Нейтронные реакции. Свойства нейтронов, способы их получения
Реакции под действием нейтронов в настоящее время имеют огромное практическое значение, так как на них основана ядерная энергетика и ядерное оружие. Не менее важно и то, что нейтрон является уникальным средством исследования атомного ядра, и с его открытием началась новая эра в истории ядерной физики. Нейтрон был открыт в 1932 г. Чедвиком, учеником и сотрудником Резерфорда. Интересно, что предположение о существовании нейтрона было высказано Резерфордом еще в 1920 г. в его бейкеровской лекции и описаны его основные свойства. Тогда же им было предложено и его название. В начале 1930 г. было установлено, что при бомбардировке (-частицами бериллия (входной канал реакции (4.6.9)) возникает сильно проникающее излучение, которому, если предположить что это γ-излучение, следовало приписать энергию Еγ ≈ 50 МэВ по экспериментально наблюдаемым кинетическим энергиям ядер отдачи и ослаблению излучения в свинце. Такую большую энергию нельзя было согласовать с энергетическим балансом реакции. Чеддвик (1932 г.) поставил опыты, которые позволили хорошо объяснить свойства загадочного излучения, если предположить, что оно представляет собой нейтральные частицы с массой покоя, примерно равной массе протона (см. ниже). Как уже было отмечено, нейтрон является (-активной частицей с периодом полураспада 10,25 мин (τ = 887,6 ± 5 с, 1989 г.). Поэтому в свободном состоянии нейтроны в природе практически отсутствуют, если не считать небольшого количества, рождающегося под действием космических лучей. Электрический заряд нейтрона с огромной точностью (~ 1020 е) равен нулю. Отличие от нуля магнитного момента нейтрона свидетельствует о его внутренней структуре. Для получения нейтронов используют различные реакции. Широко применяется на практике в нейтронных источниках реакция . Для приготовления таких источников подходящее (-активное вещество (Ra, Рo, Рu) смешивается с Be9 и помещается в небольшой (~ 1 cм) герметичный металлический контейнер. Радиоактивные источники нейтронов такого типа имеют сплошной энергетический спектр в диапазоне ~ 1 – 10 МэВ. Для получения монохроматических нейтронов часто используют реакции (4.6.20) (Тn = 2,5 МэВ) и (4.6.21) (Тn = 14 МэВ). В относительно низковольтных ускорителях дейтонов - нейтронных генераторах - (0,1 - 0,3 МэВ) мишень изготавливают из металла, хорошо поглощающего водород, чаще всего из титана Ti или циркония Zr. Мишени из TiT, ZrT или TiD, ZrD бомбардируют дейтонами, что дает возможность получать потоки нейтронов интенсивностью ~ 1010 – 1012 н/с с энергией нейтронов 2,5 - или 14-МэВ. Для получения нейтронов используются и другие реакции, например (энергии указаны вблизи порога реакций): p + 3H → 3He + n, En = 60 кэВ, p + 7Li → 7Be + n, En = 30 кэВ; (4.9.1) фотоядерные реакции, например: Еn = 200 кэВ, , En = 110 кэВ. (4.9.2) С помощью фотонейтронных источников можно получать почти монохроматические нейтроны с энергиями ~ 0,1 ÷ 1 МэВ. В последнее время находят применение нейтронные источники, использующие спонтанное деление трансурановых (то есть тяжелее урана) элементов. Наибольшее применение нашел изотоп калифорния , обладающий большим удельным потоком нейтронов ~ 2,5(106 нейтронов в секунду на 1 мкг . Спектр нейтронов источника - сплошной, с максимумом при энергии нейтронов около 1 МэВ, соответствует спектру деления тяжелых ядер, и описывается формулой: . (4.9.2)3 Мощным источником нейтронов является ядерный реактор. Через поверхность активной зоны реактора проходит до 1017 – 1018 нейтронов в секунду. В центре активной зоны наиболее высокоинтенсивных реакторов плотность потока нейтронов может достигать ~ 1015 (см2 с)-1. Для увеличения числа тепловых нейтронов (то есть нейтронов, имеющих энергию, близкую к Тn = 0,025 эВ, соответствующую комнатной температуре) используют тепловые колонны - большие блоки из замедлителя, чаще всего из графита. Ядерный взрыв как источник нейтронов может обеспечить очень большие импульсные потоки нейтронов. В реакции деления при взрыве образуется 2(1023 нейтронов на 1 кт тротилового эквивалента (количества обычного взрывчатого вещества, эквивалентное по энергии взрыва). При термоядерном взрыве образуется примерно в 10 раз больше нейтронов. Ядерный взрыв, образующий 1024 нейтронов, на расстоянии 100 м создает интегральный по времени поток нейтронов (флюэнс) ~ 1010 см-2. Электронные ускорители как источники нейтронов используются в качестве генераторов тормозного излучения с последующим образованием нейтронов в ((,n) реакциях (§4.8). Обычно используются мишени из тяжелых элементов (W,U). При облучении тяжелыми заряженными частицами нейтроны можно получать из любой мишени при достаточной (> 10 MэB) энергии частиц (р,(,d). При этом, вследствие малой высоты кулоновского барьера большой выход можно получить на мишенях из легких ядер (D,Li,Be). Масса нейтрона может быть определена различными способами. Первое определение массы нейтрона mn было сделано Чедвиком. Схема опыта такова: Нейтроны, образующиеся в реакции (4.6.9). направлялись в ионизационную камеру, которая поочередно наполнялась водородом и азотом. Измерялась максимальная кинетическая энергия ядер отдачи, образующихся при столкновении нейтронов с ядрами водорода или с ядрами азота в рабочем объеме ионизационной камеры. Законы сохранения энергии и импульса для упругого рассеяния с передачей покоящемуся в ЛСК ядру отдачи максимальной кинетической энергии записываются следующим образом: mnv2/2 = mn(v’) 2 /2 + MV2/2, mnv2/2 = MV - mnv’, (4.9.3) где mn, v и v’- масса нейтрона и его скорости до и после столкновения; M и V – масса ядра отдачи и его скорость после столкновения. Отсюда: 2v = V(1 + M/mn). (4.9.4) Так как в обоих опытах скорость нейтронов до соударения оставалась одной и той же, то V(1H)·(1 + M(1H)/mn) = V(14N)·(1 + M(14N)/mn). (4.9.5) Учитывая связь скорости ядра отдачи с его кинетической энергией V = , (4.9.6) из последних двух уравнений получим, что (1 + M(1H)/mn)/(1 + M(14N)/mn) = = . (4.9.7) Этот метод позволил определить лишь, что масса нейтрона примерно равна массе протона. Точное значение mn можно найти из энергетического баланса ядерных реакций с участием нейтрона. Один из наиболее точных методов основан на использовании реакции фоторасщепления дейтона (4.9.8)
Если протон неподвижен, то закон сохранения для этой реакции: (4.9.9) При Тn ( 0 (например, тепловые нейтроны, с энергией Т = 0,025 эВ) кинетической энергией нейтронов можно пренебречь, кинетической энергией дейтона тоже, а энергия (-квантов будет равна с большой точностью энергии связи дейтона (d, то есть (4.9.9) Массы дейтона и протона md и mp измеряются с помощью масс-спектрометра, а (d = E( гамма-спектрометрическими методами. Наиболее точное значение массы нейтрона равно (1988 г.): mn = 939,27231 (28) МэВ. В скобках указана ошибка в двух последних цифрах.
Свойства нейтронов различных энергий Проходя сквозь различные вещества, нейтроны могут вступать с ядрами в различные ядерные реакции или испытывать на ядрах упругое или неупругое рассеяние. Сечения всех этих процессов сильно зависят от энергии нейтронов и от сорта ядер. Удобно различать следующие энергетические группы нейтронов: холодные Тn < 0,025 эВ, тепловые Тn = 0,025 ( 0,5 эВ, резонансные Тn = 0,5 ( 1 кэВ, промежуточные Тn = 1 ( 100 кэВ, быстрые Тn = 100 ( 14 МэВ. Границы между этими областями условны. У холодных нейтронов очень велико сечение захвата ядрами (в соответствии с «законом 1/vn», где vn - скорость нейтронов). Для тепловых нейтронов энергия Тn = 0,025 эВ соответствует комнатной температуре Т = 290 К и скорости нейтронов vn = 2200 м/с. Эти величины часто используются в качестве стандартных для тепловых нейтронов. В ядерном реакторе температура существенно выше комнатной и поэтому к тепловым нейтронам относят обычно нейтроны с энергиями до ~ 0,5 эВ. Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами, в том числе и приводящие к делению, в этой области также достаточно велики. Поэтому тепловые нейтроны находят широкое применение в ядерной энергетике. Область резонансных нейтронов называется так потому, что в этой области для средних и тяжелых ядер сечения имеют обычно много тесно расположенных резонансов. В качестве примера на рис. 4.9.1 показана зависимость сечения деления 235U нейтронами от энергии последних. В промежуточной области (иногда в эту область включают и резонансные нейтроны) сечения в среднем падают с ростом энергии нейтронов. В быстрой области сечения взаимодействия с ядрами существенно меньше, чем в тепловой. Значение быстрых нейтронов в ядерной энергетике определяется тем, что при делении ядер спектр энергии нейтронов, рождающихся в этой реакции, имеет максимум при ~ 1 МэВ, то есть лежит в области быстрых нейтронов. Полное сечение в этой области примерно равно , где R - радиус ядра, а - де-бройлевская длина волны нейтрона. Главная особенность быстрой области состоит в том, что (( в ней мало и полное сечение примерно равно сечению рассеяния (s, которое равно сумме сечений упругого σel и неупругого рассеяния σnel: (4.9.10) При энергии нейтронов Т > 6 МэВ сечение неупругого рассеяния на тяжелых ядрах снижается из-за конкуренции других ядерных реакций ((n,n),(n, f )). В быстрой области де-бройлевская длина волны нейтрона оказывается порядка размеров ядра и нейтронная волна может испытывать дифракционное рассеяние, то есть зависимость сечения от угла рассеяния оказывается подобной картине дифракции с главным максимумом при ( = 0° и побочными при ( порядка нескольких десятков градусов. Быстрые нейтроны после их рождения при делении далее могут использоваться непосредственно (ядерное оружие, быстрые реакторы) или после их замедления до тепловых энергий реакторы на тепловых нейтронах. Классификация нейтронных реакций Перечислим основные виды взаимодействий нейтронов с ядрами и кратко охарактеризуем эти ядерные реакции. Реакция радиационного захвата нейтрона (n,(). В общем виде может быть представлена следующим образом: . (4.9.11) (В дальнейшем запись промежуточных ядер для краткости записи опускаем). Идет на большинстве ядер, начиная с ядра 1Н и заканчивая ядром 238U, и является экзоэнргетической реакцией. Сечение для тепловых нейтронов варьируется в широких пределах от 0,1 до 103 ( 106 барн, для быстрых – от 0,1 до несколько барн. Образующееся ядро, как правило, (-активно, т.к. при захвате нейтрона образованное ядро смещается с дорожки стабильности в область β--радиоактивных ядер (см. рис. 1.1.2). Примеры: (4.9.12) имеет очень большое сечение в тепловой области, достигающее в резонансе (Тn = 0,17 эВ) величины 20000 барн (4.9.2). По этой причине кадмий широко применяется для поглощения тепловых нейтронов. Реакция (4.9.13) имеет рекордное сечение в тепловой области, равное 3,5(106 барн. Хе135 образуется в результате делении ядер в реакторе и из-за огромной величины сечения поглощения тепловых нейтронов приводит к так называемому ксеноновому отравлению ядерного реактора. Реакция (4.9.13)
(4.83) является основной конкурирующей реакцией для реакции деления в ядерном реакторе. Реакция (4.9.14) играет еще большую отрицательную роль в ядерном реакторе, чем предыдущая, так как в реакторах на тепловых нейтронах содержание 238 U238 составляет 95 ÷ 97 % состава смеси изотопов 238U8 и 235U. В то же время с этой реакцией связывают будущее ядерной энергетики - она представляет основу процесса преобразования неделящегося нуклида 238U в делящийся нуклид 238Рu239 (см. главу о делении ядер). Реакции (n,() часто служат причиной активации. Примером сильноактивируемого вещества может служить натрий. (4.9.15) В реакции образуется (--активный 24Na с Т1/2= 15 ч. При этом распаде испускается и (-кванты. Натрий используется в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах. Вода, которая применяется как замедлитель и теплоноситель в реакторах на тепловых нейтронах, активируется слабо из-за малых сечений радиационного захвата у ядер , . В большей степени активируются обычно примеси, попадающие в теплоноситель. Активация нейтронами серебра и, особенно, родия
(4.9.16) 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 нижнем канале реакции (4.9.16). Реакции с образованием протонов, (n,р) - реакции: . (4.9.17) Например, реакция (4.9.18) применяется для регистрации нейтронов в счетчиках, наполненных 3Не. Сечение для тепловых нейтронов σ. = 5400 барн. Реакция (4.9.19) имеет сечение на тепловых нейтронах. σ= 1,75 барн и применяется для регистрации нейтронов методом фотоэмульсий, содержащих N14. Реакции с образованием (-частиц, (n,() - реакции: . (4.9.20)
Реакция (4.9.21) имеет сечение на тепловых нейтронах ( = 3840 барн и широко применяется для регистрации тепловых нейтронов в различных борных счетчиках и ионизационных камерах. Для этой же цели используется и реакция , (4.9.22) имеющая сечение на тепловых нейтронах (. = 945 барн. Вспомним, что эта же реакция применяется в термоядерной («водородной») бомбе и, возможно, будет служить для воспроизводства трития в термоядерных реакторах будущего. Реакции (n,2n). Являются эндоэнергетическими и имеют порог, равный 10 - 15 МэВ, за исключением реакции (4.9.23) с порогом ~ 2 МэВ. Сечение ~ 0,1 барн. Реакция деления тяжелых ядер (U, Th , Рu и др.), (n, f ) – реакция: . (4.9.24) Тяжелый осколок обозначен индексом «т», индексом «л» - легкий, а буквой ( - количество нейтронов, возникающих в процессе деления. Эта реакция представляет собой основу ядерной энергетики и будет рассмотрена особо и более подробно. В перечень реакций мы не включили упругое и неупругое рассеяние. Во-первых, упругое рассеяние по существу не является ядерной реакцией, во-вторых, эти процессы будут рассмотрены также отдельно и подробно ввиду их значительной роли в практическом осуществлении реакции деления.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Нейтронные реакции. Свойства нейтронов, способы их получения» з дисципліни «Основи ядерної фізики»
