8.Сечения ядерных реакций.

Мерой взаимодействия нейтронов с ядрами является эффективное сечение, которое является вероятностной характеристикой ядер материала мишени.

Микроскопическое сечение реакции σ определяет вероятность процесса взаимодействия нейтрона с ядром, отнесенную к одному ядру.

В ядерной физике для измерения сечений ядерных реакций используется специальная единица - барн. Один барн равен 10^-28 м², что сопоставимо с площадью поперечного сечения ядра.

Термин барн ввели во время второй мировой войны физики в университете Пардью, когда о сечении величиной 10^-28 м² говорили, что оно "размером с ворота сарая" (barn - амбар, сарай).

Следует напомнить, что диаметр атома в 10⁴ раз больше диаметра ядра и попасть в ядро, которое является кладовой энергии, доста­точно сложная задача.

Если вещество представляет собой гомогенную смесь различных ядер, то сечения ядерных реакции для него определяется как сумма сечений для ядер, входящих в состав соединения с учетом их количества. Например, для двуокиси урана микроскопическое сечение рассчитывается по уравнению:

Такого рода соотношения применимы для всех смесей и химических соединений за исключением воды, которая обладает аномальными свойствами.

Эффективное сечение ядерной реакции зависит от типа нуклида, участвующего в реакции, энергии частицы (нейтрона) и вида реакции. Буквенный индекс в обозначении сечения происходит от названия ядерной реакции на английском языке.

Полное (total) сечение σ_t равно сумме всех парциальных сечений. В общем случае оно представляет сумму вероятностей процессов поглощения (absorption) и рассеяния (scattering):

σ_t = σ_a + σ_s

Процесс рассеяния включает упругое (elastic scattering) и неупругое (inelastic scattering) рассеяние:

σ_s = σ_es + σ_is

После поглощения нейтрона возможно протекание процессов деления (fission), захвата (consumption) и других ядерных реакций:

σ_a = σ_f + σ_c+ σ_α+…

Если на ядра воздействует поток нейтронов, плотность которого Φ [нейтронов/м²/с], то выражение Φ σ [реакций/с] определяет скорость ядерной реакции.

Для наиболее часто используемых в реакторах материалов значения сечений нейтронных реакций приведены в таблице 4 при стандартной энергии нейтронов 0,025 эВ.

Таблица 4. Нейтронно-физические константы

Элемент	Атомный вес	Плотность, г/см3	Сечения, барн
			σa	σs	σf
H	1,008	8,99·10-5	0,332	38	-
O	16,00	1,43·10-3	2,0·10-4	4,2	-
Fe	55,85	7,86	2,62	11	-
Zr	91,22	6,44	0,185	9	-
235U	235	-	683	10	582
238U	238	-	2,71	8,3	50·10-5
H2O	18	1,0	0,66	110	-

Макроскопическое сечение Σ, [м^-1] определяет вероятность процесса взаимодействия нейтрона с ядром отнесенную к единице пути нейтрона. Величина макроскопического сечения связана с микроскопическим сечением соотношением:

Σ = σ N,

где N – ядерная (молекулярная) концентрация, [ядер / м³].

Количество актов взаимодействия (ядерных реакций) в единице объема, в единицу времени называется выходом ядерной реакции, [реакций/м³/с]. Этот параметр зависит от плотности потока нейтронов Φ и величины макроскопического сечения ядерной реакции Σ и определяется как их произведение:

Φ Σ