- Замедление нейтронов
- Содержание
- Общие сведения
- Особенности применения
- Тяжёлая вода
- Графит
- Бериллий
- Нейтронный замедлитель — Neutron moderator
- СОДЕРЖАНИЕ
- На модерации
- Выбор модераторских материалов
- Распределение скоростей нейтронов после замедления
- Модераторы реактора
- Форма и расположение
- Замедляющие примеси
- Неграфитовые замедлители
- Дизайн ядерного оружия
- Используемые материалы
Замедление нейтронов
Замедле́ние нейтро́нов — процесс уменьшения кинетической энергии свободных нейтронов в результате их многократных столкновений с атомными ядрами вещества. Вещество, в котором происходит процесс замедления нейтронов, называется замедли́телем. Замедление нейтронов применяется, например, в ядерных реакторах на тепловых нейтронах.
Содержание
Общие сведения
В ходе ядерных реакций, образуются, как правило, быстрые нейтроны (с энергией > 1 МэВ ). Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию крупными порциями, расходуя её, главным образом, на возбуждение ядер или их расщепление. В результате одного или нескольких столкновений энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения ядра (от десятков кэВ до нескольких МэВ, в зависимости от свойств ядра). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим, то есть нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния. При одном упругом соударении нейтрон теряет, в среднем, долю энергии, равную где А — массовое число ядра-мишени. Эта доля мала для тяжёлых ядер (1/100 для свинца) и велика для лёгких ядер 1/7 для углерода и 1/2 для водорода). Поэтому замедление нейтронов происходит на лёгких ядрах гораздо быстрее, чем на тяжёлых.
Вещество | N | t, мксек | LБ, см |
---|---|---|---|
Свинец | 1600 | 1300 | 200 |
Графит | 110 | 70 | 43 |
Вода | 23 | 3 | 13 |
Среднее число столкновений N, среднее время замедления t и среднее квадратичное удаление LБ нейтрона от источника при замедлении нейтрона в неограниченной среде от энергии 1 МэВ до энергии 0,1 эВ
В процессе замедления нейтронов образуются т. н. тепловые нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии со средой, в которой происходит замедление. Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,04 эВ.
В процессе замедления часть нейтронов поглощается ядрами или вылетает из среды наружу, то есть теряется. В замедлителях, содержащих лёгкие ядра, потери на поглощение малы и большая часть нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны, при условии, что размеры замедлителя достаточно велики, по сравнению с размером LБ.
Особенности применения
К числу лучших замедлителей, широко используемых в ядерной физике и ядерной технике для превращения быстрых нейтронов в тепловые, относятся вода, тяжёлая вода, бериллий, графит.
Достоинства обычной воды как замедлителя — её доступность и дешевизна. Недостатками воды являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм) и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана.
Тяжёлая вода
Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Недостатком тяжёлой воды является её высокая стоимость.
Графит
Природный графит содержит до 20 % различных примесей, в том числе и бор, хороший поглотитель. Поэтому природный графит непригоден как замедлитель нейтронов. Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Сначала из смеси прессуют блоки, а затем эти блоки термически обрабатывают при высокой температуре. Графит имеет плотность 1,6—1,8 г/см 3 . Он сублимирует при температуре 3800—3900 °C. Нагретый в воздухе до 400 °C графит загорается. Поэтому в энергетических реакторах он содержится в атмосфере инертного газа (гелий, азот).
Бериллий
Бериллий один из лучших замедлителей. Он имеет высокую температуру плавления (1282 °C) и теплопроводность, совместим с углекислым газом, водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами. Однако, в пороговой реакции 9 Be(n, 2n)2α возникает гелий, поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами внутри бериллия накапливается газ, под давлением которого бериллий распухает. Применение бериллия ограничено также его высокой стоимостью. Кроме того, бериллий и его соединения весьма токсичны. Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов.
Источник
Нейтронный замедлитель — Neutron moderator
Наука с нейтронами | ||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Фонды | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Рассеяние нейтронов | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Другие приложения | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Инфраструктура | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Нейтронные объекты | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Водород | Дейтерий | Бериллий | Углерод | Кислород | Уран | |
---|---|---|---|---|---|---|
Масса ядер u | 1 | 2 | 9 | 12 | 16 | 238 |
Снижение энергии ξ <\ displaystyle \ xi> | 1 | 0,7261 | 0,2078 | 0,1589 | 0,1209 | 0,0084 |
Количество столкновений | 18 | 25 | 86 | 114 | 150 | 2172 |
Распределение скоростей нейтронов после замедления
После достаточных ударов скорость нейтрона будет сравнима со скоростью ядер, заданной тепловым движением; этот нейтрон тогда называется тепловым нейтроном , и процесс также можно назвать термализацией . После достижения равновесия при данной температуре распределение скоростей (энергий), ожидаемых от упругого рассеяния твердых сфер, определяется распределением Максвелла – Больцмана . В реальном замедлителе это лишь немного изменяется из-за зависимости поперечного сечения поглощения большинства материалов от скорости (энергии), так что низкоскоростные нейтроны преимущественно поглощаются, так что истинное распределение скорости нейтронов в активной зоне будет незначительным. горячее, чем предполагалось.
Модераторы реактора
В реакторе на тепловых нейтронах ядро тяжелого топливного элемента, такого как уран, поглощает медленно движущийся свободный нейтрон , становится нестабильным, а затем расщепляется (« делится ») на два меньших атома (« продукты деления »). Процесс деления ядер 235 U дает два продукта деления, два-три быстро движущихся свободных нейтрона , а также количество энергии, в первую очередь проявляющуюся в кинетической энергии возвращающихся продуктов деления. Свободные нейтроны испускаются с кинетической энергией
2 МэВ каждый. Поскольку в результате деления урана выделяется больше свободных нейтронов , чем требуется тепловых нейтронов для его возникновения, реакция может стать самоподдерживающейся — цепной реакцией — в контролируемых условиях, высвобождая огромное количество энергии (см. Статью о делении ядер ). .
Вероятность дальнейших событий деления определяется сечением деления , которое зависит от скорости (энергии) падающих нейтронов. Для тепловых реакторов нейтроны с высокой энергией в диапазоне МэВ с гораздо меньшей вероятностью (хотя и не способными) вызвать дальнейшее деление. Недавно выпущенные быстрые нейтроны, движущиеся со скоростью примерно 10% от скорости света , должны быть замедлены или «замедлены», обычно до скорости нескольких километров в секунду, если они могут вызвать дальнейшее деление в соседнем 235 U ядер и, следовательно, продолжают цепную реакцию. Эта скорость эквивалентна температуре в несколько сотен градусов по Цельсию.
Во всех реакторах с замедлителем некоторые нейтроны всех уровней энергии будут производить деление, включая быстрые нейтроны. Некоторые реакторы термализованы лучше, чем другие; например, в реакторе CANDU почти все реакции деления производятся тепловыми нейтронами, тогда как в реакторе с водой под давлением (PWR) значительная часть делений производится нейтронами более высоких энергий. В предлагаемом водоохлаждаемом сверхкритическом водяном реакторе (SCWR) доля быстрых делений может превышать 50%, что делает его технически реактором на быстрых нейтронах .
Быстрый реактор не использует модератора, но полагается на делении производимого немодерируемыми быстрых нейтронов для поддержания цепной реакции. В некоторых конструкциях реакторов на быстрых нейтронах до 20% делений может происходить в результате прямого деления быстрыми нейтронами урана-238 , изотопа, который вообще не расщепляется с тепловыми нейтронами.
Модераторы также используется в нереакторных источниках нейтронов, такие как плутоний — бериллиевые и скалывание источники.
Форма и расположение
Форма и расположение замедлителя могут сильно повлиять на стоимость и безопасность реактора. Классически замедлители представляли собой блоки из высокочистого графита с прецизионной обработкой и встроенными воздуховодами для отвода тепла. Они находились в самой горячей части реактора и поэтому подвержены коррозии и абляции . В некоторых материалах, включая графит , столкновение нейтронов с замедлителем может вызвать накопление замедлителем опасного количества вигнеровской энергии . Эта проблема привела к печально известному пожару в Уиндскейл-Пайлз, ядерном реакторном комплексе в Соединенном Королевстве в 1957 году.
В некоторых реакторах с галечным слоем замедлители не только просты, но и недороги: ядерное топливо заключено в сферы из пиролитического углерода реакторного качества размером примерно с теннисный мяч . Пространства между шарами служат воздуховодами. Реактор работает при температуре выше температуры отжига Вигнера, чтобы графит не накапливал опасное количество энергии Вигнера .
В реакторах CANDU и PWR замедлителем является жидкая вода ( тяжелая вода для CANDU, легкая вода для PWR). В случае аварии с потерей теплоносителя в PWR замедлитель также теряется, и реакция прекращается. Этот отрицательный коэффициент пустотности является важным элементом безопасности этих реакторов. В CANDU замедлитель расположен в отдельном тяжеловодном контуре, окружающем каналы тяжеловодного хладагента под давлением. Такая конструкция дает реакторам CANDU положительный коэффициент пустотности , хотя кинетика более медленных нейтронов в системах с тяжеловодным замедлителем компенсирует это, что приводит к сопоставимой безопасности с реакторами PWR ».
Замедляющие примеси
Хорошие замедлители не содержат примесей, поглощающих нейтроны, таких как бор . На коммерческих атомных электростанциях замедлитель обычно содержит растворенный бор. Концентрация бора в теплоносителе реактора может быть изменена операторами путем добавления борной кислоты или разбавления водой для управления мощностью реактора. Ядерная программа нацистской потерпела значительный регресс , когда его недорогие графитовые модераторы не в состоянии функции. В то время большинство графитов наносилось на борные электроды, а немецкий коммерческий графит содержал слишком много бора. Поскольку во время войны немецкая программа так и не обнаружила эту проблему, они были вынуждены использовать гораздо более дорогие тяжеловодные замедлители. Эту проблему открыл известный физик Лео Сцилард.
Неграфитовые замедлители
Некоторые замедлители довольно дороги, например бериллий и тяжелая вода реакторного качества. Тяжелая вода реакторного качества должна иметь чистоту 99,75%, чтобы можно было проводить реакции с необогащенным ураном. Его сложно приготовить, потому что тяжелая вода и обычная вода образуют одни и те же химические связи почти одинаковыми способами, лишь с немного разными скоростями.
Гораздо более дешевый легководный замедлитель (по сути, очень чистая обычная вода) поглощает слишком много нейтронов для использования с необогащенным природным ураном, и поэтому для работы таких реакторов становится необходимым обогащение урана или ядерная переработка , что увеличивает общие затраты. Как обогащение, так и переработка являются дорогостоящими и технологически сложными процессами, и, кроме того, как обогащение, так и несколько видов переработки могут использоваться для создания материала, пригодного для использования в оружии, что вызывает опасения по поводу распространения . В настоящее время разрабатываются схемы переработки, более устойчивые к распространению.
В CANDU замедлителя реактора удваивается как функция безопасности. Большой резервуар с низкотемпературной тяжелой водой под низким давлением замедляет нейтроны, а также действует как теплоотвод в аварийных условиях с экстремальной потерей теплоносителя . Он отделен от топливных стержней, которые фактически выделяют тепло. Тяжелая вода очень эффективна для замедления (замедления) нейтронов, что придает реакторам CANDU их важную и определяющую характеристику высокой «нейтронной экономии».
Дизайн ядерного оружия
Ранние предположения о ядерном оружии предполагали, что «атомная бомба» будет представлять собой большое количество делящегося материала, замедляемого замедлителем нейтронов, похожего по структуре на ядерный реактор или «котел». Только проект Манхэттен принял идею цепной реакции на быстрых нейтронах в чистом металлическом уране или плутоний . Другие модерируемые проекты также рассматривались американцами; предложения включали использование дейтерида урана в качестве расщепляющегося материала. В 1943 году Роберт Оппенгеймер и Нильс Бор рассмотрели возможность использования «сваи» в качестве оружия. Мотивация заключалась в том, что с графитовым замедлителем можно было бы достичь цепной реакции без использования какого-либо разделения изотопов . В августе 1945 года, когда информация об атомной бомбардировке Хиросимы была передана ученым немецкой ядерной программы , захороненным в Фарм-холле в Англии, главный ученый Вернер Гейзенберг предположил, что устройство должно было быть «чем-то вроде ядерного реактора с нейтроны замедляются из-за множества столкновений с замедлителем ».
После успеха манхэттенского проекта все основные программы создания ядерного оружия полагались на быстрые нейтроны в своих конструкциях оружия. Заметным исключением являются испытательные взрывы Рут и Рэй в рамках операции Upshot – Knothole . Целью проектов радиационной лаборатории Калифорнийского университета было исследование дейтерированного полиэтиленового заряда, содержащего уран, в качестве кандидата на термоядерное топливо, в надежде, что дейтерий плавится (становится активной средой) при соответствующем сжатии. В случае успеха устройства могут также привести к созданию компактной первичной обмотки, содержащей минимальное количество делящегося материала, и достаточно мощной, чтобы зажечь RAMROD — термоядерное оружие, разработанное UCRL в то время. Для «гидридной» первичной обмотки степень сжатия не заставит дейтерий плавиться, но конструкция может быть подвергнута усилению, что значительно повысит выход. Активные зоны состояли из смеси дейтерида урана (UD 3 ) и дейтерированного полиэтилен. В активной зоне, испытанной в Ray, использовался уран с низким обогащением по U 235 , и в обоих выстрелах дейтерий действовал в качестве замедлителя нейтронов. Прогнозируемый выход составлял от 1,5 до 3 кт для Рут (с максимальным потенциальным выходом 20 кт) и 0,5-1. kt для Рэя . Испытания дали выход по 200 тонн в тротиловом эквиваленте каждый; оба теста были признаны провальными .
Основное преимущество использования замедлителя в ядерном взрывчатом веществе состоит в том, что количество делящегося материала, необходимого для достижения критичности, может быть значительно уменьшено. Замедление быстрых нейтронов увеличит поперечное сечение для поглощения нейтронов , уменьшая критическую массу . Однако побочным эффектом является то, что по мере развития цепной реакции замедлитель будет нагреваться, тем самым теряя способность охлаждать нейтроны.
Другой эффект замедления заключается в том, что время между последующими генерациями нейтронов увеличивается, что замедляет реакцию. Это создает проблему сдерживания взрыва; инерции , который используется для ограничения типа имплозии бомб не смогут ограничить реакцию. Конечным результатом может быть не взрывы, а шипение.
Таким образом, взрывная сила полностью замедленного взрыва ограничена, в худшем случае она может быть равна химической взрывчатке такой же массы. Снова цитируя Гейзенберга: «Невозможно создать взрывчатое вещество с медленными нейтронами, даже с помощью тяжелой воды, поскольку тогда нейтроны движутся только с тепловой скоростью, в результате чего реакция настолько медленная, что взрывчатка взрывается раньше, чем взрывчатка. реакция завершена «.
В то время как ядерная бомба, работающая на тепловых нейтронах, может быть непрактичной, современные конструкции оружия могут все же иметь некоторый уровень замедления. Бериллий тампера используется в качестве отражателя нейтронов будет также выступать в качестве модератора.
Используемые материалы
- Водород , как в обычной « легкой воде ». Поскольку протий также имеет значительное сечение для захвата нейтронов, возможно лишь ограниченное замедление без потери слишком большого количества нейтронов. Менее замедленные нейтроны относительно более вероятно будут захвачены ураном-238 и с меньшей вероятностью расщепят уран-235 , поэтому для работы легководных реакторов требуется обогащенный уран .
- Также есть предложения использовать соединение, образованное химической реакцией металлического урана и водорода ( гидрид урана -UH 3 ), в качестве комбинированного топлива и замедлителя в реакторе нового типа .
- Водород также используется в форме криогенного жидкого метана и иногда жидкого водорода в качестве источника холодных нейтронов в некоторых исследовательских реакторах : это дает распределение Максвелла – Больцмана для нейтронов, максимум которого смещен в сторону гораздо более низких энергий.
- Водород в сочетании с углеродом, как в парафине, использовался в некоторых ранних немецких экспериментах .
- Дейтерий в виде тяжелой воды в реакторах с тяжелой водой , например CANDU . В реакторах с тяжелой водой можно использовать необогащенный природный уран .
- Углерод в виде реакторного графита или пиролитического углерода , используемый, например, в РБМК и реакторах с галечным слоем , или в соединениях, например диоксиде углерода . Реакторы с более низкой температурой подвержены накоплению в материале энергии Вигнера . Подобно реакторам с дейтериевым замедлителем, некоторые из этих реакторов могут использовать необогащенный природный уран.
- Графит также намеренно разрешается нагревать примерно до 2000 К или выше в некоторых исследовательских реакторах для получения источника горячих нейтронов : это дает распределение Максвелла – Больцмана , максимум которого распространяется для генерации нейтронов с более высокой энергией.
- Бериллий в виде металла. Бериллий дорог и токсичен, поэтому его использование ограничено.
- Литий- 7, в форме соли фторида лития , обычно в сочетании с солью фторида бериллия ( FLiBe ). Это наиболее распространенный тип замедлителя в реакторах с расплавом солей .
Другие материалы на легких ядрах по разным причинам непригодны. Гелий — это газ, и для достижения достаточной плотности он требует специальной конструкции; литий- 6 и бор- 10 поглощают нейтроны.
Источник