Запаздывающие нейтроны

Запаздывающие нейтроны — это нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления тяжёлых ядер, в отличие от мгновенных нейтронов, испускаемых практически мгновенно после деления составного ядра. Запаздывающие нейтроны составляют менее 1% испускаемых нейтронов деления, однако, несмотря на столь малый выход, играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря большому запаздыванию такие нейтроны существенно (на 2 порядка и более) увеличивают время жизни нейтронов одного поколения в реакторе и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления[1]. Запаздывающие нейтроны были открыты Робертсом с коллективом в 1939 году[2].

Не следует путать с медленные нейтроны.

Механизм явления

В результате деления тяжелых ядер нейтронами образуются осколки деления в возбуждённом состоянии, претерпевающие β−-распады. В очень редких случаях в цепочке таких β−-превращений образуется ядро с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона в этом ядре. Такие ядра могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими.

Испускание запаздывающего нейтрона конкурирует с гамма-излучением, но если ядро сильно перегружено нейтронами, более вероятным будет испускание нейтрона. Это значит, что запаздывающие нейтроны излучаются ядрами, находящимися ближе к началам цепочек распада, так как там особенно малы энергии связи нейтронов в ядрах.

Ядро, образовавшееся при испускании запаздывающего нейтрона, может находиться либо в основном, либо в возбуждённом состоянии. В последнем случае возбуждение снимается гамма-излучением[1].

Предшественники и излучатели

Составное ядро (Z,N)*[3] принято называть предшественником запаздывающих нейтронов, а ядро (Z+1,N-1) — излучателем запаздывающих нейтронов.

Ядро-излучатель испускает нейтрон практически мгновенно, но со значительным запаздыванием по отношению к моменту деления исходного ядра. Среднее время запаздывания практически совпадает со средним временем жизни ядра-предшественника.

Запаздывающие нейтроны принято делить на несколько (чаще всего 6) групп в зависимости от времени запаздывания. Насчитывают около 50 возможных ядер-предшественников, причём заметную роль в этом количестве составляют изотопы брома и иода. Как правило, нейтроны испускаются ядрами с числом нейтронов, на единицу большим магических чисел (50 и 82), так как значения средней энергии связи в таких ядрах особенно малы[1].

Энергия запаздывающих нейтронов

Энергия запаздывающих нейтронов (в среднем примерно 0,5 МэВ) в несколько раз меньше средней энергии мгновенных нейтронов (примерно 2 МэВ)[1].

Доля запаздывающих нейтронов

Величина, характеризующая количество запаздывающих нейтронов относительно мгновенных нейтронов, образующихся при распаде ядра данного сорта, называется долей запаздывающих нейтронов (β). Эта величина полностью определяется делящимся ядром и в области энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ практически не зависит от энергии нейтронов, вызывающих деление. Для всех ядер значение β составляет менее 1%[1].

Основные характеристики запаздывающих нейтронов

В таблице перечислены основные характеристики запаздывающих нейтронов для некоторых ядер и перечислены некоторые из возможных предшественников для случая деления 235U[1][4]:

Номер группы Время запаздывания, с Средняя энергия, МэВ Возможные ядра-предшественники Период полураспада ядер-предшественников, T1/2, с Доля запаздывающих нейтронов, βi
235U 239Pu 233U 235U 239Pu 233U
1 54-56 0,25 87Br, 142Cs 55,72 54,28 55 0,00021 0,000072 0,000224
2 21-23 0,56 137I, 88Br, 136Te 22,72 23,04 20,57 0,00140 0,000626 0,000776
3 5-6 0,43 138I, 89Br 6,22 5,60 5,0 0,00126 0,000444 0,000654
4 1,9-2,3 0,62 139I, 94Kr, 143Xe, 144Xe 2,30 2,13 2,13 0,00252 0,000685 0,000725
5 0,5-0,6 0,42 Любые короткоживущие ядра продуктов деления 0,61 0,62 0,62 0,00074 0,000180 0,000134
6 0,17-0,27 — 0,23 0,26 0,28 0,00027 0,000093 0,000087
β = ∑βi 0,0064 0,0021 0,0026

Примечания
  1. Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.
  2. Казанский Ю. А., Лебедев М. Б. Кинетика ядерных реакторов. Учебное пособие по курсу "Физическая теория ядерных реакторов". — Обнинский институт атомной энергетики, 1990. — С. 5.
  3. Z — количество протонов, N — нейтронов
  4. А.Н.Климов. Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.