Глава 1. Источники нейтронов.

Источниками нейтронов являются:

• Ядерные реакции;

• Спонтанное деление;

Спонтанное деление является делением ядра, происходящим без внешнего возбуждения, и выдаёт такие же продукты, как и вынужденное деление: два осколка и несколько нейтронов. По современным представлениям причиной спонтанного деления является туннельный эффект.

Типы источников нейтронов:

• Облучение мишени на ускорителях лёгких заряженных частиц (р, d, α);

• (α, n) реакции, где альфа получается за счёт распада тяжёлых ядер;

• Фотонейтронные реакции (γ, n);

• Спонтанное деление;

• Ядерный реактор как источник нейтронов (ядра делятся под действием нейтронов).

Рассмотрим первый тип источников. Все ядра (кроме водорода) содержат нейтроны. Если в такое ядро внести Е больше Е связи нейтрона в ядре появится вероятность генерации нейтрона. Используются реакции на лёгких ядрах , , , Li, Be. Наиболее тщательно изученной реакцией является:

При этом энергия нейтронов в лабораторной системе зависит от направления их движения. Нейтроны, перемещающиеся вдоль одного направления, имеют приблизительно одинаковую энергию.

Можно использовать реакции как на средних (Си) так и на тяжёлых ядрах (U). На средних ядрах мало сечение взаимодействия нейтронов с ядрами, но скорость нейтронов в системе центра масс мала. Поэтому в лабораторной системе легко получить моноэнергетический поток нейтронов.

Недостаток данного типа: нужно иметь ускоритель.

Второй тип источников - реакции (α, n):

Нейтроны возникают вследствие реакций:

В частности, на этих реакциях в 1932 году и был обнаружен нейтрон. Это экзотермическая реакция с выделением Q = 5,7 МэВ. На самом деле размер выделившейся энергии зависит от возбуждения конечного ядра углерода. Так вторая реакция идет более вероятно, поскольку ядро углерода находится в возбужденном состоянии с энергией 4,4 МэВ. Выделение энергии в данном случае составит Q = 1,3 МэВ. Альфа-частицы возникают вследствие распада тяжелых ядер (Ra, Ро, Рu). Например:

Источником обычно является капсула, окруженная слоем бериллия. При этом толщина слоя должна быть много больше длины пробега альфа-частиц в бериллии. В лабораторной системе возникает непрерывный энергетический спектр нейтронов.

Источник Ra+Be. Имеет высокую стабильность, поскольку Ra – долгоживущий элемент (Т_1/2 = 1600 лет). Обычно используют соль RaBr₂. Максимальная энергия нейтронов 13 МэВ (E_max). Средняя – 3,2. Спектр непрерывен, минус - большой выход гамма-квантов.

Источник Ро+Ве. Для нейтронов. E_max = 10,9 МэВ. Средняя энергия 4,2 МэВ. Плюс: Мало гамма (10^-5 квантов на распад Ро).

Минусы: маленький период полураспада 138 дней. Быстро уменьшается поток нейтронов. Спектр нейтронов непрерывен со слабовыраженными пиками (2, 3, 5 МэВ и др.).

Источник Pu(239)+Ве. Средняя энергия = 4 МэВ. Максимальная 10 МэВ.

Малый выход гамма-квантов, большой период полураспада (24630 лет) - стабильность.

Третий тип источников (γ, n) реакции.

По аналогии с пучком протонов, облучение мишени пучком фотонов с энергией больше энергии связи нейтрона в ядре, приводит к испусканию нейтронов. Используют реакции на лёгких ядрах, в которых энергия отделения нейтрона мала:

²Н (Е=2,2 МэВ), (Е=1,9 МэВ). Энергия нейтронов связана с энергией пучка фотонов следующим образом. Здесь тета - угол между направлением движения фотона и испущенного нейтрона:

В данном типе источников энергия нейтронов максимальна в направлении первоначального пучка нейтронов. При этом на 1000-10000 гамма-квантов рождается один нейтрон. В основном прохождение гамма-излучения через мишень определяется атомными процессами – компотоном, например. А акты рождения нейтронов редкий процесс.

Четвертый тип - Спонтанное деление.

Единственным источником, имеющим значение, является ²⁵²Cf. Период полураспада 2,6 г. Нейтроны излучаются в непрерывном энергетическом спектре со средней энергией 2,26 МэВ. На один акт деления рождается 3,8 нейтронов + 3 гамма-кванта, сильное сопутствующее гамма-излучение.

Итог: различные источники нейтронов характеризуются различными потоками нейтронов, энергетическим спектром нейтронов, наличием сопутствующих частиц, угловым распределением нейтронов, зависимостью потоков нейтронов от времени.

Ядерный реактор как источник нейтронов.

ЯР - установка, в которой протекает управляемая цепная реакция деления ядер. При делении ядер образуются быстрые нейтроны с энергией порядка 2 МэВ. Спектр нейтронов деления непрерывен. Быстрые нейтроны это > 0.1 МэВ. Тепловые > 0.025 эВ Спектр нейтронов деления U²³⁵ описывается многими эмпирическими формулами, например формулой:

0,7 МэВ

Спектр n деления ²³⁵U

Быстрые нейтроны испытывают замедление, вследствие чего их энергия уменьшается. Процесс замедления в основном происходит на легких ядрах замедлителя до тепловой энергии. После чего происходит термализация и формирование спектра тепловых нейтронов, находящихся в тепловом равновесии с атомами вещества.

Энергетический спектр тепловых нейтронов - максвелловский. Но температура этих нейтронов выше, чем температура замедлителя. Если бы нейтроны не поглощались в замедлителе, то достигалось бы состояние полного теплового равновесия, т.е. температура нейтронного спектра была бы сопоставимой с температурой замедлителя.

Реакторы подразделяются (грубая классификация) по спектру нейтронов:

• На быстрых нейтронах (замедлитель отсутствует)

• На промежуточных нейтронах (замедлитель есть, но его мало)

• На тепловых нейтронах (большая часть объёма реактора – замедлитель (вода, тяжёлая вода (D₂0), графит)).

По назначению:

• Энергетические реакторы (основная цель – получение энергии)

• Исследовательские реакторы (облучение материалов интенсивными потоками нейтронов).

Для получения нейтронов высокой энергии используется реактор на быстрых нейтронах, где нет замедлителя. Однако при выводе пучка для измерения спектра, нейтроны будут неизбежно испытывать неупругие перерассеяния, и искомый спектр деления будет модифицироваться. Поэтому говорить о каком-то типичном спектре нейтронов можно весьма условно, он зависит от конструкции конкретного реактора.

Для получения тепловых нейтронов используют тепловые колонны - чаще всего графитовые блоки, вмонтированные в стену реактора. Спектр тепловых нейтронов близок к спектру Максвелла (N(ν) ~ ехр( ), ν₀ или f (E) ~ , где k - постоянная Больцмана, связывающая температуру и энергию) при температуре замедлителя.

Существует 2 основных направления развития реакторов как источников нейтронов:

• Создание больших потоков нейтронов, при этом неважно как поток зависит от времени. Цель - облучение объектов для изучения свойств и облучения различных материалов (технические испытания). А также получение и накопление трансурановых элементов (с атомным номером (количеством протонов) больше 92).

• Нейтронная спектрометрия по времени пролета. Для нее требуется источник, испускающий нейтроны короткими периодически повторяющимися импульсами.

Лекция 2.

Примеры ЯР как источников нейтронов: