Материал: Пустынский Л.Н. Конспект лекций по Ядерной физике
ятность рассеяния нейтронов от угла рассеяния имеет ярко выраженную картину дифракции с главным максимумом при = 0° и побочными при порядка нескольких десятков градусов.
Быстрые нейтроны после их рождения при делении ядер могут быть использованы в ядерном оружии или в реакторах на быстрых нейтронах.
4. Взаимодействие нейтронов с ядрами
Реакция радиационного захвата нейтрона (n, ) протекает по сле-
дующей схеме:
n + (A, Z) → (A + 1,
(Далее для краткости записи
барн |
104 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
103 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
102 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σ, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
101 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-3 |
10-2 |
10-1 100 101 102 103 |
||||||||
|
|
|
Энергия нейтронов, эВ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.9.2 |
|||||
Реакция
Z)* → (A + 1, Z) + γ . |
(4.9.15) |
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.
n + |
113 |
Cd → |
114 |
|
|
|
48 |
Cd + γ |
(4.9.16) |
||
|
48 |
|
|||
имеет очень большое сечение в тепловой области, достигающее в резонансе (Тn = 0,17 эВ) величины 20000 барн (рис. 4.9.2). Характер-
ная «ступенька» вблизи энергии Тn ≈ 0,4 эВ для зависимости σnγ(Тn) 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
186
n + |
135 |
Xe → |
136 |
Xe + γ |
|
54 |
54 |
||||
|
|
|
(4.9.17)
имеет одно из рекордных сечений в тепловой области, равное 3,5 106 барн (резонанс при энергии 0,084 эВ). Зависимость сечение σnγ(Тn)
имеет вид такой же ступеньки при Тn ≈ 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
n + |
235 |
236 |
* |
236 |
(4.9.18) |
92U → 92 U |
|
→ 92 U + γ |
|||
имеет вероятность около 20 %, уменьшая тем самым вероятность деления составного ядра 236U до 80 %.
Реакция
n + 23892U → 23929U + γ |
(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, ) ядра, как правило, оказываются -- активными, т.к. они смещаются с дорожки стабильности в область β- -радиоактивных ядер (см. рис. 1.1.2). Поэтому реакции (n, ) часто служат причиной активации (см. §3.3). Примером сильноактивируемого вещества может служить натрий, который используется в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах:
187
23 |
24 |
Na + γ |
(4.9.20) |
n +11 |
Na →11 |
||
В реакции образуется --активный 24Na с Т1/2= 15 |
ч. Процесс -- |
||
распада сопровождается испусканием -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 резуль-
тате захвата нейтронов образуются ядра |
2 |
H |
и |
17 |
O , которые явля- |
1 |
8 |
ются стабильными ядрами. Активируются обычно примеси, попадающие в теплоноситель со стенок трубопроводов.
|
|
|
|
|
104 |
|
|
|
|
Активация нейтронами серебра и, особенно, родия |
|||||||||
103 |
104 |
* |
|
Rh + |
γ, |
||||
45 |
|
|
|
||||||
n+ |
45 |
Rh→ |
45 |
Rh |
|
- |
|
104 |
~ |
|
|
|
β |
+ |
|||||
|
|
|
|
|
|
46 |
Pd + |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.9.21) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
широко используется в детекторах прямого заряда (ДПЗ), предна-
значенных для контроля плотности потока нейтронов в активной зоне ядерных реакторов. Измеряется ток β--частиц, которые возни-
кают в нижней ветви реакции (4.9.21). |
|
Реакции с образованием протонов, (n,р) - реакции: |
|
n + (A, Z) → (A, Z −1) + p . |
(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 |
|
|
|
n +3 |
He →3 |
H + p |
(4.9.23) |
2 |
1 |
|
|
применяется для регистрации нейтронов в счетчиках, наполненных 3Не. Сечение для тепловых нейтронов σnp = 5400 барн.
Реакция
188
n + 147 N → 146 C + p |
(4.9.24) |
имеет сечение на тепловых нейтронах. σnp = 1,75 барн. Применяется для получения очень важного в методе меченых атомов β- активного нуклида 14С (Т1/2 = 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 -частиц, (n, ) - реакции:
n + (A, Z) → (A − 3, Z − 2) + (4,2) . |
(4.9.25) |
|||
Реакция |
|
|
|
|
10 |
7 |
4 |
+2,79 МэВ |
(4.9.26) |
n +5 |
B →3 Li + 2 He |
|||
имеет сечение на тепловых нейтронах 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)
6 |
3 |
4 |
(4.9.27) |
n + 3Li → 1H+ 2Не , |
|||
имеющая сечение на тепловых нейтронах. nα = 945 барн. Реакции (n,2n). Являются эндоэнергетическими и имеют порог,
примерно равный 10 МэВ, за исключением реакции
n +94 Be → 224 He + 2n |
(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:
n + (A, Z) → (A +1, Z)* → (A
Тяжелый осколок обозначен
т |
, Z |
т |
) + (A |
л |
|
|
индексом
189
, Z л ) + νn . |
(4.9.29) |
«т», индексом «л» - лег-
кий, а буквой - 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
190