Основы теории переноса нейтронов

1.2.1Ядерные реакции. Виды нейтронных реакций

Ядерными реакциями называется изменение ядра в результате взаимодействия между ядрами (или ядром и частицами), в том числе спонтанный распад ядра.

Стандартная запись ядерной реакции

или

Ядерные реакции подразделяются на:

- идущие с образованием промежуточного, составного или компаунд-ядра;

- прямые взаимодействия (при больших энергиях бомбардирующих частиц или при их касательном проходе идет взаимодействие только с периферийными нуклонами ядра-мишени, потенциальное рассеяние).

Нейтронные реакции - это процесс и результат взаимодействия свободных нейтронов с атомными ядрами.

Нейтроны, входящие в состав атомных ядер, называют связанными, в отличие от нейтронов, перемещающихся в объёме среды вне ядер атомов, которые называют свободными. Свободные нейтроны, сталкиваясь в процессе своего пространственного перемещения с ядрами атомов среды и взаимодействуя с последними, вызывают различного рода нейтронные реакции.

Лёгкая осуществимость подавляющего большинства нейтронных реакций обусловлена электронейтральностью нейтронов, благодаря которой они имеют возможность легко преодолевать энергетический барьер электростатического поля заряженного ядра, попадать в сферу действия его ядерного притяжения и взаимодействовать с нуклонами ядра, вызывая его кардинальную перестройку. Это и составляет суть нейтронных ядерных реакций.

Протекание той или иной ядерной реакции зависит от попадания нейтрона в сферу действия ядерных сил, связанную с эффективным микросечением реакции данного вида s.

Под воздействием частиц с веществом в реакторной физике понимают их столкновение с ядрами вещества. Вероятность реакции частицы с ядром (будем рассматривать, в основном, только нейтрон-ядерные взаимодействия) характеризуется величиной, называемой микроскопическим сечением (или эффективным сечение, или просто сечение) данной реакции.

Единицей измерения микросечения в системе СИ является м², но чаще пользуются внесистемной единицей – барн: [s] = 1 б = 10^-24 см². Величина микросечения зависит от энергии нейтрона и свойств ядра.

Микросечение имеет простую геометрическую трактовку – это площадь поперечного сечения некоторой пространственной области взаимодействия нейтрона с ядром.

Сечение часто определяется геометрическим размером ядра πR²_ядра ≈ 2 б, где радиус ядра с хорошей точностью , где А – масса атома [а.е.м.]. Зависимость сечения от энергии нейтрона приобретает резонансный характер.

Для нейтронов малых энергий для многих элементов сечение мало и лежит в пределах до 10 б (исключения есть, например, водород в несвязанном состоянии – 20 б). С ростом энергии нейтронов поперечные сечения несколько уменьшаются и стремятся к значению геометрического размера ядра πR²_ядра ≈ 2 б.

В итоге, вероятность образования составного ядра S есть произведение вероятностей протекания трех следующих последовательных процессов:

1) вероятности А попадания нейтрона в сферу действия ядерных сил, связанную с эффективным микросечением реакции данного вида s;

2) вероятности проникновения нейтрона сквозь потенциальный барьер внутрь ядра W;

3) вероятности захвата ядром нейтрона Р.

Характерная особенность реакций под действием заряженных частиц – наличие кулоновского барьера, препятствующего как влету, так и вылету частицы. Кроме прохода частицы сквозь потенциальный барьер, возможны подбарьерная реакция (туннелирование) и надбарьерное отражение.

Туннелирование – вероятностный процесс прохождения частицы сквозь препятствие без изменения её параметров, даже если энергии частицы недостаточно для этого (как будто частица прошла под препятствием по воображаемому туннелю). Вероятность этого процесса тем меньше, чем больше высота барьера и его ширина и чем меньше энергия налетающей частицы.

Надбарьерное отражение – вероятностный процесс отражения частицы от препятствия (барьера), даже если энергии частицы предостаточно для его преодоления.

Сечение зависит от сорта ядра и энергии налетающего нейтрона. В зависимости от типа взаимодействия сечения обозначают так: σ_а (absorption) – сечение поглощения, σ_с (cepture) – сечение радиационного захвата (n,γ), σ_el (elastic) – сечение упругого рассеяния (n,n), σ_in (inelastic) – сечение неупругого рассеяния (n,n`), σ_s (scattering) – сечение рассеяния, σ_f (fission) – сечение деления (n,f), σ_t (total) - полное сечение.

Сечение рассеяния. К рассеянию относятся все те взаимодействия нейтрона с ядром, в результате которых образуются нейтрон и ядро, отличающиеся от первоначального только энергией (кинетической или внутренней). Рассеяние бывает двух видов:

- упругое рассеяние (s_s ) – в результате реакции образуется нейтрон и ядро отдачи с той же внутренней энергией, что и в начальный момент;

- неупругое рассеяние (s_in ) – в результате реакции образуется нейтрон и ядро отдачи с более высокой внутренней энергией.

Сечение рассеяния есть сумма сечений упругого и неупругого рассеяния:

σ_s = σ_el + σ_in

Сечение поглощения. Поглощение включает все те взаимодействия нейтрона с ядром, результатом которых не являются первоначальное ядро и нейтрон. К поглощению относятся следующие процессы:

- захват нейтрона – поглощение нейтрона без деления, например, радиационный захват (n, g), реакции с образованием заряженных частиц (n, a), (n, r) и т.д. (s_а );

- деление (s_f ).

Поэтому фактически это захват с делением и радиационный захват:

σ_а = σ_f + σ_с

Полное сечение есть сумма сечений всех процессов:

σ_t = σ_а + σ_s

Изотопные источники нейтронов – устройства, в которых идут ядерные реакции с образованием нейтронов. При этом излучение, испускаемое радионуклидом (например, α-частицы) вступает в ядерную реакцию со специально подобранным веществом (например, бериллием), в результате которой образуются нейтроны .

Наиболее известными ампульными источниками являются радиево-бериллиевый и полониево-бериллиевый. Полоний-210 – это практически чистый a-излучатель с энергией 5,3 МэВ и периодом полураспада 138,4 сут.

В настоящее время самыми распространёнными нейтронными источниками являются Pu-239-Be источники. Они не имеют недостатков полоний-бериллиевых и радий-бериллиевых источников, которые остались в прошлом.