Отчего зависит утечка нейтронов?


Отчего зависит утечка нейтронов?

Последняя составляющая в формуле для kэфф , которое мы получили через Р,П и У. Один параметр мы знаем — размер реактора, мы анализировали уже, что если радиус реактора стремится к бесконечности, то утечки просто нет, все пространство занято средой, размножающей нейтроны и нейтронам некуда улетать. И наоборот, чем радиус реактора меньше, тем относительная поверхность больше, тем самым нейтронам предоставляется большая возможность вылететь наружу. Но это связано с размерами. А вот какие ядерные процессы влияют на эту скорость утечки? Деление, мы знаем, определяется сечением деления, на скорость рождения нейтронов, на поглощение, мы знаем, влияет сечение захвата, сечение поглощения, а вот какие процессы влияют на утечку нейтронов?

На утечку нейтронов, прежде всего, влияют процессы рассеяния нейтронов. Что собой представляет процесс рассеяния? Этот процесс происходит при столкновении нейтрона с ядром, но когда нейтрон не исчезает, а сталкивается с ядром, меняет направление своего полета, и куда-то летит дальше. Т.е. при рассеянии нейтроны не исчезают, они продолжают существовать, изменяя направление своего движения, и, в общем случае, и энергию, конечно.

Вопрос – как бы рикошетом.

Совершенно верно, хотя, когда говорят рикошет, это имеется в виду, когда мячик попадает в борт, в бесконечную массу — вот тогда рикошет. Т.е. когда идет рикошет, вы сдвинуть то тело не можете, а вот если два хоккеиста сталкиваются, вы же не можете сказать, что вы отскочили от него рикошетом?

Вопрос – нам Абрамов говорил, что когда ядро тяжелое, нейтрон рикошетит.

Чтобы рикошет был, должно быть ядро бесконечной массы, теоретически. Мы будем это дальше рассматривать. А так, в принципе, если масса не бесконечна, то нейтрон часть энергии передает тому телу, с которым он сталкивается.

Так вот, почему процессы рассеяния важны для утечки нейтронов? Представим себе, вот эта комната и есть как раз реактор. И вот в объеме этой комнаты (реактора) находится 10 делящихся ядер 235U. Представим, что произошло деление и родился нейтрон. Так вот, эта комната будет как бы пустая для этого нейтрона. Т.е. он с большой вероятностью пролетит мимо этих ядер урана и вылетит. У него вероятность утечки очень большая.

А теперь представим себе, что эти же 10 ядер урана находятся опять здесь, но кроме них мы заполнили эту комнату рассеивающими ядрами, которых в 1000 раз больше, чем ядер урана. Тогда нейтрон уже не может далеко пролететь, или просто вылететь на улицу через вот эту поверхность. Он столкнется с этим ядром, куда то повернет, столкнется с другим ядром, с третьим, т.е. он будет долго жить внутри этой комнаты и вероятность в конце концов столкнуться с ядром урана и разделить ядро у него будет гораздо больше. Вот в этом и заключается значение процесса рассеяния – чем больше рассеяние внутри объема реактора, тем меньше утечка. Т.е. в этом случае один фактор, определяющий У связан как бы с размерами, а второй – со свойствами среды. Чем больше рассеивающих ядер, т.е. концентрация рассеивающих ядер r, плотность их, и чем больше сечение рассеяния, такое же, как мы рассматривали для захвата, тем меньше будет утечка нейтронов. Вот какая закономерность существует.

Вопрос – а чем тогда утечка отличается от поглощения?

В смысле исчезновения нейтрона ничем. Поэтому и те, и другие процессы в знаменателе формулы (1) стоят. Если вы помните, у нас записано Отчего зависит утечка нейтронов? , т.е. утечка от поглощения по влиянию на kэфф ничем не отличается. Это безразлично, каким образом исчез нейтрон. То ли он вылетел, то ли он поглотился, но он исчез.

 Вопрос – т.е. утечка – это когда просто вылетает?

Просто вылетает, за внешнюю границу, вот сколько нейтронов в 1 с вылетает за пределы реактора. Также можно рассматривать и единичный объем — один см3 – в каждом см3 реактора какое-то количество нейтронов рождается, а какое-то количество поглощается. А разница куда девается? А разница улетает.

Вопрос – определение еще раз скажите.

Чем больше рассеивающих ядер, т.е. чем больше концентрация рассеивающих ядер r и чем больше сечение рассеяния, микроскопическое сечение рассеяния, тем меньше утечка нейтронов при прочих равных условиях. Короче говоря, если среда бесконечна, то не имеет никакого значения, есть рассеяние или нет рассеяния – все равно они никуда не могут вылететь, потому что все бесконечное пространство заполнено и рассеяние здесь ничуть не помогает. А вот когда конечная среда, то рассеяние помогает нейтрону запутываться внутри, долго, долго блуждать и раз он долго блуждает, то вероятность взаимодействия с ядрами увеличивается.

Вопрос – а замедлитель…..

Фактически рассеивателем является замедлитель, но сейчас мы не рассматриваем процесс замедления. Даже если бы  среда была заполнена не замедляющими ядрами, а допустим свинцом. Свинец очень плохо замедляет нейтроны, но он рассеивает их. Таким образом, смесь урана со свинцом все равно влияла бы на рассеяние – оно приводило бы к уменьшению утечки, даже без учета замедления. Мы пока процесс замедления не рассматривали, мы его дальше будем рассматривать.  Пока только говорим о рассеянии.

Сечение рассеяния обозначается ss (от английского слова scattering – рассеяние). Как и все другие сечения, оно измеряется в барнах и как бы представляет вот собой поперечное сечение шарика. Вероятность рассеяния будет определяться микроскопическим поперечным сечением рассеяния.

Отчего зависит утечка нейтронов? Рассеяние бывает двух типов – упругое рассеяние и неупругое рассеяние (см. рис.4.4): Отчего зависит утечка нейтронов? (el – от слова elastic – эластичность, упругость) — упругое рассеяние, Отчего зависит утечка нейтронов? (in – inelastic – неупругий) – неупругое рассеяние.

Чем отличаются эти процессы друг от друга? Упругое рассеяние, в общем, подчиняется законам классической механики, т.е. в этом случае должны выполняться закон сохранения импульса и закон сохранения энергии. Другими словами, энергия падающей частицы, в данном случае нейтрона, должна равняться сумме энергий нейтрона после столкновения и энергии ядра тоже после столкновения, потому что нейтрон часть своей энергии передает ядру. Энергия никуда не делась, вот это и есть закон сохранения энергии. Также должен сохраняться импульс этих двух частиц, т.е. количество движения.

 А вот когда речь идет о неупругом рассеянии, то оно происходит уже по законам квантовой механики, с проникновением нейтрона внутрь ядра, с образованием составного ядра (компаунд-ядра) и нейтрон, попавший в ядро, какое-то время там живет, хоть очень маленькое время, но живет. И потом, когда из ядра вылетает нейтрон, это, в общем, совсем не обязательно тот нейтрон, который падал, это может быть один из нейтронов, находившихся  в этом ядре. Но тут важно отметить следующее — если упругое рассеяние происходит с нейтронами всех энергий, и с тепловыми нейтронами, и промежуточными, и с быстрыми нейтронами, не имеет значения — то неупругое рассеяние возможно только для нейтронов, имеющих энергию выше некоторого порога или выше первого уровня возбуждения ядра. Иначе говоря, это запрещает квантовая механика, потому что возбужденное ядро имеет определенную дискретную структуру уровней возбуждения и вот нужно, чтобы кинетическая энергия нейтрона была бы выше, чем энергия первого уровня возбуждения, потому что когда нейтрон вылетит при неупругом рассеянии из ядра, то оставшаяся энергия высветится в виде g-кванта, которая переведет ядро из возбужденного состояния в основное состояние.