Neutronentemperatur - Neutron temperature
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Die Neutronenerfassungstemperatur , auch die genannte Neutronenenergie zeigt eine freie Neutron ‚s kinetische Energie , in der Regel in bestimmten Elektronenvolt . Der Begriff Temperatur wird verwendet, da heiße, thermische und kalte Neutronen in einem Medium mit einer bestimmten Temperatur moderiert werden. Die Neutronenenergieverteilung wird dann an die für thermische Bewegung bekannte Maxwellsche Verteilung angepasst . Qualitativ ist die kinetische Energie der freien Neutronen umso höher, je höher die Temperatur ist. Die Dynamik und Wellenlänge des Neutrons durch den Zusammenhang de Broglie - Beziehung . Die große Wellenlänge der langsamen Neutronen ermöglicht den großen Wirkungsquerschnitt.
Neutronenenergieverteilungsbereiche
Neutronenenergie | Energiebereich |
---|---|
0,0–0,025 eV | Kalte Neutronen |
0,025 eV | Thermische Neutronen |
0,025–0,4 eV | Epithermische Neutronen |
0,4–0,5 eV | Cadmium-Neutronen |
0,5–1 eV | EpiCadmium-Neutronen |
1–10 eV | Langsame Neutronen |
10–300 eV | Resonanzneutronen |
300 eV–1 MeV | Zwischenneutronen |
1–20 MeV | Schnelle Neutronen |
> 20 MeV | Ultraschnelle Neutronen |
In anderen Quellen werden jedoch unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Namen beobachtet.
Nachfolgend eine detaillierte Einteilung:
Thermal
Ein thermisches Neutron ist ein freies Neutron mit einer kinetischen Energie von etwa 0,025 eV (etwa 4,0×10 −21 J oder 2,4 MJ/kg, also einer Geschwindigkeit von 2,19 km/s), was der wahrscheinlichsten Geschwindigkeit bei entspricht eine Temperatur von 290 K (17 °C oder 62 °F), der Modus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung für diese Temperatur.
Nach einer Reihe von Stößen mit Kernen ( Streuung ) in einem Medium ( Neutronenmoderator ) bei dieser Temperatur erreichen die nicht absorbierten Neutronen etwa dieses Energieniveau.
Thermische Neutronen haben einen unterschiedliche und manchmal viel größeren effektiver Neutronenabsorptionsquerschnitt für eine gegebene Nuklid als schneller Neutronen, und daher oft leichter von einem absorbiert werden können Atomkern , einen schwereren, was oft instabilen Isotop des chemischen Elements als Ergebnis . Dieses Ereignis wird Neutronenaktivierung genannt .
Epithermal
- Neutronen mit Energie größer als thermisch
- Größer als 0,025 eV
Cadmium
- Neutronen, die von Cadmium stark absorbiert werden
- Weniger als 0,5 eV.
Epikadmium
- Neutronen, die von Cadmium nicht stark absorbiert werden
- Größer als 0,5 eV.
Schleppend
- Neutronen mit etwas größerer Energie als Epicadmium-Neutronen.
- Weniger als 1 bis 10 eV.
Resonanz
- Bezieht sich auf Neutronen, die stark anfällig für den nicht spaltungsfreien Einfang durch U-238 sind.
- 1 eV bis 300 eV
Mittlere
- Neutronen, die zwischen langsam und schnell sind
- Einige hundert eV bis 0,5 MeV.
Schnell
- Ein schnelles Neutron ist ein freies Neutron mit einem kinetischen Energieniveau nahe 1 M eV (100 T J / kg ), also einer Geschwindigkeit von 14.000 km/ s oder höher. Sie werden schnelle Neutronen genannt , um sie von energieärmeren thermischen Neutronen und hochenergetischen Neutronen zu unterscheiden, die in kosmischen Schauern oder Beschleunigern erzeugt werden.
Schnelle Neutronen werden durch Kernprozesse erzeugt:
- Bei der Kernspaltung entstehen Neutronen mit einer mittleren Energie von 2 MeV (200 TJ/kg, also 20.000 km/s), was als "schnell" zu bezeichnen ist. Doch das Spektrum der Neutronen aus Spaltung folgt eine Maxwell-Boltzmann - Verteilung von 0 bis etwa 14 MeV in der Mitte des Impuls Rahmen des Zerfalls und der Modus der Energie ist nur 0,75 MeV, was bedeutet , dass weniger als die Hälfte der Spaltneutronen qualifizieren als "schnell" sogar nach dem 1 MeV-Kriterium.
- Die spontane Spaltung ist eine Art radioaktiver Zerfall, dem einige schwere Elemente unterliegen. Beispiele umfassen Plutonium-240 und Californium-252 .
- Kernfusion : Deuterium - Tritium - Fusion erzeugt Neutronen von 14,1 MeV (1400 TJ / kg, also 52.000 km / s, 17,3% der Lichtgeschwindigkeit ), die leicht Spaltung von Uran-238 und andere nicht spaltbaren Actiniden .
- Neutronenemission tritt in Situationen auf, in denen ein Kern genügend überschüssige Neutronen enthält, dass die Trennenergie eines oder mehrerer Neutronen negativ wird (dh überschüssige Neutronen " tropfen " aus dem Kern). Instabile Kerne dieser Art zerfallen oft in weniger als einer Sekunde.
Schnelle Neutronen sind in einem stationären Kernreaktor normalerweise unerwünscht, da die meisten spaltbaren Brennstoffe eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit mit thermischen Neutronen aufweisen. Schnelle Neutronen können über einen als Moderation bezeichneten Prozess schnell in thermische Neutronen umgewandelt werden. Dies geschieht durch zahlreiche Kollisionen mit (im Allgemeinen) sich langsamer bewegenden und damit kälter werdenden Teilchen wie Atomkernen und anderen Neutronen. Diese Kollisionen beschleunigen im Allgemeinen das andere Teilchen und verlangsamen das Neutron und streuen es. Idealerweise wird für diesen Prozess ein Neutronenmoderator bei Raumtemperatur verwendet. In Reaktoren werden typischerweise schweres Wasser , leichtes Wasser oder Graphit verwendet, um Neutronen zu moderieren.
Ultraschnell
- Relativistisch
- Größer als 20 MeV
Andere Klassifizierungen
- Stapel
-
- Neutronen aller Energien, die in Kernreaktoren vorhanden sind
- 0,001 eV bis 15 MeV.
- Ultrakalt
-
- Neutronen mit ausreichend niedriger Energie, um reflektiert und eingefangen zu werden
- Obergrenze von 335 neV
Reaktor für schnelle Neutronen und Reaktor für thermische Neutronen im Vergleich
Die meisten Kernspaltungsreaktoren sind thermische Neutronenreaktoren , die einen Neutronenmoderator verwenden , um die durch Kernspaltung erzeugten Neutronen zu verlangsamen (" thermalisieren ") . Moderation wesentlich erhöht den Spaltquerschnitt für spaltbare Kerne wie Uran-235 und Plutonium-239 . Darüber hinaus hat Uran-238 einen viel geringeren Einfangquerschnitt für thermische Neutronen, wodurch mehr Neutronen die Spaltung spaltbarer Kerne verursachen und die Kettenreaktion fortpflanzen können, anstatt von 238 U eingefangen zu werden . Die Kombination dieser Effekte ermöglicht es Leichtwasserreaktoren , Verwenden Sie niedrig angereichertes Uran . Schwerwasserreaktoren und Graphit-moderierte Reaktoren können sogar verwenden natürliches Uran , da diese Moderatoren viel niedriger haben Neutroneneinfang Querschnitte als Licht Wasser.
Eine Erhöhung der Brennstofftemperatur erhöht auch die thermische Neutronenabsorption von U-238 durch Doppler-Verbreiterung , wodurch eine negative Rückkopplung bereitgestellt wird , um die Kontrolle des Reaktors zu unterstützen. Wenn das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, die auch zur Moderation und Absorption beiträgt (leichtes Wasser oder schweres Wasser), verringert das Sieden des Kühlmittels die Moderatordichte, was eine positive oder negative Rückkopplung (einen positiven oder negativen Hohlraumkoeffizienten ) liefern kann , je nachdem, ob der Reaktor ist unter- oder übermoderiert.
Neutronen mittlerer Energie haben für die meisten Brennstoffe schlechtere Spaltungs-/Einfang-Verhältnisse als schnelle oder thermische Neutronen. Eine Ausnahme bildet das Uran-233 des Thoriumzyklus , das bei allen Neutronenenergien ein gutes Spalt/Einfang-Verhältnis aufweist.
Reaktoren für schnelle Neutronen verwenden unmoderierte schnelle Neutronen , um die Reaktion aufrechtzuerhalten, und erfordern, dass der Brennstoff eine höhere Konzentration an spaltbarem Material enthält als das fruchtbare Material U-238. Schnelle Neutronen haben jedoch für viele Nuklide ein besseres Spaltungs- / Einfangverhältnis, und jede schnelle Spaltung setzt eine größere Anzahl von Neutronen frei, sodass ein schneller Brüterreaktor möglicherweise mehr spaltbaren Brennstoff "züchten" kann, als er verbraucht.
Eine schnelle Reaktorsteuerung kann nicht allein von der Doppler-Verbreiterung oder von einem negativen Hohlraumkoeffizienten eines Moderators abhängen. Die Wärmeausdehnung des Kraftstoffs selbst kann jedoch eine schnelle negative Rückkopplung bewirken. Die Entwicklung von schnellen Reaktoren, von denen immer wieder erwartet wird, dass sie die Welle der Zukunft sein werden, ist aufgrund der niedrigen Preise auf dem Uranmarkt in den Jahrzehnten seit dem Tschernobyl-Unfall nur eine Handvoll Reaktoren gebaut worden , obwohl es jetzt eine Wiederbelebung mit mehreren asiatischen Ländern gibt planen, in den nächsten Jahren größere Prototypen schneller Reaktoren fertigzustellen.