18. Изготовление мишеней

Изобретение относится к области техники ядерной физики, ядерной технологии и радиохимии, а именно к приготовлению циклотронных мишеней и тонкослойных источников радиоактивного излучения. Изобретение может применяться и в других областях техники, где могут применяться тонкие пленки на основе лантаноидов или актиноидов.

Известен способ приготовления тонких источников осаждением из капли, заключающийся в том, что на подложку наносят каплю раствора, содержащего осаждаемый элемент, добавляют осадитель и каплю высушивают.

Известен также способ электроосаждения из капли, заключающийся в осаждении элемента на подложке, которая служит электродом.

Также известен способ приготовления циклотронных мишеней и тонкослойных источников радиоактивного излучения возгонкой летучих элементов, заключающиеся в том, что летучие элементы осаждаются на подложку, при этом вещество испаряют в вакууме и осаждают на подложку, охлаждаемую хладопроводом контактно или бесконтактно (при низком давлении газа). Способ возгонки обычно обеспечивает приготовление слоев (источников излучения, мишеней) лучшего качества. Также известен способ приготовления мишеней актиноидов возгонкой галогенидов.

Недостатком таких способов является невысокое качество, низкая чистота и неоднородность источников мишеней.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления мишеней актиноидов и лантаноидов возгонкой в виде металла. При этом металлы возгоняют в вакууме при высокой температуре (например, 1400-1550°С для металлического кюрия и гадолиния) и осаждают на охлаждаемую подложку. Недостатком этого способа является то, что при возгонке необходимо использовать высокие температуры. Кроме того, здесь можно изготавливать металлические или фторидные мишени. Металлические лантаноиды и актиноиды (так же, как и фториды) не обладают такой высокой термической и радиационной устойчивостью, как оксиды этих элементов. Кроме того, многие из лантаноидов и актиноидов окисляются на воздухе. В то же время оксиды этих элементов наиболее предпочтительны для приготовления источников излучения и мишеней, так как эти соединения являются наиболее стойкими в плане радиационной устойчивости и воздействия температуры (очень высокие температуры плавления и возгонки). (Оксидные пленки, приготовленные не методом возгонки, а другими вышеуказанными способами, - рыхлые и гораздо худшего качества.)

19. Замедление нейтронов

Замедление нейтронов — процесс уменьшения кинетической энергии свободных нейтронов в результате их многократных столкновений с атомными ядрами вещества. Вещество, в котором происходит процесс замедления нейтронов, называется замедлителем. Замедление нейтронов применяется, например, в ядерных реакторах на тепловых нейтронах.

В ходе ядерных реакций, образуются, как правило, быстрые нейтроны (с энергией > 1 МэВ). Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию крупными порциями, расходуя её, главным образом, на возбуждение ядер или их расщепление. В результате одного или нескольких столкновений энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения ядра (от десятков кэВ до нескольких МэВ, в зависимости от свойств ядра). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим, то есть нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния. При одном упругом соударении нейтрон теряет, в среднем, долю энергии, равную   где А — массовое число ядра-мишени. Эта доля мала для тяжёлых ядер (1/100 для свинца) и велика для лёгких ядер 1/7 для углерода и 1/2 для водорода). Поэтому замедление нейтронов происходит на лёгких ядрах гораздо быстрее, чем на тяжёлых.

В процессе замедления нейтронов образуются т. н. тепловые нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии со средой, в которой происходит замедление. Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,04 эВ.

В процессе замедления часть нейтронов поглощается ядрами или вылетает из среды наружу, то есть теряется. В замедлителях, содержащих лёгкие ядра, потери на поглощение малы и большая часть нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны, при условии, что размеры замедлителя достаточно велики, по сравнению с размером L_Б.

Достоинства обычной воды как замедлителя — её доступность и дешевизна. Недостатками воды являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм) и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана.

Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Недостатком тяжёлой воды является её высокая стоимость.

Природный графит содержит до 20 % различных примесей, в том числе и бор, хороший поглотитель. Поэтому природный графит непригоден как замедлитель нейтронов. Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Сначала из смеси прессуют блоки, а затем эти блоки термически обрабатывают при высокой температуре. Графит имеет плотность 1,6—1,8 г/см³. Он сублимирует при температуре 3800—3900 °C. Нагретый в воздухе до 400 °C графит загорается. Поэтому в энергетических реакторах он содержится в атмосфере инертного газа (гелий, азот).

Бериллий один из лучших замедлителей. Он имеет высокую температуру плавления (1282 °C) и теплопроводность, совместим с углекислым газом, водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами. Однако, в пороговой реакции ⁹Be(n, 2n)2α возникает гелий, поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами внутри бериллия накапливается газ, под давлением которого бериллий распухает. Применение бериллия ограничено также его высокой стоимостью. Кроме того, бериллий и его соединения весьма токсичны. Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов.