Билет9.

2. Нейтроны деления. Роль замедлителя в осуществлении цепной реакции.

Испускание нейтронов осколками деления — одна из важнейших особенностей процесса деления тяжёлых ядер. Именно она позволяет создать при определённых условиях цепную реакцию деления.

Мгновенные нейтроны

Это нейтроны, испускаемые осколками деления практически мгновенно после деления составного ядра, в отличие от запаздывающих нейтронов, испускаемых продуктами деления через некоторое время после этого. Количество нейтронов, испускаемых в одном акте деления — случайная величина, распределённая примерно по закону Гаусса около среднего значения (2-3 нейтрона на одно делящееся ядро). Мгновенные нейтроны составляют более 99 % нейтронов деления.

Среднее число нейтронов  , образующихся при делении, зависит от сорта ядра-мишени и энергии налетающего нейтрона. Наблюдается заметный рост   при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра. Экспериментальные данные хорошо описываются линейной зависимостью вида.

,

где   — значение   для E=0,025 эВ.

У мгновенных нейтронов были зарегистрированы энергии до 18 МэВ, однако начиная с 10 МэВ нейтронов так мало, что на практике чаще всего принимается, что спектр нейтронов простирается лишь до 10 МэВ.

Спектр мгновенных нейтронов деления — непрерывный в области примерно от 0,01 до 10 МэВ. Наиболее вероятная энергия нейтронов равна 0,7 МэВ, средняя — 2 МэВ. Спектр примерно соответствует зависимости:

Следует отметить, что экспериментальные спектры нейтронов достаточно хорошо аппроксимированы различными зависимостями, показанная выше самая простая и при этом удовлетворительно описывающая данные, поэтому получившая наибольшее распространение.

Запаздывающие нейтроны

Это нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления тяжёлых ядер, в отличие от мгновенных нейтронов, испускаемых практически мгновенно после деления составного ядра.

В очень редких случаях в цепочке β⁻-превращений образуется ядро с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона в этом ядре. Такие ядра могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими. Испускание запаздывающего нейтрона конкурирует с гамма-излучением, однако в случае перегруженности ядра нейтронами более вероятно будет испускание нейтрона.

Несмотря на малый выход, запаздывающие нейтроны играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря большому запаздыванию, эти нейтроны существенно, примерно на два порядка и более, увеличивают время жизни нейтронов одного поколения в ядерном реакторе и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления.

Ядро, образовавшееся при испускании запаздывающего нейтрона, может находиться либо в основном, либо в возбуждённом состоянии. В последнем случае возбуждение снимается гамма-излучением.

Составное ядро (Z,N)*^[2] принято называть предшественником запаздывающих нейтронов, а ядро (Z+1,N-1) — излучателем запаздывающих нейтронов.Ядро-излучатель испускает нейтрон практически мгновенно, но со значительным запаздыванием по отношению к моменту деления исходного ядра. Среднее время запаздывания практически совпадает со средним временем жизни ядра-предшественникаЭнергия запаздывающих нейтронов (в среднем примерно 0,5 МэВ) в несколько раз меньше средней энергии мгновенных нейтронов (примерно 2 МэВ).Величина, характеризующая количество запаздывающих нейтронов относительно мгновенных нейтронов, образующихся при распаде ядра данного сорта, называется долей запаздывающих нейтронов (β). Эта величина полностью определяется делящимся ядром и в области энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ практически не зависит от энергии нейтронов, вызывающих деление. Для всех ядер значение β составляет менее 1%. Когда ядро урана разваливается на осколки с испусканием нескольких новых нейтронов, эти нейтроны имеют очень высокую скорость и, как результат, очень маленькое поперечное сечение реакции деления. Поэтому когда они в свою очередь столкнутся с новыми ядрами урана, больше шансов будет на то, что они либо останутся в самом ядре с образованием нового изотопа (поглощение) , либо просто вылетят из ядра без всяких последствий для него (рассеяние) . А чтобы произошла реакция деления, нейтроны надо затормозить. Вот для этого и служит замедлитель: вещество из наиболее лёгких элементов таблицы Менделеева (обычная или тяжёлая вода, графит, бериллий) . Сталкиваясь с атомами замедлителя, нейтрон отдаёт им свою энергию и его скорость падает. Такие медленные нейтроны, выйдя из слоя замедлителя, потом очень эффективно разваливают ядра урана на осколки. Причина малой вероятности реакции деления на высоких скоростях состоит скорее всего в малом времени взаимодействия нейтрона с ядром: нейтрон просто не успевает встроиться в структуру ядра и перевести его в возбуждённое состояние.

Билет 10.