Запаздывающие нейтроны
Запаздывающие нейтроны — нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления тяжёлых атомных ядер, в отличие от мгновенных нейтронов, испускаемых практически мгновенно после деления составного ядра. Запаздывающие нейтроны составляют менее 1 % испускаемых нейтронов деления, однако, несмотря на столь малый выход, играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря большому запаздыванию такие нейтроны существенно (на 2 порядка и более) увеличивают время жизни нейтронов одного поколения в реакторе и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления[1]. Запаздывающие нейтроны были открыты Робертсом с коллективом в 1939 году[2].
Механизм явления
[править | править код]В результате деления тяжёлых ядер нейтронами образуются осколки деления в возбуждённом состоянии, претерпевающие β−-распады. В очень редких случаях в цепочке таких β−-превращений образуется ядро с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона в этом ядре. Такие ядра могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими.
Испускание запаздывающего нейтрона конкурирует с гамма-излучением, но если ядро сильно перегружено нейтронами, более вероятным будет испускание нейтрона. Это значит, что запаздывающие нейтроны излучаются ядрами, находящимися ближе к началам цепочек распада, так как там особенно малы энергии связи нейтронов в ядрах.
Ядро, образовавшееся при испускании запаздывающего нейтрона, может находиться либо в основном, либо в возбуждённом состоянии. В последнем случае возбуждение снимается гамма-излучением[1].
Предшественники и излучатели
[править | править код]Составное ядро (Z,N)* (где Z — количество протонов, N — нейтронов) принято называть предшественником запаздывающих нейтронов, а ядро (Z+1,N−1) — излучателем запаздывающих нейтронов.
Ядро-излучатель испускает нейтрон практически мгновенно, но со значительным запаздыванием по отношению к моменту деления исходного ядра. Среднее время запаздывания практически совпадает со средним временем жизни ядра-предшественника.
Запаздывающие нейтроны принято делить на несколько (чаще всего 6) групп в зависимости от времени запаздывания. Насчитывают около 50 возможных ядер-предшественников, причём заметную роль в этом количестве составляют изотопы брома и иода. Как правило, нейтроны испускаются ядрами с числом нейтронов, на единицу большим магических чисел (50 и 82), так как значения средней энергии связи в таких ядрах особенно малы[1].
Энергия запаздывающих нейтронов
[править | править код]Энергия запаздывающих нейтронов (в среднем примерно 0,5 МэВ) в несколько раз меньше средней энергии мгновенных нейтронов (примерно 2 МэВ)[1].
Доля запаздывающих нейтронов
[править | править код]Величина, характеризующая количество запаздывающих нейтронов относительно мгновенных нейтронов, образующихся при распаде ядра данного сорта, называется долей запаздывающих нейтронов (β). Эта величина полностью определяется делящимся ядром и в области энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ практически не зависит от энергии нейтронов, вызывающих деление. Для всех ядер значение β составляет менее 1 %[1].
Основные характеристики запаздывающих нейтронов
[править | править код]В таблице перечислены основные характеристики запаздывающих нейтронов для некоторых ядер, и перечислены некоторые из возможных предшественников для случая деления 235U[1][3]:
| Номер группы | Время запаздывания, с | Средняя энергия, МэВ | Возможные ядра-предшественники | Период полураспада ядер-предшественников, T1/2, с | Доля запаздывающих нейтронов, βi | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 235U | 239Pu | 233U | 235U | 239Pu | 233U | ||||
| 1 | 54—56 | 0,25 | 87Br, 142Cs | 55,72 | 54,28 | 55 | 0,00021 | 0,000072 | 0,000224 |
| 2 | 21—23 | 0,56 | 137I, 88Br, 136Te | 22,72 | 23,04 | 20,57 | 0,00140 | 0,000626 | 0,000776 |
| 3 | 5—6 | 0,43 | 138I, 89Br | 6,22 | 5,60 | 5,0 | 0,00126 | 0,000444 | 0,000654 |
| 4 | 1,9—2,3 | 0,62 | 139I, 94Kr, 143Xe, 144Xe | 2,30 | 2,13 | 2,13 | 0,00252 | 0,000685 | 0,000725 |
| 5 | 0,5—0,6 | 0,42 | Любые короткоживущие ядра продуктов деления | 0,61 | 0,62 | 0,62 | 0,00074 | 0,000180 | 0,000134 |
| 6 | 0,17—0,27 | — | 0,23 | 0,26 | 0,28 | 0,00027 | 0,000093 | 0,000087 | |
| β = ∑βi | 0,0064 | 0,0021 | 0,0026 | ||||||
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 3 4 5 6 Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.
- ↑ Казанский Ю. А., Лебедев М. Б. Кинетика ядерных реакторов. Учебное пособие по курсу «Физическая теория ядерных реакторов». — Обнинский институт атомной энергетики, 1990. — С. 5.
- ↑ Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.