Температура нейтронов

Кинетическая энергия несвязанного нейтрона

Температура обнаружения нейтронов , также называемая энергией нейтронов , указывает на кинетическую энергию свободных нейтронов , обычно выраженную в электрон-вольтах . Термин « температура» используется, поскольку горячие, тепловые и холодные нейтроны замедляются в среде с определенной температурой. Затем распределение энергии нейтронов адаптируется к распределению Максвелла, известному для теплового движения. Качественно, чем выше температура, тем выше кинетическая энергия свободных нейтронов. Импульс и длина волны нейтрона связаны соотношением де Бройля . Большая длина волны медленных нейтронов обеспечивает большое поперечное сечение. ^[1]

Диапазоны распределения энергии нейтронов

Названия диапазонов энергий нейтронов ^[2]^[3]
Энергия нейтронов	Диапазон энергий
0,0 – 0,025 эВ	Холодные (медленные) нейтроны
0,025 эВ	Тепловые нейтроны (при 20°C)
0,025–0,4 эВ	Эпитепловые нейтроны
0,4–0,5 эВ	Нейтроны кадмия
0,5–10 эВ	Эпикадмиевые нейтроны
10–300 эВ	Резонансные нейтроны
300 эВ–1 МэВ	Промежуточные нейтроны
1–20 МэВ	Быстрые нейтроны
> 20 МэВ	Сверхбыстрые нейтроны

Но в других источниках наблюдаются разные диапазоны с разными названиями. ^[4]

Ниже приводится подробная классификация:

Термальный

Тепловой нейтрон — это свободный нейтрон с кинетической энергией около 0,025 эВ (около 4,0×10−21 ^Дж или 2,4 МДж/кг, отсюда скорость 2,19 км/с), что является энергией, соответствующей наиболее вероятной скорости при температуре 290 К (17 °C или 62 °F), моде распределения Максвелла –Больцмана для этой температуры, E _пик = k T.

После ряда столкновений с ядрами ( рассеяние ) в среде ( замедлителе нейтронов ) при этой температуре те нейтроны , которые не поглощаются, достигают примерно этого уровня энергии.

Тепловые нейтроны имеют другое и иногда гораздо большее эффективное сечение поглощения нейтронов для данного нуклида , чем быстрые нейтроны, и поэтому часто могут легче поглощаться атомным ядром , создавая в результате более тяжелый, часто нестабильный изотоп химического элемента . Это событие называется активацией нейтронов .

Эпитермальный

^{[ необходим пример ]}

Нейтроны с энергией больше тепловой
Более 0,025 эВ

Кадмий

^{[ необходим пример ]}

Нейтроны, которые сильно поглощаются кадмием
Менее 0,5 эВ.

Эпикадмий

^{[ необходим пример ]}

Нейтроны, которые не сильно поглощаются кадмием
Более 0,5 эВ.

Холодные (медленные) нейтроны

^{[ необходим пример ]}

Нейтроны с более низкой (гораздо более низкой) энергией, чем тепловые нейтроны.
Менее 5 мэВ.

Холодные (медленные) нейтроны подразделяются на холодные (CN), очень холодные (VCN) и ультрахолодные (UCN), каждый из которых имеет особые характеристики с точки зрения их оптического взаимодействия с веществом. По мере того, как длина волны становится (выбирается) больше, становятся доступными более низкие значения обмена импульсом. Поэтому можно изучать более крупные масштабы и более медленную динамику. Гравитация также играет очень важную роль в случае UCN. Тем не менее, UCN отражаются под всеми углами падения. Это происходит потому, что их импульс сопоставим с оптическим потенциалом материалов. Этот эффект используется для их хранения в бутылках и изучения их фундаментальных свойств ^[5]^[6], например, времени жизни, электрического дипольного момента нейтрона и т. д. Основными ограничениями использования медленных нейтронов являются низкий поток и отсутствие эффективных оптических устройств (в случае CN и VCN). Эффективные нейтронные оптические компоненты разрабатываются и оптимизируются для устранения этого недостатка. ^[7]

Резонанс

^{[ необходим пример ]}

Относится к нейтронам, которые сильно подвержены нереакционному захвату ураном-238 .
от 1 эВ до 300 эВ

Средний

^{[ необходим пример ]}

Нейтроны, находящиеся между медленными и быстрыми
От нескольких сотен эВ до 0,5 МэВ.

Быстрый

Быстрый нейтрон — это свободный нейтрон с кинетической энергией, близкой к 1 М эВ (100 Т Дж / кг ), отсюда скорость 14 000 км/ с или выше. Их называют быстрыми нейтронами , чтобы отличать их от тепловых нейтронов с более низкой энергией и нейтронов с высокой энергией, образующихся в космических ливнях или ускорителях.

Быстрые нейтроны образуются в результате ядерных процессов:

Ядерное деление производит нейтроны со средней энергией 2 МэВ (200 ТДж/кг, т.е. 20 000 км/с), что квалифицируется как «быстрое». Однако диапазон нейтронов от деления следует распределению Максвелла-Больцмана от 0 до примерно 14 МэВ в центре импульса распада, а мода энергии составляет всего 0,75 МэВ, что означает, что менее половины нейтронов деления квалифицируются как «быстрые» даже по критерию 1 МэВ. ^[8]
Спонтанное деление — это способ радиоактивного распада некоторых тяжелых нуклидов. Примерами служат плутоний-240 и калифорний-252 .
Ядерный синтез : синтез дейтерия и трития производит нейтроны с энергией 14,1 МэВ (1400 ТДж/кг, т.е. 52 000 км/с, 17,3% от скорости света ), которые могут легко расщеплять уран-238 и другие неделящиеся актиниды .
Нейтронная эмиссия происходит в ситуациях, когда ядро содержит достаточно избыточных нейтронов, так что энергия разделения одного или нескольких нейтронов становится отрицательной (т.е. избыточные нейтроны « вытекают » из ядра). Нестабильные ядра такого рода часто распадаются менее чем за одну секунду.

Быстрые нейтроны обычно нежелательны в стационарном ядерном реакторе, поскольку большая часть делящегося топлива имеет более высокую скорость реакции с тепловыми нейтронами. Быстрые нейтроны могут быстро превращаться в тепловые нейтроны с помощью процесса, называемого замедлением. Это происходит посредством многочисленных столкновений с (в общем) более медленно движущимися и, следовательно, более низкотемпературными частицами, такими как атомные ядра и другие нейтроны. Эти столкновения, как правило, ускоряют другую частицу и замедляют нейтрон и рассеивают его. В идеале для этого процесса используется замедлитель нейтронов комнатной температуры. В реакторах для замедления нейтронов обычно используются тяжелая вода , легкая вода или графит .

См. пояснение в подписи. Более легкие благородные газы (изображены гелий и неон) имеют гораздо более высокий пик плотности вероятности на низких скоростях, чем более тяжелые благородные газы, но имеют плотность вероятности 0 на самых высоких скоростях. Более тяжелые благородные газы (изображены аргон и ксенон) имеют более низкие пики плотности вероятности, но имеют ненулевые плотности в гораздо больших диапазонах скоростей. — Диаграмма, отображающая функции плотности вероятности скорости для нескольких благородных газов при температуре 298,15 К (25 °C). Объяснение метки вертикальной оси приведено на странице изображения (нажмите, чтобы увидеть). Аналогичные распределения скоростей получены для нейтронов при замедлении .

Сверхбыстрый

^{[ необходим пример ]}

Релятивистский
Более 20 МэВ

Другие классификации

Куча

Нейтроны всех энергий, присутствующие в ядерных реакторах
От 0,001 эВ до 15 МэВ.

Ультрахолодный

Нейтроны с достаточно низкой энергией, чтобы отражаться и улавливаться
Верхняя граница 335 нэВ

Сравнение реактора на быстрых нейтронах и реактора на тепловых нейтронах

Большинство реакторов деления являются реакторами на тепловых нейтронах , которые используют замедлитель нейтронов для замедления (« термализации ») нейтронов, образующихся при ядерном делении . Замедление существенно увеличивает сечение деления для делящихся ядер, таких как уран-235 или плутоний-239 . Кроме того, уран-238 имеет гораздо меньшее сечение захвата для тепловых нейтронов, что позволяет большему количеству нейтронов вызывать деление делящихся ядер и распространять цепную реакцию, а не захватываться ^238U . Сочетание этих эффектов позволяет реакторам на легкой воде использовать низкообогащенный уран . Реакторы на тяжелой воде и реакторы с графитовым замедлителем могут даже использовать природный уран, поскольку эти замедлители имеют гораздо меньшее сечение захвата нейтронов , чем легкая вода. ^[9]

Повышение температуры топлива также увеличивает поглощение тепловых нейтронов урана-238 за счет доплеровского расширения , обеспечивая отрицательную обратную связь для управления реактором. Когда теплоноситель представляет собой жидкость, которая также способствует замедлению и поглощению (легкая вода или тяжелая вода), кипение теплоносителя снизит плотность замедлителя, что может обеспечить положительную или отрицательную обратную связь (положительный или отрицательный коэффициент пустотности ), в зависимости от того, является ли реактор недозамедленным или перезамедленным.

Нейтроны промежуточной энергии имеют худшие коэффициенты деления/захвата, чем быстрые или тепловые нейтроны для большинства видов топлива. Исключением является уран-233 ториевого цикла , который имеет хороший коэффициент деления/захвата при всех энергиях нейтронов.

Реакторы на быстрых нейтронах используют незамедлительные быстрые нейтроны для поддержания реакции и требуют, чтобы топливо содержало более высокую концентрацию делящегося материала по сравнению с воспроизводящим материалом (ураном-238). Однако быстрые нейтроны имеют лучшее отношение деления/захвата для многих нуклидов, и каждое быстрое деление высвобождает большее количество нейтронов, поэтому быстрый реактор-размножитель может потенциально «размножать» больше делящегося топлива, чем потребляет.

Управление быстрым реактором не может зависеть исключительно от доплеровского расширения или отрицательного коэффициента пустотности замедлителя. Однако тепловое расширение самого топлива может обеспечить быструю отрицательную обратную связь. Долгое время ожидавшаяся, что это будет волна будущего, разработка быстрых реакторов почти замерла, и за десятилетия после аварии на Чернобыльской АЭС было построено всего несколько реакторов из-за низких цен на рынке урана , хотя сейчас наблюдается возрождение, и несколько азиатских стран планируют завершить более крупные прототипы быстрых реакторов в ближайшие несколько лет. ^{[ когда? ]}

Смотрите также

Ссылки

^ де Бройль, Луи. «О теории квантов» (PDF) . aflb.ensmp.fr . Получено 2 февраля 2019 г. .
^ Каррон, Нью-Джерси (2007). Введение в прохождение энергичных частиц через вещество . стр. 308. Bibcode :2007ipep.book.....C.
^ "Neutron Energy". www.nuclear-power.net . Получено 27 января 2019 г. .
^ H. Tomita, C. Shoda, J. Kawarabayashi, T. Matsumoto, J. Hori, S. Uno, M. Shoji, T. Uchida, N. Fukumotoa и T. Iguchia, Разработка камеры для эпитепловых нейтронов на основе изображений с резонансной энергией и GEM , 2012, цитата: «Эпитепловые нейтроны имеют энергию от 1 эВ до 10 кэВ и меньшие ядерные сечения, чем тепловые нейтроны».
^ "Введение", Ультрахолодные нейтроны , WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–9, 2019-09-23, doi :10.1142/9789811212710_0001, ISBN 978-981-12-1270-3, S2CID 243745548 , получено 2022-11-11
^ Йенке, Тобиас; Босина, Иоахим; Мико, Якоб; Питшманн, Марио; Седмик, Рене; Абеле, Хартмут (2021-06-01). «Гравитационная резонансная спектроскопия и симметронные поля темной энергии». The European Physical Journal Special Topics . 230 (4): 1131–1136. arXiv : 2012.07472 . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN 1951-6401. S2CID 229156429.
^ Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi; Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (2022-05-24). «Композитные решетки на основе наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов». В McLeod, Robert R; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T; Pascual Villalobos, Inmaculada (ред.). Photosensitive Materials and their Applications II . Vol. 12151. SPIE. pp. 70–76. Bibcode : 2022SPIE12151E..09H. doi : 10.1117/12.2623661. ISBN 9781510651784. S2CID 249056691.
^ Бирн, Дж. Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5 (pbk.) стр. 259.
^ Некоторые сведения о физике урана. Доступ 7 марта 2009 г.

Внешние ссылки

Язык ядра

[debroglie-1] де Бройль, Луи. «О теории квантов» (PDF) . aflb.ensmp.fr . Получено 2 февраля 2019 г. .

[2] Каррон, Нью-Джерси (2007). Введение в прохождение энергичных частиц через вещество . стр. 308. Bibcode :2007ipep.book.....C.

[neutronenergy-3] "Neutron Energy". www.nuclear-power.net . Получено 27 января 2019 г. .

[4] H. Tomita, C. Shoda, J. Kawarabayashi, T. Matsumoto, J. Hori, S. Uno, M. Shoji, T. Uchida, N. Fukumotoa и T. Iguchia, Разработка камеры для эпитепловых нейтронов на основе изображений с резонансной энергией и GEM , 2012, цитата: «Эпитепловые нейтроны имеют энергию от 1 эВ до 10 кэВ и меньшие ядерные сечения, чем тепловые нейтроны».

[5] "Введение", Ультрахолодные нейтроны , WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–9, 2019-09-23, doi :10.1142/9789811212710_0001, ISBN 978-981-12-1270-3, S2CID 243745548 , получено 2022-11-11

[6] Йенке, Тобиас; Босина, Иоахим; Мико, Якоб; Питшманн, Марио; Седмик, Рене; Абеле, Хартмут (2021-06-01). «Гравитационная резонансная спектроскопия и симметронные поля темной энергии». The European Physical Journal Special Topics . 230 (4): 1131–1136. arXiv : 2012.07472 . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN 1951-6401. S2CID 229156429.

[7] Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi; Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (2022-05-24). «Композитные решетки на основе наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов». В McLeod, Robert R; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T; Pascual Villalobos, Inmaculada (ред.). Photosensitive Materials and their Applications II . Vol. 12151. SPIE. pp. 70–76. Bibcode : 2022SPIE12151E..09H. doi : 10.1117/12.2623661. ISBN 9781510651784. S2CID 249056691.

[8] Бирн, Дж. Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5 (pbk.) стр. 259.

[9] Некоторые сведения о физике урана. Доступ 7 марта 2009 г.