Нейтронная температура

Температура обнаружения нейтрона , также называемая энергией нейтрона , указывает на свободного нейтрона , кинетическую энергию обычно выражаемую в электрон-вольтах . Термин температура используется потому, что горячие, тепловые и холодные нейтроны замедляются в среде с определенной температурой. Распределение энергии нейтронов затем адаптируется к распределению Максвелла, известному для теплового движения. Качественно, чем выше температура, тем выше кинетическая энергия свободных нейтронов. Импульс де и длина волны нейтрона связаны соотношением Бройля . Длинная длина волны медленных нейтронов обеспечивает большое поперечное сечение. ^[1]

Диапазоны распределения энергии нейтронов

Названия диапазонов энергий нейтронов ^[2]^[3]
Нейтронная энергия	Энергетический диапазон
0,0 – 0,025 эВ	Холодные (медленные) нейтроны
0,025 эВ	Тепловые нейтроны (при 20°C)
0,025–0,4 эВ	Эпитепловые нейтроны
0,4–0,5 эВ	Кадмиевые нейтроны
0,5–10 эВ	Эпикадмиевые нейтроны
10–300 эВ	Резонансные нейтроны
300 эВ–1 МэВ	Промежуточные нейтроны
1–20 МэВ	Быстрые нейтроны
> 20 МэВ	Сверхбыстрые нейтроны

Но в других источниках наблюдаются другие диапазоны с разными названиями. ^[4]

Ниже приводится подробная классификация:

Термальный

– Тепловой нейтрон это свободный нейтрон с кинетической энергией около 0,025 эВ (около 4,0×10 ⁻²¹ Дж или 2,4 МДж/кг, следовательно, скорость 2,19 км/с), что представляет собой энергию, соответствующую наиболее вероятной скорости при температуре 290 К (17 °C или 62 °F), моде Максвелла – Больцмана. распределение для этой температуры _Epeak = k T.

После ряда столкновений с ядрами ( рассеяния ) в среде ( замедлителе нейтронов ) при этой температуре те нейтроны , которые не поглотились, достигают примерно этого энергетического уровня.

Тепловые нейтроны имеют другое, а иногда и гораздо большее эффективное поглощения нейтронов сечение для данного нуклида , чем быстрые нейтроны, и поэтому часто могут легче поглощаться атомным ядром более тяжелый, часто нестабильный изотоп химического элемента. , создавая в результате . Это событие называется нейтронной активацией .

Эпитермальный

^{[ нужен пример ]}

Нейтроны с энергией большей, чем тепловая
Более 0,025 эВ

Кадмий

^{[ нужен пример ]}

Нейтроны, сильно поглощаемые кадмием
Менее 0,5 эВ.

Эпикадмий

^{[ нужен пример ]}

Нейтроны, не сильно поглощаемые кадмием
Более 0,5 эВ.

Холодные (медленные) нейтроны

^{[ нужен пример ]}

Нейтроны меньшей (намного меньшей) энергии, чем тепловые нейтроны.
Менее 5 мэВ.

Холодные (медленные) нейтроны подразделяются на холодные (CN), очень холодные (VCN) и ультрахолодные (UCN) нейтроны, каждый из которых имеет особые характеристики с точки зрения оптического взаимодействия с веществом. Поскольку длина волны становится (выбирается) длиннее, становятся доступными меньшие значения обмена импульсом. Следовательно, можно изучать более крупные масштабы и более медленную динамику. Гравитация также играет очень важную роль в случае УХН. Тем не менее, УХН отражаются под всеми углами падения. Это связано с тем, что их импульс сравним с оптическим потенциалом материалов. Этот эффект используется для хранения их в бутылках и изучения их фундаментальных свойств. ^[5]^[6] например, время жизни, электродипольный момент нейтрона и т. д. Основными ограничениями использования медленных нейтронов являются низкий поток и отсутствие эффективных оптических устройств (в случае CN и VCN). Для устранения этого недостатка разрабатываются и оптимизируются эффективные нейтронно-оптические компоненты. ^[7]

Резонанс

^{[ нужен пример ]}

без деления Относится к нейтронам, которые очень чувствительны к захвату U-238 .
от 1 до 300 эВ

Средний

^{[ нужен пример ]}

Нейтроны, находящиеся между медленными и быстрыми
От нескольких сотен эВ до 0,5 МэВ.

Быстрый

— Быстрый нейтрон это свободный нейтрон с уровнем кинетической энергии, близким к 1 ( МэВ 100 ТДж ) / кг , следовательно, со скоростью 14 000 км/ с и выше. Их называют быстрыми нейтронами , чтобы отличить их от тепловых нейтронов более низкой энергии и нейтронов высокой энергии, образующихся в космических ливнях или ускорителях.

Быстрые нейтроны производятся в результате ядерных процессов:

В результате ядерного деления образуются нейтроны со средней энергией 2 МэВ (200 ТДж/кг, т.е. 20 000 км/с), что квалифицируется как «быстрое». Однако диапазон нейтронов деления соответствует распределению Максвелла-Больцмана от 0 до примерно 14 МэВ в центре импульса распада, а мода энергии составляет всего 0,75 МэВ, а это означает, что менее половины нейтронов деления квалифицируются как «быстрый» даже по критерию 1 МэВ. ^[8]
Спонтанное деление — это способ радиоактивного распада некоторых тяжелых нуклидов. Примеры включают плутоний-240 и калифорний-252 .
Ядерный синтез : синтез дейтерия и трития производит нейтроны с энергией 14,1 МэВ (1400 ТДж/кг, т.е. 52 000 км/с, 17,3% скорости света ), которые могут легко расщеплять уран-238 и другие неделящиеся актиниды .
Эмиссия нейтронов происходит в ситуациях, когда ядро содержит достаточное количество избыточных нейтронов, так что энергия разделения одного или нескольких нейтронов становится отрицательной (т. е. лишние нейтроны « капают » из ядра). Нестабильные ядра такого типа часто распадаются менее чем за одну секунду.

Быстрые нейтроны обычно нежелательны в стационарном ядерном реакторе, поскольку большая часть делящегося топлива имеет более высокую скорость реакции с тепловыми нейтронами. Быстрые нейтроны могут быстро превращаться в тепловые нейтроны посредством процесса, называемого замедлением. Это делается посредством многочисленных столкновений с (в общем) более медленно движущимися и, следовательно, более низкотемпературными частицами, такими как атомные ядра и другие нейтроны. Эти столкновения обычно ускоряют другую частицу, замедляют нейтрон и рассеивают его. В идеале замедлитель нейтронов для этого процесса используется комнатной температуры. В реакторах тяжелая вода , легкая вода или графит для замедления нейтронов обычно используется .

См. описание для объяснения. Более легкие благородные газы (изображены гелий и неон) имеют гораздо более высокий пик плотности вероятности на низких скоростях, чем более тяжелые благородные газы, но имеют плотность вероятности 0 на большинстве более высоких скоростей. Более тяжелые благородные газы (изображены аргон и ксенон) имеют более низкие пики плотности вероятности, но имеют ненулевую плотность в гораздо более широком диапазоне скоростей. — Диаграмма, показывающая функции плотности вероятности скорости некоторых благородных газов при температуре 298,15 К (25 °С). На странице изображения появится пояснение к метке вертикальной оси (щелкните, чтобы увидеть). Аналогичные распределения скоростей получаются для нейтронов при замедлении .

Сверхбыстрый

^{[ нужен пример ]}

релятивистский
Более 20 МэВ

Другие классификации

Куча

Нейтроны всех энергий присутствуют в ядерных реакторах
От 0,001 эВ до 15 МэВ.

Ультрахолодный

Нейтроны с достаточно низкой энергией, чтобы отразиться и захватиться.
Верхняя граница 335 нэВ

Сравнение реактора на быстрых нейтронах и реактора на тепловых нейтронах

Большинство реакторов деления представляют собой реакторы на тепловых нейтронах , в которых используется замедлитель нейтронов для замедления (« термализации ») нейтронов, образующихся в результате ядерного деления . Замедление существенно увеличивает сечение ядер деления делящихся , таких как уран-235 или плутоний-239 . Кроме того, уран-238 имеет гораздо меньшее сечение захвата тепловых нейтронов, что позволяет большему количеству нейтронов вызывать деление делящихся ядер и распространять цепную реакцию, а не захватываться ²³⁸У. Совокупность этих эффектов позволяет в легководных реакторах использовать низкообогащенный уран . Тяжеловодные реакторы и реакторы с графитовым замедлителем могут даже использовать природный уран, поскольку эти замедлители имеют гораздо более низкие захвата нейтронов сечения , чем легкая вода. ^[9]

Увеличение температуры топлива также увеличивает поглощение тепловых нейтронов урана-238 за счет доплеровского уширения , обеспечивая отрицательную обратную связь , помогающую управлять реактором. Когда теплоносителем является жидкость, которая также способствует замедлению и поглощению (легкая вода или тяжелая вода), кипение теплоносителя приведет к уменьшению плотности замедлителя, что может обеспечить положительную или отрицательную обратную связь (положительный или отрицательный коэффициент пустотности ), в зависимости от того, Реактор недостаточно или перезамедлен.

Нейтроны промежуточных энергий имеют худшие коэффициенты деления/захвата, чем быстрые или тепловые нейтроны для большинства видов топлива. Исключением является уран-233 ториевого цикла , который имеет хорошее соотношение деления/захвата при всех энергиях нейтронов.

Реакторы на быстрых нейтронах используют незамедлительные быстрые нейтроны для поддержания реакции и требуют, чтобы топливо содержало более высокую концентрацию делящегося материала по сравнению с воспроизводящим материалом (ураном-238). Однако быстрые нейтроны имеют лучшее соотношение деления/захвата для многих нуклидов, и каждое быстрое деление высвобождает большее количество нейтронов, поэтому быстрый реактор-размножитель потенциально может «выводить» больше делящегося топлива, чем он потребляет.

Управление быстрым реактором не может зависеть исключительно от доплеровского уширения или отрицательного коэффициента пустотности замедлителя. Однако тепловое расширение самого топлива может привести к быстрой отрицательной обратной связи. Развитие быстрых реакторов, которое всегда считалось волной будущего, практически бездействовало: за десятилетия после чернобыльской аварии было построено лишь несколько реакторов из-за низких цен на урановом рынке , хотя в настоящее время наблюдается оживление в нескольких азиатских странах. планирует завершить создание более крупных прототипов быстрых реакторов в ближайшие несколько лет. ^{[ когда? ]}

См. также

Ссылки

^ де Бройль, Луи. «К теории квантов» (PDF) . aflb.ensmp.fr . Проверено 2 февраля 2019 г.
^ Каррон, Нью-Джерси (2007). Введение в прохождение энергетических частиц через материю . п. 308. Бибкод : 2007ipep.book.....C .
^ «Нейтронная энергия» . www.nuclear-power.net . Проверено 27 января 2019 г.
^ Х. Томита, К. Шода, Дж. Каварабаяши, Т. Мацумото, Дж. Хори, С. Уно, М. Сёдзи, Т. Учида, Н. Фукумотоа и Т. Игучиа, Разработка надтепловой нейтронной камеры на основе резонансной энергии -фильтрованное изображение с помощью GEM , 2012, цитата: «Эпитепловые нейтроны имеют энергию от 1 эВ до 10 кэВ и меньшее ядерное сечение, чем тепловые нейтроны».
^ «Введение» , Ultracold Neutrons , WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–9, 23 сентября 2019 г., doi : 10.1142/9789811212710_0001 , ISBN 978-981-12-1270-3 , S2CID 243745548 , получено 11 ноября 2022 г.
^ Дженке, Тобиас; Босина, Иоахим; Мико, Якоб; Питшманн, Марио; Седмик, Рене; Абеле, Хартмут (01 июня 2021 г.). «Гравитационная резонансная спектроскопия и симметронные поля темной энергии» . Специальные темы Европейского физического журнала . 230 (4): 1131–1136. arXiv : 2012.07472 . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN 1951-6401 . S2CID 229156429 .
^ Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. Бибкод : 2022SPIE12151E..09H . дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .
^ Бирн, Дж. Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5 (пбк.), с. 259.
^ Немного физики урана. По состоянию на 7 марта 2009 г.

Внешние ссылки

Язык ядра

[debroglie-1] де Бройль, Луи. «К теории квантов» (PDF) . aflb.ensmp.fr . Проверено 2 февраля 2019 г.

[2] Каррон, Нью-Джерси (2007). Введение в прохождение энергетических частиц через материю . п. 308. Бибкод : 2007ipep.book.....C .

[neutronenergy-3] «Нейтронная энергия» . www.nuclear-power.net . Проверено 27 января 2019 г.

[4] Х. Томита, К. Шода, Дж. Каварабаяши, Т. Мацумото, Дж. Хори, С. Уно, М. Сёдзи, Т. Учида, Н. Фукумотоа и Т. Игучиа, Разработка надтепловой нейтронной камеры на основе резонансной энергии -фильтрованное изображение с помощью GEM , 2012, цитата: «Эпитепловые нейтроны имеют энергию от 1 эВ до 10 кэВ и меньшее ядерное сечение, чем тепловые нейтроны».

[5] «Введение» , Ultracold Neutrons , WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–9, 23 сентября 2019 г., doi : 10.1142/9789811212710_0001 , ISBN 978-981-12-1270-3 , S2CID 243745548 , получено 11 ноября 2022 г.

[6] Дженке, Тобиас; Босина, Иоахим; Мико, Якоб; Питшманн, Марио; Седмик, Рене; Абеле, Хартмут (01 июня 2021 г.). «Гравитационная резонансная спектроскопия и симметронные поля темной энергии» . Специальные темы Европейского физического журнала . 230 (4): 1131–1136. arXiv : 2012.07472 . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN 1951-6401 . S2CID 229156429 .

[7] Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. Бибкод : 2022SPIE12151E..09H . дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .

[8] Бирн, Дж. Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5 (пбк.), с. 259.

[9] Немного физики урана. По состоянию на 7 марта 2009 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]