3. Энергетические группы

Двигаясь в средах, нейтроны проявляют удивительное многообразие свойств. Нейтроны эффективно взаимодействуют с ядрами от самых малых достижимых энергий T_n ~ 10^-7эВ. Нейтроны могут вступать с ядрами в различные ядерные реакции и поглощаться или испытывать на ядрах упругое или неупругое рассеяние, участвуя в диффузионном движении.Вероятности этих процессов определяется кинетической энергией нейтронов, и поэтому оказывается целесообразным разделение их по принадлежности к энергиям на определенные энергетические области или группы, для которых характерны определенные виды ядерных взаимодействий.

По величине кинетической энергии T_nнейтроны разделяются на две большие группы –медленные(0 < T_n ≤ 1000 эВ) ибыстрые(T_n > 100 кэВ). Замыкают эти две области энергий т.н.промежуточные нейтроны. В свою очередь, область медленных нейтронов подразделяется нахолодные,тепловыеирезонансныенейтроны. Следует, однако, иметь в виду, что любая градация свойств нейтрона по энергии условна. Ниже дается одна из возможных схем подобной классификации.

холодныеТ_n < 0,025эВ,

тепловые Т_n= 0,025 0,5эВ,

резонансныеТ_n= 0,5 эВ  1кэВ.

ПромежуточныеТ_n = 1  100кэВ.

Быстрые Т_n= 100 кэВ  14МэВ.

При взаимодействии с веществом у холодных нейтронов отчетливо проявляются волновые свойства. Например, де-бройлевская длина волны нейтрона

(4.9.13)

становится сравнимой с размером атома (~ 10^-8см) при энергии нейтронаТ_n≤ 0,002эВ. Нейтронные волны в веществе могут испытывать дифракцию, преломление, отражение (даже полное), могут поляризоваться. В отличие от рентгеновских лучей, которые испытывают рассеяние на электронах, нейтроны рассеиваются на ядрах. Поэтому дифракция холодных нейтронов дает информацию не об электронной, а непосредственно о ядерной, т.е. атомно-молекулярной структуре вещества. Дифракция холодных нейтронов позволяет производить кристаллографические исследования сплавов и соединений с близкими атомными номерами, когда рентгенографические исследования оказываются бессильными. Сечение захвата нейтронов ядрами при уменьшении энергии нейтронов сильно возрастает в соответствии с законом «1/v_n», где v_n -скорость нейтронов, и в этой энергетической области может иметь громадное значение.

Получение холодных нейтронов сложный и дорогостоящий технический процесс и по этой причине они не используются в ядерной энергетике.

Энергия Т_n = 0,025эВопределяет область тепловых нейтронов, которая соответствует комнатной температуреТ = 290Ки скорости нейтронов v_n = 2200м/с. Эти величины часто используются в качестве стандартных для тепловых нейтронов. Энергия тепловых нейтронов определяетсятепловым равновесиемсо средой. Поэтому тепловые нейтроны имеют большой разброс по энергиям, а заметная доля нейтронов имеет энергию больше стандартной, равнойkT. Температура в ядерном реакторе значительно превышает комнатную и поэтому к тепловым нейтронам относят обычно нейтроны с энергиями до ~0,5эВ. Сечения реакций нейтронов с ядрами, в том числе и приводящие к делению, в этой области также достаточно велики.

Получение тепловых нейтронов в огромных количествах является хорошо освоенным процессом, и тепловые нейтроны находят широкое применение в ядерной энергетике.

Нейтроны с энергиейТ_n= 0,5 эВ  1кэВназываются резонансными потому, что в этой области для средних и тяжелых ядер сечения нейтронных реакций имеют обычно много тесно расположенных резонансов. В качестве примера на рис. 4.9.1 показана зависимость сечения деления ²³⁵U от энергии нейтронов.

В промежуточной области энергий нейтронов отдельные резонансы сливаются (исключением являются легкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии нейтронов.

Быстрые нейтроны имеют огромное прикладное значение, так как в большинстве реакций, используемых для получения свободных нейтронов, кинетическая энергия образующихся нейтронов Т_n> 100 кэВ. В ядерной энергетике при делении ядер рождаются быстрые нейтроны со средней энергией~ 2МэВ, которые используются для последующего деления ядер непосредственно, или после замедления.

Сечение взаимодействия быстрых нейтроновсядрами существенно меньше, чем у тепловых или резонансных нейтронов. Полное сечение (сумма сечений всех возможных процессов) в быстрой области, где R -радиус ядра, а- де-бройлевская длина волны нейтрона (4.9.13). Главная особенность быстрой области состоит в том, что вероятность образования составного ядра в ней мала и полное сечение примерно равно сечению рассеяния_s, которое равно сумме сечений упругого σ_elи неупругого рассеяния σ_nel:

(4.9.14)

При энергии нейтронов Т_n > 8МэВсечение рассеяния на тяжелых ядрах снижается из-за конкуренции реакций (n,2n) и (n, f).

Быстрые нейтроны с энергией Т_n> 10 МэВимеют де-бройлевскую длину волныпорядка размеров ядра и нейтронная волна может испытыватьдифракционное рассеяние на ядрах, а вероятность рассеяния нейтронов от угла рассеяния имеет ярко выраженнуюкартину 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.