Взаимодействие нейтронов с ядрами

Реакция радиационного захвата нейтрона (n,g) протекает по следующей схеме:

.

(4.9.15)

(Далее для краткости записи опускаем составное ядро). Являясь экзоэнргетической реакцией, идет на всех ядрах (за исключением ³Н и ⁴Не), начиная с ядра ¹Н и заканчивая ядром ²³⁸U. Сечение для тепловых нейтронов в зависимости от нуклида варьируется в широких пределах от 0,1 до 10³ ¸ 10⁶ барн, для быстрых – от 0,1 до несколько барн.

Реакция

(4.9.16)

имеет очень большое сечение в тепловой области, достигающее в резонансе (Т_n = 0,17 эВ) величины 20000 барн (рис. 4.9.2). Характерная «ступенька» вблизи энергии Т_n ≈ 0,4 эВ для зависимости σ_nγ(Т_n) используется для разделения потока нейтронов на две энергетические группы – с энергией большей 0,4 эВ, нейтроны которой носит название надкадмиевых нейтронов, и с энергией меньше 0,4 эВ, нейтроны которой называются подкадмиевыми.

Реакция

(4.9.17)

имеет одно из рекордных сечений в тепловой области, равное 3,5×10⁶ барн (резонанс при энергии 0,084 эВ). Зависимость сечение σ_nγ(Т_n) имеет вид такой же ступеньки при Т_n ≈ 0,2 эВ, как и для реакции (4.9.16). ¹³⁵Хе является β^--активным нуклидом и образуется в результате β^--распада осколка деления ¹³⁵I. Огромная величина сечения поглощения тепловых нейтронов и большой выход (6,34 %) ¹³⁵I относительно других осколков деления приводят к т.н. ксеноновому отравлению ядерного реактора и неустойчивой работе реактора из-за появления ксеноновых волн.

Испускание γ-кванта при захвате нейтрона ядром ²³⁵U

(4.9.18)

имеет вероятность около 20 %, уменьшая тем самым вероятность деления составного ядра ²³⁶U до 80 %.

Реакция

(4.9.19)

имеет сечение в тепловой области около 2,8 барн и вызывает захват большой доли нейтронов, участвующих в цепной реакции деления, так как в реакторах на тепловых нейтронах содержание ²³⁸U составляет 95 ÷ 97 % состава смеси нуклидов ²³⁸U и ²³⁵U. В то же время она определяет процесс преобразования сырьвого нуклида ²³⁸U в делящийся нуклид ²³⁸Рu (см. главу 5).

Образующиеся в реакции (n,g) ядра, как правило, оказываются b^--активными, т.к. они смещаются с дорожки стабильности в область β^--радиоактивных ядер (см. рис. 1.1.2). Поэтому реакции (n,g) часто служат причиной активации (см. §3.3). Примером сильноактивируемого вещества может служить натрий, который используется в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах:

(4.9.20)

В реакции образуется b^--активный ²⁴Na с Т_1/2= 15 ч. Процесс b^--распада сопровождается испусканием g-квантов с энергией 2,76 МэВ. По этой причине, в реакторах на быстрых нейтронах с натрием в качестве теплоносителя используется двухконтурная схема.

Вода, которая применяется как замедлитель и теплоноситель в реакторах на тепловых нейтронах, не активируется, так как в результате захвата нейтронов образуются ядра и , которые являются стабильными ядрами. Активируются обычно примеси, попадающие в теплоноситель со стенок трубопроводов.

Активация нейтронами серебра и, особенно, родия

(4.9.21)

широко используется в детекторах прямого заряда (ДПЗ), предназначенных для контроля плотности потока нейтронов в активной зоне ядерных реакторов. Измеряется ток β^--частиц, которые возникают в нижней ветви реакции (4.9.21).

Реакции с образованием протонов, (n,р) - реакции:

.

(4.9.22)

Захват нейтрона и последующий выброс протона приводят к тому, что образующееся дочернее ядро имеет избыток нейтронов и смещается с дорожки стабильности (см. рис. 1.1.2) в область β^-­радиоактивных ядер.

Реакция

(4.9.23)

применяется для регистрации нейтронов в счетчиках, наполненных ³Не. Сечение для тепловых нейтроновσ_np = 5400 барн.

Реакция

(4.9.24)

имеет сечение на тепловых нейтронах_. σ_np = 1,75 барн. Применяется для получения очень важного в методе меченых атомов β^-активного нуклида ¹⁴С (Т_1/2 = 5730 лет), а также для регистрации нейтронов с помощью фотоэмульсий, содержащих ¹⁴N. Вторичные нейтроны космического излучения вызывают реакцию (4.9.24) на границе тропосферы и атмосферы и образование радиоуглерода ¹⁴С. Радиоуглерод используется в археологии для определения возраста древних органических останков (см. §3.1).

Реакции с образованием a-частиц, (n,a) - реакции:

.

(4.9.25)

Реакция

+2,79 МэВ

(4.9.26)

имеет сечение на тепловых нейтронах s_nα = 3840 барн и широко применяется для регистрации тепловых нейтронов в различных борных счетчиках и ионизационных камерах.

Для этой же цели используется экзоэнергетическая реакция (4.7.2)

,

(4.9.27)

имеющая сечение на тепловых нейтронах_. s_nα = 945 барн.

Реакции (n,2n). Являются эндоэнергетическими и имеют порог, примерно равный 10 МэВ, за исключением реакции

(4.9.28)

с порогом ~ 2 МэВ. Сечение ~ 0,1 барн.

Реакция деления тяжелых ядер (U, Th , Рu и др.) нейтронами различных энергий,(n, f) – реакция:

.

(4.9.29)

Тяжелый осколок обозначен индексом «т», индексом «л» - легкий, а буквой n - число нейтронов, возникающих в процессе деления. Эта реакция представляет собой основу ядерной энергетики и будет рассмотрена более подробно в главе 5.

Упругое рассеяние (n,n) нейтронов не изменяет состояния ядра. В процессе упругого рассеяния сохраняется кинетическая энергия нейтрона в СЦИ, а в ЛСК сохраняется суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра. Упругое рассеяние может осуществляться посредством двух различных механизмов. В первом случае образуется составное ядро, которое распадается с испусканием нейтрона. Как указывалось выше, этот процесс носит название резонансного рассеяния. Рассеяние без образования составного ядра происходит на ядерном потенциале и называется потенциальным рассеянием. Вероятность реализации одного из двух механизмов зависит от соотношения между естественной шириной Г уровня и расстоянием D между соседними уровнями (см. рис.1.7.1). Кроме того, вылет нейтрона при резонансном рассеянии происходит из составного ядра, для образования которого необходимо строгое выполнение энергетических и спиновых соотношений (см. §4.2). Если же кинетическая энергия нейтрона меньше той, которая необходима для образования составного ядра в первом возбужденном состоянии, то образование составного ядра вообще невозможно, и будет наблюдаться только потенциальное рассеяние.

Ядра отдачи, возникающие при упругом рассеянии быстрых нейтронов на легких ядрах, могут использоваться для регистрации нейтронов и измерения их кинетической энергии.

Упругое рассеяние является основным процессом замедления нейтронов при распространении нейтронов в веществе и играет исключительную роль в ядерных реакторах.

Неупругое рассеяние (n,n´) нейтронов происходит в том случае, когда кинетическая энергия (в СЦИ) вылетающего из составного ядра нейтрона меньше кинетической энергии первичного нейтрона и конечное ядро образуется в возбужденном состоянии. Процесс неупругого рассеяния нейтрона может быть схематически представлен в следующем виде:

(4.9.30)

Для реализации этого процесса нейтрон должен иметь кинетическую энергию, достаточную для образования составного ядра во втором, третьем и т.д. возбужденных состояниях. Неупругое рассеяние при сравнительно небольших энергиях нейтронов (порядка нескольких сотен кэВ) может наблюдаться у тяжелых ядер и зависит от расположения уровней возбужденных состояний конкретного ядра.