Neutronien maltillisuus

Neutronien hidastuminen on prosessi, jossa vapaiden neutronien kineettinen energia pienenee niiden useiden törmäysten seurauksena aineen atomiytimien kanssa. Ainetta, jossa neutronien hidastusprosessi tapahtuu, kutsutaan hidastimeksi . Neutronimoderaatiota sovelletaan esimerkiksi lämpöneutroniydinreaktoreissa .

Yleistä tietoa

Ydinreaktioiden aikana muodostuu pääsääntöisesti nopeita neutroneja (energialla > 1 MeV ). Nopeat neutronit menettävät energiaa suurissa osissa törmäyksissä atomiytimien kanssa ja kuluttavat sen pääasiassa ytimien virittämiseen tai niiden halkeamiseen. Yhden tai useamman törmäyksen seurauksena neutronienergia tulee pienemmäksi kuin ytimen minimiviritysenergia ( kymmistä keV useisiin MeV, riippuen ytimen ominaisuuksista). Sen jälkeen neutronin sironta ytimessä muuttuu elastiseksi , eli neutroni kuluttaa energiaa nopeuden välittämiseen ytimeen muuttamatta sen sisäistä tilaa.

Yhdessä elastisessa törmäyksessä neutroni menettää keskimäärin osan energiasta, joka on yhtä suuri kuin missä A on kohdeytimen massaluku. Tämä fraktio on pieni raskaille ytimille (1/100 lyijylle ) ja suuri kevyille ytimille (1/7 hiilelle ja 1/2 vedylle ). Siksi neutronien hidastuminen tapahtuu paljon nopeammin kevyissä ytimissä kuin raskaissa ytimissä. ${\frac {2A}{(A+1)^{2}}}$

Aine	N	t, ms	L B , cm
Johtaa	1600	1300	200
Grafiitti	110	70	43
Vesi	23	3	13

Keskimääräinen törmäysten lukumäärä N, keskimääräinen hidastuvuusaika t ja neutronin neliöpoisto L B lähteestä, kun neutronia hidastetaan rajoittamattomassa väliaineessa 1 MeV:n energiasta 0,1 eV:n energiaan .

Neutronien hidastusprosessissa ns. lämpöneutronit , jotka ovat lämpötasapainossa sen väliaineen kanssa, jossa hidastuminen tapahtuu. Termisen neutronin keskimääräinen energia huoneenlämpötilassa on 0,04 eV.

Neutronienergian keskimääräinen logaritminen vähennys yhtä törmäystä kohti , riippuu vain moderaattoriytimen massaluvusta: $\xi$ $A$

$\xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1+{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A-1}{A+1}}\oikea)$ .

Jos sinulla on enemmän kuin kolme, voit käyttää yksinkertaistettua kaavaa :. $A$ $\xi \simeq {\frac {2}{A+2/3))$

Aineen hidastuvuuskerroin on sirontamakroleikkauksen suhde absorptiomakroleikkaukseen kerrottuna neutronien energian keskimääräisellä logaritmisella vähennyksellä yhtä törmäystä kohti . ${\displaystyle \Sigma _{s))$ $\xi$ $\Sigma _{a}$ ${\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}$

Hidastusprosessissa osa neutroneista imeytyy ytimiin tai lentää väliaineesta ulos, eli se katoaa. Kevyitä ydinytimiä sisältävissä moderaattoreissa absorptiohäviöt ovat pieniä ja suurin osa lähteen emittoimista neutroneista muuttuu lämpöneutroneiksi, mikäli moderaattorin mitat ovat riittävän suuret L B kokoon verrattuna .

Sovelluksen ominaisuudet

Ydinfysiikassa ja ydinteknologiassa nopeiden neutronien muuntamiseksi termisiksi laajalti käytettyjä parhaita hidastajia ovat vesi , raskas vesi , beryllium ja grafiitti .

Vesi

Tavallisen veden edut moderaattorina ovat sen saatavuus ja alhainen hinta. Veden haittoja ovat alhainen kiehumispiste (100 °C paineessa 1 atm ) ja lämpöneutronien absorptio. Ensimmäinen haittapuoli eliminoidaan lisäämällä painetta ensiöpiirissä. Termisten neutronien absorptio vedessä kompensoidaan käyttämällä rikastettuun uraaniin perustuvaa ydinpolttoainetta .

Katso myös:

Raskas vesi

Raskas vesi eroaa vain vähän tavallisesta vedestä kemiallisiltaan ja termofysikaalisin ominaisuuksiltaan. Se ei käytännössä absorboi neutroneja, mikä mahdollistaa luonnonuraanin käytön ydinpolttoaineena reaktoreissa, joissa on raskasvesihidastaja. Raskaan veden haittana on sen korkea hinta.

Katso myös:

CANDU

Grafiitti

Luonnongrafiitti sisältää jopa 20 % erilaisia epäpuhtauksia, mukaan lukien boori , joka on hyvä absorboija . Siksi luonnongrafiitti ei sovellu neutronien hidastajaksi. Reaktorigrafiittia saadaan keinotekoisesti maaöljykoksin ja kivihiilitervan seoksesta . Ensin seoksesta puristetaan lohkot ja sitten nämä lohkot lämpökäsitellään korkeassa lämpötilassa. Grafiitin tiheys on 1,6-1,8 g/ cm3 . Se sublimoituu 3800–3900 °C:n lämpötilassa. Ilmassa 400 °C:seen kuumennettu grafiitti syttyy palamaan. Siksi se on voimareaktoreissa inertin kaasun ( helium , typpi ) ilmakehässä.

Katso myös:

Beryllium

Beryllium on yksi parhaista moderaattoreista. Sillä on korkea sulamispiste (1282 °C) ja lämmönjohtavuus , ja se on yhteensopiva hiilidioksidin , veden, ilman ja joidenkin nestemäisten metallien kanssa. Kynnysreaktiossa 9 Be(n, 2n)2α syntyy kuitenkin heliumia , joten intensiivisessä säteilytyksessä nopeilla neutroneilla berylliumin sisään kerääntyy kaasua , jonka paineessa beryllium turpoaa. Berylliumin käyttöä rajoittaa myös sen korkea hinta. Lisäksi beryllium ja sen yhdisteet ovat erittäin myrkyllisiä. Berylliumista valmistetaan heijastimia ja vedensyrjäyttäjiä tutkimusreaktorien ytimessä.

Kirjallisuus

Petunin V.P. Ydinlaitosten lämpövoimatekniikka M.: Atomizdat , 1960.
Levin VE Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. 4. painos - M.: Atomizdat , 1979.