6. Замедлители. Требования, предъявляемые к замедлителю. Замедляющая способность. Коэффициент замедления. Характеристики замедлителей.

Замедлитель – вещество, используемое в реакторе с целью замедления нейтронов. Главное качество замедлителя - способность уменьшать энергию нейтрона до тепловой за минимальное количество нейтрон-ядерных столкновений и при минимальном поглощении нейтронов. Требование минимального числа нейтрон-ядерных столкновений в процессе замедления - обусловлено необходимостью уменьшения величины утечки нейтронов из реактора и количества резонансных поглощений в неделящихся материалах.

Хороший замедлитель должен обладать следующими ядерными свойствами:

– большим сечением рассеяния (Σ_s);

– небольшим сечением поглощения (Σ_a);

– способностью максимально уменьшать энергию нейтрона в одном столкновении.

В качестве характеристики потерь энергии нейтрона в одном столкновении принято использовать величину, называемую средняя логарифмическая потеря энергии (ξ), которая определяется как

ξ = lnE₀ – lnE₁ = ln(E₀/E₁)

где E₀ и E₁- энергия нейтрона до взаимодействия и после, соответственно.

Поскольку средняя доля энергии (ξ), теряемая нейтроном в одном упругом столкновении, не является функцией его первоначальной энергии, а зависит лишь от типа материала, то она очень удобна для оценки замедляющей способности материала.

Значение средней логарифмической потери энергии для водорода равна 1, с увеличением А быстро падает. Для расчета ξ обычно используется формула:

Для примера в таблице приведено среднее число столкновений нейтрона с различными ядрами, необходимое для замедления нейтрона с энергией 2 МэВ до 0,625 эВ

«Рассеивающие свойства ядер».

Нуклид	1H	2D	4He	9Be	12C	16O	56Fe	238U
ξ	1	0,725	0,425	0,207	0,158	0,120	0,0353	0,00838
n	15	21	35	72	95	125	425	1787

Замедляющая способность.

Знание средней логарифмической потери энергии в одном столкновении недостаточно, чтобы судить о качестве материала как замедлителя. Значительно полнее характеризует замедляющие свойства вещества параметр, учитывающий на ряду с потерями энергии в столкновении и среднее число столкновений нейтрона на единице пути - Σ_s. Таким параметром является произведение - ξΣ_s. Величина ξΣ_s определяет среднюю логарифмическую потерю энергии нейтрона при прохождении им 1 см пути в веществе (взятой по его траектории). Величина ξΣ_s называется замедляющей способностью вещества.

Коэффициент замедления.

Пригодность использования вещества в реакторе в качестве замедлителя не может оцениваться исключительно по его замедляющей способности.

Вещество, хорошо замедляющее нейтроны, но, одновременно, сильно их поглощающее не может служить замедлителем в реакторе. Поэтому, чтобы характеризовать и замедляющие и поглощающие способности материала вводится параметр коэффициент замедления – отношение замедляющей способности к макроскопическому сечению поглощения нейтронов Σ_а для тепловой энергии (0,0253 эВ) - ξΣ_s/ Σ_а

Основные замедляющие свойства некоторых материалов

Материал	ξ	Количество столкновений до термализации (n)	Замедляющая способность, см-1 ξΣs	Коэффициент замедления ξΣs/ Σа
H2O	0,927	19	1,425	62
D2O	0,510	35	0,177	4830
He	0,427	42	9 10-6	51
Be	0,207	86	0,154	126
C	0,158	114	0,083	216

Эффект замедления.

Важным параметром, характеризующим размножающие свойства реактора, является замедлитель-топливное отношение. Для водо-водяных реакторов это водо-урановое отношение, для графитовых – графит-урановое (чаще используется термин уран-графитовое) отношение. Измеряется замедлитель–топливное отношение либо в единицах N^з/N^U (N^з, N^U – ядерная концентрация замедлителя и топлива, соответственно), либо в V^з/V^U (V^з, V^U - объем, занимаемый замедлителем и топливом, соответственно).

Увеличение количества замедлителя в активной зоне ведет с одной стороны к улучшению ее параметров уменьшая утечку, с другой к ухудшению, увеличивая долю нейтронов, поглощенных в замедлителе (т.е. уменьшая коэффициент теплового использования). Недостаточное количества замедлителя в активной зоне вызывает увеличение время замедления, в результате чего увеличивается вероятность резонансного поглощения. Кроме того, в этом случае увеличивается утечка. Влияние изменения N^з/N^U на φ, θ и k_эф показано на рисунке: