Нейтронный замедлитель

Наука с нейтронами
Фонды
Температура нейтронов Поток  · Радиация  · Транспорт Поперечное сечение  · Поглощение  · Активация
Рассеяние нейтронов
Нейтронная дифракция Малоугловое рассеяние нейтронов ГИСАНЫ Рефлектометрия Неупругое рассеяние нейтронов Трехосевой спектрометр Времяпролетный спектрометр Спектрометр обратного рассеяния Спектрометр спинового эха
Другие приложения
Нейтронная томография Анализ активации  · Оперативный анализ гамма-активации Фундаментальные исследования с нейтронами : Ультрахолодные нейтроны  · Интерферометрия. Быстрая нейтронная терапия Нейтронно-захватная терапия
Инфраструктура
Источники нейтронов : Исследовательский реактор  · Расщепление  · Замедлитель нейтронов. Нейтронная оптика : Отражатель  · Проводник  · Суперзеркало  · Поляризатор Обнаружение
Нейтронные объекты
Америка: HFIR  · LANSCE  · NIST CNR - SNS Австралия: OPAL Азия: J-PARC  · HANARO Европа: BER II  · FRM II  · ILL  · Источник нейтронов и мюонов ISIS  · ОИЯИ  · LLB  · PINS  · SINQ Исторический: IPNS  · HFBR В стадии строительства: ESS
v т е

В атомной энергетике , замедлитель нейтронов является средой , которая уменьшает скорость быстрых нейтронов , в идеале без захвата любого, оставляя их в качестве тепловых нейтронов с только минимальной (тепловой) кинетической энергией . Эти тепловые нейтроны безмерно более восприимчивы , чем быстрые нейтроны для распространения ядерной цепной реакции в уране-235 или другого делящегося изотопа при столкновении с их атомным ядром .

«Легкая вода» является наиболее часто используемым замедлителем (примерно 75% реакторов в мире), хотя этот термин несколько неоднозначен, обычно означает природную пресную воду , но также может относиться к воде, обедненной дейтерием . Основными альтернативами являются твердый графит (20% реакторов) и тяжелая вода (5% реакторов). ^[1] Бериллий также использовался в некоторых экспериментальных типах, и углеводороды были предложены в качестве другой возможности.

Модерация [ править ]

Нейтроны обычно связаны в атомное ядро и не существуют долго в природе. Несвязанный нейтрон имеет период полураспада от 10 минут и 11 секунд . Высвобождение нейтронов из ядра требует превышения энергии связи нейтрона, которая обычно составляет 7-9 МэВ для большинства изотопов . Источники нейтронов генерируют свободные нейтроны в результате различных ядерных реакций, включая деление ядер и синтез ядер . Каким бы ни был источник нейтронов, они выделяются с энергией в несколько МэВ.

Согласно теореме о равномерном распределении энергии , средняя кинетическая энергия , может быть связано с температурой , через:${\ displaystyle {\ bar {E}}}$${\ displaystyle T}$

${\ displaystyle {\ bar {E}} = {\ frac {1} {2}} m_ {n} \ langle v ^ {2} \ rangle = {\ frac {3} {2}} k_ {B} T }$,

где - масса нейтрона, - средний квадрат скорости нейтрона, - постоянная Больцмана . ^{[2] [3]} Характерная нейтронная температура нейтронов с энергией несколько МэВ составляет несколько десятков миллиардов кельвинов .${\ displaystyle m_ {n}}$${\ Displaystyle \ langle v ^ {2} \ rangle}$${\ displaystyle k_ {B}}$

Умеренность - это процесс уменьшения начальной высокой скорости (высокой кинетической энергии) свободного нейтрона. Поскольку энергия сохраняется, это уменьшение скорости нейтронов происходит за счет передачи энергии материалу, называемому замедлителем .

Вероятность рассеяния нейтрона на ядре определяется сечением рассеяния . Первая пара столкновений с замедлителем может иметь достаточно высокую энергию для возбуждения ядра замедлителя. Такое столкновение является неупругим , так как некоторая часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную энергию путем возбуждения некоторых внутренних степеней свободы ядра с образованием возбужденного состояния . По мере того как энергия нейтрона понижается, столкновения становятся преимущественно упругими , т. Е. Полная кинетическая энергия и импульс системы (нейтрона и ядра) сохраняются.

Учитывая математику упругих столкновений , поскольку нейтроны очень легкие по сравнению с большинством ядер, наиболее эффективным способом удаления кинетической энергии из нейтрона является выбор замедляющего ядра с почти идентичной массой.

Столкновение нейтрона, имеющего массу 1, с ядром ¹ H ( протоном ) может привести к потере нейтроном практически всей своей энергии в одном лобовом столкновении. В более общем плане необходимо учитывать как косые, так и лобовые столкновения. Среднее логарифмическое уменьшение энергии нейтрона на одно столкновение , зависит только от атомной массы, , ядра и определяется по формуле:${\ Displaystyle \ xi}$${\ displaystyle A}$

${\ displaystyle \ xi = \ ln {\ frac {E_ {0}} {E}} = 1 + {\ frac {(A-1) ^ {2}} {2A}} \ ln \ left ({\ frac {A-1} {A + 1}} \ right)}$. ^[4]

Это можно разумно приблизить к очень простой форме . ^[5] Из этого можно вывести ожидаемое количество столкновений нейтрона с ядрами данного типа, которое требуется для уменьшения кинетической энергии нейтрона с до${\ displaystyle \ xi \ simeq {\ frac {2} {A + 2/3}}}$${\ displaystyle n}$${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle E_{1}}$

${\displaystyle n={\frac {1}{\xi }}(\ln E_{0}-\ln E_{1})}$. ^[5]

Выбор модератора материалов [ править ]

Некоторые ядра имеют большее сечение поглощения, чем другие, что удаляет свободные нейтроны из потока . Следовательно, еще одним критерием эффективного замедлителя является тот, для которого этот параметр мал. Эффективность смягчающее дает отношение макроскопических сечений рассеяния, взвешенному разделено , что поглощения, : то есть . ^[4] Для составного замедлителя, состоящего из более чем одного элемента, такого как легкая или тяжелая вода, необходимо учитывать замедляющий и поглощающий эффект как изотопа водорода, так и атома кислорода для расчета . Чтобы вывести нейтрон с энергией деления 2 МэВ на${\displaystyle \Sigma _{s}}$${\displaystyle \xi }$${\displaystyle \Sigma _{a}}$${\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}}$${\displaystyle \xi }$${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle E}$1 эВ требует ожидаемых 16 и 29 столкновений для H ₂ O и D ₂ O соответственно. Следовательно, нейтроны быстрее замедляются легкой водой, так как H имеет гораздо большее значение . Однако он также имеет гораздо более высокий коэффициент замедления, так что эффективность замедления для тяжелой воды почти в 80 раз выше, чем для легкой воды. ^[4]${\displaystyle n}$${\displaystyle \Sigma _{s}}$${\displaystyle \Sigma _{a}}$

Идеальный замедлитель имеет малую массу, высокое сечение рассеяния и малое сечение поглощения .

	Водород	Дейтерий	Бериллий	Углерод	Кислород	Уран
Масса ядер u	1	2	9	12	16	238
Уменьшение энергии ${\displaystyle \xi }$	1	0,7261	0,2078	0,1589	0,1209	0,0084
Количество столкновений	18	25	86	114	150	2172

Распределение скоростей нейтронов после замедления [ править ]

После достаточных ударов скорость нейтрона будет сопоставима со скоростью ядер, заданной тепловым движением; этот нейтрон тогда называют тепловым нейтроном , и этот процесс также можно назвать термализацией . После достижения равновесия при заданной температуре распределение скоростей (энергий), ожидаемых от упругого рассеяния твердых сфер, задается распределением Максвелла – Больцмана . В реальном замедлителе это лишь немного изменяется из-за зависимости сечения поглощения большинства материалов от скорости (энергии), так что низкоскоростные нейтроны предпочтительно поглощаются ^{[5] [6],} так что истинное распределение нейтронов по скоростям в ядре будет немного горячее, чем предполагалось.

Модераторы Reactor [ править ]

В реакторе на тепловых нейтронах ядро тяжелого тепловыделяющего элемента, такого как уран, поглощает медленно движущийся свободный нейтрон , становится нестабильным, а затем расщепляется (« деление ») на два меньших атома (« продукты деления »). Процесс деления ядер 235 U дает два продукта деления, два-три быстро движущихся свободных нейтрона , а также некоторое количество энергии, в основном проявляющееся в кинетической энергии возвращающихся продуктов деления. Свободные нейтроны испускаются с кинетической энергией ~ 2 МэВ каждый. Потому что больше свободных нейтроновПри делении урана выделяются тепловые нейтроны, чтобы вызвать это событие, реакция может стать самоподдерживающейся - цепной реакцией - в контролируемых условиях, высвобождая огромное количество энергии (см. статью о ядерном делении ).

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», как правило, до 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 местонахождение [ править ]

Форма и расположение замедлителя могут сильно повлиять на стоимость и безопасность реактора. Классически замедлители представляли собой блоки из высокочистого графита ^{[7] [8]} с прецизионной обработкой со встроенными каналами 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 привести к накоплению в замедлителе опасного количества вигнеровской энергии . Эта проблема привела к печально известному пожару в Уиндскейл-Пайлз, ядерном реакторном комплексе в Соединенном Королевстве в 1957 году.

Некоторые замедлители реакторов с галечным слоем не только просты, но и недороги: ^{[ цитата необходима ]} 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 теплоносителя тяжелой воды под давлением. Такая конструкция дает реакторам CANDU положительный коэффициент пустотности , хотя кинетика более медленных нейтронов систем с тяжеловодным замедлителем компенсирует это, что приводит к сопоставимой безопасности с PWR » ^[9].

Примеси замедлителя [ править ]

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 немецкая программа военного времени никогда не обнаружила эту проблему, они были вынуждены использовать гораздо более дорогие тяжелые водные замедлители. В США Лео Сцилард, бывший инженер-химик, обнаружил проблему.

Неграфитовые модераторы [ править ]

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 существу, 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, обогащение 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 [ править ]

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». ^[10] Только проект Манхэттен охватил 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 делящегося материала. ^{[11] [12]} В 1943 году Роберт Оппенгеймер и Нильс Боррассматривал возможность использования «сваи» в качестве оружия. ^[13] 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 ». ^[14]

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 заряда дейтерированного полиэтилена, содержащего уран ^{[15] : глава 15} в качестве потенциального термоядерного топлива, ^{[16] : 203}в надежде, что дейтерий плавится (становится активной средой) при соответствующем сжатии. В случае успеха, устройство также может привести к компактному первичному содержащему минимальному количеству делящегося материала, и достаточно мощным , чтобы зажечь шомпол ^{[16] : 149} с термоядерным оружием , 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. ^{[17] : 258} В сердечниках состояли из смеси урана дейтерида (UD ₃ ), ^{[16] : 202} и дейтерированный полиэтилен. Ядро протестировано вРэй использовал низкообогащенный по U ^{235 уран} , и в обоих выстрелах дейтерий выступал в качестве замедлителя нейтронов. ^{[17] : 260} Прогнозируемый выход составлял от 1,5 до 3 тыс. Тонн для Рут (с максимальным потенциальным выходом 20 тыс. ^{[18] : 96} ) и 0,5-1 тыс. Тонн для Рэя . Испытания дали выход по 200 т тротила каждое; оба теста были признаны провальными . ^{[11] [12]}

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 состоит в том, что время между последующими генерациями нейтронов увеличивается, что замедляет реакцию. Это затрудняет сдерживание взрыва; инерции , который используется для ограничения типа имплозии бомб не смогут ограничить реакцию. Конечным результатом может быть не взор, а взрыв.

Таким образом, взрывная сила полностью замедленного взрыва ограничена, в худшем случае она может быть равна химической взрывчатке аналогичной 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 реакция завершена ". ^[19]

В то время как ядерная бомба, работающая на тепловых нейтронах, может быть непрактичной, современные конструкции оружия все же могут выиграть от некоторого уровня замедления. Бериллий тампера используется в качестве отражателя нейтронов будет также выступать в качестве модератора. ^{[20] [21]}

Использованные материалы [ править ]

• 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 с большей вероятностью будут захвачены ураном-238 и с меньшей вероятностью расщепят уран-235 , поэтому для работы легководных реакторов требуется обогащенный уран .
  • Есть также 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 форме графита реакторного качества ^[7] или пиролитического углерода , используемый, например, в РБМК и реакторах с галечным слоем , или в соединениях, например диоксиде углерода . Реакторы с более низкими температурами 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 K или выше в некоторых исследовательских реакторах для получения источника горячих нейтронов : это дает распределение Максвелла – Больцмана , максимум которого расширен для генерации нейтронов более высокой энергии.
• 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 реакторе с расплавом солей .

Другие материалы с легкими ядрами непригодны по разным причинам. Гелий - это газ, и для достижения достаточной плотности он требует специальной конструкции; литий- 6 и бор- 10 поглощают нейтроны.

См. Также [ править ]

• Ядерное сечение
• Отражатель нейтронов
• Рассеяние нейтронов
• Эффект Вигнера
• Циркаллой

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Справочник Министерства энергетики США: Ядерная физика и теория реакторов. Vol. 2 (DOE-HDBK-1019 / 2-93) (PDF) . Министерство энергетики США . Январь 1993. Архивировано из оригинального (PDF) 3 декабря 2013 года . Проверено 29 ноября 2013 года .