Введение
Немедленное испускание нейтронов после ядерного деления
В ядерной инженерии, мгновенный нейтрон – это нейтрон, немедленно испускаемый (эмиссия нейтронов) при ядерном делении, в отличие от нейтрона-предвестника, который может образоваться в том же контексте после бета-распада одного из продуктов деления в любой момент времени от нескольких миллисекунд до нескольких минут спустя. Мгновенные нейтроны возникают при делении нестабильного делящегося тяжелого ядра практически мгновенно. Существуют различные определения времени, необходимого для испускания мгновенного нейтрона. Например, Министерство энергетики США определяет мгновенный нейтрон как нейтрон, рожденный при делении в течение 10−13 секунд после события деления. Комиссия по ядерному регулированию США определяет мгновенный нейтрон как нейтрон, выходящий при делении в течение 10−14 секунд. Это испускание контролируется ядерной силой и происходит чрезвычайно быстро. В отличие от них, так называемые нейтроны-предвестники задерживаются из-за временной задержки, связанной с бета-распада (опосредованного слабым взаимодействием) до возбужденного предшественника, после чего испускание нейтронов происходит практически мгновенно (то есть почти сразу).
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
Используя уран-235 в качестве примера, это ядро поглощает тепловой нейтрон, и непосредственными продуктами деления являются два крупных осколка деления, являющиеся остатками образовавшегося ядра урана-236. Эти осколки излучают два или три свободных нейтрона (в среднем 2,5), называемых мгновенными нейтронами. Последующий осколок деления иногда подвергается стадии радиоактивного распада, в результате которого испускается дополнительный нейтрон, называемый запаздывающим нейтроном. Эти осколки деления, испускающие нейтроны, называются предшественниками запаздывающих нейтронов. Запаздывающие нейтроны связаны с бета-распадом продуктов деления. После испускания мгновенных нейтронов остаточные осколки все еще богаты нейтронами и подвергаются цепочке бета-распадов. Чем больше нейтронов в осколке, тем более энергичным и быстрым будет бета-распад. В некоторых случаях доступная энергия при бета-распаде достаточно высока, чтобы оставить остаточное ядро в таком сильно возбужденном состоянии, что происходит испускание нейтрона вместо гамма-излучения. + Данные о запаздывающих нейтронах при тепловом делении урана-235 Группа Период полураспада (с) Константа распада (с⁻¹) Энергия (кэВ) Фракция Выход запаздывающих нейтронов на все деления данной группы 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 Итого 0,0065 0,0158 2,4
Значение в фундаментальных исследованиях ядерного деления
Стандартное отклонение распределения конечной кинетической энергии в зависимости от массы образующихся фрагментов при низкоэнергетическом делении урана-234 и урана-236 демонстрирует пик в области масс легких фрагментов и еще один – в области масс тяжелых фрагментов. Моделирование этих экспериментов методом Монте-Карло показывает, что эти пики обусловлены быстрым испусканием нейтронов. Этот эффект быстрого испускания нейтронов не позволяет определить исходное распределение по массе и кинетической энергии, что важно для изучения динамики деления от седловой точки до точки расщепления.
Значение в ядерных реакторах
Если ядерный реактор хоть немного, даже незначительно, оказывался бы в состоянии быстрой критичности, количество нейтронов и выходная мощность возрастали бы экспоненциально с высокой скоростью. Время срабатывания механических систем, таких как регулирующие стержни, слишком мало, чтобы остановить подобный скачок мощности. Контроль над ростом мощности в этом случае полагался бы на внутренние физические факторы стабильности, такие как тепловое расширение активной зоны или увеличение резонансного поглощения нейтронов, которые обычно снижают реактивность реактора при повышении температуры; однако реактор рисковал бы быть поврежденным или разрушенным из-за перегрева. Тем не менее, благодаря запаздывающим нейтронам, возможно поддерживать реактор в субкритическом состоянии, рассматривая только мгновенные нейтроны: запаздывающие нейтроны появляются чуть позже, вовремя, чтобы поддержать цепную реакцию, когда она вот-вот прекратится. В этом режиме общее производство нейтронов все еще растет экспоненциально, но во временном масштабе, определяемом скоростью появления запаздывающих нейтронов, которая достаточно медленна, чтобы обеспечить контроль (подобно тому, как иначе нестабильный велосипед можно удержать в равновесии, поскольку человеческие рефлексы достаточно быстры для масштаба его неустойчивости). Таким образом, расширяя границы безопасной эксплуатации и сверхкритичности и предоставляя больше времени для регулирования реактора, запаздывающие нейтроны играют ключевую роль в обеспечении внутренней безопасности реактора, и даже в реакторах, требующих активного управления.