Теория переноса нейтронов

1.

УрФУ
Кафедра «Атомная энергетика»
Заречный 2011

2.

• О.Гленстон, М.Эдлунд, - Основы теории ядерных
реакторов, 1954.
• В.Е.Левин – Ядерная физика и ядерные реакторы,
Атомиздат, 1966
• Г.Б.Усынин, Е.В.Кусмарцев – Реакторы на быстрых
нейтронах, М., Атомиздат, 1985
Н.Н.Ошканов
– Физические и технологические
особенности ядерных реакторов на быстрых нейтронах,
Екатеринбург, 2011
• И.Н.Нигматулин, Б.И.Нигматулин – ядерные
энергетические установки, М., Энергоиздат, 1983
С.В.
Широков Физика ядерных реакторов, Киев, 1998

3.

Свойства нейтронов
Работа ядерных реакторов зависит от различного типа
взаимодействий нейтронов с атомным ядром. Эти
взаимодействия имеют свои особенности.
Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому ему не
приходится преодолевать заметную силу кулоновского
отталкивания при приближении к атомному ядру.
Даже так называемые „медленные" нейтроны, имеющие ту
же кинетическую энергию, как и обыкновенные молекулы
газа, т.е. примерно 0,03 эВ при нормальной температуре,
могут легко вступать во взаимодействие с ядром.

4.

Свойства нейтронов
Потенциальная кривая атомного ядра

5.

Свойства нейтронов
Вероятность взаимодействия между ядром и нейтроном для
медленных нейтронов гораздо больше, чем для быстрых
нейтронов с энергией порядка нескольких тысяч электронвольт и выше.
- при столкновении нейтрона с ядром медленно движущийся
нейтрон находится в среднем больше времени вблизи ядра,
чем быстро движущийся.
- в квантовой механике столкновение нейтрона с ядром
рассматривается как взаимодействие нейтронной волны с
ядром. Эффективная длина волны нейтрона обратно
пропорциональна его скорости (энергии).

6.

Свойства нейтронов
h
m
h — постоянная Планка (6,627 10-27 эрг сек),
т — масса частицы, — ее скорость.
6,627 10 27
6,627 10 33 см
10 1000 100
m 2
E
, тогда
2
h
2mE

7.

Свойства нейтронов
1 эв = 1,60 10-12 эрг;
m = 1,6746 10-24 г
6,627 10 27
2 1,6746 10 24 1,60 10 12 E
2,86 10 9
см
E
см

8.

Свойства нейтронов
Для быстрых нейтронов с энергией порядка 1 Мэв длина
волны становится порядка 10-12 см, т. е. порядка размеров
ядра.
Однако если энергия нейтрона приблизительно равна 0,03 эв,
то тогда будет порядка 1,7 10-8 см. Медленный нейтрон
может иметь эффективный диаметр, приближающийся по
величине к диаметру всего атома.
Длина волны медленного нейтрона больше длины волны
быстрого нейтрона и вероятность его взаимодействия с ядром
соответственно увеличивается.

9.

Свойства нейтронов
Эффективное поперечное сечение поглощения в зависимости
от энергии нейтронов

10.

Свойства нейтронов
Нейтроны относятся к частицам, входящим в состав всех ядер,
кроме ядра атома водорода.
Отсутствие электрического заряда определило название
(нейтрон — от слова «нейтральный»). Массу нейтрона
рассчитали, используя законы сохранения энергии и
импульса. Точная величина массы нейтрона, которая принята
в настоящее время, mn = 1,008665 а.е.м..
9 + He4 = C12 + n1 ;
Be
4
2
6
0
Be9 ( , n) C12 ;
( , n)

11.

Свойства нейтронов
Разность масс нейтрона и протона больше массы электрона.
Поэтому свободный нейтрон обладает радиоактивными
свойствами. Он распадается на _протон, электрон и
антинейтрино:
n p+ -+
Измерение периода полураспада нейтрона относится к очень
тонким экспериментам. Они затруднены тем, что нейтроны,
непрерывно двигаясь в веществе, поглощаются ядрами за
время, намного меньшее их периода полураспада.
Период полураспада нейтрона равен 11,7 мин.

12.

Источники нейтронов
1. Реакция ( , n).
Источниками нейтронов являются радий-бериллиевые
(Ra— Be) и полоний-бериллиевые (Ро — Be) источники.
В них атомы -излучателей 210Ро или 226Ra равномерно
перемешаны с атомами бериллия. Радий и полоний
испускают -частицы с энергиями 4,5—5 МэВ.
Этой энергии хватает для преодоления высоты
потенциального барьера ядра бериллия, составляющего
около 4 МэВ.
Смесь 5 г бериллия и 1 г радия испускает около 10—15 млн.
нейтронов в 1 сек. Радиево-бериллиевый источник
нейтронов, имеющий большой период полураспада, равный
приблизительно 1600 лет, является фактически постоянным и
непрерывно действующим.

13.

Источники нейтронов
2. Реакция ( , n) – фотонейтронный источник.
Многие естественные и искусственные радиоизотопы
излучают -кванты, энергия которых больше энергии связи
нейтронов в ядрах 9Be (1,63 МэВ) и 2D (2,225 МэВ).
Это используют для получения нейтронов в реакциях
2D ( , n) 1H и 9Be ( , n) 8Be.

14.

Источники нейтронов
В реакторе БН-600 используется сурьмяно-бериллиевый
фотонейтронный источник.
После активации сурьма с периодом полураспада равным 60
дней испускает жёсткое - излучение с энергией Е = 1,7 МэВ
123Sb
+ n 124Sb +
Далее идёт реакция ( ,n) на Ве:
9Ве
+ 8Ве + n
с энергией нейтронов 24 КэВ. Выход нейтронов источника –
1,9 105 нейтрона в секунду на 1 Ки.
Перестановка источников происходит каждую кампанию.

15.

Картограмма активной зоны реактора БН-600

16.

Источники нейтронов
3. Ускорители заряженных частиц.
Используются для физических экспериментов.
Действие ускоренных протонов, т. е. ядер водорода, на литий,
либо дейтронов, т. е. ядер дейтерия, на мишень из лития,
бериллия или дейтерия (в виде „тяжелого" льда или
„тяжелого" парафина) дает довольно однородные по энергии
пучки нейтронов.
Энергия нейтронов зависит от энергии используемых
падающих частиц, а также от применяемого процесса

17.

Источники нейтронов
4. Ядерные реакторы.
Самым мощным источником нейтронов является ядерный
реактор.
Нейтроны получаются внутри реактора от реакции деления
ядер топлива U, Pu, Th и т.п. При этом рождаются нейтроны в
широком диапазоне энергий.
Распределение нейтронов по скоростям (энергиям) называют
спектром нейтронов. Нейтроны с энергией до 18 МэВ –
быстрые (спектр нейтронов деления). У максимального
числа нейтронов – 0,7 МэВ, средняя ~ 2МэВ.
При наличии замедлителя спектр смягчается (спектр Ферми).
Это замедляющие нейтроны. При энергиях ~ 1эВ и ниже –
спектр тепловых нейтронов (спектр Максвелла).

18.

Спектр нейтронов в большом ВВР

19.

Основные характеристики нейтронного поля
1. Плотность нейтронов – n [нейтрон/см3].
Это отношение числа нейтронов dn (нейтр.) в элементарной
сфере к объёму этой сферы dV (см3).
dn
n r , t
(нейтрон / см 3 )
dV
2. Поток нейтронов – I [нейтрон/сек]. Это отношение числа
нейтронов dn (нейтр.), падающих на данную поверхность за
интервал времени dt (сек), к этому интервалу.
dn
I r , t
(нейтрон / сек )
dt
- это число нейтронов, падающих на данную поверхность в
единицу времени.

20.

Основные характеристики нейтронного поля
3. Плотность потока нейтронов Ф [нейтрон/см2 сек].
Это отношение потока нейтронов dI (нейтрон/сек),
проникающих в объём элементарной сферы, к площади
поперечного сечения этой сферы dS (см2)
dI
Ф r , t
(нейтрон / см 2 сек )
dS
Физически Ф можно представить как полный путь, который
проходят все нейтроны со скоростью (см/сек) в единице
объёма за единицу времени [(нейтрон/см3)/с-1 см]
Ф n (нейтрон / см 2 сек)

21.

Основные характеристики нейтронного поля
Ф= 60 нейтр/см2с.
Такая величина плотности потока может обеспечиваться:
- одним нейтроном со скоростью v = 60 см/с;
- двумя нейтронами со скоростями v = 30 см/с;
- тремя нейтронами со скоростями v = 20 см/с;
- четырьмя нейтронами со скоростями v = 15 см/с;
- пятью нейтронами со скоростями v = 12 см/с;
- шестью нейтронами со скоростями v = 10 см/с;
- десятью нейтронами со скоростями v = 6 см/с и т.д.

22.

Основные характеристики нейтронного поля
4. Флюенс нейтронов F [нейтрон/см2]. Это отношение числа
нейтронов dn (нейтрон), проникающих в объём элементарной
сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS (см2)
dn
F
( нейтрон / см 2 )
dS
Флюенс нейтронов считают, как правило, за некоторый
промежуток времени. Т.е. это величина имеет некоторые
временные рамки. Это суммарное количество нейтронов,
прошедших через единицу площади поверхности за время t (c)
F Ф t (нейтрон / см 2 )

23.

Основные характеристики нейтронного поля
5. Скорости нейтронных реакций. Скоростью любой
нейтронной реакции на ядрах i-го компонента
среды
называется число актов этой реакции, ежесекундно
происходящих с этими ядрами в 1 см3 среды.
Скорости реакций удобно обозначать символом Rji, где
нижний индекс (j) указывает на тип нейтронной реакции, а
верхний - (i) - служит условным обозначением нуклида,
изотопа, химического элемента или соединения (или даже их
смеси), на ядрах которого происходит рассматриваемая
нейтронная реакция.

24.

Основные характеристики нейтронного поля
6. Факторы, определяющие величину скорости нейтронных
реакций. Скоростью любой нейтронной реакции на ядрах i-го
компонента среды называется число актов этой реакции,
ежесекундно происходящих с этими ядрами в 1 см3 среды.
Rji(E) = ji(E) .Ni . n(E) . v(E), где:
- Ni, см-3 - ядерная концентрация i-го компонента в среде;
- n(Е), см-3 - плотность нейтронов с энергией Е;
- v(E), см/с - скорость нейтронов, соответствующая их
кинетической энергии Е: то есть v(E) = ( 2E/mn )1/2.
-коэффициент пропорциональности между характеристикой
среды (Ni), характеристиками нейтронного поля (n и v) и
скоростью j-ой нейтронной реакции (R). Имеет размерность
см2, эффективное микросечение i-го нуклида по
отношению к j-ой реакции.

25.

Основные характеристики нейтронного поля
Величина произведения ji = ji . Ni , имеющая размерность
см-1, называется эффективным макросечением вещества по
отношению к рассматриваемой (j-ой) нейтронной реакции.
Величина скорости реакции Rji имеет размерность 1/см3с или
иначе (1/с):см3, то есть, по существу, - это размерность
частоты, отнесенная к размерности объёма.
Эффективное макросечение j-ой нейтронной реакции на
ядрах рассматриваемого вещества - есть частота этой
реакции, возбуждаемая на ядрах единичного объёма
вещества потоком нейтронов единичной плотности.
Эффективное микросечение i-ых ядер - это частота
рассматриваемой
реакции,
возбуждаемая
потоком
нейтронов единичной плотности в объеме среды,
содержащем одно i-ое ядро ji = ji/Ni = (Rji/Ф)/Ni

26.

Нейтронные ядерные реакции
Ядерная реакция – это процесс и результат взаимодействия
ядер с различными ядерными частицами (альфа-, бетачастицами, протонами, нейтронами, гамма-квантами и т.д.).
Нейтронные реакции - это процесс и результат
взаимодействия свободных нейтронов с атомными ядрами.
Всякая нейтронная реакция начинается с проникновения
свободного нейтрона в объём ядра, в сферу диаметром
порядка 10-13 см, в пределах которой действуют силы
притяжения нуклонов.

27.

Нейтронные ядерные реакции
Упругое рассеяние - внутреннее состояние частиц не
меняется и суммарная кинетическая энергия системы ядронейтрон остается постоянной. Происходит только
перераспределение кинетической энергии между нейтроном
и ядром. (n, n)
s , s R s С
(Ея + Ен)до = (Ея + Ен)после
1
1 H
+ n 11H + n
12C
6
+ n 612C + n
Замедление нейтронов деления в
замедлителе в активной зоне, в
биологической защите,
отражение в отражателе.

28.

Нейтронные ядерные реакции
Неупругое рассеяние - меняется внутреннее состояние
частиц, ядро захватывает нейтрон, а затем в свою очередь
испускает нейтрон, но с меньшей кинетической энергией и
далее излучает -кванты. (n, n ) in, in
(Ея + Ен)до > (Ея + Ен)после
238U
92
+ n 92238U + n +
90
40 Zr
+ n 4090Zr + n +
Замедление нейтронов деления
в активной зоне, конструкционных
материалах, в биологической
защите

29.

Нейтронные ядерные реакции
Радиационный захват нейтронов - реакция, приводящая к
поглощению нейтрона и превращению ядра в новый нуклид с
последующим излучением -кванта.
(n, ) ,
Реализуется:
- в регулирующих стержнях для управления ЯР как реакция
выгорания некоторых выгорающих поглотителей;
- для получения новых нуклидов (в том числе делящихся);
- в биологической защите.
Эта реакция приводит к потере нейтронов и части делящихся
нуклидов и является источником вторичного - излучения
238U + n
92
23
11 Na + n
92239U +
1124Na +
90
91
40 Zr + n 40 Zr +
113Cd + n 114Cd
48
48
+

30.

Нейтронные ядерные реакции
Наиболее примечательной из всех реакций (n, ) с
нейтронами является реакция, происходящая в 238U:
238U
92
+ 0n1 92239U +
239U
93239Np + -1 0 (Т1/2
239Np
93
94239Pu + -1 0 (Т1/2
92
(Т1/2
94
239Pu
239U
92
= 23 мин)
239Np
93
= 24 000 лет)
= 2,3 дня)

31.

Нейтронные ядерные реакции
Реакция деления. Выход возбуждённого составного ядра в
более устойчивые образования - деление его на две, три или
даже более протонно-нейтронных комбинации, называемые
осколками деления. (n, f) f, f
92
235U
+ n Z1A1Y +Z2A2Y + n + k
Основная реакция, в результате которой освобождается
ядерная энергия, получаемая в ядерных реакторах

32.

Нейтронные ядерные реакции
Фотонейтронная (фотоядерная) реакция - реакция
выбивания нейтрона из ядер дейтерия и бериллия фотоном
( -квантом). Играет важную роль при повторных пусках ЯР,
имеющего в активной зоне воду или бериллий.
( , n)
( , n), ( , n)
1
2D
+ 11H + n
Реакция фоторасщепления дейтерия, содержащегося в воде,
используемой в качестве теплоносителя. Имеет определенное
значение для увеличения числа нейтронов перед физическим
пуском реактора.

33.

Нейтронные ядерные реакции
Реакция
удвоения
нейтронов
Реакция с
испусканием
-частицы
Реакция с
испусканием
протонов
(n, 2n)
(n, )
(n, p)
Реакция с
испусканием
нейтронов под
действием - ( , n)
излучения
2n, 2n
Используется для регистрации
плотности потока нейтронов с
12
11
6 C + n 6 C + 2n
энергией выше пороговой
Поглощение
нейтронов
в
регулирующих
стержнях,
выполненных
из
бора.
Регистрация
замедленных
нейтронов
,
5
p , p
Реакция,
активации
16
16
8 O+n 7 N+p
реактора
( , n),
( , n)
10B
9Be
4
+ n 37Li +
+ 612C + n
приводящая
к
воды 1 контура
Используется для получения
нейтронов
в
источниках
нейтронов, применяемых при
физическом пуске реактора

34.

Нейтронные ядерные реакции
Реакция с испусканием -частицы, реакция с испусканием
протонов, реакция с испусканием нейтронов под действием
-излучения - реакции замещения - это ядерные реакции,
сопровождающиеся поглощением одной частицы и
рождением новой.
Для ЯР очень важное значение имеет реакция
(510B + n 37Li + ). Она используется в ионизационных
камерах для регистрации нейтронов благодаря высокой
ионизирующей способности -частиц.
Сильный поглотитель 510B, используемый как выгорающий
поглотитель, вследствие реакции (n, ) превращается в
слабый поглотитель нейтронов (выгорает). Эта реакция
является основной в борных регулирующих стержнях.

35.

Нейтронные ядерные реакции
Поглощение нейтронов.
Учитывая все возможные процессы, в которых поглощается
нейтрон, сечение поглощения а представляется как сумма
парциальных сечений:
а = + + f
У большинства изотопов наблюдается только радиационный
захват нейтронов ( а = ) с энергиями до 5 МэВ. Однако для
изотопов 510В и 36Li характерна реакция (n, ) ( а = ), а у
изотопа 92235U радиационный захват конкурирует с делением
ядра ( а = + f ).

36.

Нейтронные ядерные реакции
Изотоп
t
s
а
f
9Ве
7
7
0,01
0,01
-
-
12С
4,8
4,8
0,0034
0,0034
-
-
10В
4014
4,0
4009,5
0,5
-
4010
235U
704
10
694
112
582
-
t – полное сечение, барн; s – сечение рассеяния, барн;
а – сечение поглощения, барн. 1 барн = 10-24 см2
t s in a

37.

Нейтронные ядерные реакции
Для полных и парциальных сечений, имеется общее
График зависимости полного , и парциальных и in сечений железа от
энергии нейтронов

38.

Нейтронные ядерные реакции
Диаграмма А - Е. Условные области нейтронных реакций в
зависимости от энергии нейтронов Е и атомного веса ядра А.
Радиационный
захват
деление
А
Неупругое
рассеяние
100
1 кэВ
Упругое
рассеяние
500 кэВ
Е

39.

Реакция деления
Нейтрон Ядро массой А Возбуждённое составное ядро Осколки деления
Нейтроны деления
Схематическое представление о делении ядра 235U
235U
+ 1n (236U)* (F1)* + (F2)* + 5 . 1n + a + b + c + E

40.

Реакция деления
-(F1)* и (F2)* - символьные обозначения возбуждённых
осколков деления (индексом (*) - неустойчивые, возбужденные
или радиоактивные элементы); осколок (F1)* имеет массу A1 и
заряд Z1, осколок (F2)* - массу А2 и заряд Z2;
- 5 . 1n обозначены 5 нейтронов деления, высвобождающихся в
среднем в каждом акте деления ядра урана-235;
- , и - -частицы, -частицы и -кванты, средние числа
которых на акт деления ядра урана-235 равны соответственно
a, b и c;
- E - среднее количество энергии, высвобождаемой в акте
деления.

41.

Особенности реакции деления
а) образование осколков деления;
б) образование новых свободных нейтронов при делении,
- нейтроны деления;
в) радиоактивность осколков деления, обуславливающая их
дальнейшие трансформации к более устойчивым
образованиям, из-за чего возникает ряд побочных эффектов;
г) высвобождение энергии при делении.

42.

Особенности реакции деления
Стадии процесса деления

43.

Образование осколков деления.
Тяжёлое ядро урана, состоящее из 92 протонов и 143
нейтронов, принципиально способно разделиться на
различное число осколков с различными атомными массами.
Вероятность деления ядра на два осколка составляет более
98%, следовательно, подавляющее большинство делений
завершается образованием именно двух осколков.
Вероятность появления осколка определённой атомной массы
при массовом делении конкретного нуклида - величина строго
определённая, свойственная этому делящемуся нуклиду удельный выход осколка

44.

Образование осколков деления.
Фотография
следов осколков
деления урана в
камере Вильсона

45.

Образование осколков деления.
Осколок ксенона-135 (135Xe) при осуществлении каждой тысячи
делений ядер 235U появляется в среднем в трёх случаях. Это
означает, что удельный выход осколка 135Xe составляет
Xe = 3/1000 = 0.003 от всех делений.
Применительно к одиночному акту деления ядра 235U
величина Xe = 0.003 = 0.3% - есть вероятность того, что
деление завершится образованием именно осколка 135Хе.

46.

10
Выход на деление, %
2
1
0,1
1
0,01
0,001
0,0001
80
90
100 110 120 130 140 150
A
Выход продуктов деления с различными массовыми числами.
1 – Распределение продуктов деления при делении тепловыми нейтронами
2 - Распределение продуктов деления при делении быстрыми нейтронами

47.

Нормированный на 2 выход продуктов деления и предшественников
запаздывающих нейтронов при делении 235U нейтронами в быстром реакторе

48.

Образование осколков деления.
Атомные массы осколков, образующихся при делении, в
подавляющем большинстве случаев лежат в пределах 70 165
а.е.м. Удельный выход более лёгких и более тяжёлых осколков
очень мал (не превышает 10-4 %).
Симметричные деления ядер (то есть деления на два осколка
равных масс) крайне редки: их удельный выход не превышает
0.01% для ядер урана-235 и 0.04% - для ядер плутония-239
Чаще всего образуются лёгкие осколки с массовыми числами в
пределах 83 104 а.е.м. и тяжёлые осколки с А = 128 149
а.е.м. (их удельный выход составляет 1% и более)

49.

Образование нейтронов деления.
Разделив суммарное количество полученных в делениях
нейтронов на число делений, в которых они получены,
получают среднее число нейтронов деления, испускаемых в
одном акте деления, которое должно быть строго
определённым и постоянным для каждого сорта делящихся
нуклидов.
- для урана-235
- для плутония-239
- для плутония-241
5 = 2.416,
9 = 2.862,
1 = 2.938 и т.д
существенно зависит от величины кинетической энергии
нейтронов, вызывающих деления и с ростом последней
увеличивается приблизительно прямо пропорционально Е.

50.

Образование нейтронов деления.
- для урана-235
- для плутония-239
5(E) = 2.416 + 0.1337 Е;
9(E) = 2.862 + 0.1357 E.
При Е, МэВ
1
5
10
Величина 5
2.549
3.081
3.746
Величина 9
2.997
3.537
4.212
Спектры нейтронов деления для разных делящихся нуклидов
отличаются друг от друга незначительно.
Еср= 1.935 МэВ - для 235U и Еср= 2.00 МэВ - для 239Pu

51.

Образование нейтронов деления.

52.

Образование нейтронов деления.
Поведение ν 239Pu
в области
разрешенных
резонансов

53.

Радиоактивность осколков деления.
Установлено около 600 типов осколков деления, отличающихся
по массе и протонному заряду, практически все они
рождаются сильно возбуждёнными.
В естественном стремлении к устойчивости они и в
дальнейшем продолжают "сбрасывать" избыточную сверх
уровня основного состояния энергию до тех пор, пока не будет
достигнут этот уровень.
Этот сброс осуществляется путём последовательного
испускания осколками всех видов радиоактивного излучения
(альфа-, бета- и гамма-излучений),

54.

Высвобождение энергии при делении.
Величина высвобождаемой при делении ядра энергии прямо
пропорциональна величине дефекта масс, причём
коэффициентом пропорциональности в этой взаимосвязи
является квадрат скорости света:
E = mс2
При делении ядра избыток (дефект) масс определяется как
разница сумм масс покоя исходных продуктов реакции
деления (т.е. ядра и нейтрона) и результирующих продуктов
деления ядра (осколков деления, нейтронов деления и
остальных микрочастиц, испускаемых как в процессе деления,
так и после него).
mc2 = 200 МэВ
реакция окисления ракетного топлива - 10 эВ

55.

Распределение энергии деления ядер урана-235 и плутония-239
между продуктами деления
Урана-235
Носители энергии деления
1. Кинетическая энергия осколков деления
Плутония-239
166.0
171.5
2. Кинетическая энергия нейтронов деления
4.9
5.8
3. Энергия мгновенных гамма-квантов
7.2
7.0
4. Энергия -квантов из продуктов деления
7.2
7.0
5. Кинетическая энергия -излучения осколков
9.0
9.0
10.0
10.0
204.3
210.3
6. Энергия антинейтрино
Итого:

56.

57.

Макет реактора АМБ
Перегревательный канал
Испарительный канал
1 опускной
участок
3 опускных
участка
6 подъемных
участков
3 подъемных
участка
57

58.

Тепловая схема АМБ-100 и АМБ-200
АМБ -100
АМБ -200