Нейтронная температура

Кинетическая энергия несвязанного нейтрона

Температура обнаружения нейтрона , также называемая энергией нейтрона , указывает на кинетическую энергию свободного нейтрона , обычно выражаемую в электрон-вольтах . Термин температура используется потому, что горячие, тепловые и холодные нейтроны замедляются в среде с определенной температурой. Распределение энергии нейтронов затем 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 . Длинная длина волны медленных нейтронов обеспечивает большое поперечное сечение. ^[1]

Диапазоны распределения энергии нейтронов

Но в других источниках наблюдаются другие 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, следовательно, скорость 2,19 км/с), что является энергией, соответствующей наиболее вероятной скорости при температура 290 К (17 °С или 62 °F), режим распределения Максвелла –Больцмана для этой температуры, E _пик = k T.

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

Тепловые нейтроны имеют другое, а иногда и 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 нейтронной активацией .

Эпитермальный

^{[ нужен пример ]}

• Нейтроны с энергией большей, чем тепловая
• Более 0,025 эВ

Кадмий

^{[ нужен пример ]}

• Нейтроны, сильно поглощаемые кадмием
• Менее 0,5 эВ.

Эпикадмий

^{[ нужен пример ]}

• Нейтроны, не сильно поглощаемые кадмием
• Более 0,5 эВ.

Холодные (медленные) нейтроны

^{[ нужен пример ]}

• Нейтроны меньшей (намного меньшей) энергии, чем тепловые нейтроны.
• Менее 5 мэВ.

Холодные (медленные) нейтроны подразделяются на холодные (CN), очень холодные (VCN) и ультрахолодные (UCN) нейтроны, каждый из которых имеет особые характеристики с точки зрения оптического взаимодействия с веществом. Поскольку длина волны становится (выбирается) длиннее, становятся доступными меньшие значения обмена импульсом. Следовательно, можно изучать более крупные масштабы и более медленную динамику. Гравитация также играет очень важную роль в случае УХН. Тем не менее, УХН отражаются под всеми углами падения. Это связано с тем, что их импульс сравним с оптическим потенциалом материалов. Этот эффект используется для хранения их в бутылях и изучения их фундаментальных свойств ^{[5] [6]} , например времени жизни, электродипольного момента нейтрона и т. д. Основными ограничениями использования медленных нейтронов являются низкий поток и отсутствие эффективных оптические устройства (в случае CN и VCN). Для устранения этого недостатка разрабатываются и оптимизируются эффективные нейтронно-оптические компоненты. ^[7]

Резонанс

^{[ нужен пример ]}

• Относится к нейтронам, которые очень чувствительны к захвату U-238 без деления .
• от 1 до 300 эВ

Средний

^{[ нужен пример ]}

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

Быстрый

Быстрый нейтрон — это свободный нейтрон с уровнем кинетической энергии, близким к 1  Мэв эВ ( 100  ТДж / кг ), отсюда и скорость 14 000 км/ с и выше. Их называют быстрыми нейтронами , чтобы отличить их от тепловых нейтронов более низкой энергии и нейтронов высокой энергии, образующихся в космических ливнях или ускорителях.

Быстрые нейтроны производятся в результате ядерных процессов:

• В результате ядерного деления образуются нейтроны со средней энергией 2 МэВ (200 ТДж/кг, т.е. 20 000 км/с), что квалифицируется как «быстрое». Однако диапазон нейтронов деления соответствует распределению Максвелла-Больцмана от 0 до примерно 14 МэВ в центре импульсной системы распада, а мода энергии составляет всего 0,75 МэВ, а это означает, что менее половины нейтронов деления квалифицируются как «быстрый» даже по критерию 1 МэВ. ^[8]
• Спонтанное деление — это способ радиоактивного распада некоторых тяжелых нуклидов. Примеры включают 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% скорости света ), которые могут легко расщеплять уран-238 и другие неделящиеся актиниды .
• Эмиссия нейтронов происходит в ситуациях, когда ядро ​​содержит достаточное количество избыточных нейтронов, так что энергия разделения одного или нескольких нейтронов становится отрицательной (т. е. лишние нейтроны « капают » из ядра). Нестабильные ядра такого типа 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 посредством процесса, называемого замедлением. Это делается посредством многочисленных столкновений с (в целом) более медленно движущимися и, следовательно, более низкотемпературными частицами, такими как атомные ядра и другие нейтроны. Эти столкновения обычно ускоряют другую частицу, замедляют нейтрон и рассеивают его. В идеале для этого процесса используется замедлитель нейтронов комнатной температуры . В реакторах для замедления нейтронов обычно используется тяжелая вода , легкая вода или графит .

Диаграмма, показывающая функции плотности вероятности скорости некоторых благородных газов при температуре 298,15 К (25 °С). На странице изображения появится пояснение к метке вертикальной оси (щелкните, чтобы увидеть). Аналогичные распределения скоростей получаются для нейтронов при замедлении .

Сверхбыстрый

^{[ нужен пример ]}

• релятивистский
• Более 20 МэВ

Другие классификации

Куча

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

Ультрахолодный

• Нейтроны с достаточно низкой энергией, чтобы отразиться и захватиться.
• Верхняя граница 335 нэВ

Сравнение реактора на быстрых нейтронах и реактора на тепловых нейтронах

Большинство реакторов деления представляют собой реакторы на тепловых нейтронах , в которых используется замедлитель нейтронов для замедления (« термализации ») нейтронов, образующихся в результате ядерного деления . Замедление существенно увеличивает сечение деления делящихся ядер , таких как уран-235 или плутоний-239 . Кроме того, уран-238 имеет гораздо меньшее сечение захвата тепловых нейтронов, что позволяет большему количеству нейтронов вызывать деление делящихся ядер и распространять цепную реакцию, вместо того, чтобы захватываться ²³⁸ U. Сочетание этих эффектов позволяет легководным реакторам использовать низкообогащенный уран . Тяжеловодные реакторы и реакторы с графитовым замедлителем могут даже использовать природный уран, поскольку эти замедлители имеют гораздо более низкие сечения захвата нейтронов , чем легкая вода. ^[9]

Увеличение температуры топлива также увеличивает поглощение тепловых нейтронов урана-238 за счет доплеровского уширения , обеспечивая отрицательную обратную связь , помогающую управлять реактором. Когда теплоносителем является жидкость, которая также способствует замедлению и поглощению (легкая вода или тяжелая вода), кипение теплоносителя уменьшит плотность замедлителя, что может обеспечить положительную или отрицательную обратную связь (положительный или отрицательный коэффициент пустотности ), в зависимости от того, Реактор недостаточно или перезамедлен.

Нейтроны промежуточных энергий имеют худшие коэффициенты деления/захвата, чем быстрые или тепловые нейтроны для большинства видов топлива. Исключением является уран-233 ториевого цикла , который имеет хорошее соотношение 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 соотношение деления/захвата для многих нуклидов, и каждое быстрое деление выделяет большее количество нейтронов, поэтому быстрый реактор-размножитель потенциально может «выводить» больше делящегося топлива, чем потребляет.

Управление быстрым реактором не может зависеть исключительно от доплеровского уширения или отрицательного коэффициента пустотности замедлителя. Однако тепловое расширение самого топлива может привести к быстрой отрицательной обратной связи. Разработка быстрых реакторов, которую много лет назад ожидали стать волной будущего, практически бездействовала: за десятилетия после чернобыльской аварии было построено лишь несколько реакторов из-за низких цен на урановом рынке , хотя в настоящее время наблюдается оживление в нескольких азиатских странах. планирует завершить создание более крупных прототипов быстрых реакторов в ближайшие несколько лет. ^{[ когда? ]}

Смотрите также

• Абсорбционное упрочнение
• Список частиц
• Обнаружение нейтронов
• Источник нейтронов
• Ядерная реакция
• Сцинтиллятор

Рекомендации

1. де Бройль, Луи. «К теории квантов» (PDF) . aflb.ensmp.fr . Проверено 2 февраля 2019 г.
2. Каррон, Нью-Джерси (2007). Введение в прохождение энергетических частиц через материю . п. 308. Бибкод : 2007ipep.book.....C.
3. «Нейтронная энергия». www.nuclear-power.net . Проверено 27 января 2019 г.
4. Х. Томита, К. Шода, Дж. Каварабаяши, Т. Мацумото, Дж. Хори, С. Уно, М. Сёдзи, Т. Учида, Н. Фукумотоа и Т. Игучиа, Разработка эпитепловой нейтронной камеры на основе резонансного визуализация с энергетической фильтрацией с помощью GEM , 2012, цитата: «Эпитепловые нейтроны имеют энергию от 1 эВ до 10 кэВ и меньшее ядерное сечение, чем тепловые нейтроны».
5. «Введение», Ultracold Neutrons , WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–9, 23 сентября 2019 г., doi : 10.1142/9789811212710_0001, ISBN 978-981-12-1270-3, S2CID  243745548 , получено 11 ноября 2022 г.
6. Дженке, Тобиас; Босина, Иоахим; Мико, Якоб; Питшманн, Марио; Седмик, Рене; Абеле, Хартмут (01 июня 2021 г.). «Гравитационная резонансная спектроскопия и симметронные поля темной энергии». Специальные темы Европейского физического журнала . 230 (4): 1131–1136. arXiv : 2012.07472 . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN  1951-6401. S2CID  229156429.
7. Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов». В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. Бибкод : 2022SPIE12151E..09H. дои : 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. Немного физики урана. По состоянию на 7 марта 2009 г.

Внешние ссылки

• Язык ядра