Запаздывающие нейтроны

Запаздывающие нейтроны — нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления тяжёлых атомных ядер, в отличие от мгновенных нейтронов, испускаемых практически мгновенно после деления составного ядра. Запаздывающие нейтроны составляют менее 1 % испускаемых нейтронов деления, однако, несмотря на столь малый выход, играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря большому запаздыванию такие нейтроны существенно (на 2 порядка и более) увеличивают время жизни нейтронов одного поколения в реакторе и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления^[1]. Запаздывающие нейтроны были открыты Робертсом с коллективом в 1939 году^[2].

Механизм явления

В результате деления тяжёлых ядер нейтронами образуются осколки деления в возбуждённом состоянии, претерпевающие β⁻-распады. В очень редких случаях в цепочке таких β⁻-превращений образуется ядро с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона в этом ядре. Такие ядра могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими.

Испускание запаздывающего нейтрона конкурирует с гамма-излучением, но если ядро сильно перегружено нейтронами, более вероятным будет испускание нейтрона. Это значит, что запаздывающие нейтроны излучаются ядрами, находящимися ближе к началам цепочек распада, так как там особенно малы энергии связи нейтронов в ядрах.

Ядро, образовавшееся при испускании запаздывающего нейтрона, может находиться либо в основном, либо в возбуждённом состоянии. В последнем случае возбуждение снимается гамма-излучением^[1].

Предшественники и излучатели

Составное ядро (Z,N)* (где Z — количество протонов, N — нейтронов) принято называть предшественником запаздывающих нейтронов, а ядро (Z+1,N−1) — излучателем запаздывающих нейтронов.

Ядро-излучатель испускает нейтрон практически мгновенно, но со значительным запаздыванием по отношению к моменту деления исходного ядра. Среднее время запаздывания практически совпадает со средним временем жизни ядра-предшественника.

Запаздывающие нейтроны принято делить на несколько (чаще всего 6) групп в зависимости от времени запаздывания. Насчитывают около 50 возможных ядер-предшественников, причём заметную роль в этом количестве составляют изотопы брома и иода. Как правило, нейтроны испускаются ядрами с числом нейтронов, на единицу большим магических чисел (50 и 82), так как значения средней энергии связи в таких ядрах особенно малы^[1].

Энергия запаздывающих нейтронов

Энергия запаздывающих нейтронов (в среднем примерно 0,5 МэВ) в несколько раз меньше средней энергии мгновенных нейтронов (примерно 2 МэВ)^[1].

Доля запаздывающих нейтронов

Величина, характеризующая количество запаздывающих нейтронов относительно мгновенных нейтронов, образующихся при распаде ядра данного сорта, называется долей запаздывающих нейтронов (β). Эта величина полностью определяется делящимся ядром и в области энергий от 0,025 эВ до 14 МэВ практически не зависит от энергии нейтронов, вызывающих деление. Для всех ядер значение β составляет менее 1 %^[1].

Основные характеристики запаздывающих нейтронов

В таблице перечислены основные характеристики запаздывающих нейтронов для некоторых ядер, и перечислены некоторые из возможных предшественников для случая деления ²³⁵U^[1]^[3]:

Номер группы	Время запаздывания, с	Средняя энергия, МэВ	Возможные ядра-предшественники	Период полураспада ядер-предшественников, T_1/2, с			Доля запаздывающих нейтронов, β_i
Номер группы	Время запаздывания, с	Средняя энергия, МэВ	Возможные ядра-предшественники	²³⁵U	²³⁹Pu	²³³U	²³⁵U	²³⁹Pu	²³³U
1	54—56	0,25	⁸⁷Br, ¹⁴²Cs	55,72	54,28	55	0,00021	0,000072	0,000224
2	21—23	0,56	¹³⁷I, ⁸⁸Br, ¹³⁶Te	22,72	23,04	20,57	0,00140	0,000626	0,000776
3	5—6	0,43	¹³⁸I, ⁸⁹Br	6,22	5,60	5,0	0,00126	0,000444	0,000654
4	1,9—2,3	0,62	¹³⁹I, ⁹⁴Kr, ¹⁴³Xe, ¹⁴⁴Xe	2,30	2,13	2,13	0,00252	0,000685	0,000725
5	0,5—0,6	0,42	Любые короткоживущие ядра продуктов деления	0,61	0,62	0,62	0,00074	0,000180	0,000134
6	0,17—0,27	—	Любые короткоживущие ядра продуктов деления	0,23	0,26	0,28	0,00027	0,000093	0,000087
						β = ∑β_i	0,0064	0,0021	0,0026

Примечания

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.
↑ Казанский Ю. А., Лебедев М. Б. Кинетика ядерных реакторов. Учебное пособие по курсу «Физическая теория ядерных реакторов». — Обнинский институт атомной энергетики, 1990. — С. 5.
↑ Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.