1.4 Основные характеристики нейтронных полей

В эксплуатационной практике наибольшее распространение получили две характе­ристики нейтронного поля – плотность нейтронов и плотность потока нейтронов.

Нейтронное поле – это совокупность движущихся в среде свободных нейтро­нов, определенным образом распределенных в объеме.

Характеристики нейтронного поля – количественные меры, позволяющие отличить одно НП от другого и оценить свойства нейтронного поля под практическим углом зре­ния.

Плотность нейтронов (n, нейтр./см³) – отношение числа нейтронов, находя­щихся в данный момент в объеме элементарной сферы, к величине объема этой сферы.

Скорость нейтронов (v, cм/c) или их кинетическая энергия (Е = mv²/2).

По величине кинетической энергии или по скорости нейтроны классифицируются на быстрые (с Е>0,1 МэВ), промежуточные (0,625 эВ<E<0,1 МэВ) и медленные (с Е <0,625 эВ).

Е = 0,625 эВ – это энергия резонанса кадмия. С помощью кадмиевого экрана можно разделить медленные и промежуточные нейтроны. По тому, какими нейтронами вызыва­ется подавляющее количество делений ядер в реакторе классифицируются и реактора на быстрые, промежуточные и тепловые. В тепловом реакторе более 95% делений ядер то­плива вызываются тепловыми нейтронами.

Тепловые нейтроны – это часть медленных нейтронов, находящихся в кинетиче­ском равновесии с ядрами среды, в которой они движутся.

Плотность потока нейтронов (Ф, нейтр./см²с) - есть отношение числа нейтро­нов, ежесекундно падающих на поверхность элементарной сферы, к величине диамет­рального сечения этой сферы.

Поговорим поподробнее о нейтронах деления

Е^*= _n + Е¹, где Е^* - энергия возбуждения составного ядра; _n - энергия связи нейтрона в составном ядре; Е¹- доля кинетической энергии нейтрона, затраченная на возбуждение ядра.

Затем происходит перераспределение энергии между нуклонами и энергия возбуждения может сконцентрироваться на нескольких нуклонах, которые находятся у границы ядра и могут его покинуть. Этот процесс происходит за время ~(10^-13..10^-15) с.

Основной процесс в ядерном реакторе – это деление ядер нейтронами, вклад остальных способов деления ( в том числе гамма-квантами –фотоделение) составляет < 1%.

Практически мгновенно, после деления составного ядра осколки деления испускают два или три нейтрона, которые и принято называть мгновенными.

Это является ключевым физическим явлением, сопровождающим процесс деления тяжелых ядер. Это вторичные быстрые нейтроны или нейтроны деления

Образовавшиеся ядра по прежнему находятся в возбужденных состояниях. Остатки энергии возбуждения излучаются в виде гамма - квантов спустя 10^-14…10^-9с с момента испускания нейтронов. Эти гамма - кванты называются мгновенными.

Осколки деления увлекают за собой не все электроны исходного ядра, вследствие чего образуются многозарядные ионы. Поэтому при движении в среде кинетическая энергия ионов тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды. Атомы среды приходят в возбужденное состояние и увеличивают амплитуду колебаний. Затем они приводят в возбужденное состояние своих соседей, которые тоже увеличивают амплитуду своих колебаний. А из термодинамики Вы знаете направленное изменение амплитуды колебаний создает тепловой поток. Т.е. кинетическая энергия осколков деления переходит в тепловой поток. Ну а сами осколки деления (ионы) в конце пути превращаются в нейтральные атомы с ядрами в основных энергетических состояниях. Эти атомы принято называть продуктами деления.

Ядра продуктов деления бэтта радиоактивны и каждое из них служит началом целой серии ^- превращений, заканчивающихся лишь при достижении стабильного состояния.

В результате ^- - распада могут образоваться ядра в возбужденных состояниях. Такие ядра переходят в основные состояния с излучением -квантов, либо, что бывает очень редко, превращаются в другие ядра испусканием нейтронов. Эти нейтроны называются запаздывающими. Таких осколков деления, которые при радиационном распаде становятся нейтронно-избыточными всего 60 типов, но это открытие запаздывающих нейтронов позволило создать не атомную бомбу, а управляемый ядерный реактор.

Так как время жизни поколения мгновенных нейтронов очень мало: порядка 10^-4с, то ни о какой управляемой реакции на мгновенных нейтронах и речи быть не может. И Вы должны запомнить, что ядерный реактор на мгновенных нейтронах не управляем. Когда мы с Вами на следующей лекции познакомимся с элементарным уравнением кинетики, то сможем количественно подсчитать, как идет разгон мощности в реакторе на мгновенных нейтронах.

Смотрите, что у нас получается: осколки деления радиоактивны, следовательно, есть радиационная опасность для персонала, второе, что мы сегодня узнали, что существуют остаточные тепловыделения и после остановки ректора активную зону нужно охлаждать, если не было бы этих 60 типов осколков деления, то и не было бы управляемой ядерной реакции деления.

Вы должны знать, что благодаря нейтронам деления, ядерная реакция является цепной, а благодаря запаздывающим нейтронам она еще и управляемая.

Ну, и должна заметить, что запаздывающие нейтроны – это тоже нейтроны деления, они также являются быстрыми, но из-за того, что на свет они появляются спустя какое-то время (время запаздывания) у них другое время жизни. А так как запаздывающие нейтроны появляются от того же материнского ядра, что и мгновенные, то мы можем сложить время жизни поколения мгновенных нейтронов и запаздывающих нейтронов этого же поколения, и получим среднее время поколения нейтронов уже не 10^-4с, а 0,1с.