4. Рассеяние нейтронов

Процесс, единственным результатом которого является передача энергии от одной частицы к другой, называется рассеянием.

Существует 2 вида рассеяния: упругое и неупругое.

а) При неупругом рассеянии не сохраняется суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, часть кинетической энергии уходит на возбуждение ядра - мишени. Реакция неупругого рассеяния идет следующим образом:

составное ядро -квант

Сечение неупругого рассеяния характеризуется резонансными пиками, так как необходимо образование составного ядра. Неупругое рассеяние происходит не при любой энергии нейтрона, т.к. не всегда возможно образование возбужденного уровня ядра - мишени. Расстояния до первого возбужденного уровня у тяжелых ядер » 0,1 МэВ, для легких ядер » 1 МэВ, то есть чтобы ядро-мишень было в возбужденном состоянии, необходимо, чтобы кинетическая энергия нейтрона была ³0.1 МэВ для тяжелых ядер, и ³1 МэВ для легких ядер. Т.о. неупругие процессы возможны лишь при больших энергиях нейтрона даже для тяжелых ядер, а для легких ядер неупругое рассеяние в реакторах практически незаметно. В быстрых реакторах неупругое рассеяние на тяжелых ядрах является одним из основных процессов. В тепловых реакторах неупругим рассеянием можно пренебречь (в первом приближении).

б) При упругом рассеянии сохраняется как суммарная кинетическая энергия, так и суммарный импульс сталкивающихся частиц, поэтому данный процесс очень близок к столкновению упругих шаров.

Упругое рассеяние может быть резонансным и потенциальным: резонансное рассеяние идет с образованием составного ядра, потенциальное рассеяние происходит в поле ядерных сил.

Зависимость резонансного упругого рассеяния от энергии характеризуется резонансными пиками, а сечение потенциального рассеяния слабо зависит от энергии.

5. Рассеяние и замедление нейтронов

В реакции деления рождаются нейтроны с кинетической энергией ~ 2 МэВ. Такие нейтроны называются быстрыми. Эти быстрые нейтроны попадают в среду реактора, состоящую из ядер различных элементов. Ядра среды колеблются со средней энергией ~ 0.025 эВ, что на 8 порядков меньше энергии быстрых нейтронов. При упругих и неупругих столкновениях нейтроны обмениваются энергией с ядрами, в результате многократных столкновений нейтроны замедляются до энергий, порядка средней энергии ядер среды. Нейтроны стремятся к тепловому равновесию со средой. Поэтому замедлившиеся нейтроны называют тепловыми. Замедление нейтронов необходимо из-за того, что для тепловых нейтронов особенно велико сечение деления ядер U²³⁵ по сравнению с сечением поглощения U²³⁸. Только благодаря замедлению удалось построить реакторы на естественном уране. Вещества, применяемые для замедления нейтронов, называются замедлителями. Наилучшими замедлителями являются вещества с достаточно большим сечением рассеяния, малой массой ядра и малым сечением поглощения. Потери энергии нейтрона на одно столкновение особенно велики для легких ядер. Это легко понять, если провести аналогию со столкновением бильярдных шаров разной массы. Отдача тяжелого ядра мала, для бесконечно тяжелого ядра отдача равна нулю. При равных массах возможна полная передача энергии от одного шара к другому за одно столкновение. Это можно наблюдать и при столкновении нейтрона с ядром водорода. В качестве замедлителя применяют H₂O, D₂O, Be, C. У них мало сечение захвата, и по массе они сравнимы с массой нейтрона, ибо при взаимодействии отдача тем больше, чем меньше масса ядра. Распределение по энергии нейтронов, пришедших в тепловое равновесие с ядрами, таково:

,

где n – число нейтронов на единичном интервале энергий, Т – температура среды. Это распределение Максвелла. Так как в любой среде сечение поглощения не равно нулю, то нейтроны не успевают прийти в тепловое равновесие со средой. Температура нейтронного газа Т_{н. г.} больше температуры ядер T_яд в реальных ситуациях. В быстрых реакторах отсутствует замедлитель, сечение поглощения приблизительно равно сечению рассеяния, и нейтроны не успевают замедлиться до низких энергий (они раньше будут поглощены). В быстрых реакторах нейтроны замедляются до 0,1 ¸ 0,3 МэВ.