В ядерной инженерии запаздывающий нейтрон — это нейтрон , испускаемый после ядерного деления одним из продуктов деления (или фактически дочерним продуктом деления после бета-распада) в любое время от нескольких миллисекунд до нескольких минут после деления. Нейтроны, рождённые в течение 10 −14 секунд деления, называются «мгновенными нейтронами».
В ядерном реакторе крупные нуклиды делятся на два богатых нейтронами продукта деления (т. е. нестабильные нуклиды ) и свободные нейтроны (мгновенные нейтроны). Многие из этих продуктов деления затем подвергаются радиоактивному распаду (обычно бета-распаду), и полученные нуклиды нестабильны по отношению к бета-распаду . Небольшая их часть достаточно возбуждена, чтобы иметь возможность бета-распадаться, испуская запаздывающий нейтрон в дополнение к бета-распаду. Момент бета-распада нуклидов-предшественников, которые являются предшественниками запаздывающих нейтронов, происходит на порядки позже по сравнению с испусканием мгновенных нейтронов . Поэтому нейтрон, который возникает в результате распада предшественника, называется запаздывающим нейтроном. «Задержка» в испускании нейтронов происходит из-за задержки бета-распада (который медленнее, поскольку контролируется слабым взаимодействием ), поскольку испускание нейтронов, как и гамма-испускание, контролируется сильным ядерным взаимодействием и, таким образом, происходит либо при делении, либо почти одновременно с бета-распадом, сразу после него. Различные периоды полураспада этих распадов, которые в конечном итоге приводят к испусканию нейтронов, являются, таким образом, периодами полураспада бета-распада радионуклидов-предшественников.
Запаздывающие нейтроны играют важную роль в управлении ядерными реакторами и анализе безопасности.
Запаздывающие нейтроны связаны с бета-распадом продуктов деления. После мгновенного испускания нейтронов деления остаточные фрагменты все еще богаты нейтронами и подвергаются цепочке бета-распада. Чем больше фрагмент богат нейтронами, тем энергичнее и быстрее происходит бета-распад. В некоторых случаях доступная энергия в бета-распаде достаточно высока, чтобы оставить остаточное ядро в таком высоковозбужденном состоянии, что вместо гамма-излучения происходит испускание нейтронов .
Используя U-235 в качестве примера, это ядро поглощает тепловые нейтроны , и непосредственными массовыми продуктами события деления являются два больших фрагмента деления, которые являются остатками сформированного ядра U-236. Эти фрагменты испускают, в среднем, два или три свободных нейтрона (в среднем 2,47), называемых "мгновенными" нейтронами . Последующий фрагмент деления иногда претерпевает стадию радиоактивного распада (который является бета-минус-распадом ), которая дает новое ядро (ядро-эмиттер) в возбужденном состоянии, которое испускает дополнительный нейтрон, называемый "задержанным" нейтроном, чтобы перейти в основное состояние. Эти испускающие нейтроны фрагменты деления называются атомами-предшественниками запаздывающих нейтронов.
Данные по запаздывающим нейтронам для теплового деления в U-235 [1] [2]
Если ядерный реактор окажется мгновенно критическим – даже очень немного – число нейтронов будет экспоненциально увеличиваться с высокой скоростью, и очень быстро реактор станет неуправляемым с помощью внешних механизмов. Контроль за ростом мощности тогда будет предоставлен его внутренним физическим факторам устойчивости, таким как тепловое расширение активной зоны или повышенное резонансное поглощение нейтронов, которые обычно имеют тенденцию снижать реактивность реактора при повышении температуры; но реактор будет подвергаться риску повреждения или разрушения под воздействием тепла.
Однако благодаря запаздывающим нейтронам можно оставить реактор в подкритическом состоянии, если речь идет только о мгновенных нейтронах: запаздывающие нейтроны появляются на мгновение позже, как раз вовремя, чтобы поддержать цепную реакцию, когда она собирается затухнуть. В этом режиме общее производство нейтронов все еще растет экспоненциально, но в масштабе времени, который регулируется запаздывающим производством нейтронов, которое достаточно медленно, чтобы его можно было контролировать (так же, как в противном случае нестабильный велосипед можно сбалансировать, потому что человеческие рефлексы достаточно быстры в масштабе времени его нестабильности). Таким образом, расширяя границы неработоспособности и сверхкритичности и предоставляя больше времени для регулирования реактора, запаздывающие нейтроны имеют важное значение для внутренней безопасности реактора , даже в реакторах, требующих активного контроля.
Более низкий процент [3] запаздывающих нейтронов затрудняет использование больших количеств плутония в ядерных реакторах.
Доля выхода прекурсора β определяется как:
и он равен 0,0064 для U-235.
Фракция запаздывающих нейтронов (ФЗН) определяется как:
Эти два фактора, β и DNF , почти одно и то же, но не совсем; они различаются в случае быстрого (быстрее времени распада атомов-предшественников) изменения числа нейтронов в реакторе.
Другая концепция — эффективная доля запаздывающих нейтронов β eff , которая представляет собой долю запаздывающих нейтронов, взвешенную (по пространству, энергии и углу) на присоединенном потоке нейтронов. Эта концепция возникает из-за того, что запаздывающие нейтроны испускаются с энергетическим спектром, более термализованным по сравнению с мгновенными нейтронами. Для низкообогащенного уранового топлива, работающего на спектре тепловых нейтронов, разница между средней и эффективной долей запаздывающих нейтронов может достигать 50 pcm . [4]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )