Неупругое рассеяние

Неупругое рассеяние

Оно возможно только при условии, что энергия нейтрона выше некоторого энергетического порога, а если энергия нейтрона ниже – просто сечение неупругого рассеяния будет равно нулю, эта реакция не идет, это первое. И второе -  после неупругого рассеяния, очень быстро, практически мгновенно, ядро переходит в основное состояние и испускается g-квант неупругого рассеяния, т.е. неупругое рассеяние сопровождается испусканием g-кванта.

Вопрос – а вот первое, энергия больше чего?

Больше энергии первого возбужденного уровня ядра. Потому что у ядра существует дискретная система уровней возбуждения, и если у нейтрона не хватает энергии возбудить ядро, то неупругое рассеяние невозможно, сечение неупругого рассеяния равно нулю.

Но характерно, что неупругое рассеяние для тех энергий нейтронов, которые присутствуют в реакторе, в спектре деления, идет только на тяжелых и средних ядрах, начиная примерно с железа (массовое число ~ 50 и выше). На легких ядрах неупругое рассеяние в реакторе отсутствует, потому что у легких ядер энергия первого уровня возбуждения очень высокая –  нейтронов с такой энергией в реакторе нет или их очень мало. Поэтому неупругое рассеяние наиболее характерно для тяжелых ядер.

Таким образом, сечение неупругого рассеяния имеет пороговый характер по энергии, т.е. ниже какой-то энергии оно равно нулю, и скачком достигает какого-то значения после того, как энергия нейтрона станет выше энергии первого уровня возбуждения.

Итак, рассмотренные процессы взаимодействия нейтронов с ядрами – деление, поглощение, захват и рассеяние определяют баланс нейтронов в реакторе и от них зависит эффективный коэффициент размножения.

Вопрос – получается, что если неупругое рассеяние невозможно, то получается упругое?

 Да, упругое рассеяние – оно существует всегда, и у тяжелых ядер упругое рассеяние возможно на всех ядрах, оно не запрещается никакими законами. Просто, когда  энергия нейтронов повышается, сначала идет только упругое рассеяние, а начиная с какой-то энергии к нему добавляется еще и неупругое, со своим сечением.

Если сложить между собой все типы сечений, то мы получим полное сечение. Оно обозначается stot (tot – от английского слова total – тотальный, полный) и называется полное сечение взаимодействия, которое равно

Неупругое рассеяние   .

Полное сечение есть сумма частных, парциальных сечений, в данном случае мы не различаем упругое и неупругое рассеяние.

Неупругое рассеяниеПервые два слагаемых sf
и sc
в сумме будут sа, я написал их отдельно, чтобы можно было представить себе наглядно полное поперечное сечение. На рис.4.5 изображены составляющие полного поперечного сечения, если представить его как площадь сечения шарика, разрезанного пополам.

Вопрос – вначале вы s представляли как площадь ядра?

   Да.

Вопрос – во сколько раз площадь ядра будет больше этой общей площади?

А это будет зависеть от величины сечений. Разное сечение может быть, оно может быть совершенно разное. Т.е. если представить полное сечение как круговую мишень, по которой стреляют, допустим, из нейтронного пистолета, то вероятность рассеяться будет равна вот такой то доле этого круга, вероятность захватиться – вот такой доле, разделиться – такой-то доле.

 Вопрос – диаграмма будет.

Диаграмма. Для того, чтобы наглядно себе представить происходящие процессы. Конечно, ядро мы условно рассматриваем как шарик, вот сечение, полная площадь такая-то, а вот в этой полной площади такую долю занимает такой-то процесс, т.е. эта доля обозначает вероятность такого-то процесса и т.д.

Следующий раздел, который мы сейчас начнем изучать – энергетическая зависимость сечений.

Диапазон изменения энергии нейтрона в реакторе очень большой. Мы уже знаем, что средняя энергия нейтронов деления Е0 = 2 МэВ, т.е. это средняя энергия нейтрона, рожденного при делении. Рождаетсяnf  нейтронов, и каждый из этих nf (двух или трех) нейтронов имеет энергию 2 миллиона электронвольт. Вот при такой энергии в среднем нейтрон рождается.

Вопрос – эта энергия выделяется?

Это кинетическая энергия нейтрона, самого нейтрона. Это кинетическая энергия одного нейтрона.

Неупругое рассеяниеЯ говорю средняя потому, что опять мы имеем дело со случайным процессом, т.е.  в одном случае нейтрон может иметь энергию 1 МэВ, в другом — 0,5 МэВ, в среднем может быть  – 3 МэВ, 4 МэВ. А если же взять миллион делений, то в среднем оказывается, что средняя энергия нейтронов деления равна 2 МэВ. В спектре деления максимально обнаруженная энергия нейтронов составляет ~ 20 МэВ (рождаемых при делении), но таких нейтронов очень мало. Энергетический спект мгновенных нейтронов деления имеет вид очень узкого спектра (рис.4.6). Максимум распределения приходится на ~ 1 МэВ. Максимальная энергия на 1 М (т.е.наиболее вероятная энергия нейтронов деления составляет 1 МэВ, а средняя энергия нейтронов деления – 2 МэВ, за счет затянутого хвоста).

Нейтронов, имеющих энергию больше 10 МэВ в спектре очень мало, их всего 0,1 %, (из nf
нейтронов), т.е. из 2,5 нейтронов всего 0,1 % имеют энергию больше, чем 10 МэВ. А максимум нейтронов при 1 МэВ, среднее количество нейтронов испускается при 2 МэВ. Казалось бы, нейтронов с энергией больше 10 МэВ очень мало, и, может быть, их вообще можно не учитывать?  Оказывается, нет. Если для баланса нейтронов при расчете критичности реактора они значения не имеют, то для некоторых других процессов важно знать количество этих быстрых, или очень быстрых нейтронов.

Вопрос – эта диаграмма показывает выход нейтронов?

Этот  график называется энергетический спектр нейтронов деления. Не вообще в реакторе, а энергетический спектр нейтронов деления.

Вопрос – это для урана?

Для урана и для плутония графики сильно не отличаются.

Вопрос – а так для каждого элемента есть свой график?

Да, есть свой график,.

Итак, спектр нейтронов деления. Он имеет вид, изображенный на рис.4.6, в среднем энергия нейтронов деления 2 МэВ, наиболее вероятная энергия – 1 МэВ, это там, где максимум.

Я хотел немного рассказать о тех случаях, когда важны  эти сверхбыстрые нейтроны с энергией выше 10 МэВ. Когда мы с вами рассматривали и сравнивали одноконтурные реакторы и двухконтурные, мы говорили, что в одноконтурных станциях водяной пар, идущий на турбину, радиоактивный. Забудем пока про радиоактивность теплоносителя, обусловленную осколками, которые могут туда попасть из негерметичных твэлов, забудем про активацию продуктов коррозии и примесей, которые есть в теплоносителе. Рассмотрим только воду Н2О, при этом оказывается, что кислород при облучении нейтронами приобретает свойства радиоактивности, т.е. на изотопе кислорода 16О идет вот такая реакция  16О(n,p). 16О – это основной изотоп природного кислорода, n – это падающая частица, нейтрон, а р – протон, вылетающая частица. Что должно получиться, если в ядро попал нейтрон, а вылетел протон? Масса не изменяется. Это же массовое число – попал нейтрон, вылетел протон, значит, масса не изменилась, изменился только заряд. Значит, если вылетает протон, это вылетает положительный заряд, это значит, как будто бы в ядре появляется отрицательный заряд. Правильно?