществах, содержащих делящиеся изотопы, такие как . Размножение нейтронов в макроскопических масштабах происходит только в ядерных реакторах. При переходе к макроскопическим масштабам отдельные акты поглощения, суммируясь, приведут к некоторому поглощению нейтронного потока, а суммарное действие большого числа актов рассеяния приведет к 2-м макроскопическим процессам – к замедлению нейтронов и к их диффузии. Захват нейтрона происходит обычно редко, и его столкновение с ядром чаще всего приводит к его рассеянию. Характер взаимодействия нейтронов с ядрами зависит от энергии нейтронов. Поэтому нейтроны разбивают на энергетические группы, отличающиеся своими особенностями взаимодействия: быстрые (0,1-10 МэВ), промежуточные (0,2-105 эВ) и тепловые (<0,2 эВ) нейтроны. Энергия теплового движения имеет ~kT. Если нейтрон замедлиться до этой энергии, то при столкновении с ядром он может с равной вероятностью как отдать, так и получить энергию. Другими словами, нейтроны с энергией kT находятся в тепловом равновесии со средой. При комнатной температуре n с энергией kT=0,025 эВ называются тепловыми. Скорость движения нейтронов при тепловой равновесии составляет 2200м/с. Разработка теории составного ядра позволила получить ряд результатов, имеющих практическое значение для расчета процессов, протекающих в ядерных реакторах. Во-первых, сечение поглощения нейтронов в тепловой области из меняется обратно пропорционально их скорости (1/V) и, во-вторых, в том случае, когда энергия промежуточного нейтрона совпадает с энергией возбуждения одного из уровней составного ядра, наблюдается резонансный захват нейтрона. Каждый резонанс характеризуется энергией, шириной и максимальным значением сечения захвата. Поперечное сечение σ, которое относиться к одному ядру, называется микроскопическим или ядерным сечением. Макроскопическое сечение Σ, имеющее размерность обратной длины, определяют как число взаимодействий нейтронов с ядрами за единичное время и в единичном объеме среды: , где – число ядер в единичном объеме. Макроскопическое сечение ядерных реакции Σ показывает также значение средней длины свободного пробега нейтрона до своего взаимодействия Как уже отмечалось, при столкновении нейтронов с ядрами наблюдается преимущественно процесс рассеяния. В каждом акте рассеяния ядро получает импульс отдачи, а энергия нейтрона при этом уменьшается. Процесс снижения средней кинетической энергии нейтронов при рассеянии называют замедлением. Замедление прекращается после достижения нейтронами области энергии теплового движения атомов среды. Рассеяние на ядрах может быть упругим или неупругим. Упругое рассеяние происходит с сохранением суммарной кинетической энергий нейтрона и ядра. В результате столкновения часть начальной энергии нейтрона Е0 передается ядру (с массовым числом А). доля энергии, которая передается ядру, зависит от А и от угла отклонения n от первоначального направления. В случае рассеяние n на ядре водорода (протон) средняя потеря энергии n после столкновения . Если n сталкивается с более тяжелым ядром, то средняя потеря уменьшается (при рассеянии на бесконечно тяжелых ядрах замедления вообще не будет). , где Например, если замедлителем является углерод , то , . Таким образом, в углероде энергия nв среднем будет уменьшаться вдвое лишь после 4-х столкновений. Отсюда видно, что замедление идет тем эффективнее, чем легче ядро замедлителя. Кроме того, от хорошего замедлителя требуется, чтобы он слабо поглощал нейтроны. Идеальным замедлителем является гелий, который вообще не поглощает нейтроны, так как не существует. Но гелий – газ переходящий в жидкость при сверхнизких температурах, труднодостижимых в реакторах и других нейтронных установках. Очень малы сечения поглощения n на дейтерий и кислороде. Поэтому прекрасным замедлителем является тяжелая вода . Приемлемым, но несколько худшим замедлителем является обычная вода, так как водород поглощает нейтроны заметно интенсивнее, чем дейтерий. Неплохими замедлителями являются также C, Be, . При неупругом рассеянии часть энергии нейтрона затрачивается на возбуждение ядра. Поскольку ядро может находиться только в одном из своих дискретных возбужденных состояниях, неупругое рассеяние оказывается возможным лишь при энергиях нейтронов, превышающих энергию 1-го уровня ядра. Для элементов с низким атомным номером 1-ый возбужденный уровень обычно на 1 МэВ (или более) выше основного состояния. Поэтому в случае легких элементов упругое рассеяние n с энергией < 1 МэВ более вероятно, чем неупругое рассеяние. С увеличением атомного номера минимальная энергия возбуждения ядра уменьшается до 0,1 МэВ, и n с большей энергией могут испытывать как упругое, так и неупругое рассеяние. При возвращении ядра из возбужденного состояния в основное испускаются γ-кванты, поэтому неупругое рассеяние всегда сопровождается γ-излучением. Таки образом, неупругое рассеяние характерно для взаимодействия нейтрона с тяжелыми ядрами, в то время как упругое рассеяние эффективно протекает на легких ядрах. Если среда состоит из легких и тяжелых ядер, свой вклад в процесс замедления вносят как упругое так и неупругое рассеяние. Сначала преобладает неупругое рассеяние быстрых нейтронов на тяжелых ядрах до уровня энергии 0,1-0,4 МэВ. Последующее образование тепловых нейтронов происходит при рассеянии на легких ядрах. В процессе замедления до тепловой области нейтрон испытывает достаточно большое число столкновений. Распределение нейтронов по энергиям при энергиях нейтронов > 1эВ имеет вид (спектр Ферми) Начиная с энергий 0,5-1 эВ распределение нейтронов начинает стремиться к равновесному, то есть к максвелловскому: Этот процесс называется термализацией нейтронов. Практически тепловое равновесие полностью установиться не успевает, так как тепловые нейтроны сильно поглощаются и в среде все время существует заметное количество замедляющихся нейтронов, порождаемых источником. Приближенно можно считать, что при равновесии между рождением и поглощением нейтронов в среде их энергетический спектр описывается максвеллевским распределением только в области тепловых энергий, а выше имеют форму, соответствующую повышенной концентрации нейтронов высокой энергии. Нейтроны после своего замедления до тепловой области относительно длительное время хаотическим образом перемещаются в среде, обмениваясь кинетической энергией при столкновении с окружающими ядрами. Такое движение нейтронов в среде, когда их энергия в среднем остается постоянной, называется диффузией. Диффузионное движение теплового нейтрона продолжается до тех пор, пока не произойдет его поглощение. В процессе диффузии тепловой нейтрон смещается от места своего рождения до места поглощения в среднем на расстояние . Величину называют длиной диффузии тепловых нейтронов. Длина диффузии имеет примерно тот же порядок, что и длина замедления . Среднее расстояние, на которое смещается n от места своего рождения (быстрым) до место своего поглощения (тепловым) характеризуют длиной миграции M: . жүктеу/скачать 1,73 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|