Neutronmoderation

Neutronsænkning er processen med at reducere den kinetiske energi af frie neutroner som følge af deres multiple kollisioner med stoffets atomkerner . Stoffet, hvori processen med at bremse neutronerne foregår, kaldes moderatoren . Neutronmoderering anvendes for eksempel i termiske neutronatomreaktorer .

Generel information

I løbet af kernereaktioner dannes der som regel hurtige neutroner (med energi > 1 MeV ). Hurtige neutroner under kollisioner med atomkerner mister energi i store portioner og bruger den hovedsageligt på excitation af kerner eller deres spaltning. Som et resultat af en eller flere kollisioner bliver neutronenergien mindre end kernens minimale excitationsenergi (fra snesevis af keV til flere MeV, afhængigt af kernens egenskaber). Derefter bliver spredningen af neutronen af kernen elastisk , det vil sige, at neutronen bruger energi på at kommunikere hastigheden til kernen uden at ændre dens indre tilstand.

Ved en elastisk kollision mister neutronen i gennemsnit en energibrøkdel svarende til hvor A er massetallet for målkernen. Denne fraktion er lille for tunge kerner (1/100 for bly ) og stor for lette kerner (1/7 for kulstof og 1/2 for brint ). Derfor sker opbremsning af neutroner meget hurtigere på lette kerner end på tunge. ${\frac {2A}{(A+1)^{2}}}$

Stof	N	t, ms	L B , cm
At føre	1600	1300	200
Grafit	110	70	43
Vand	23	3	13

Det gennemsnitlige antal kollisioner N, den gennemsnitlige decelerationstid t og rod -middel-kvadrat- fjernelsen L B af neutronen fra kilden, når neutronen bremses i et ubegrænset medium fra en energi på 1 MeV til en energi på 0,1 eV .

I færd med at bremse neutroner, såkaldte. termiske neutroner , som er i termisk ligevægt med det medium, hvori modereringen sker. Den gennemsnitlige energi af en termisk neutron ved stuetemperatur er 0,04 eV.

Den gennemsnitlige logaritmiske reduktion af neutronenergien pr. kollision , afhænger kun af moderatorkernens massenummer: $\xi$ $EN$

$\xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1+{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A-1}{A+1}}\højre)$ .

Med mere end tre kan du bruge en forenklet formel :. $EN$ $\xi \simeq {\frac {2}{A+2/3))$

Materiedecelerationskoefficienten er forholdet mellem spredningsmakrosektionen ganget med den gennemsnitlige logaritmiske reduktion af neutronenergien pr. kollision og absorptionsmakrosektionen :. ${\displaystyle \Sigma _{s))$ $\xi$ $\Sigma _{a}$ ${\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}$

I processen med at sænke farten absorberes en del af neutronerne af kernerne eller flyver ud af mediet til ydersiden, det vil sige, at den går tabt. I moderatorer, der indeholder lette kerner, er absorptionstabene små, og de fleste af de neutroner, der udsendes af kilden, omdannes til termiske neutroner, forudsat at dimensionerne af moderatoren er store nok i forhold til størrelsen L B .

Funktioner i applikationen

Blandt de bedste moderatorer, der i vid udstrækning anvendes inden for kernefysik og nuklear teknologi til at omdanne hurtige neutroner til termiske, er vand , tungt vand , beryllium , grafit .

Vand

Fordelene ved almindeligt vand som moderator er dets tilgængelighed og lave omkostninger. Ulemperne ved vand er det lave kogepunkt (100 °C ved et tryk på 1 atm ) og absorptionen af termiske neutroner. Den første ulempe elimineres ved at øge trykket i det primære kredsløb. Vandets absorption af termiske neutroner kompenseres ved brug af nukleart brændsel baseret på beriget uran .

Se også:

Tungt vand

Tungt vand adskiller sig lidt fra almindeligt vand i dets kemiske og termofysiske egenskaber. Det absorberer praktisk talt ikke neutroner, hvilket gør det muligt at bruge naturligt uran som nukleart brændsel i reaktorer med en moderator for tungt vand. Ulempen ved tungt vand er dets høje omkostninger.

Se også:

CANDU

Grafit

Naturlig grafit indeholder op til 20% af forskellige urenheder, herunder bor , en god absorber . Derfor er naturlig grafit uegnet som neutronmoderator. Reaktorgrafit opnås kunstigt fra en blanding af petroleumskoks og stenkulstjære . Først presses blokke fra blandingen, og derefter varmebehandles disse blokke ved høj temperatur. Grafit har en densitet på 1,6-1,8 g/ cm3 . Det sublimerer ved en temperatur på 3800-3900 °C. Grafit opvarmet i luft til 400 °C antændes. Derfor er det i kraftreaktorer indeholdt i en atmosfære af inert gas ( helium , nitrogen ).

Se også:

Beryllium

Beryllium er en af de bedste moderatorer. Det har et højt smeltepunkt (1282 °C) og termisk ledningsevne og er kompatibel med kuldioxid , vand, luft og nogle flydende metaller. I tærskelreaktionen 9 Be(n, 2n)2α opstår der imidlertid helium , derfor ophobes der under intens bestråling med hurtige neutroner gas inde i beryllium , under hvilket tryk beryllium svulmer. Brugen af beryllium er også begrænset af dens høje omkostninger. Derudover er beryllium og dets forbindelser meget giftige. Beryllium bruges til at lave reflektorer og vandfortrængere i kernen af forskningsreaktorer.

Litteratur

Petunin V.P. Termisk energiteknik af nukleare installationer M.: Atomizdat , 1960.
Levin VE Kernefysik og atomreaktorer. 4. udg. — M.: Atomizdat , 1979.