В ядерной технике быстрый нейтрон — это нейтрон, немедленно испускаемый ( эмиссия нейтронов ) в результате ядерного деления , в отличие от распада запаздывающего нейтрона , который может произойти в том же контексте, испускаемого после бета-распада одного из продуктов деления в любое время из от нескольких миллисекунд до нескольких минут спустя.
Мгновенные нейтроны возникают в результате деления нестабильного делящегося или делящегося тяжелого ядра почти мгновенно. Существуют разные определения того, сколько времени требуется для появления мгновенного нейтрона. Например, Министерство энергетики США определяет мгновенный нейтрон как нейтрон, рожденный в результате деления в течение 10–13 секунд после события деления. [1] Комиссия по ядерному регулированию США определяет мгновенный нейтрон как нейтрон, возникающий в результате деления в течение 10–14 секунд . [2] Это излучение контролируется ядерной силой и происходит чрезвычайно быстро. Напротив, так называемые запаздывающие нейтроны задерживаются на время задержки, связанное с бета-распадом (опосредованным слабым взаимодействием ) до возбужденного нуклида-предшественника, после чего испускание нейтронов происходит в быстром масштабе времени (т.е. почти сразу).
На примере урана-235 это ядро поглощает тепловой нейтрон , а непосредственными массовыми продуктами акта деления являются два крупных осколка деления, которые являются остатками образовавшегося ядра урана-236. Эти осколки испускают два или три свободных нейтрона (в среднем 2,5), называемых мгновенными нейтронами. Последующий фрагмент деления иногда подвергается стадии радиоактивного распада, в результате которой образуется дополнительный нейтрон, называемый запаздывающим нейтроном. Эти осколки деления, испускающие нейтроны, называются атомами-предшественниками запаздывающих нейтронов .
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 богаче нейтронами фрагмент, тем энергичнее и быстрее бета-распад. В некоторых случаях доступная энергия бета-распада достаточно высока, чтобы оставить остаточное ядро в таком высоковозбужденном состоянии, что вместо гамма-излучения происходит испускание нейтронов.
Стандартное отклонение конечного распределения кинетической энергии в зависимости от массы конечных фрагментов от низкоэнергетического деления урана 234 и урана 236 представляет собой пик в области масс легких фрагментов и другой в области масс тяжелых фрагментов. Моделирование этих экспериментов методом Монте-Карло предполагает, что эти пики возникают в результате мгновенного излучения нейтронов. [5] [6] [7] [8] Этот эффект мгновенной эмиссии нейтронов не обеспечивает первичное массовое и кинетическое распределение, что важно для изучения динамики деления от седла до точки разрыва.
Если бы ядерный реактор оказался в критическом состоянии (даже очень незначительном), количество нейтронов и выходная мощность увеличились бы экспоненциально с высокой скоростью. Время отклика механических систем, таких как стержни управления, слишком велико, чтобы сдержать скачок напряжения такого рода. Тогда контроль над ростом мощности будет оставлен на внутренние факторы физической стабильности, такие как тепловое расширение активной зоны или повышенное резонансное поглощение нейтронов, которые обычно имеют тенденцию снижать реактивность реактора при повышении температуры; но реактор может быть поврежден или разрушен из-за тепла.
Однако благодаря запаздывающим нейтронам можно оставить реактор в подкритическом состоянии, поскольку речь идет только о мгновенных нейтронах: запаздывающие нейтроны приходят моментом позже, как раз вовремя, чтобы поддержать цепную реакцию, когда он вот-вот заглохнет. вне. В этом режиме производство нейтронов в целом по-прежнему растет экспоненциально, но во временном масштабе, который определяется производством запаздывающих нейтронов, которое достаточно медленно, чтобы его можно было контролировать (точно так же, как нестабильный в противном случае велосипед можно сбалансировать, потому что человеческие рефлексы достаточно быстры на дороге). временной масштаб 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 управления.
Коэффициент β определяется как:
а для U-235 он равен 0,0064.
Фракция запаздывающих нейтронов (DNF) определяется как:
Эти два фактора, β и DNF , не одно и то же в случае быстрого изменения числа нейтронов в реакторе.
Другая концепция - это эффективная доля запаздывающих нейтронов , которая представляет собой долю запаздывающих нейтронов, взвешенную (по пространству, энергии и углу) в потоке присоединенных нейтронов. Эта концепция возникает потому, что запаздывающие нейтроны испускаются с энергетическим спектром, более термализованным по сравнению с быстрыми нейтронами. Для низкообогащенного уранового топлива, работающего на спектре тепловых нейтронов, разница между средней и эффективной фракциями запаздывающих нейтронов может достигать 50 пкм (1 пкм = 1e-5). [9]