Основные виды взаимодействия нейтронов с ядрами

1. Реакция радиационного захвата нейтрона, (n,g)-реакция, апи – экзоэнргетическая реакциия, идет на всех (за исключением ³Н и ⁴Не) ядрах и может быть представлена следующей схемой:

(4.1)

(Далее для краткости записи опускаем составное ядро).

Сечение:

для тепловых нейтронов в зависимости от нуклида варьируется в широких пределах от 0,1 до 10³ ¸ 10⁶ барн,

для быстрых – от 0,1 до несколько барн.

Образующееся после захвата ядро, как правило, β-активно.

Примеры.

Реакция

(4.2)

имеет очень большое сечение в тепловой области, достигающее в резонансе (Т _n = 0,17 эВ) величины 20000 барн (рис. 4.9.2). Характерная «ступенька» вблизи энергии Т _n ≈ 0,4 эВ для зависимости σ_nγ(Т _n) используется для разделения потока нейтронов на две энергетические группы – с энергией большей 0,4 эВ, нейтроны которой носит название надкадмиевых нейтронов, и с энергией меньше 0,4 эВ, нейтроны которой называются подкадмиевыми. А кадмий широко применяется для поглощения тепловых нейтронов.

Реакция

(4.3)

имеет одно из рекордных сечений в тепловой области, равное 3,5×10⁶ барн (резонанс при энергии 0,084 эВ). Зависимость сечение σ_nγ(Т _n) имеет вид такой же ступеньки при Т _n ≈ 0,2 эВ, как и для реакции (4.2). ¹³⁵Хе является β^--активным нуклидом и образуется в результате β^--распада осколка деления ¹³⁵I. Огромная величина сечения поглощения тепловых нейтронов и большой выход (6,34 %) ¹³⁵I относительно других осколков деления приводят к т.н. ксеноновому отравлению ядерного реактора и неустойчивой работе реактора из-за появления ксеноновых волн.

Испускание γ-кванта при захвате нейтрона ядром ²³⁵U

(4.4)

Является одной их конкурирующих реакций деления в ядерном реакторе, имеет вероятность около 20 %, уменьшая тем самым вероятность деления составного ядра ²³⁶U до 80 %.

Реакция

(4.5)

имеет сечение в тепловой области около 2,8 барн и вызывает захват большой доли нейтронов, участвующих в цепной реакции деления, так как в реакторах на тепловых нейтронах содержание ²³⁸U составляет 95 ÷ 97 % состава смеси нуклидов ²³⁸U и ²³⁵U. В то же время она определяет процесс преобразования сырьвого нуклида ²³⁸U в делящийся нуклид ²³⁸Рu (см. главу 5).

Образующиеся в реакции (n,g) ядра, как правило, оказываются b^--активными, т.к. они смещаются с дорожки стабильности в область β^--радиоактивных ядер. Поэтому реакции (n,g) часто служат причиной активации. Примером сильноактивируемого вещества может служить натрий, который используется в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах:

(4.6)

В реакции образуется b^--активный ²⁴Na с Т _1/2= 15 ч. Процесс b^--распада сопровождается испусканием g-квантов с энергией 2,76 МэВ. Натрий используется в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах.

Вода, которая применяется как замедлитель и теплоноситель в реакторах на тепловых нейтронах, не активируется, так как в результате захвата нейтронов образуются ядра и , которые являются стабильными ядрами. Активируются обычно примеси, попадающие в теплоноситель со стенок трубопроводов.

2. Реакции с образованием протонов, (n,р) - реакции:

.

(4.7)

Захват нейтрона и последующий выброс протона приводят к тому, что образующееся дочернее ядро имеет избыток нейтронов и смещается с дорожки стабильности в область β^-­радиоактивных ядер.

Реакция

(4.8)

применяется для регистрации нейтронов в счетчиках, наполненных ³Не. Сечение для тепловых нейтронов σ_np = 5400 барн.

Реакция

(4.9)

имеет сечение на тепловых нейтронах_. σ_np = 1,75 барн. Применяется для получения очень важного в методе меченых атомов β^-активного нуклида ¹⁴С (Т _1/2 = 5730 лет), а также для регистрации нейтронов с помощью фотоэмульсий, содержащих ¹⁴N.

3. Реакции с образованием a -частиц, (n,a) - реакции:

.

(4.10)

Реакция

+2,79 МэВ

(4.11)

имеет сечение на тепловых нейтронах s_nα = 3840 барн и широко применяется для регистрации тепловых нейтронов в различных борных счетчиках и ионизационных камерах.

Для этой же цели используется экзоэнергетическая реакция

,

(4.12)

имеющая сечение на тепловых нейтронах_. s_nα = 945 барн. Эта реакция применяется и в термоядерной («водородной») бомбе.

4. Реакции ( n,2n). Являются эндоэнергетическими и имеют порог, примерно равный 10 МэВ, за исключением реакции

(4.13)

с порогом ~ 2 МэВ. Сечение ~ 0,1 барн.

5. Реакция деления тяжелых ядер (U, Th, Рu и др.) нейтронами различных энергий, (n, f) – реакция:

(4.14)

Тяжелый осколок обозначен индексом «т», индексом «л» - легкий, а буквой n_n - число нейтронов, возникающих в процессе деления. Эта реакция представляет собой основу ядерной энергетики.

6. Упругое и неупругое рассеяния.

Упругое рассеяние (n,n) нейтронов не изменяет состояния ядра. В процессе упругого рассеяния сохраняется кинетическая энергия нейтрона в СЦИ, а в ЛСК сохраняется суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра.

Упругое рассеяние может осуществляться посредством двух различных механизмов:

1. Образуется составное ядро, которое распадается с испусканием нейтрона. Как указывалось выше, этот процесс носит название резонансного рассеяния.

2. Рассеяние без образования составного ядра происходит на ядерном потенциале и называется потенциальным рассеянием.

Вероятность реализации одного из двух механизмов зависит от соотношения между естественной шириной Г уровня и расстоянием D между соседними уровнями. Кроме того, вылет нейтрона при резонансном рассеянии происходит из составного ядра, для образования которого необходимо строгое выполнение энергетических** и спиновых соотношений*.

*образование составного ядра, в силу закона сохранения момента импульса, даже при выполнении энергетических условий, возможно только в тех случаях, когда спин I_c одного из возможных уровней составного ядра равен одному из возможных значений J суммарного механического момента системы а + А.

**если Е_i – энергия одного из возбужденных уровней составного ядра, то образование составного возбужденного ядра возможно при условии

W_c = Е_i, где W_с - возможная энергия возбуждения составного ядра равна

Если же кинетическая энергия нейтрона меньше той, которая необходима для образования составного ядра в первом возбужденном состоянии, то образование составного ядра вообще невозможно, и будет наблюдаться только потенциальное рассеяние.

Ядра отдачи, возникающие при упругом рассеянии быстрых нейтронов на легких ядрах, могут использоваться для регистрации нейтронов и измерения их кинетической энергии.

Упругое рассеяние является основным процессом замедления нейтронов при распространении нейтронов в веществе и играет исключительную роль в ядерных реакторах.

Неупругое рассеяние (n,n´) нейтронов происходит в том случае, когда кинетическая энергия (в СЦИ) вылетающего из составного ядра нейтрона меньше кинетической энергии первичного нейтрона и конечное ядро образуется в возбужденном состоянии. Процесс неупругого рассеяния нейтрона может быть схематически представлен в следующем виде:

(4.15)

Для реализации этого процесса нейтрон должен иметь кинетическую энергию, достаточную для образования составного ядра во втором, третьем и т.д. возбужденных состояниях. Неупругое рассеяние при сравнительно небольших энергиях нейтронов (порядка нескольких сотен кэВ) может наблюдаться у тяжелых ядер и зависит от расположения уровней возбужденных состояний конкретного ядра.