Was ist schnelles Neutron – Hochenergie-Neutron – Definition

Freie Neutronen können nach ihrer kinetischen Energie klassifiziert werden. Diese Energie wird üblicherweise in Elektronenvolt (eV) angegeben. Der Begriff Temperatur kann auch diese Energie beschreiben, die das thermische Gleichgewicht zwischen einem Neutron und einem Medium mit einer bestimmten Temperatur darstellt.

Kinetische Energien von Neutronen – Schnelle Neutronen

• Kalte Neutronen  (0 eV; 0,025 eV). Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit sehr kalter Umgebung wie flüssigem Deuterium. Dieses Spektrum wird für Neutronenstreuungsexperimente verwendet.
• Thermische Neutronen . Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit einem umgebenden Medium. Die wahrscheinlichste Energie bei 20 ° C (68 ° F) für die Maxwellsche Verteilung beträgt  0,025 eV  (~ 2 km / s). Dieser Teil des Neutronenenergiespektrums bildet den wichtigsten Teil des Spektrums  in thermischen Reaktoren .
• Epithermale Neutronen  (0,025 eV; 0,4 eV). Neutronen kinetischer Energie größer als thermisch. Einige Reaktorkonstruktionen arbeiten mit dem Spektrum des epithermischen Neutrons. Diese Konstruktion ermöglicht es, ein höheres Brennstoffzuchtverhältnis als in thermischen Reaktoren zu erreichen.

• 

  Cadmiumneutronen  (0,4 eV; 0,5 eV). Neutronen kinetischer Energie unterhalb der  Cadmium-Abschaltenergie  . Ein Cadmiumisotop,  ¹¹³ Cd, absorbiert Neutronen nur dann stark, wenn sie unter ~ 0,5 eV (Cadmium-Abschaltenergie) liegen.

• Epicadmiumneutronen  (0,5 eV; 1 eV). Neutronen kinetischer Energie oberhalb der  Cadmium-Abschaltenergie . Diese Neutronen werden von Cadmium nicht absorbiert  .
• Langsame Neutronen  (1 eV; 10 eV).
• Resonanzneutronen  (10 eV; 300 eV). Die Resonanzneutronen  werden wegen ihres besonderen Verhaltens als Resonanz bezeichnet. Bei Resonanzenergien können die  Querschnitte Spitzen erreichen, die mehr als 100x höher sind als der Basiswert des Querschnitts. An diesen Energien der Neutronen – Einfang übersteigt deutlich die Wahrscheinlichkeit einer  Spaltung . Daher ist es (für thermische Reaktoren) sehr wichtig, diesen Energiebereich schnell zu überwinden und den Reaktor mit thermischen Neutronen zu betreiben, was zu einer Erhöhung der Spaltwahrscheinlichkeit führt.
• Zwischenneutronen  (300 eV; 1 MeV).
• Schnelle Neutronen  (1 MeV; 20 MeV). Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV (~ 15 000 km / s) werden üblicherweise als Spaltneutronen bezeichnet. Diese Neutronen werden durch Kernprozesse wie Kernspaltung oder (ɑ, n)  Reaktionen erzeugt . Die Spaltneutronen haben eine Maxwell-Boltzmann-Energieverteilung mit einer mittleren Energie (für  ²³⁵ U-Spaltung ) 2 MeV. In einem  Kernreaktor werden  die schnellen Neutronen durch einen als Neutronenmoderation bezeichneten Prozess auf die thermischen Energien verlangsamt  .
• Relativistische Neutronen  (20 MeV; ->)

Die Reaktorphysik  benötigt diese feine Aufteilung der Neutronenenergien nicht. Die Neutronen können grob (für Zwecke der Reaktorphysik) in drei Energiebereiche unterteilt werden:

• Thermische Neutronen  (0,025 eV – 1 eV).
• Resonanzneutronen  (1 eV – 1 keV).
• Schnelle Neutronen  (1 keV – 10 MeV).

Selbst die meisten Reaktor-Rechencodes verwenden nur zwei Neutronenenergiegruppen:

• Langsame Neutronengruppe  (0,025 eV – 1 keV).
• Schnelle Neutronengruppe  (1 keV – 10 MeV).

Siehe auch:  Neutronenenergie

Klassifizierung von Reaktoren nach Neutronenflussspektrum

Siehe auch: Neutronenflussspektren

Aus physikalischer Sicht ergeben sich die Hauptunterschiede zwischen den  Reaktortypen  aus Unterschieden in ihren  Neutronenenergiespektren . Tatsächlich basiert die  grundlegende Klassifizierung  von  Kernreaktoren  auf der durchschnittlichen Energie der Neutronen, die den Großteil der  Spaltungen  im  Reaktorkern verursachen . Unter diesem Gesichtspunkt werden Kernreaktoren in  zwei Kategorien unterteilt :

• Thermoreaktoren.  Fast alle bisher gebauten Reaktoren verwenden  thermische Neutronen  , um die  Kettenreaktion aufrechtzuerhalten . Diese Reaktoren enthalten einen  Neutronenmoderator  , der die Spaltung von Neutronen verlangsamt, bis ihre kinetische Energie mehr oder weniger im  thermischen Gleichgewicht  mit den Atomen (E <1 eV) im System steht.
• Schnelle Neutronenreaktoren .  Schnelle Reaktoren enthalten keinen Neutronenmoderator  und verwenden  weniger moderierende Primärkühlmittel , da sie  schnelle Neutronen  (E> 1 keV) verwenden, um eine Spaltung in ihrem Brennstoff zu verursachen.

Vergleich von Neutronenspektren in einem typischen  LWR  und einem natriumgekühlten schnellen Brutreaktor . Es ist zu beachten, dass das  schnelle Reaktorspektrum  stark durch den  elastischen Streuquerschnitt  des verwendeten Kühlmittels beeinflusst wird.

Die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Typen liegen natürlich in  Neutronenquerschnitten , die eine signifikante  Energieabhängigkeit aufweisen . Es kann durch ein  Verhältnis von Einfang zu Spaltung charakterisiert werden , das  in schnellen Reaktoren niedriger ist . Es gibt auch einen Unterschied in der  Anzahl der pro Spaltung erzeugten Neutronen , der in schnellen Reaktoren höher ist als in thermischen Reaktoren. Diese sehr wichtigen Unterschiede werden hauptsächlich durch  Unterschiede in den Neutronenflüssen verursacht . Daher ist es sehr wichtig, die detaillierte Verteilung der Neutronenenergie in einem Reaktorkern zu kennen.

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich  starken Kernkräften ausgesetzt  , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen  nicht direkt  und müssen normalerweise   in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in gemeinsame nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Ionisationskammern werden häufig als Detektionsvorrichtung für geladene Teilchen verwendet. Wenn beispielsweise die Innenfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Borschicht beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind  10B (n, alpha) 7Li-  Reaktionen, die von einer Gamma-Emission von 0,48 MeV begleitet werden  .

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen verursacht eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung einer Ionisationskammer besteht darin, das Gas-  Bortrifluorid  (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer zu verwenden. Die ankommenden Neutronen produzieren Alpha-Teilchen, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Beide Methoden können zum Nachweis von Neutronen im Kernreaktor verwendet werden. Es ist zu beachten, dass BF ₃  -Zähler normalerweise im Proportionalbereich betrieben werden.

Detektion von Neutronen mit dem Szintillationszähler

Da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind, sind sie hauptsächlich starken Kernkräften ausgesetzt , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen normalerweise in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in gemeinsame nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein. Schnelle Neutronen (> 0,5 MeV) beruhen hauptsächlich auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Wasserstoffreiche Materialien, beispielsweise Kunststoffszintillatorensind daher für ihre Erkennung am besten geeignet. Thermische Neutronen beruhen auf Kernreaktionen wie den (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um eine Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders gut zum Nachweis von thermischen Neutronen.