Neutron opóźniony

Neutrony opóźnioneneutrony 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 opóźnioneEdytuj

Średnia liczba neutronów natychmiastowych i opóźnionych w jednym rozszczepieniu neutronami termicznymi (0,025eV) i szybkimi (2MeV)[1]
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 opóźnionychEdytuj

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 opóźnionychEdytuj

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 opóźnionychEdytuj

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].

FotoneutronyEdytuj

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].

PrzypisyEdytuj

  1. Key Characteristics of Delayed Neutrons. [dostęp 2018-11-08].
  2. a b c Delayed Neutrons. [dostęp 2018-11-04].
  3. J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Engineering, Addison-Wesley, 2nd Edition, 1983, page 76.
  4. a b c Effective Delayed Neutron Fraction – βeff. [dostęp 2018-11-04].
  5. a b c Photoneutrons. [dostęp 2018-11-05].

BibliografiaEdytuj

  1. I.W. Sawieliew: Wykłady z fizyki 3. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1994, s. 301-302. ISBN 83-01-11605-6.
  2. Podstawy zapewnienia bezpieczeństwa elektrowni jądrowych. W: Andrzej Strupczewski: Awarie reaktorowe a bezpieczeństwo energetyki jądrowej. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1990, s. 26. (pol.)