Neutron opóźniony
Neutrony opóźnione – neutrony powstające w reakcji rozszczepienia ciężkich jąder, emitowane z opóźnieniem większym niż 0,05 s. Charakteryzują się mniejszą średnią energią, wynoszącą ok. 0,5 MeV. Mają zasadnicze znaczenie w sterowaniu reaktywnością reaktorów jądrowych.
Neutrony natychmiastowe i opóźnione
| Izotop | Przekrój czynny na rozszczepienie | Neutronów natychmiastowych | Neutronów opóźnionych | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| termiczne | szybkie | termiczne | szybkie | termiczne | szybkie | |
| 235U | 585 | 1,27 | 2,42 | 2,63 | 0,0162 | 0,0165 |
| 238U | 0,000027 | 0,57 | 2,36 | 2,60 | 0,0478 | 0,0478 |
| 233U | 531 | 1,98 | 2,48 | 2,63 | 0,0067 | 0,0077 |
| 239Pu | 747 | 1,93 | 2,87 | 3,16 | 0,0065 | 0,0067 |
| 241Pu | 10012 | 1,76 | 2,92 | 3,21 | 0,0160 | 0,0160 |
Większość neutronów powstaje natychmiast lub niemal natychmiast po rozszczepieniu jądra, czyli w czasie krótszym niż 10 fs (10−14s) – neutrony takie nazywane są natychmiastowymi. Część natomiast emitowana jest z pewnym opóźnieniem. Opóźnienie to może sięgać nawet minut. Liczba neutronów powstających średnio na jedno rozszczepienie zależy od rozszczepianego jądra oraz w pewnym stopniu od energii neutronu wywołującego rozszczepienie. Neutrony powstające z opóźnieniem powyżej 0,05 s, w produktach rozszczepienia jąder uranu 235U stanowią około 0,65–0,75% liczby powstających neutronów. Dla 239Pu – 0,21%, a 233U – 0,264%.
Powstawanie neutronów opóźnionych
Po rozszczepieniu jądra i ewentualnie emisji natychmiastowych neutronów, powstają niestabilne i silnie wzbudzone jądra zwane fragmentami, ulegają one ciągowi rozpadów β. Po niektórych z tych rozpadów jądro może być w tak wysokim stanie wzbudzenia, że emitowany jest neutron – właśnie neutron opóźniony. Niestabilne bogate w neutrony jądra atomowe, które mogą wyemitować neutrony nazywane są prekursorami neutronów opóźnionych.
O ilości, czasie opóźnienia i innych właściwościach neutronów opóźnionych decydują właściwości jądrowe prekursorów. O ilości prekursorów decyduje ilość rozszczepień poszczególnych izotopów. Znanych jest około 240 emiterów neutronów, 18 emiterów dwóch neutronów i 4 jądra emitujące aż 3 neutrony, z czego 70–150 może powstać z fragmentów rozszczepienia. Czas półtrwania tych izotopów jest różny, od dziesiątych części sekundy, do minut[2].
Przykład, w wyniku rozszczepienia powstaje izotop 87 bromu, o czasie półtrwania 55,6 s. Rozpada się z emisją cząstki beta, powstające jądro kryptonu 87, może być w stanie podstawowym lub wzbudzonym. Jądro w stanie wzbudzonym może ulec rozpadowi w wyniku rozpadu beta lub emisji neutronu tworząc stabilny krypton 85[2].
Analiza właściwości neutronów opóźnionych
Ze względu na dużą liczbę prekursorów obliczenie udziału i czasu opóźnienia neutronów opóźnionych jest dość skomplikowane, dlatego przyjęło się by podzielić neutrony opóźnione na sześć grup, których stałe zaniku i udziały pasują do danych doświadczalnych[2].
Neutrony opóźnione dla rozszczepienia termicznego U-235[3]
| Grupa | Czas połowicznego rozpadu (s) | Stała rozpadu (s−1) | Energia (keV) | Udział (neutronów na rozszczepienie) | Frakcja (β) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 55,72 | 0,0124 | 250 | 0,00052 | 0,000215 |
| 2 | 22,72 | 0,0305 | 560 | 0,00346 | 0,001424 |
| 3 | 6,22 | 0,111 | 405 | 0,00310 | 0,001274 |
| 4 | 2,30 | 0,301 | 450 | 0,00624 | 0,002568 |
| 5 | 0,610 | 1,14 | – | 0,00182 | 0,000748 |
| 6 | 0,230 | 3,01 | – | 0,00066 | 0,000273 |
| Razem | 0,006502 |
Parametr β określający szansę powstania atomu prekursora definiuje się jako stosunek liczby powstających atomów prekursorów do łącznej liczby neutronów natychmiastowych i atomów prekursorów. Parametr ten jest zależny od rodzaju rozszczepianego jądra, a w pewnym stopniu też od energii neutronu wywołującego rozszczepienie.
Współczynnik efektywnego udziału neutronów opóźnionych
Parametr β określa udział neutronów opóźnionych w populacji wszystkich neutronów szybkich. Neutrony natychmiastowe mają średnią energię 2 MeV, a opóźnione 0,4 MeV dlatego ich pochłanianie w trakcie spowalniania jest mniejsze, by to uwzględnić wprowadzono, parametr efektywnego udziału neutronów opóźnionych (βeff) określający udział neutronów opóźnionych wśród wszystkich neutronów po ich spowolnieniu do energii termicznych[4].
W reaktorze jądrowym znajduje się kilka izotopów rozszczepialnych, każdy z nich ma inną zależność przekroju czynnego od energii neutronów, przez co przy szacowaniu efektywnego współczynnika neutronów opóźnionych dla danego reaktora przypisuje się poszczególnym grupom neutronów opóźnionych współczynnik ważności[4].
W małym reaktorze termicznym pracującym na znacznie wzbogaconym paliwie ucieczka i pochłanianie szybkich neutronów przeważa nad rozszczepieniami przez szybkie neutrony, współczynnik ważności będzie większy od jeden, zwiększając efektywny współczynnik neutronów opóźnionych. W dużym reaktorze pracującym na nisko wzbogaconym paliwie współczynnik ważności będzie nieznacznie mniejszy od jeden. W dużych reaktorach pracujących na szybkich neutronach efektywny współczynnik neutronów opóźnionych może być o 10% mniejszy od współczynnika neutronów szybkich[4].
Fotoneutrony
W reaktorze jądrowym promieniowanie gamma ma wpływ na kinetykę i kontrolę stanu krytyczności reaktora. Wysokoenergetyczny foton może wybić z jądra neutron. Energia fotonu musi być większa od energii wiązania neutronu. Istnieje kilka jąder występujących w elementach reaktora o niskiej energii wiązania neutronu, na uwagę zasługują: 2H (2,225 MeV), 9Be (1,667 MeV), 6Li (5,67 MeV), 13C (4,9 MeV)[5].
Część promieniowania gamma jest emitowana przez produkty rozszczepienia, podobnie jak neutrony opóźnione z pewnym opóźnieniem, ich wpływ na krytyczność i kinetykę reaktora może być rozpatrywana tak samo jak neutronów opóźnionych. Fotoneutrony mają szczególne znaczenie w reaktorach CANDU, w których moderatorem jest ciężka woda. W tych reaktorach na milion neutronów przypada 500 neutronów opóźnionych oraz 30 fotoneutronów. W reaktorach lekkowodnych, w wodzie będącej chłodziwem występuje deuter (∼0,0156%), ponadto deuter powstaje w wyniku wychwytu neutronów przez wodór[5].
W trakcie pracy reaktora z dużą mocą następuje nagromadzenie w nim produktów rozpadu o długim czasie półtrwania. Najdłużej żyjącym, o czasie połowicznego zaniku 12,75 dnia, produktem rozszczepienia emitującym promieniowanie o energii umożliwiającej emisję neutronu jest 140Ba. Po wyłączeniu reaktora po dłuższej pracy fotoneutrony są głównym źródłem neutronów i umożliwiają kontrolę stanu reaktora w stanie podkrytycznym podczas długotrwałego wyłączania[5].
Przypisy
- ↑ Key Characteristics of Delayed Neutrons. [dostęp 2018-11-08].
- ↑ a b c Delayed Neutrons. [dostęp 2018-11-04].
- ↑ J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Engineering, Addison-Wesley, 2nd Edition, 1983, page 76.
- ↑ a b c Effective Delayed Neutron Fraction – βeff. [dostęp 2018-11-04].
- ↑ a b c Photoneutrons. [dostęp 2018-11-05].
Bibliografia
- I.W. Sawieliew: Wykłady z fizyki 3. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1994, s. 301–302. ISBN 83-01-11605-6.
- Podstawy zapewnienia bezpieczeństwa elektrowni jądrowych. W: Andrzej Strupczewski: Awarie reaktorowe a bezpieczeństwo energetyki jądrowej. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1990, s. 26. (pol.)