Замедлитель нейтронов и его характеристики

Вещество, используемое в реакторе с целью замедления нейтронов, называется замедлителем. Главное качество замедлителя - способность уменьшать энергию нейтрона до тепловой за минимальное количество нейтрон-ядерных столкновений и при минимальном их поглощении. Требование к замедлителям - минимальное число нейтрон-ядерных столкновений в процессе замедления - обусловлено необходимостью уменьшения величины утечки нейтронов из реактора и количества резонансных поглощений в неделящихся материалах.

Хороший замедлитель должен обладать следующими ядерными свойствами:

· большим сечением рассеяния ();

· небольшим сечением поглощения ();

· способностью максимально уменьшать энергию нейтрона в одном столкновении.

Процесс замедления нейтронов имеет дискретный характер. Энергия замедляющегося нейтрона при рассеивающих соударениях с ядрами вещества, в котором он перемещается, уменьшается ступенчато (рис. 1.10).

Зависимость изменения энергии нейтронов процессе замедления в данном веществе удовлетворительно аппроксимируется экспонентой. Отсюда следует, что в каждом акте упругого рассеяния натуральный логарифм энергии замедляющегося нейтрона уменьшается приблизительно на одну и ту же величину:

(1.14)

где и - энергия нейтрона до взаимодействия и после, соответственно и (1.6) представляет собой усредненное по всем столкновениям уменьшение натурального логарифма энергии замедляющихся нейтронов, претерпевших по одному рассеивающему соударению с ядрами замедлителя.

Поскольку средняя доля энергии (), теряемая нейтроном в одном упругом столкновении, не является функцией его первоначальной энергии, а зависит лишь от типа материала, то она представляет собой удобный параметр для оценки замедляющей способности материала.

Значение средней логарифмической потери энергии для водорода равна 1, с увеличением А быстро падает. Для расчета обычно используется формула:

(1.15)

которая для легких ядер (²D, ⁴Не) имеет погрешность около 3%, с увеличением А погрешность уменьшается, и для тяжелых ядер (А > 10) значение , рассчитанное с помощью аппроксимации (1.6), приближается к своему точному значению.

В качестве энергетической переменной в теории ядерных реакторов обычно пользуются величиной, называемой летаргией, которая определяется как

(1.16)

где - энергия нейтрона, - произвольная энергия, принимаемая за точку отсчета. (В теории ядерных реакторов за обычно принимают медианную энергию спектра деления 2 МэВ.) При каждом столкновении летаргия нейтрона меняется на величину , поскольку среднее значение логарифмической потери энергии при одном столкновении (1.6).

Используя среднее логарифмические потери энергии на одно столкновение, можно легко посчитать число столкновений (n), необходимое нейтрону, чтобы замедлиться от энергии Е_нач до Е_кон:

(1.17)

Используя введенную выше энергетическую переменную – летаргию, полное число столкновений нейтронов в интервале энергий от Е_нач(u_нач) до Е_кон (u_кон), можно записать как

(1.18)

Очевидно, зная можно легко решить и обратную задачу – определить энергию нейтрона (Е_n) после n-го столкновения:

(1.19)

Для примера в таблице 1.3 приведено среднее число столкновений нейтрона с различными ядрами, необходимое для замедления нейтрона с энергией 2 МэВ до 0,625 эВ

Таблица 1.3