Прохождение нейтронов через вещество

           

В ЯЭФ рассматриваются четыре типа взаимодействия излучения и вещества:

1) ядерное (сильное);

2) электромагнитное;

3) слабое;

4) гравитационное.

Общая картина прохождения заряженных частиц через вещество – сложная, так как частицы сталкиваются с электронами, находящимися на различных оболочках, рассеиваются кулоновскими полями ядер, а при достаточно высоких энергиях вызывают различные ядерные реакции. Основные факторы, определяющие процесс прохождения частиц через вещество, такие: масса, заряд и энергия частицы, плотность, атомный номер, средний ионизационный потенциал вещества.

       По механизму прохождения частицы через вещество частицы разбиваются на три группы:

1) тяжелые заряженные частицы;

2) легкие заряженные частицы;

3) g-кванты.

Тяжелые заряженные частицы делятся на три класса:

1) быстрые легкие ионы (А<20), протон, дейтон и a-частицы;

2) тяжелые ионы с массой М_Я>100 и высокой энергией порядка 100 МэВ – осколки деления;

3) тяжелые ионы с Е_Я<1 МэВ, участвующие в распылении поверхности твердых тел и образующие в первичных столкновениях атомы отдачи.

Двигаясь в веществе частицы сталкиваются с атомными электронами и ядрами, передавая им энергию. Снижение энергии происходит до тех пор пока она не сравняется с энергией теплового движения атомов и молекул среды. Заряженные частицы взаимодействуют с атомами с большей вероятностью и поэтому теряют энергию очень быстро, проходя до полного торможения малые расстояния ( малопроникающие излучение). Нейтральные частицы (n, g) теряют энергию в результате редких столкновений и их перемещение в АЗ (среде) велико (проникающее излучение). Ионизационное торможение является главным механизмом потерь энергии при прохождении заряженной частицы через вещество.

       Электростатическое взаимодействие заряженных частиц с атомными электронами сопровождается либо возбуждением атомов, т.е. переходом атомного электрона на более высокий уровень, либо ионизацией, т.е. отрывом электрона от атома и образованием пары ионов – оставшегося заряженного атома и электрона. И возбуждение, и ионизация происходят за счет кинетической энергии движущейся частицы.

       Впоследствии, возбужденные атомы переходят в основные энергетические состояния, а ионы рекомбинируют с образованием нейтральных атомов. Испускаемые в этом процессе низкоэнергетические фотоны поглощаются веществом также с выделением тепловой энергии. Потеря энергии заряженной частицей рассчитывается по формуле Бора:

(-) – означает потери энергии.

где:

z – это заряд элементарной частицы в единицах элементарного заряда;

е – элементарный заряд электрона;

n_e – концентрация электронов в единице объема;

V – скорость частиц;

I – средний ионизационный потенциал.

       Существуют различия в механизме прохождения легких и тяжелых частиц через вещество, которые приводят к различиям в виде траектории движения и скорости потери энергии. Основные процессы, определяющие поглощение веществом энергии g-квантов такие:

1) фотоэффект;

2) комптоновское рассеяние;

3) процесс образования электрон-позитронных пар.

Эти процессы преобладают каждый в своем интервале энергии фотона, накладываясь на границах интервалаов

1) фотоэффект соответствует низкой энергии;

2) комптон – эффект-промежуточной энергии;

3) Эффект образования пар – с Е_g>1,02 МэВ.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом поглощает g-квант и испускает электрон. Часть энергии g-кванта затрачивается на работу по отделению электрона от соответствующей оболочки, а остальная передается ему в виде кинетической энергии.

       Комптон-эффект – есть упругое рассеяние g-квантов свободными электронами.

       Эффект образования пар состоит в том, что при высокой энергии Е>1,02 МэВ в поле ядра g превращается в электрон и позитрон, причем этот процесс имеет определенную вероятность.

Иногда, когда энергия g-кванта становится больше Е_g>2,04 МэВ, может образовываться так называемый «тройник» в поле электрона.

 

                     Взаимодействие нейтронов с веществом

 

 

                                          Спектр нейтронов в реакторе.

 

       99,9% нейтронов рождаются быстрыми со средней энергией 2 МэВ. Основной задачей ФЯР является расчет таких геометрических размеров АЗ и такого его наполнения конструкционными и другими материалами, которые бы обеспечили эффективное замедление нейтронов до стандартной тепловой энергии T_{n ST}=0,025 эВ.

       Основное поглощение нейтронов при замедлении (термализации) идет в области спектра Ферми. В этом диапазоне энергии возбуждения ядра ²³⁸U и конструкционных элементов имеют многочисленные уровни поглощения. Нейтроны, обладающие энергией, соответствующей этим уровням и подходящим магнитным моментом, поглощаются, выбывая из общего потока. Такая потеря нейтронов приводит к необходимости увеличения геометрических размеров АЗ и изменению величины загрузки топлива.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: