3. Энергетические группы

Двигаясь в средах, нейтроны проявляют удивительное многообразие свойств. Нейтроны эффективно взаимодействуют с ядрами от самых малых достижимых энергий T_n ~ 10^-7 эВ. Нейтроны могут вступать с ядрами в различные ядерные реакции и поглощаться или испытывать на ядрах упругое или неупругое рассеяние, участвуя в диффузионном движении. Вероятности этих процессов определяется кинетической энергией нейтронов, и поэтому оказывается целесообразным разделение их по принадлежности к энергиям на определенные энергетические области или группы, для которых характерны определенные виды ядерных взаимодействий.

По величине кинетической энергии T_n нейтроны разделяются на две большие группы – медленные (0 < T_n ≤ 1000 эВ) и быстрые (T_n > 100 кэВ). Замыкают эти две области энергий т.н. промежуточные нейтроны. В свою очередь, область медленных нейтронов подразделяется на холодные, тепловые и резонансные нейтроны. Следует, однако, иметь в виду, что любая градация свойств нейтрона по энергии условна. Ниже дается одна из возможных схем подобной классификации.

х олодные Т_n < 0,025 эВ,

тепловые Т_n = 0,025  0,5 эВ,

резонансные Т_n = 0,5 эВ  1 кэВ.

Промежуточные Т_n = 1  100 кэВ.

Быстрые Т_n = 100 кэВ  14 МэВ.

При взаимодействии с веществом у холодных нейтронов отчетливо проявляются волновые свойства. Например, де-бройлевская длина волны нейтрона

(4.9.13)

становится сравнимой с размером атома (~ 10^-8 см) при энергии нейтрона Т_n ≤ 0,002 эВ. Нейтронные волны в веществе могут испытывать дифракцию, преломление, отражение (даже полное), могут поляризоваться. В отличие от рентгеновских лучей, которые испытывают рассеяние на электронах, нейтроны рассеиваются на ядрах. Поэтому дифракция холодных нейтронов дает информацию не об электронной, а непосредственно о ядерной, т.е. атомно-молекулярной структуре вещества. Дифракция холодных нейтронов позволяет производить кристаллографические исследования сплавов и соединений с близкими атомными номерами, когда рентгенографические исследования оказываются бессильными. Сечение захвата нейтронов ядрами при уменьшении энергии нейтронов сильно возрастает в соответствии с законом «1/v_n», где v_n - скорость нейтронов, и в этой энергетической области может иметь громадное значение.

Получение холодных нейтронов сложный и дорогостоящий технический процесс и по этой причине они не используются в ядерной энергетике.

Энергия Т_n = 0,025 эВ определяет область тепловых нейтронов, которая соответствует комнатной температуре Т = 290 К и скорости нейтронов v_n = 2200 м/с. Эти величины часто используются в качестве стандартных для тепловых нейтронов. Энергия тепловых нейтронов определяется тепловым равновесием со средой. Поэтому тепловые нейтроны имеют большой разброс по энергиям, а заметная доля нейтронов имеет энергию больше стандартной, равной kT. Температура в ядерном реакторе значительно превышает комнатную и поэтому к тепловым нейтронам относят обычно нейтроны с энергиями до ~ 0,5 эВ. Сечения реакций нейтронов с ядрами, в том числе и приводящие к делению, в этой области также достаточно велики.

Получение тепловых нейтронов в огромных количествах является хорошо освоенным процессом, и тепловые нейтроны находят широкое применение в ядерной энергетике.

Н ейтроны с энергией Т_n = 0,5 эВ  1 кэВ называются резонансными потому, что в этой области для средних и тяжелых ядер сечения нейтронных реакций имеют обычно много тесно расположенных резонансов. В качестве примера на рис. 4.9.1 показана зависимость сечения деления ²³⁵U от энергии нейтронов.

В промежуточной области энергий нейтронов отдельные резонансы сливаются (исключением являются легкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии нейтронов.

Быстрые нейтроны имеют огромное прикладное значение, так как в большинстве реакций, используемых для получения свободных нейтронов, кинетическая энергия образующихся нейтронов Т_n > 100 кэВ. В ядерной энергетике при делении ядер рождаются быстрые нейтроны со средней энергией ~ 2 МэВ, которые используются для последующего деления ядер непосредственно, или после замедления.

Сечение взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами существенно меньше, чем у тепловых или резонансных нейтронов. Полное сечение (сумма сечений всех возможных процессов) в быстрой области , где R - радиус ядра, а - де-бройлевская длина волны нейтрона (4.9.13). Главная особенность быстрой области состоит в том, что вероятность образования составного ядра в ней мала и полное сечение примерно равно сечению рассеяния _s, которое равно сумме сечений упругого σ_el и неупругого рассеяния σ_nel:

(4.9.14)

При энергии нейтронов Т_n > 8 МэВ сечение рассеяния на тяжелых ядрах снижается из-за конкуренции реакций (n,2n) и (n, f).

Быстрые нейтроны с энергией Т_n > 10 МэВ имеют де-бройлевскую длину волны порядка размеров ядра и нейтронная волна может испытывать дифракционное рассеяние на ядрах, а вероятность рассеяния нейтронов от угла рассеяния  имеет ярко выраженную картину дифракции с главным максимумом при  = 0° и побочными при  порядка нескольких десятков градусов.

Быстрые нейтроны после их рождения при делении ядер могут быть использованы в ядерном оружии или в реакторах на быстрых нейтронах.