Распределение нейтронов по их энергиям. Замедление нейтронов

При делении ядер U и Pu рождаются нейтроны в широком диапазоне энергий. Распределение нейтронов по скоростям (энергиям) называют спектром нейтронов (см. рис. 1.8).

Спектр нейтронов деления – жесткий, в нем преобладают нейтроны высоких энергий (быстрые нейтроны).

Рис. 1.8. Спектр нейтронов

Форма спектра () нейтронов деления отдельно показана на рис. 1.9. и хорошо аппроксимируется зависимостью вида:

(1.9)

Нейтроны деления имеют энергию, сосредоточенную в основном в диапазоне 0,1–10 МэВ. Наиболее вероятная энергия нейтронов деления в спектре – 0,7 МэВ, средняя – 2 МэВ.

Рис. 1.9. Спектр нейтронов деления

После рождения нейтроны перемещаясь в среде частично поглощаются ядрами среды, частично за счет упругого и неупругого рассеяния на них теряют свою энергию, т.е. замедляются.

В отсутствии резонансов сечения взаимодействия нейтронов с ядрами среды зависят от энергии нейтронов как 1/Е_n. Спектр замедляющихся нейтронов получил название спектра Ферми.

В зависимости от энергии различают нейтроны:

- сверхбыстрые (E_n>2 МэВ);

- быстрые (0,2 МэВ < E_n< 2 МэВ);

- промежуточные (0,5 кэВ< E_n < 0,2 МэВ);

- надтепловые (0,1эВ < E_n < 0,5 кэВ);

- тепловые (E_n< 0,1 эВ);

- холодные (E_n< 0,5 10^-3).

Основным процессом, приводящим к замедлению нейтронов, является упругое рассеяние. Потеря энергии при упругом рассеянии зависит от массового числа ядра замедлителя, начальной энергии нейтрона и угла рассеяния. Кинематика упругого рассеяния описывается формулами классической механики. Исходя из нерелятивистских соотношений (скорость нейтрона , где с – скорость света) - закона сохранения энергии и импульса, записанные в лабораторной системе координат,

(1.10)

(1.11)

легко получить связь между скоростью (энергией) нейтрона после рассеяния со скоростью (энергией) до рассеяния:

(1.12)

Здесь - скорость и энергия нейтрона до рассеяния; - после рассеяния; -скорость, приобретенная ядром после рассеяния; - угол рассеяния нейтрона, А – массовое число ядра. В приведенных выше кинематических соотношениях использованы два приближения: 1) ядро до взаимодействия с нейтроном покоится (учет теплового движения и химических связей является отдельной сложной задачей); 2) масса ядра полагается равной сумме масс внутриядерных нуклонов (здесь разницей между массами нейтронов и протонов пренебрегается, т.е. .)

Из соотношения (1.12) следует, что максимальное уменьшение энергии нейтрона для всех ядер-мишеней, кроме водорода происходит в случае лобового удара ():

(1.13)

Из (1.12) и (1.13) видно, что потери энергии нейтроном в одном акте рассеяния тем больше, чем легче ядро-мишень. Отсюда же видно, что в случае водорода (А=1)

,

а предельный угол рассеяния нейтрона равен . При рассеянии на угол нейтрон останавливается, передавая ядру водорода всю энергию. Таким образом, водород является самым эффективным замедлителем нейтронов.