Замедление и диффузия нейтронов.
За время существования нейтрона с момента испускания при давлении до момента поглощения проходят 2 процесса:
1).процесс замедления быстрого нейтрона от энергии деления(~2 Мэв) до тепловой энергии(<0,2эв)(0,025эв);
2).процесс диффузии теплового нейтрона.
Время существования нейтрона ~0,001сек и зависит от состава активной зоны.
Нейтроны подобно газам диффундируют из области с большей плотностью в область с меньшей плотностью.
Между столкновениями- прямой участок. Типичная траектория- зигзагообразный вид из прямолинейных отрезков разной длины.
Если бы отсутствовал нейтронный захват- траектория бесконечна. После рассеивающего соударения движется по направлению, образующему угол ψ с первоначальным направлением движения.
Угол ψ-у рассеяния. Важно для изучения диффузии и замедления, какова вероятность рассеяния в любом направлении. Экспериментально установлено, что имеет тенденцию к рассеянию в направлении своего первоначального движения.
Если бы рассеяние происходило с одинаковой вероятностью во все стороны (изотропное рассеяние), то значение const, осредненное по всем столкновениям было бы =0.
В действительности же средний cos ψ >0 (нуля) и определяется равенством cos ψ= ,
где А-массовое число рассеивающего ядра.
.
Элемент | H | D | He | Li | Be | C | O2 | Na | U |
Масс. Число | |||||||||
cos ψ | 0.667 | 0.333 | 0.167 | 0.0954 | 0.0743 | 0.0356 | 0.0417 | 0.029 | 0.0028 |
Начиная с бериллия, отклонение почти изотропно. При изотропном рассеянии среднее расстояние, проходимое между рассеивающими соударениями равно
В действительности же эффективное расстояние больше, чем средняя длина свободного пробега λs, вследствие преимущественного рассеяния вперед. Это расстояние назавают транспортной длиной свободного пробега:
По аналогии с е вводится также понятие о транспортном сечении
Т.к. в качестве замедлителя в ядерных реакторах используют легкие элементы, то процесс замедления быстрых нейтронов происходит в основном в результате упругого рассеяния .
Потеря энергии при соударении зависит от ψ. При ψ=0 Е2/Е1=1. Наибольшая потеря Е при столкновения происходят при ψ= 0-π. При прочих равных условиях замедлитель тем эффективнее, чем больше энергии будет терять быстрый деления
при столкновении с ядрами замедлителя.
В качестве меры изменения энергии нейтрона при упругом столкновении испускается средний логарифмический декремент энергии на 1 столкновение(или средняя логарифмическая потеря энергии):
ξ=(ln Е2/Е1 )ср,
Е1- до столкновения
Е2- после столкновения
Усредненная по всевозможным углам рассеяния величина ξ зависит только от атомного веса элемента А:
т.е ξ не зависит от начальной энергии .
Это значит, что в среднем теряет одну и ту же долю своей первоначальной энергии независимо от того, при какой начальной энергии нейтрона произошло столкновение.
Высота ступенек говорит о изменении ln Е приходяшиеся на 1 столкновение, т.е. определяет ξ.,т.к. ξ не зависит от Е, то в среднем высота ступенек одинакова в течение всего времени замедления.
Среднее число столкновений с атомами вещества, необходимое для уменьшения энергии от Е1 до Е2 определяется соотношением
Физически-с увеличением ξ. Увеличивается потеря Е на 1 атом, а значит, уменьшается среднее число столкновений необходимых для снижения Е=2Мэв до 0,025эв.
С растет с увеличением массового числа ядер замедлителя(на воде требуется 19 столкновений, а на графите-114). Чем меньше С, тем лучше замедлитель. Однако и С,и ξ не достаточно полно отражают замедлительные свойства вещества. Они определяются средней потерей энергии на 1 столкновение, но не отражают того, на сколько вероятно рассеивающее столкновение нейтрона с ядрами данного замедлителя. Последнее определяется макроскопическим поперечным сечением рассеяния.
Σs= σs∙N,
где σs- микроскопическое сечение;
N-плотность ядер замедлителя
Поэтому в качестве более подходящей характеристики замедляющих свойств вводится произведение:
ξΣs, называемое замедляющей способностью, т.к. оно характеризуется и потерей Е(ξ), и вероятностью того ,что произойдет столкновение. При выборе замедлителя приходится считаться с тем важным требованием, чтобы он возможно меньше поглощал нейтроны. Поэтому вводится к-т замедлитель:
Для замедлителя ядерных реакторов могут использоваться только такие вещества, которые одновременно обладают высокими значениями кз и замедляющей способностью ξΣs. Такими материалами являются обычная вода, тяжелая вода, графит, бериллий, окись бериллия и некоторые органические жидкости. Наилучший- тяжелая вода. В обычной воде кз наименьшее из-за повышенного захвата тепловых нейтронов в водороде.
вещество | ξ. | С | кз | σа | σs | ||||
Вода | 0,918 | 1,53 | 0,66 | 0,0218 | 1,45 | 2,7 | |||
Тяжелая вода | 0,51 | 0,37 | 2,6∙10-3 | 0,86∙10-4 | 0,50 | ||||
Бериллий | 0,207 | 0,176 | 9∙10-3 | 10,8∙10-4 | 0,84 | ||||
Окись бериллия | 0,174 | 0,129 | 9∙10-3 | 11,2 | 6,5∙10-4 | 0,81 | |||
Дифения | 0,892 | 1,5 | 4∙10-3 | 4,8 | 3,32∙10-4 | 0,998 | |||
Дифениальная смесь | 0,886 | 1,61 | 117,5 | ||||||
Графит | 0,158 | 0,064 | 4∙10-3 | 4,8 | 3,32∙10-4 | 0,998 | |||
Гелий в нормальном состоянии | 0,525 | 1,6∙10-5 | |||||||
Литий | 0,268 | 0,0172 | Ничтожно малы | ||||||
Бор | 0,171 | 0,0875 |
В процессе замедления помимо изменения энергии, имеет место смещение нейтрона в пространстве от точки его испускания до точки , где он становится тепловым. Смещение в пространстве продолжается и в процессе диффузии ,достигшего теплового уровня.
Средняя величина расстояния по прямой, проходимого нейтроном в процессе замедления и диффузии, оказывает непосредственное влияние на критические размеры реактора, т.к. это величина определяет вероятность утечки нейтронов из активной зоны.
Для оценки смещения в пространстве в процессе замедления вводится параметр, называемый символическим возрастом нейтронов(или возрастом по Ферми или просто возрастом) и определяется как чистая часть осредненного(по многим нейтронам) квадрата расстояния по прямой, на которое смещается нейтрон в процессе замедления от энергии деления до некоторой энергии Е. В теории тепловых ядерных реакторов особый интерес имеет возраст тепловых нейтронов τ:
Возраст определяется не временем, а см2 ,поэтому и называется символическим, но он естественно, связан со временем существования нейтрона от рождения до полууровня.
Длина замедления .
Т.к. возраст- мера смещения, то он влияет на вероятность утечки нейтронов в процессе замедления. Чем он больше, тем больше
вероятность утечки. Обычно возраст определяется практически из-за ступенчатого изменения Е в процессе замедления.
Приближенно:
см2
Смещение в процессе диффузии после достижения им теплового уровня оценивается в теории реакторов длиной диффузии L.
,см
Значения λтр для различных веществ мало отличается (наим. для воды λтр=0,43см, наиб. Для углерода λтр=2,7см ). λа меняется от 45,1см для Н2О до 2,65∙104см(D2О). Чем меньше λа (т.е.чем больше макроскопическое сечение поглощения ), тем меньше расстояние пробегает тепловой из реактора.
Мерой полного смещения нейтрона от места рождения до места захвата является площадь миграции.
М2= L2+ r, см2
Длина миграции:
r,см
Замедлитель | L,см | r,см | М2, см2 |
Н2О | 2,72 | 38,4 | |
D2O (0,16% Н2О) | |||
Ве (ρ=1,85 г/см3) | 97,2 | ||
ВеО (ρ=2,69 г/см3) | |||
С (ρ=1,67 г/см3) |
Дата добавления: 2017-01-08; просмотров: 2617;