Замедле́ние нейтро́нов — процесс уменьшения кинетической энергии свободных нейтронов в результате их многократных столкновений с атомными ядрами вещества. Вещество, в котором происходит процесс замедления нейтронов, называется замедли́телем . Замедление нейтронов применяется, например, в ядерных реакторах на тепловых нейтронах .

Общие сведения

В ходе ядерных реакций , образуются, как правило, быстрые нейтроны (с энергией > 1 МэВ ). Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию крупными порциями, расходуя её, главным образом, на возбуждение ядер или их расщепление. В результате одного или нескольких столкновений энергия нейтрона становится меньше минимальной ядра (от десятков кэВ до нескольких МэВ, в зависимости от свойств ядра). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим , то есть нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния.

При одном упругом соударении нейтрон теряет, в среднем, долю энергии, равную ${\displaystyle {\frac {2A}{(A+1)^{2}}}}$ где А — массовое число ядра-мишени. Эта доля мала для тяжёлых ядер (1/100 для свинца ) и велика для лёгких ядер (1/7 для углерода и 1/2 для водорода ). Поэтому замедление нейтронов происходит на лёгких ядрах гораздо быстрее, чем на тяжёлых.

Среднее число столкновений N, среднее время замедления t и среднее квадратичное удаление L _Б нейтрона от источника при замедлении нейтрона в неограниченной среде от энергии 1 МэВ до энергии 0,1 эВ.

В процессе замедления нейтронов образуются т. н. тепловые нейтроны , находящиеся в тепловом равновесии со средой, в которой происходит замедление. Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,04 эВ.

Средний логарифмический декремент энергии нейтрона на одно столкновение , ${\displaystyle \xi }$ , зависит только от массового числа, ${\displaystyle A}$ , ядра-замедлителя:

${\displaystyle \xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1+{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A-1}{A+1}}\right)}$ .

При ${\displaystyle A}$ больше трех можно пользоваться упрощенной формулой: ${\displaystyle \xi \simeq {\frac {2}{A+2/3}}}$ .

Коэффициентом замедления вещества называют отношение макросечения рассеяния ${\displaystyle \Sigma _{s}}$ умноженного на средний логарифмический декремент энергии нейтрона на одно столкновение ${\displaystyle \xi }$ к макросечению поглощения ${\displaystyle \Sigma _{a}}$ : ${\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}}$ .

В процессе замедления часть нейтронов поглощается ядрами или вылетает из среды наружу, то есть теряется. В замедлителях, содержащих лёгкие ядра, потери на поглощение малы и большая часть нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны, при условии, что размеры замедлителя достаточно велики, по сравнению с размером L _Б .

Особенности применения

К числу лучших замедлителей, широко используемых в ядерной физике и ядерной технике для превращения быстрых нейтронов в тепловые, относятся вода , тяжёлая вода , бериллий , графит .

Вода

Достоинства обычной воды как замедлителя — её доступность и дешевизна. Недостатками воды являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм ) и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана .

См. также:

• Легководный реактор
• Водо-водяной реактор
• ВВЭР

Тяжёлая вода

Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Недостатком тяжёлой воды является её очень высокая стоимость.

См. также:

• CANDU

Графит

Природный графит содержит до 20 % различных примесей, в том числе и бор , хороший . Поэтому природный графит непригоден как замедлитель нейтронов. Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Сначала из смеси прессуют блоки, а затем эти блоки термически обрабатывают при высокой температуре. Графит имеет плотность 1,6—1,8 г/см ³ . Он сублимирует при температуре 3800—3900 °C. Нагретый в воздухе до 400 °C графит загорается. Поэтому в энергетических реакторах он содержится в атмосфере инертного газа ( гелий , азот ).

См. также:

• Графито-водный реактор
• РБМК

Бериллий

Бериллий один из лучших замедлителей. Он имеет высокую температуру плавления (1282 °C) и теплопроводность , совместим с углекислым газом , водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами. Однако, в пороговой реакции ⁹ Be(n, 2n)2α возникает гелий , поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами внутри бериллия накапливается газ , под давлением которого бериллий распухает. Применение бериллия ограничено также его высокой стоимостью. Кроме того, бериллий и его соединения весьма токсичны. Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов.

Литература

• Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок М.: Атомиздат , 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат , 1979.