Запаздывающие нейтроны
Запаздывающие нейтроны — это нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления тяжёлых ядер, в отличие от мгновенных нейтронов, испускаемых практически мгновенно после деления составного ядра. Запаздывающие нейтроны составляют менее 1% испускаемых нейтронов деления, однако, несмотря на столь малый выход, играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря большому запаздыванию такие нейтроны существенно (на 2 порядка и более) увеличивают время жизни нейтронов одного поколения в реакторе и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления.
Механизм явления
В результате деления тяжелых ядер нейтронами образуются осколки деления в возбуждённом состоянии, претерпевающие β−-распады. В очень редких случаях в цепочке таких β−-превращений образуется ядро с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона в этом ядре. Такие ядра могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими.
Испускание запаздывающего нейтрона конкурирует с гамма-излучением, но если ядро сильно перегружено нейтронами, более вероятным будет испускание нейтрона. Это значит, что запаздывающие нейтроны излучаются ядрами, находящимися ближе к началам цепочек распада, так как там особенно малы энергии связи нейтронов в ядрах.
Ядро, образовавшееся при испускании запаздывающего нейтрона, может находиться либо в основном, либо в возбуждённом состоянии. В последнем случае возбуждение снимается гамма-излучением.
Предшественники и излучатели
Составное ядро (Z,N)* принято называть предшественником запаздывающих нейтронов, а ядро (Z+1,N-1) — излучателем запаздывающих нейтронов.
Ядро-излучатель испускает нейтрон практически мгновенно, но со значительным запаздыванием по отношению к моменту деления исходного ядра. Среднее время запаздывания практически совпадает со средним временем жизни ядра-предшественника.
Запаздывающие нейтроны принято делить на несколько (чаще всего 6) групп в зависимости от времени запаздывания. Насчитывают около 50 возможных ядер-предшественников, причём заметную роль в этом количестве составляют изотопы брома и йода. Как правило, нейтроны испускаются ядрами с числом нейтронов, на единицу большим магических чисел (50 и 82), так как значения средней энергии связи в таких ядрах особенно малы.
Энергия запаздывающих нейтронов
Энергия запаздывающих нейтронов (в среднем примерно 0,5 МэВ) в несколько раз меньше средней энергии мгновенных нейтронов (примерно 2 МэВ)[1].
Доля запаздывающих нейтронов
Величина, характеризующая количество запаздывающих нейтронов относительно мгновенных нейтронов, образующихся при распаде ядра данного сорта, называется долей запаздывающих нейтронов (β). Эта величина полностью определяется делящимся ядром и в области энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ практически не зависит от энергии нейтронов, вызывающих деление. Для всех ядер значение β составляет менее 1%.
К счастью, не все нейтроны, участвующие в популяции нейтронов в реакторе, выделяются мгновенно, т. е. непосредственно при делении.
Например, (рис. 1.6) продукт деления Вг-87 (Z = 35) распадается с периодом полураспада 55,7 с (b-распад) в Кг-87, а этот изотоп энергетически все еще возбужден настолько (сильнее энергии связи последнего нейтрона ок. 5,5 МэВ), что может испустить нейтрон. Кг-87 излучает эту энергию в виде g-квантов, или происходит конкурирующий процесс - его (практически немедленный) распад на стабильный Кг-86 с испусканием нейтронов (см.рис. 1.6 и п. 1.4).
Таким образом, усредненно по множеству делений из этого продукта появляются не только мгновенные нейтроны, но и запаздывающие, т. е. с периодом полураспада Вг-87. Их доля b1 в общем числе выделенных нейтронов деления (мгновенных и запаздывающих) составляет лишь b1 =2,5×10-4, т. е. она весьма мала (см. (1.6)).
Другим примером является продукт деления J-137 (Z=53), распадающийся с периодом полураспада Т1/2 = 24,2 с на Хе-137. Хе-137 может, испуская нейтрон, переходить в стабильный Хе-136, доля нейтронов из этой реакции составляет b2 =13,7×10-4.
Осколки деления Вг-87 и J-137 называют (в этой связи) ядрами-предшественниками, запаздывающих нейтронов. В целом имеется еще целый ряд других таких ядер с близким поведением, которые принято делить на шесть разных групп. В таблице 4.1 приведены основные данные этих шести групп для случая деления U-235 на тепловых нейтронах.
Таблица 4.1.