замедлитель нейтронов

редактировать

В ядерной технике, замедлитель нейтронов - это среда, которая снижает скорость быстрые нейтроны, в идеале без улавливания, оставляя их как тепловые нейтроны только с минимальной (тепловой) кинетической энергией. Эти тепловые нейтроны гораздо более восприимчивы, чем быстрые нейтроны к возникновению цепной ядерной реакции урана-235 или других делящихся веществ. изотоп при столкновении с их атомным ядром.

«Легкая вода» является наиболее часто используемым замедлителем (примерно 75% реакторов в мире), хотя этот термин несколько неоднозначен, обычно означает природная пресная вода, но может также относиться к реальной легкой воде. Твердый графит (20% реакторов) и тяжелая вода (5% реакторов) являются основными альтернативами. Бериллий также использовался в некоторых экспериментальных типах, и углеводороды были предложены в качестве другой возможности.

Содержание

1 Модерация
- 1.1 Выбор материалов замедлителя
- 1.2 Распределение скоростей нейтронов после замедления
2 Замедлители реактора
3 Форма и расположение
4 Примеси замедлителя
5 Неграфитовые замедлители
6 Конструкция ядерного оружия
7 Используемые материалы
8 См. Также
9 Примечания
10 Ссылки

Модерация

Нейтроны обычно связываются в атомное ядро , и долго не существуют в свободном виде в природе. Несвязанный нейтрон имеет период полураспада 10 минут и 11 секунд. Для выхода нейтронов из ядра требуется превышение энергии связи нейтрона, которая обычно составляет 7-9 МэВ для большинства изотопов. Источники нейтронов генерируют свободные нейтроны в результате различных ядерных реакций, включая деление ядра и ядерный синтез. Каким бы ни был источник нейтронов, они выделяются с энергией в несколько МэВ.

Согласно теореме о равнораспределении, средняя кинетическая энергия, $E ¯ {\ displaystyle {\ bar {E}}}$ ${\ bar {E}}$ , может быть связано с температурой, $T {\ displaystyle T}$ $T$ через:

E ¯ = 1 2 mn ⟨v 2⟩ = 3 2 k BT {\ displaystyle {\ bar {E}} = {\ frac {1} {2}} m_ {n} \ langle v ^ {2} \ rangle = {\ frac {3} {2}} k_ {B} T }

{\ displaystyle {\ bar {E}} = {\ frac {1} {2}} m_ {n} \ langle v ^ {2} \ rangle = {\ frac {3} { 2}} k_ {B} T}

где $mn {\ displaystyle m_ {n}}$ $m_ {n}$ - масса нейтрона, $⟨v 2⟩ {\ displaystyle \ langle v ^ {2} \ rangle}$ ${\ displaystyle \ langle v ^ {2} \ rangle}$ - средний квадрат скорости нейтронов, а $k B {\ displaystyle k_ {B}}$ $k_ {B}$ - постоянная Больцмана. Характерная нейтронная температура нейтронов с энергией в несколько МэВ составляет несколько десятков миллиардов кельвин.

Умеренность - это процесс уменьшения начальной высокой скорости (высокой кинетической энергии) свободного нейтрона. Поскольку энергия сохраняется, это уменьшение скорости нейтронов происходит за счет передачи энергии материалу, называемому замедлителем.

Вероятность рассеяния нейтрона на ядре дается сечением рассеяния. Первая пара столкновений с замедлителем может иметь достаточно высокую энергию для возбуждения ядра замедлителя. Такое столкновение является неупругим, поскольку часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную энергию за счет возбуждения некоторых из внутренних степеней свободы ядра с образованием возбужденное состояние. По мере того, как энергия нейтрона понижается, столкновения становятся преимущественно упругими, т.е. полная кинетическая энергия и импульс системы (нейтрона и ядра) сохраняются.

Учитывая математику упругих столкновений, поскольку нейтроны очень легкие по сравнению с большинством ядер, наиболее эффективным способом удаления кинетической энергии из нейтрона является выбор замедляющего ядра, которое имеет почти идентичные масса.

Упругое столкновение равных масс

Столкновение нейтрона, имеющего массу 1, с ядром H (протон ) может привести к потере нейтроном практически всей своей энергии в одиночное лобовое столкновение. В более общем плане необходимо учитывать как косые, так и лобовые столкновения. Среднее логарифмическое уменьшение энергии нейтронов при столкновении, $ξ {\ displaystyle \ xi}$ $\ xi$ , зависит только от атомной массы, $A {\ displaystyle A}$ $A$ , ядра и задается следующим образом:

$ξ = ln ⁡ E 0 E = 1 + (A - 1) 2 2 A ln ⁡ (A - 1 A + 1) {\ displaystyle \ xi = \ ln {\ frac {E_ {0}} {E}} = 1 + {\ frac {(A-1) ^ {2}} {2A}} \ ln \ left ({\ frac {A-1} {A + 1}} \ right)}$ $\ xi = \ ln \ frac {E_0} {E} = 1 + \ frac {(A-1) ^ 2} {2A} \ ln \ left (\ frac {A-1} {A + 1} \ right)$ .

Это можно разумно приблизить к очень простой форме $ξ ≃ 2 A + 2/3 {\ displaystyle \ xi \ simeq {\ frac {2} {A + 2/3}}}$ ${\ displaystyle \ xi \ simeq {\ гидроразрыв {2} {A + 2/3}}}$ . Из этого можно вывести $n {\ displaystyle n}$ $n$ , ожидаемое количество столкновений нейтрона с ядрами данного типа, которое требуется для уменьшения кинетической энергии нейтрона из $E 0 {\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ до $E 1 {\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$

n = 1 ξ (ln ⁡ E 0 - ln 1 E 1) {\ displaystyle n = {\ frac {1} {\ xi}} (\ ln E_ {0} - \ ln E_ {1})}

n = {\ frac {1} {\ xi}} (\ ln E_ {0} - \ ln E_ {1})

В системе, находящейся в тепловом равновесии, нейтроны (красные) упруго рассеиваются гипотетическим замедлитель свободных ядер водорода (синий), совершающих термически активированное движение. Кинетическая энергия передается между частицами. Поскольку нейтроны имеют по существу такую же массу, что и протоны, и нет поглощения, распределения скоростей обоих типов частиц будут хорошо описаны одним распределением Максвелла – Больцмана.

Выбор замедлителя материалы

Некоторые ядра имеют большие сечения поглощения, чем другие, что удаляет свободные нейтроны из потока . Следовательно, еще одним критерием эффективного замедлителя является тот, для которого этот параметр мал. Эффективность замедления дает отношение макроскопических сечений рассеяния, $Σ s {\ displaystyle \ Sigma _ {s}}$ $\ Sigma_s$ , взвешенных как $ξ {\ displaystyle \ xi}$ $\ xi$ , деленное на поглощение, $Σ a {\ displaystyle \ Sigma _ {a}}$ $\ Sigma_a$ : т.е. $ξ Σ s Σ a {\ displaystyle {\ frac {\ xi \ Sigma _ {s}} {\ Sigma _ {a}}}}$ $\ frac { \ xi \ Sigma_s} {\ S igma_a}$ . Для составного замедлителя, состоящего из более чем одного элемента, такого как легкая или тяжелая вода, необходимо учитывать замедляющее и поглощающее действие как изотопа водорода, так и атома кислорода для расчета $ξ {\ displaystyle \ xi}$ $\ xi$ . Чтобы нейтрон с энергией деления $E 0 {\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ 2 МэВ превратился в $E {\ displaystyle E}$ $E$ 1 эВ принимает ожидаемое $n {\ displaystyle n}$ $n$ из 16 и 29 столкновений для H 2 O и D 2 O соответственно. Следовательно, нейтроны быстрее замедляются легкой водой, так как H имеет гораздо более высокое значение $Σ s {\ displaystyle \ Sigma _ {s}}$ $\ Sigma_s$ . Однако у него также гораздо более высокий $Σ a {\ displaystyle \ Sigma _ {a}}$ $\ Sigma_a$ , так что эффективность замедления для тяжелой воды почти в 80 раз выше, чем для легкой воды.

Идеальный замедлитель имеет малую массу, высокое сечение рассеяния и малое сечение поглощения.

	Водород	Дейтерий	Бериллий	Углерод	Кислород	Уран
Масса ядер u	1	2	9	12	16	238
Уменьшение энергии $ξ {\ displaystyle \ xi}$ $\ xi$	1	0,7261	0,2078	0,1589	0,1209	0,0084
Количество Столкновения	18	25	86	114	150	2172

Распределение нейтронов по скоростям после замедления

После достаточных ударов скорость нейтрона будет сопоставима со скоростью ядер, заданной тепловым движением; этот нейтрон тогда называется тепловым нейтроном, и процесс также может быть назван термализацией. После достижения равновесия при заданной температуре распределение скоростей (энергий), ожидаемых от упругого рассеяния твердых сфер, задается распределением Максвелла – Больцмана. В реальном замедлителе это лишь немного изменяется из-за зависимости сечения поглощения большинства материалов от скорости (энергии), так что низкоскоростные нейтроны предпочтительно поглощаются, так что истинное распределение скорости нейтронов в активной зоне будет немного горячее, чем предполагалось.

Замедлители реактора

В реакторе на тепловых нейтронах ядро тяжелого топливного элемента, такого как уран, поглощает медленно- движущийся свободный нейтрон становится нестабильным, а затем разделяется («деления ») на два меньших атома («продукты деления »). Процесс деления ядер U дает два продукта деления, от двух до трех быстро движущихся свободных нейтронов, плюс количество энергии, в первую очередь проявляющееся в кинетической энергии отдача продуктов деления. Свободные нейтроны испускаются с кинетической энергией ~ 2 МэВ каждый. Поскольку в результате деления урана выделяется больше свободных нейтронов, чем требуется тепловых нейтронов для инициирования этого события, реакция может стать самоподдерживающейся - цепной реакцией - в контролируемых условиях, таким образом высвобождая огромное количество энергии (см. статью деление ядра ).

Сечение деления, измеренное в амбарах (единица измерения, равная 10 м), является функцией энергии (так называемая функция возбуждения ) нейтрона. сталкивается с ядром U. Вероятность деления уменьшается по мере увеличения энергии (и скорости) нейтронов. Это объясняет, почему большинству реакторов, работающих на урановом топливе, необходим замедлитель для поддержания цепной реакции и почему удаление замедлителя может остановить реактор.

Вероятность дальнейших событий деления определяется сечением деления, которая зависит от скорости (энергии) падающих нейтронов. Для тепловых реакторов нейтроны с высокой энергией в диапазоне МэВ с гораздо меньшей вероятностью (хотя и не способными) вызвать дальнейшее деление. Недавно выпущенные быстрые нейтроны, движущиеся со скоростью примерно 10% от скорости света, должны быть замедлены или «смягчены», обычно до скорости нескольких километров в секунду, если они могут вызвать дальнейшее деление на соседние ядра U и, следовательно, продолжение цепной реакции. Эта скорость эквивалентна температуре в несколько сотен градусов Цельсия.

Во всех реакторах с замедлителем некоторые нейтроны всех уровней энергии будут производить деление, включая быстрые нейтроны. Некоторые реакторы термализованы лучше, чем другие; например, в реакторе CANDU почти все реакции деления производятся тепловыми нейтронами, в то время как в реакторе с водой под давлением (PWR) значительная часть делений производится за счет более высоких энергий. нейтроны. В предлагаемом водоохлаждаемом реакторе со сверхкритической водой (SCWR) доля быстрых делений может превышать 50%, что делает его технически реактором на быстрых нейтронах.

A быстрым реактором без замедлителя., но полагается на деление, производимое немодерированными быстрыми нейтронами, чтобы поддерживать цепную реакцию. В некоторых конструкциях реакторов на быстрых нейтронах до 20% делений может происходить в результате прямого деления быстрыми нейтронами урана-238, изотопа, который не делящихся с тепловыми нейтронами.

Замедлители также используются в нереакторных источниках нейтронов, таких как источники плутония - бериллия и расщепляющиеся источники.

Форма и расположение

Форма и расположение замедлителя могут сильно повлиять на стоимость и безопасность реактора. Классически замедлители представляли собой блоки из высокочистого графита с прецизионной обработкой и встроенными каналами для отвода тепла. Они находились в самой горячей части реактора и поэтому подвергались коррозии и абляции. В некоторых материалах, включая графит, столкновение нейтронов с замедлителем может вызвать накопление замедлителем опасных количеств энергии Вигнера. Эта проблема привела к печально известному пожару в Виндскейле на Уиндскейл Пайлз, ядерном реакторном комплексе в Соединенном Королевстве в 1957 году.

Некоторые реакторы с галечным слоем 'замедлители не только просты, но и недороги: ядерное топливо заключено в сферы из пиролитического углерода реакторного качества размером примерно с теннисный мяч. Пространства между шарами служат воздуховодами. Реактор работает при температуре выше температуры отжига Вигнера, чтобы графит не накапливал опасные количества энергии Вигнера.

. В реакторах CANDU и PWR замедлителем является жидкая вода. (тяжелая вода для CANDU, легкая вода для PWR). В случае аварии с потерей теплоносителя в PWR замедлитель также теряется, и реакция прекращается. Этот отрицательный коэффициент пустотности является важным элементом безопасности этих реакторов. В CANDU замедлитель расположен в отдельном тяжеловодном контуре, окружающем каналы теплоносителя тяжелой воды под давлением. Такая конструкция дает реакторам CANDU положительный коэффициент пустотности, хотя кинетика более медленных нейтронов систем с замедлителем тяжелой воды компенсирует это, что приводит к сопоставимой безопасности с реакторами PWR. "

примеси замедлителя

Хорошие замедлители не содержат примесей, поглощающих нейтроны, таких как бор. На промышленных атомных электростанциях замедлитель обычно содержит растворенный бор. Концентрация бора в теплоносителе реактора может быть изменена операторами путем добавления борной кислоты. кислоты или путем разбавления водой для регулирования мощности реактора. Нацистская ядерная программа потерпела серьезную неудачу, когда ее недорогие графитовые замедлители перестали работать. В то время большинство графитов осаждалось на борные электроды, а немецкие коммерческие графит содержал слишком много бора. Поскольку немецкая программа военного времени не обнаружила эту проблему, они были вынуждены использовать гораздо более дорогие тяжелые водные замедлители. В США Лео Сцилард, a бывший инженер-химик обнаружил проблему.

Неграфитовые замедлители

Некоторые замедлители довольно дороги, например бериллий и тяжелая вода реакторного качества. Тяжелая вода реакторного качества должна иметь чистоту 99,75%, чтобы можно было проводить реакции с необогащенным ураном. Его сложно приготовить, потому что тяжелая вода и обычная вода образуют одни и те же химические связи почти одинаковыми способами, лишь с немного разными скоростями.

Гораздо более дешевый легководный замедлитель (по сути, очень чистая обычная вода) поглощает слишком много нейтронов для использования с необогащенным природным ураном, и, следовательно, обогащение урана или ядерная переработка становится необходимым для эксплуатации таких реакторов, что увеличивает общие затраты. И обогащение, и переработка являются дорогостоящими и технологически сложными процессами, и, кроме того, обогащение и несколько видов переработки могут использоваться для создания материала, пригодного для использования в оружии, что вызывает озабоченность распространением. В настоящее время разрабатываются схемы переработки, более устойчивые к распространению.

Замедлитель реактора CANDU выполняет также функцию безопасности. Большой бак с низкотемпературной тяжелой водой под низким давлением замедляет нейтроны, а также действует как теплоотвод в экстремальных условиях аварии с потерей теплоносителя. Он отделен от топливных стержней, которые фактически выделяют тепло. Тяжелая вода очень эффективна для замедления (замедления) нейтронов, что придает реакторам CANDU их важную и определяющую характеристику высокой «нейтронной экономии».

Конструкция ядерного оружия

Ранние предположения о ядерном оружии предполагали, что «атомная бомба» будет представлять собой большое количество расщепляющегося материала, сдерживаемого замедлитель нейтронов, аналогичный по конструкции ядерному реактору или «котлу». Только Манхэттенский проект охватывал идею цепной реакции быстрых нейтронов в чистом металлическом уране или плутонии. Другие модерируемые проекты также рассматривались американцами; предложения включали использование дейтерида урана в качестве делящегося материала. В 1943 г. Роберт Оппенгеймер и Нильс Бор рассматривали возможность использования «сваи» в качестве оружия. Мотивация заключалась в том, что с графитовым замедлителем можно было бы достичь цепной реакции без использования какого-либо разделения изотопов. В августе 1945 года, когда информация об атомной бомбардировке Хиросимы была передана ученым немецкой ядерной программы, захороненному в Фарм-холле в Англии, главному ученому Вернеру Гейзенбергу выдвинул гипотезу, что устройство должно было быть «чем-то вроде ядерного реактора, в котором нейтроны замедлялись из-за множества столкновений с замедлителем».

После успеха манхэттенского проекта все основные программы создания ядерного оружия полагались на быстрые нейтроны в своих конструкциях оружия. Заметным исключением являются испытательные взрывы Рут и Рэй в рамках Operation Upshot – Knothole. Целью проектов Радиационной лаборатории Калифорнийского университета было исследование дейтерированного полиэтиленового заряда, содержащего уран, в качестве кандидата на термоядерное топливо, в надежде, что дейтерий будет плавиться (становиться активной средой) при соответствующем сжатии. В случае успеха устройства могут также привести к созданию компактной первичной обмотки, содержащей минимальное количество делящегося материала, и достаточно мощной, чтобы зажечь RAMROD термоядерное оружие, разработанное UCRL в то время. Для «гидридной» первичной обмотки степень сжатия не заставит дейтерий плавиться, но конструкция может быть подвергнута усилению, что значительно повысит выход. Активные зоны состояли из смеси дейтерида урана (UD 3) и дейтерированного полиэтилена. В активной зоне, испытанной в Ray, использовался уран с низким обогащением по U, и в обоих выстрелах дейтерий выступал в качестве замедлителя нейтронов. Прогнозируемый выход составлял от 1,5 до 3 тыс. Тонн для Ruth (с максимальным потенциальным выходом 20 тыс. Тонн) и 0,5-1 тыс. Тонн для Ray. Испытания дали выход 200 тонн тротила каждый; оба испытания были признаны сбоем.

. Основное преимущество использования замедлителя в ядерном взрывчатом веществе состоит в том, что количество делящегося материала, необходимое для достижения критичности, может быть значительно уменьшено. Замедление быстрых нейтронов увеличит сечение для поглощения нейтронов, уменьшив критическую массу. Однако побочным эффектом является то, что по мере развития цепной реакции замедлитель будет нагреваться, тем самым теряя способность охлаждать нейтроны.

Другой эффект замедления состоит в том, что время между последующими генерациями нейтронов увеличивается, что замедляет реакцию. Это затрудняет сдерживание взрыва; инерция, которая используется для удержания бомб взрывного типа, не сможет ограничить реакцию. Конечным результатом может быть не взор, а взрыв.

Таким образом, взрывная сила полностью замедленного взрыва ограничена, в худшем случае она может быть равна химической взрывчатке такой же массы. Снова цитируя Гейзенберга: «Невозможно создать взрывчатое вещество с медленными нейтронами, даже с помощью тяжелой водной машины, поскольку тогда нейтроны движутся только с тепловой скоростью, в результате чего реакция настолько медленная, что вещь взрывается раньше, чем реакция завершена. "

Хотя ядерная бомба, работающая на тепловых нейтронах, может быть непрактичной, современные конструкции оружия все же могут получить некоторый уровень умеренности. бериллий тампер, используемый в качестве отражателя нейтронов, также будет действовать как замедлитель.

Используемые материалы

Водород, как в обычном «легкая вода ". Поскольку протий также имеет значительное сечение для захвата нейтронов, возможно только ограниченное замедление без потери слишком большого количества нейтронов. Менее замедленные нейтроны относительно более вероятно будут захвачены ураном-238 и менее вероятны деления урана-235, поэтому легководные реакторы требуют уран обогащенный для работы.
- Есть также предложения использовать соединение, образованное химической реакцией металлического урана и водорода (гидрид урана -UH 3) в качестве комбинированного топлива и замедлителя в реактор нового типа.
- Водород также используется в форме криогенного жидкого метана и иногда жидкого водорода в качестве источника холодных нейтронов в некоторые исследовательские реакторы : дают распределение Максвелла – Больцмана для нейтронов, максимум которых смещен в сторону гораздо более низких энергий.
- Водород в сочетании с углеродом, как в парафине воск использовался в некоторых ранних немецких экспериментах.
Дейтерий в форме тяжелой воды в реакторах тяжелой воды, например КАНДУ. В реакторах с замедлителем тяжелой воды можно использовать необогащенный природный уран.
углерод в виде реакторного графита или пиролитического углерода, например, в РБМК и реакторы с галечным слоем или в соединениях, например диоксид углерода. Низкотемпературные реакторы подвержены накоплению энергии Вигнера в материале. Подобно реакторам с дейтериевым замедлителем, некоторые из этих реакторов могут использовать необогащенный природный уран.
- Графит также преднамеренно разрешается нагревать примерно до 2000 К или выше в некоторых исследовательских реакторах для получения источника горячих нейтронов : что дает Максвелла– Распределение Больцмана, максимум которого расширяется для генерации нейтронов более высокой энергии.
Бериллий в форме металла. Бериллий дорог и токсичен, поэтому его использование ограничено.
Литий -7, в форме соли фторида лития, обычно в сочетании с солью фторида бериллия (FLiBe ). Это самый распространенный тип замедлителя в реакторе с расплавом солей.

. Другие материалы с легкими ядрами не подходят по разным причинам. Гелий представляет собой газ и требует специальной конструкции для достижения достаточной плотности; литий -6 и бор -10 поглощают нейтроны.

Действующие реакторы ядерной энергетики по замедлителю
Модератор	Реакторы	Дизайн	Страна
нет (быстро )	1	БН-600	Россия (1)
графит	25	AGR, Magnox, РБМК, UNGG	Великобритания (14), Россия (11)
тяжелая вода	29	CANDU PHWR	Канада (17), Южная Корея (4), Румыния (2),. Китай (2), Индия (18), Аргентина, Пакистан
легкая вода	359	PWR, BWR	27 стран

См. Также

Портал ядерных технологий

Примечания

Ссылки

Справочник по основам DOE: ядерная физика и теория реакторов. 2 (DOE-HDBK-1019 / 2-93) (PDF). Министерство энергетики США. Январь 1993 г. Архивировано из оригинального (PDF) 3 декабря, 2013. Проверено 29 ноября 2013 г.