4. Взаимодействие нейтронов с ядрами

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

.

(4.9.15)

(Далее для краткости записи опускаем составное ядро). Являясь экзоэнргетической реакцией, идет на всех ядрах (за исключением³Н и⁴Не), начиная с ядра¹Н и заканчивая ядром²³⁸U. Сечение для тепловых нейтронов в зависимости от нуклида варьируется в широких пределах от 0,1до 10³ 10⁶барн, для быстрых – от 0,1 донесколькобарн.

Реакция

(4.9.16)

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

Реакция

(4.9.17)

имеет одно из рекордных сечений в тепловой области, равное 3,510⁶ барн (резонанс при энергии 0,084эВ). Зависимость сечение σ_nγ(Т_n) имеет вид такой же ступеньки приТ_n ≈ 0,2 эВ, как и для реакции (4.9.16).¹³⁵Хе является β^--активным нуклидом и образуется в результате β^--распада осколка деления¹³⁵I. Огромная величина сечения поглощения тепловых нейтронов и большой выход (6,34 %)¹³⁵Iотносительно других осколков деления приводят к т.н.ксеноновому отравлениюядерного реактора и неустойчивой работе реактора из-за появленияксеноновых волн.

Испускание γ-кванта при захвате нейтрона ядром ²³⁵U

(4.9.18)

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

Реакция

(4.9.19)

имеет сечение в тепловой области около 2,8 барни вызывает захват большой доли нейтронов, участвующих в цепной реакции деления, так как в реакторах на тепловых нейтронах содержание ²³⁸Uсоставляет95 ÷ 97 %состава смеси нуклидов²³⁸Uи ²³⁵U.В то же время она определяет процесс преобразования сырьвого нуклида ²³⁸Uв делящийся нуклид²³⁸Рu (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:

(4.9.20)

В реакции образуется ^--активный²⁴NaсТ_1/2= 15ч. 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 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 нейтронов σ_np = 5400барн.

Реакция

(4.9.24)

имеет сечение на тепловых нейтронах_. σ_np = 1,75барн. Применяется для получения очень важного вметоде меченых атомовβ^-активного нуклида¹⁴С (Т_1/2= 5730лет), а также для регистрации нейтронов с помощью фотоэмульсий, содержащих¹⁴N. 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:

.

(4.9.25)

Реакция

+2,79 МэВ

(4.9.26)

имеет сечение на тепловых нейтронах _nα = 3840барни широко применяется для регистрации тепловых нейтронов в различныхборных счетчикахи ионизационных камерах.

Для этой же цели используется экзоэнергетическая реакция (4.7.2)

,

(4.9.27)

имеющая сечение на тепловых нейтронах_. _nα = 945барн.

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

(4.9.28)

с порогом ~ 2МэВ. Сечение ~ 0,1барн.

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

.

(4.9.29)

Тяжелый осколок обозначен индексом «т», индексом «л» -легкий, 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 вСЦИ, а вЛСКсохраняется 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 ширинойГуровня и расстояниемD 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 (вСЦИ) 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.