1.5.4. Прохождение нейтронов через вещество. Ослабление потока нейтронов. Замедление нейтронов. Диффузия нейтронов

Ослабление моноэнергетического потока нейтронов

При прохождении нейтронов в веществе нейтрон не взаимодействует с электронами, кроме рассеяния нейтронных волн на магнитных моментах атомов вещества. Нейтрон взаимодействуя с ядром может поглотиться, размножиться или рассеяться. В макроскопическом масштабе нейтронный поток частично поглощается, а рассеяние приводит к замедлению нейтронов и к их диффузии.

Пусть пучок моноэнергетических нейтронов с начальной плотностью I [нейтрон/см² сек] падает на пластину вещества толщиной x[ см].

В слое происходит поглощение нейтронов, и она уменьшается на величину

Разделяя переменные и интегрируя получаем

используя формулу получаем закон экспоненциального ослабления пучка нейтронов

(1.127)

где n [частица/см³]- концентрация ядер, σ[барн=10^-24см²] - микроскопическое сечение поглощения нейтронов, [см^-1] -макроскопическое сечение.

Замедление нейтронов

Замедление нейтронов – уменьшение кинетической энергии нейтронов в результате многократного столкновения нейтронов с атомными ядрами среды. Механизм замедления зависит от энергии нейтронов.

Если энергия нейтрона в системе центра инерции больше порога неупругого рассеяния на ядре (T_n> 0,1÷10 Мэв ), то быстрые нейтроны расходуют энергию на возбуждение ядер и ядерные реакции, сопровождающиеся вылетом нейтронов. При неупругом ядерном рассеянии нейтрон в среднем теряет значительную долю кинетической энергии и после одного или нескольких соударений переходит в область энергий ниже порога неупругого рассеяния. Кинетическая энергияT_n < E₁^* - первого возбужденного уровня составного ядра. Он лежит выше основного на несколько сотен Кэв для тяжелых ядер, для легких ядер на несколько Мэв. Далее замедление нейтронов идет за счет упругого рассеяния на ядрах.

Нейтроны образуются в ядерных реакторах обычно с энергией 1Мэв. Замедление нейтронов является способом их трансформации в тепловые, которые используются для реакции деления ядер урана или плутония. Замедлителями нейтронов являются протоны легкой воды с массовым числом А=1, дейтроны тяжелой воды с А=2, ядра бериллия с А=9, и графита с А=12.

Диффузия нейтронов

Диффузия нейтронов – распространение нейтронов в среде, сопровождающееся многократным изменением их энергии и направления движения, в результате столкновения с ядрами. в слабо поглощающей среде нейтроны термализуются- замедляются до тепловой энергии. После этого нейтроны перемещаются в замедлителе сохраняя среднюю тепловую энергию, пока не поглотятся ядром, или не выйдут за границу среды. β- распад нейтрона в конденсированной среде крайне редок. Основные характеристики диффузии:

- длина свободного пробега нейтрона до поглощения, где σ_с –сечение поглощения нейтронов, n – концентрация ядер;