Замедление нейтронов

Замедление нейтронов – уменьшение кинетической энергии нейтронов в результате многократного столкновения нейтронов с атомными ядрами среды. Механизм замедления зависит от энергии нейтронов.

Если энергия нейтрона в системе центра инерции больше порога неупругого рассеяния на ядре (T_n> 0,1÷10 Мэв), то быстрые нейтроны расходуют энергию на возбуждение ядер и ядерные реакции, сопровождающиеся вылетом нейтронов. При неупругом ядерном рассеянии нейтрон в среднем теряет значительную долю кинетической энергии и после одного или нескольких соударений переходит в область энергий ниже порога неупругого рассеяния. Кинетическая энергияT_n < E₁^* - первого возбужденного уровня составного ядра. Он лежит выше основного на несколько сотен Кэв для тяжелых ядер, для легких ядер на несколько Мэв. Далее замедление нейтронов идет за счет упругого рассеяния на ядрах.

Нейтроны образуются в ядерных реакторах обычно с энергией 1 Мэв. Замедление нейтронов является способом их трансформации в тепловые, которые используются для реакции деления ядер урана или плутония. Замедлителями нейтронов являются протоны легкой воды с массовым числом А =1, дейтроны тяжелой воды с А =2, ядра бериллия с А =9, и графита с А =12.

Рассмотрим упругое столкновение быстрого нейтрона с покоящимся ядром водорода (протоном). Закон сохранения кинетической энергии выполняется:

поскольку массы нейтрона и протона примерно одинаковы, то их энергии после столкновения примерно равны . В результате нейтрон теряет половину своей энергии при одном столкновении .

Если нейтрон рассеивается на ядре с массовым числом А, то средняя потеря энергии

где

Среднелогарифмическая потеря энергии нейтрона при одном упругом столкновении с ядром

(1.128)

Т’ - энергия нейтрона до столкновения, Т” - энергия нейтрона после столкновения, усреднение проведено по углам рассеяния нейтронов. Для водорода ξ=1.

Среднее число соударений m требуемых для замедления нейтронов от энергии Т до энергии Т₀ равно

(1.129)

где - летаргия нейтронов.

По шкале летаргии нейтроны при каждом столкновении в среднем перемещаются на расстояние .

В процессе замедления за счет упругих столкновений нейтрон движется по сложной траектории, перемещаясь от одного ядра замедлителя к другому.

Средняя длина свободного пробега нейтрона по отношению к рассеянию

(1.130)

где n -концентрация ядер замедлителя, σ_s - эффективное сечение рассеяния нейтронов.

-макроскопическое сечение рассеяния, - замедляющая способность замедлителя.

Транспортная длина – среднее расстояние, проходимое нейтроном в первоначальном направлении (до поворота на 90^о при рассеянии на протоне)

, где .

Средний квадрат перемещения нейтрона

Если и , то - средний квадрат расстояния, на которое уходит нейтрон от источника в процессе замедления от энергии Т₀ до Т.

Длина замедления нейтронов (расстояние, которое проходят нейтроны при замедлении до тепловой энергии).

L_s = (1.130)

Теория замедления для сред с малой ξ и малой зависимостью λ_s от энергии называется теорией возраста нейтрона

(1.131)

где q - плотность потока нейтронов, - возраст нейтрона.

в безграничной однородной среде без поглощения для точечного источника нейтронов решение уравнения () имеет вид

(1.132)