Взаимодействие нейтронов с ядрами
Реакция радиационного захвата нейтрона (n,g) протекает последующей схеме:
.
(4.9.15)
(В дальнейшем для краткости записи опускаем составное ядро). Являясь экзоэнргетической реакцией, идет на всех ядрах (за исключением 3Не 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¸ 106барн, для быстрых – от 0,1 до несколько барн.
Реакция
(4.9.16)
имеет очень большое сечение в тепловой области, достигающее в резонансе (Тn = 0,17 эВ) величины 20000 барн (рис. 4.9.2). Характерная «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, которая носит название надкадмиевых нейтронов, и с энергией меньше 0,4 эВ, называемой подкадмиевой.
Реакция
(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 иобразуется 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.
Канал реакции
(4.9.18)
имеет вероятность около 20 %, уменьшая тем самым вероятность деления при захвате нейтрона ядром 235U до 80 %.
Реакция
(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 изотопов 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,g) ядра, как правило, оказываются b--активными, т.к. они смещаются с дорожки стабильности в область β--радиоактивных ядер (см. рис. 1.1.2). Поэтому реакции (n,g) 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 b--активный 24Na с Т1/2= 15 ч. Процесс b--распада сопровождается испусканием g-квантов с энергией 2,76 МэВ. По этой причине в реакторах на быстрых нейтронах используется двухконтурная схема.
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
(4.9.21)
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)
Реакция
(4.9.23)
применяется для регистрации нейтронов в счетчиках, наполненных 3Не. Сечение для тепловых нейтроновσnp= 5400 барн.
Реакция
(4.9.24)
имеет сечение на тепловых нейтронах. σnp = 1,75 барн. Применяется для получения очень важного в методе меченых атомовβ-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 a-частиц, (n,a) - реакции:
.
(4.9.25)
Реакция
+2,79 МэВ
(4.9.26)
имеет сечение на тепловых нейтронах snα= 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)
,
имеющая сечение на тепловых нейтронах. snα= 945 барн.
Реакции (n,2n). Являются эндоэнергетическими и имеют порог, примерно равный 10 МэВ, за исключением реакции
(4.9.27)
с порогом ~ 2 МэВ. Сечение ~ 0,1 барн.
Реакция деления тяжелых ядер (U, Th, Рu и др.) нейтронами,(n, f) – реакция:
.
(4.9.28)
Тяжелый осколок обозначен индексом «т», индексом «л» - легкий, а буквой n - количество 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 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 первичного, а конечное ядро образуется в возбужденном состоянии. Процесс неупругого рассеяния нейтрона может быть схематически представлен в следующем виде:
(4.9.29)
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.
