O que é nêutron rápido – nêutron de alta energia – definição

Os nêutrons livres podem ser classificados de acordo com sua energia cinética. Essa energia é geralmente dada em elétron-volts (eV). O termo temperatura também pode descrever essa energia representando equilíbrio térmico entre um nêutron e um meio com uma certa temperatura.

Energias cinéticas de nêutrons – Nêutrons rápidos

• Nêutrons Frios  (0 eV; 0,025 eV). Nêutrons em equilíbrio térmico com ambientes muito frios, como deutério líquido. Esse espectro é usado para experimentos de espalhamento de nêutrons.
• Nêutrons térmicos . Nêutrons em equilíbrio térmico com um meio circundante. A energia mais provável a 20 ° C (68 ° F) para a distribuição Maxwelliana é de  0,025 eV  (~ 2 km / s). Essa parte do espectro de energia dos nêutrons constitui a parte mais importante do espectro  em reatores térmicos .
• Nêutrons epitérmicos  (0,025 eV; 0,4 eV). Nêutrons de energia cinética maiores que térmicos. Alguns projetos de reatores operam com o espectro de nêutrons epitérmicos. Esse projeto permite atingir uma taxa de criação de combustível mais alta do que nos reatores térmicos.

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  Nêutrons de cádmio  (0,4 eV; 0,5 eV). Nêutrons de energia cinética abaixo da energia de  corte de cádmio  . Um isótopo de cádmio,  ¹¹³ Cd, absorve fortemente os nêutrons se estiverem abaixo de ~ 0,5 eV (energia de corte de cádmio).

• Nêutrons epicádmios  (0,5 eV; 1 eV). Nêutrons de energia cinética acima da energia de  corte de cádmio . Esses nêutrons não são absorvidos pelo  cádmio .
• Nêutrons lentos  (1 eV; 10 eV).
• Nêutrons de ressonância  (10 eV; 300 eV). Os nêutrons de ressonância  são chamados de ressonância por seu comportamento especial. Nas energias de ressonância, as  seções transversais podem 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.
• Nêutrons intermediários  (300 eV; 1 MeV).
• Nêutrons rápidos  (1 MeV; 20 MeV). Nêutrons de energia cinética maiores que 1 MeV (~ 15.000 km / s) são geralmente chamados de nêutrons de fissão. Esses nêutrons são produzidos por processos nucleares, como fissão nuclear ou reações (ɑ, n)  . Os nêutrons de fissão têm uma distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann com uma energia média (para  fissão de ²³⁵ U ) 2 MeV. Dentro de um  reator nuclear,  os nêutrons rápidos são reduzidos às energias térmicas através de um processo chamado  moderação de nêutrons .
• Nêutrons relativísticos  (20 MeV; ->)

A física do reator  não precisa dessa fina divisão de energias de nêutrons. Os nêutrons podem ser aproximadamente (para propósitos da física do reator) divididos em três faixas de energia:

• Nêutrons térmicos  (0,025 eV – 1 eV).
• Nêutrons de ressonância  (1 eV – 1 keV).
• Nêutrons rápidos  (1 keV – 10 MeV).

Mesmo a maioria dos códigos de computação de reatores usa apenas dois grupos de energia de nêutrons:

• Grupo de nêutrons lentos  (0,025 eV – 1 keV).
• Grupo de nêutrons rápidos  (1 keV – 10 MeV).

Veja também:  Energia de nêutrons

Classificação dos reatores de acordo com o espectro de fluxo de nêutrons

Veja também: Neutron Flux Spectra

Do ponto de vista da física, as principais diferenças entre os  tipos de reatores  surgem das diferenças em seus  espectros de energia de nêutrons . De fato, a  classificação básica  dos  reatores nucleares  é baseada na energia média dos nêutrons que causam a maior parte das  fissões  no  núcleo do reator . Deste ponto de vista, os reatores nucleares são divididos em  duas categorias :

• Reatores térmicos.  Quase todos os reatores atuais que foram construídos até o momento usam  nêutrons térmicos  para sustentar a  reação em cadeia . Esses reatores contêm  moderador de nêutrons  que retarda os nêutrons da fissão até que sua energia cinética esteja mais ou menos em  equilíbrio térmico  com os átomos (E <1 eV) no sistema.
• Reatores rápidos de nêutrons .  Os reatores rápidos não contêm moderador de nêutrons  e usam  refrigerantes primários menos moderadores , porque usam  nêutrons rápidos  (E> 1 keV) para causar fissão no combustível.

Comparação de espectros de nêutrons em um reator LWR típico   e um reator rápido de resfriamento a sódio . Observe que o  rápido espectro do reator  é altamente afetado pela  seção transversal de dispersão elástica  do líquido de arrefecimento usado.

As principais diferenças entre esses dois tipos são, obviamente, nas  seções transversais de nêutrons , que exibem dependência energética significativa  . Pode ser caracterizada pela  razão de captura / fissão , que é  menor nos reatores rápidos . Há também uma diferença no  número de nêutrons produzidos por uma fissão , que é maior nos reatores rápidos do que nos reatores térmicos. Essas diferenças muito importantes são causadas principalmente por  diferenças nos fluxos de nêutrons . Portanto, é muito importante conhecer a distribuição detalhada de energia de nêutrons no núcleo de um reator.

Detecção de nêutrons usando câmara de ionização

Como os nêutrons são  partículas eletricamente neutras,  elas estão sujeitas principalmente a  fortes forças nucleares,  mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são  diretamente ionizantes  e geralmente precisam ser  convertidos  em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações  10B (n, alfa) 7Li  acompanhadas por emissão gama de 0,48 MeV  .

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo  o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso   (BF ₃ ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os  contadores BF ₃ geralmente são operados na região proporcional.

Detecção de nêutrons usando o contador de cintilação

Como os nêutrons são partículas eletricamente neutras, elas estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.). Os nêutrons rápidos (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo, cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos.