3.4.9. Ядерные реакции.

Если энергетически возможно, то при прохождении нейтронов через вещество происходят реакции с образованием заряженных частиц. В основном они используются для регистрации нейтронов и практически не играют роли с точки зрения радиационной безопасности или защиты от нейтронов. Однако некоторые из них необходимо учитывать и при проектировании защиты. Рассмотрим некоторые из них.

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

¹_on + ^A_ZX ^A_Z-1X+¹₁ p (3.76),

одна из которых ¹_on + ³₂Не ³₁Н+¹₁p (3.77)

широко применяется для регистрации нейтронов в счетчиках, наполненных ³Не (σ(n,p)= 5400 барн для тепловых нейтронов), а вторая

¹_on + ¹⁴₇N ¹⁴₆C+¹₁p (3.78)

имеет сечение для тепловых нейтронов σ(n,p) = 1,75 барн и приводит к образованию естественного ¹⁴С (Т_1/2=5730 лет) в атмосфере Земли нейтронами космического происхождения.

Реакции с образованием α-частиц, (n, α ) - реакции:

¹_on + ^A_ZX ^A_Z-1X+⁴₂Не (3.79)

используются не только для регистрации тепловых нейтронов, например,

¹_on + ¹⁰₅В ⁷₃Li+⁴₂Не (3.80),

имеющая микроскопическое поперечное сечение для тепловых нейтронах σ(n,α)= 3840 барн и широко применяемая для регистрации тепловых нейтронов в различных борных счетчиках и ионизационных камерах, но и как выступающие в качестве конкурирующих радиационному захвату в защитных материалах.

При проектировании защиты важны реакции (n,γ), ведущие к образованию радиоактивных нуклидов – продуктов активации в оборудовании. Примером такой реакции может служить реакция захвата нейтрона ⁵⁹Co(n,γ)⁶⁰Co с образованием долгоживущего радионуклида, испускающего фотоны с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.

3.4.10. Полные эффективные микроскопические поперечные сечения взаимодействия нейтронов с веществом.

Рассматривая поведение полногомикроскопического поперечного сечения взаимодействия нейтронов разных энергий с веществом можно отметить, что в отличие от сечений взаимодействия фотонов с веществом не представляется возможным простыми формулами описать эти сечения, как в зависимости от атомного номера материала, так и от энергии нейтрона. Однако на основе изложенного выше можно проследить некоторые закономерности, позволяющие понять специфику взаимодействия нейтронов с разными материалами для разных энергетических групп нейтронов.

В области тепловых и медленных нейтронов для материалов слабо поглощающих нейтроны полное микроскопическое поперечное сечение практически постоянно и определяется сечением потенциального рассеяния, которое не зависит от энергии (равно ≈7πА^2/3) и растет с атомным номером материала рассеивателя (рис.3.15).

Рис.3.15. Зависимость полных микроскопических поперечных сечений взаимодействия нейтронов для разных ядер от энергии в области тепловых и медленных нейтронов.

Для элементов, заметно поглощающих нейтроны, основной вклад в полное микроскопическое сечение дает сечение поглощения, которое с ростом энергии уменьшается обратно пропорционально скорости нейтрона, т.е. ~1/ . Следует отметить, что для некоторых материалов сложного состава (вода, полиэтилен, окись бериллия, гидрид циркония и др.) существенную роль при энергиях нейтронов ниже 5 эВ играет когерентное и некогерентное рассеяние нейтронов на молекулах и кристаллической решетке, что оказывает существенное влияние на характер распространения низкоэнергетичных нейтронов в этих средах.

При увеличении энергии нейтронов практически для всех ядер наблюдается резонансная структура полного микроскопического поперечного сечения, обусловленная при небольших энергиях редко расположенными уровнями возбуждения ядра, все более часто повторяющимися с ростом энергии (рис.3.16).

Р ис.3.16. Зависимость полных микроскопических поперечных сечений взаимодействия промежуточных и быстрых нейтронов с различными ядрами от энергии нейтронов.

В этой области энергий на постоянное сечение потенциального рассеяния накладываются резонансы упругого резонансного рассеяния и радиационного захвата, описываемые формулой Брейта-Вигнера. Для тепловых нейтронов преобладающим является радиационный захват, но затем с ростом энергии, так как нейтронная ширина резонанса Г_n растет пропорционально скорости нейтрона, а радиационная Г_γ уменьшается как 1/v, то на постоянное сечение потенциального рассеяния накладываются резонансы упругого резонансного рассеяния. Это характерно для промежуточной области энергий нейтронов, часто называемой резонансной.

В зависимости от атомного номера для легких ядер резонансная структура сечения рассеяния проявляется только при энергиях выше 100 кэВ, для средних – несколько кэВ, для нескольких тяжелых ядер она наблюдается уже при энергиях ниже 0,1 кэВ.

С ростом энергии нейтронов уровни энергии составного ядра начинают перекрываться (у тяжелых ядер начиная с ~ 10 кэВ и выше). В результате составное ядро образуется с одинаковой вероятностью при любой энергии нейтронов, резонансная картина пропадает, и сечение упругого рассеяния монотонно убывает с ростом энергии нейтронов.

При энергии нейтронов выше примерно 0,5 МэВ становится возможным процесс неупругого рассеяния нейтронов, особенно заметный для тяжелых ядер, микроскопическое поперечное сечение которого растет с ростом энергии нейтрона, переходя к σ_t =2π(R+ )² , где R - радиус ядра, а  - дебройлевская длина волны нейтрона. Главная особенность быстрой области энергий нейтронов состоит в практическом отсутствии радиационного захвата, и полное микроскопическое сечение взаимодействия полностью определяется сечениями упругого и неупругого рассеяния. При энергии нейтронов Е>8 МэВ сечение рассеяния на тяжелых ядрах снижается из-за конкуренции реакций (n,2n) и (n, f).

Контрольные вопросы к § 3.4.

1. В чем заключается разница между прямым взаимодействием нейтронов и через механизм составного ядра?

2. Чем объясняется резонансная структура поперечного сечения образования составного ядра?

3. Как меняется частота резонансов и их амплитуда с ростом энергии нейтронов?

4. Что описывается формулой Брейта-Вигнера?

5. Чем отличаются поперечные сечения упругого и неупругого рассеяния нейтронов?

6. Чем отличаются скорости нейтрона до и после упругого рассеяния в системе центра инерции?

7. Чему равна минимальная энергия нейтрона после упругого рассеяния на ядре массой А?

8. Показать, что микроскопическое поперечное сечение неупругого рассеяния имеет энергетический порог.

9. В чем состоит специфика рассеяния тепловых нейтронов?

10. В чем заключается разница в описании дифференциального микроскопического поперечного сечения неупругого рассеяния для энергий нейтронов вблизи порога реакции и при высоких энергиях нейтронов?

11. Объясните зависимость полного микроскопического поперечного сечения взаимодействия нейтронов с веществом от их энергии.

12. Чему равна вероятность нейтрона с энергией Е^/ , изотропно упруго рассеявшегося на ядре массой А, иметь энергию Е после рассеяния?