O que é interação de nêutrons com matéria – definição

Tipos de reações nucleares de nêutrons

Seção transversal de nêutrons

A extensão em que os nêutrons interagem com os núcleos é descrita em termos de quantidades conhecidas como seções transversais . As seções transversais são usadas para expressar a probabilidade de interação específica entre um nêutron incidente e um núcleo alvo . Deve-se notar que essa probabilidade não depende das dimensões reais do alvo. Em conjunto com o fluxo de nêutrons, permite o cálculo da taxa de reação, por exemplo, para derivar a energia térmica de uma usina nuclear. A unidade padrão para medir a seção microscópica ( σ-sigma ) é o celeiro , que é igual a 10 ^-28  m ². Esta unidade é muito pequena, portanto, celeiros (abreviados como “b”) são comumente usados. A seção microscópica pode ser interpretada como a ‘área-alvo’ eficaz em que um núcleo interage com um nêutron incidente.

Uma seção macroscópica é derivada de microscópico e a densidade do material:

 Σ = σ.N

 Aqui σ, que possui unidades de m ² , é chamado de seção microscópica. Como as unidades de N (densidade dos núcleos) são núcleos / m ³ , a seção macroscópica Σ  possui unidades de m ^-1 , portanto, de fato, é um nome incorreto, porque não é uma unidade correta de seções transversais.

As seções transversais de nêutrons constituem parâmetros-chave do combustível nuclear. As seções transversais de nêutrons devem ser calculadas para conjuntos de combustível novo geralmente em modelos bidimensionais da treliça de combustível.

 A seção transversal de nêutrons é variável e depende de:

• Núcleo alvo (hidrogênio, boro, urânio, etc.) Cada isótopo tem seu próprio conjunto de seções transversais.
• Tipo de reação (captura, fissão, etc.). As seções transversais são diferentes para cada reação nuclear.
• Energia de nêutrons (nêutron térmico, nêutron de ressonância, nêutron rápido). Para um determinado alvo e tipo de reação, a seção transversal depende fortemente da energia de nêutrons. No caso comum, a seção transversal é geralmente muito maior em baixas energias do que em altas energias. É por isso que a maioria dos reatores nucleares usa um moderador de nêutrons para reduzir a energia do nêutron e, assim, aumentar a probabilidade de fissão, essencial para produzir energia e sustentar a reação em cadeia.
• Energia alvo (temperatura do material alvo – ampliação do Doppler) Essa dependência não é tão significativa, mas a energia alvo influencia fortemente a segurança inerente dos reatores nucleares devido a uma ampliação do Doppler das ressonâncias.

Veja também: JANIS (software de informação nuclear baseado em Java) 

Veja também: Seção transversal de nêutrons

Lei 1 / v

Para nêutrons térmicos ( na região 1 / v ), as seções transversais de absorção aumentam à medida que a velocidade (energia cinética) do nêutron diminui. Portanto, a lei 1 / v pode ser usada para determinar a mudança na seção transversal de absorção, se o nêutron estiver em equilíbrio com um meio circundante. Esse fenômeno se deve ao fato de a força nuclear entre o núcleo alvo e o nêutron ter mais tempo para interagir.

Esta lei é aplicável apenas para a seção transversal de absorção e somente na região 1 / v.

Exemplo de seções transversais na região 1 / v:

A seção transversal de absorção para 238U a 20 ° C = 293K (~ 0,0253 eV) é:

.

A seção transversal de absorção para 238U a 1000 ° C = 1273K é igual a:

Essa redução da seção transversal é causada apenas devido à mudança de temperatura do meio circundante.

Captura de ressonância de nêutrons

A seção transversal de absorção geralmente é altamente dependente da energia de nêutrons. Observe que a fissão nuclear produz nêutrons com uma energia média de 2 MeV (200 TJ / kg, ou seja, 20.000 km / s). O nêutron pode ser dividido em três faixas de energia:

• Nêutron rápido. (10MeV – 1keV)
• Nêutron de ressonância (1keV – 1eV)
• Nêutron térmico. (1eV – 0,025eV)

Os nêutrons de ressonância são chamados de ressonância por seu comportamento especial. Nas energias de ressonância, a seção transversal pode atingir picos mais de 100x mais altos que o valor base da seção transversal. Com essas energias, a captura de nêutrons excede significativamente a probabilidade de fissão. Portanto, é muito importante (para reatores térmicos) superar rapidamente essa faixa de energia e operar o reator com nêutrons térmicos, resultando no aumento da probabilidade de fissão.

Alargamento Doppler

Um alargamento de Doppler de ressonâncias é um fenômeno importante, o que melhora a estabilidade do reator . O coeficiente de temperatura imediata da maioria dos reatores térmicos é negativo , devido ao efeito Doppler nuclear. Embora a seção transversal de absorção dependa significativamente da energia incidente de nêutrons, o formato da curva da seção transversal também depende da temperatura alvo.

Os núcleos estão localizados em átomos que estão em movimento contínuo devido à sua energia térmica. Como resultado desses movimentos térmicos, os nêutrons que atingem um alvo parecem ter núcleos no alvo uma propagação contínua de energia. Isso, por sua vez, afeta a forma observada de ressonância. A ressonância se torna mais curta e mais larga do que quando os núcleos estão em repouso.

Embora a forma de uma ressonância mude com a temperatura, a área total sob a ressonância permanece essencialmente constante. Mas isso não implica absorção constante de nêutrons . Apesar da área constante sob ressonância, uma integral de ressonância , que determina a absorção, aumenta com o aumento da temperatura alvo. Obviamente, isso diminui o coeficiente k (a reatividade negativa é inserida).

Secções transversais típicas de materiais no reator

A tabela a seguir mostra seções transversais de nêutrons dos isótopos mais comuns do núcleo do reator.