Кіріспе
Ядролық бөлінуден кейін нейтрондардың дереу шығарылуы
In nuclear engineering, a prompt neutron is a neutron immediately emitted (neutron emission) by a nuclear fission event, as opposed to a delayed neutron decay which can occur within the same context, emitted after beta decay of one of the fission products anytime from a few milliseconds to a few minutes later. Prompt neutrons emerge from the fission of an unstable fissionable or fissile heavy nucleus almost instantaneously. There are different definitions for how long it takes for a prompt neutron to emerge. For example, the United States Department of Energy defines a prompt neutron as a neutron born from fission within 10−13 seconds after the fission event. The U. S. Nuclear Regulatory Commission defines a prompt neutron as a neutron emerging from fission within 10−14 seconds. This emission is controlled by the nuclear force and is extremely fast. By contrast, so called delayed neutrons are delayed by the time delay associated with beta decay (mediated by the weak force) to the precursor excited nuclide, after which neutron emission happens on a prompt time scale (i. e., almost immediately).
Ядролық инженерияда, жылдам нейтрон – ядролық бөліну оқиғасы кезінде дереу шығарылатын (нейтрондық эмиссия) нейтрон, ал осы контексте пайда болатын, бөліну өнімдерінің бета-ыдырауынан кейін бірнеше миллисекундтан бірнеше минутқа дейін шығарылатын кешіктірілген нейтрон ыдырауынан өзгеше. Жылдам нейтрондар, тұрақсыз бөлінетін немесе бөлінуге қабілетті ауыр ядроның бөлінуі кезінде дерлік бірден пайда болады. Нейтронның пайда болуына кеткен уақытты анықтау үшін әртүрлі анықтамалар бар. Мысалы, АҚШ Энергетика министрлігі жылдам нейтронды – ядролық бөліну оқиғасынан кейін 10−13 секунд ішінде бөлінуден пайда болған нейтрон деп анықтайды. АҚШ Ядролық реттеу комиссиясы жылдам нейтронды – 10−14 секунд ішінде бөлінуден шығатын нейтрон деп анықтайды. Бұл эмиссия ядролық күшпен бақыланады және өте жылдам. Керісінше, «кешіктірілген» нейтрондар бета-ыдырауымен (әлсіз күшпен ортасталған) байланысты уақыт кешігуімен алдын-ала қоздырылған нуклидке кідіріледі, содан кейін нейтронның шығарылуы жылдам уақыт шкаласында (яғни, дерлік бірден) жүзеге асырылады.
In nuclear engineering, a prompt neutron is a neutron immediately emitted (neutron emission) by a nuclear fission event, as opposed to a delayed neutron decay which can occur within the same context, emitted after beta decay of one of the fission products anytime from a few milliseconds to a few minutes later. Prompt neutrons emerge from the fission of an unstable fissionable or fissile heavy nucleus almost instantaneously. There are different definitions for how long it takes for a prompt neutron to emerge. For example, the United States Department of Energy defines a prompt neutron as a neutron born from fission within 10−13 seconds after the fission event. The U. S. Nuclear Regulatory Commission defines a prompt neutron as a neutron emerging from fission within 10−14 seconds. This emission is controlled by the nuclear force and is extremely fast. By contrast, so called delayed neutrons are delayed by the time delay associated with beta decay (mediated by the weak force) to the precursor excited nuclide, after which neutron emission happens on a prompt time scale (i. e., almost immediately).
Принцип
Уран-235 ядросын мысал ретінде келтірсек, ол термиялық нейтронды сіңіреді, ал ядролық бөлінудің тікелей массалық өнімдері – екі ірі бөліну фрагменті, олар түзілген уран-236 ядросының қалдықтары болып табылады. Бұл фрагменттер екі немесе үш еркін нейтронды (орташа есеппен 2,5), яғни жылдам нейтронды шығарады. Кейінгі бөліну фрагменті кейде радиоактивті ыдырау сатысынан өтеді, нәтижесінде кешіктірілген нейтрон деп аталатын қосымша нейтрон пайда болады. Осы нейтрондарды бөліп шығаратын фрагменттер кешіктірілген нейтрон прекурсорлары деп аталады. Кешіктірілген нейтрондар ядролық бөліну өнімдерінің бета-ыдырауымен байланысты. Жылдам ядролық бөлінуден кейін қалған фрагменттер әлі де нейтронға бай және бета-ыдырау тізбегіне түседі. Фрагмент қаншалықты нейтронға бай болса, бета-ыдыраудың энергиясы мен жылдамдығы соншалықты жоғары болады. Кейбір жағдайларда бета-ыдырау кезіндегі энергия жеткілікті түрде жоғары болып, қалдық ядроны өте қозған күйде қалдырады, нәтижесінде гамма-сәулеленудің орнына нейтрондық эмиссия жүзеге асады. Уран-235 тобындағы термиялық бөліну кезіндегі кешіктірілген нейтрондар туралы деректер: Тоб № Жартылай өмір (с) Ыдырау тұрақтысы (с−1) Энергия (кэВ) Бөлім Кешіктірілген нейтрондардың осы топтағы барлық бөлінулерге қатысты үлесі 1 55.72 0.0124 250 0.000215 0.00052 2.4 2 22.72 0.0305 560 0.001424 0.00346 2.4 3 6.22 0.111 405 0.001274 0.00310 2.4 4 2.30 0.301 450 0.002568 0.00624 2.4 5 0.610 1.14 0.000748 0.00182 2.4 6 0.230 3.01 0.000273 0.00066 2.4 Барлығы 0.0065 0.0158 2.4
Ядролық бөлінудің негізгі зерттеудегі маңызы
Уран-234 және уран-236 төмен энергетикалық бөлінуінен түзілген соңғы фрагменттердің массасының функциясы ретінде соңғы кинетикалық энергия таралуының стандартты ауытқуы, жеңіл фрагменттер массасы аймағында және ауыр фрагменттер массасы аймағында ең жоғарғы мәнге ие. Бұл эксперименттерді Монте-Карло әдісімен модельдеу көрсеткендей, бұл шыңдар жылдам нейтрондардың шығарылуынан пайда болады. Жылдам нейтрондардың шығарылуының бұл әсері, бөліну динамикасын құбылмалы нүктеден бөліну нүктесіне дейін зерттеу үшін маңызды біріншілік масса және кинетикалық таралымды қамтамасыз етпейді.
Ядролық реакторлардың маңызы
Егер ядролық реактордың жылдамдық көрсеткіші тіпті өте аз болса да, нейтрондар саны мен қуаттық шығысы жоғары жылдамдықпен экспоненциалды түрде өседі. Бақылау таяқтары сияқты механикалық жүйелердің реакция уақыты мұндай қуаттың күрт өсуін тежеу үшін тым баяу. Қуаттың өсуін бақылау ядроның жылулық кеңеюі сияқты, немесе нейтрондардың резонанстық сіңіруінің артуы сияқты, температура көтерілгенде реактордың реактивтілігін төмендетуге бейім ішкі физикалық тұрақтылық факторларына жүктеледі; бірақ реактор жоғары температурадан зақымдануы немесе жойылмауы мүмкін. Дегенмен, кешіктірілген нейтрондардың арқасында реакторды тек жылдам нейтрондарға қатысты субкритикалық күйде ұстауға болады: кешіктірілген нейтрондар бір сәттен кейін келіп, тізбектік реакцияның тоқтау алдында тұрғанда оны сақтап қалуға көмектеседі. Бұл жағдайда жалпы нейтрон өндірісі де экспоненциалды түрде өседі, бірақ уақыттың баяулығы кешіктірілген нейтрондардың өндірісімен реттеледі, ол бақылауға жеткілікті деңгейде баяу (әйтпесе тұрақсыз велосипедті де адамның жылдам реакциясы арқасында теңгерімде ұстап тұруға болады, өйткені адамның рефлекстері оның тұрақсыздығының уақыт шкаласында жеткілікті жылдам). Осылайша, қалыпты жұмыс істемеу және суперкритикалық шекараларды кеңейту арқылы, сондай-ақ реакторды реттеуге көбірек уақыт беру арқылы, кешіктірілген нейтрондар реактордың қауіпсіздігі үшін маңызды, тіпті белсенді басқаруды қажет ететін реакторларда да.