Быстрые нейтроны — это нейтроны, обладающие кинетической энергией, значительно превышающей энергию теплового равновесия. Принято считать, что к быстрым относят нейтроны с энергией выше 0,1 МэВ (чаще — выше 1 МэВ). Верхняя граница энергии таких нейтронов может достигать десятков и даже сотен МэВ, особенно при ядерных реакциях, высокоэнергетических столкновениях и в условиях действия ускорителей.
Кинетическая энергия быстрых нейтронов определяет особенности их взаимодействия с веществом. В отличие от тепловых нейтронов, которые эффективно захватываются ядрами, быстрые нейтроны с большей вероятностью вызывают неупругие процессы, расщепление ядер и образование вторичных частиц.
Основными источниками быстрых нейтронов являются:
При упругом рассеянии быстрый нейтрон передаёт часть своей энергии ядру атома-мишени. Наиболее эффективно такое взаимодействие происходит с ядрами малой массы — прежде всего водорода, затем дейтерия, бериллия, углерода. Потеря энергии при одном столкновении тем выше, чем ближе масса ядра к массе нейтрона.
Упругое рассеяние — основной механизм замедления быстрых нейтронов до тепловых энергий в замедлителях ядерных реакторов.
Неупругое рассеяние связано с возбуждением ядра-мишени, в результате чего часть энергии нейтрона передаётся на возбуждение, а остальная сохраняется в виде кинетической энергии рассеянного нейтрона. Этот процесс становится возможным при энергиях нейтронов порядка 1–2 МэВ и выше.
Возбуждённое ядро возвращается в основное состояние с испусканием γ-кванта. Неупругое рассеяние эффективно в материалах с высокой плотностью уровней возбуждения, таких как свинец, железо, уран.
Быстрые нейтроны способны вызывать деление ядер тяжёлых элементов, таких как уран-238, торий-232, плутоний-240 и др., которые для тепловых нейтронов слабо восприимчивы. Деление, индуцируемое быстрым нейтроном, часто имеет меньшую вероятность, чем в случае тепловых нейтронов и урана-235, однако оно возможно без замедления.
Это свойство положено в основу работы быстрых ядерных реакторов, где используется уран-238 в виде обогащённого топлива или металлических бланкетов.
На высоких энергиях быстрые нейтроны могут вызывать разнообразные ядерные превращения с выбросом заряженных частиц или вторичных нейтронов. Реакции вида (n,2n) часто используются для генерации дополнительных нейтронов, например, в нейтронных источниках на основе бериллия или дейтерида лития.
Пример:
9Be + n → 2n+8Be
Реакции типа (n,p) или (n,α) сопровождаются трансмутацией ядер и могут приводить к активации материала, что важно учитывать при расчёте радиационной безопасности.
Процесс замедления нейтронов, или модерация, представляет собой последовательное уменьшение кинетической энергии быстрых нейтронов за счёт их упругих столкновений с ядрами вещества. Основные параметры, описывающие этот процесс:
$$ \xi = \frac{1}{2} \left[1 - \left( \frac{A-1}{A+1} \right)^2 \right] $$
где A — массовое число ядра мишени.
Замедляющая способность среды, зависящая от плотности ядер и их сечения упругого рассеяния.
Коэффициент замедления, характеризующий, сколько столкновений необходимо в среднем для достижения тепловой энергии.
Наиболее эффективным замедлителем является водород, обеспечивающий максимальную потерю энергии за одно столкновение.
Спектральное распределение быстрых нейтронов зависит от источника:
$$ \phi(E) \sim \exp(-E/a) \sinh(\sqrt{bE}) $$
где a, b — параметры, подбираемые по эксперименту.
В отличие от тепловых нейтронов, у которых захват резко возрастает на малых энергиях (обратно пропорционально скорости), для быстрых нейтронов сечения имеют более сложную энергонезависимую структуру. Наблюдаются:
Сечения деления урана-238, тория-232 и других изотопов резко возрастают при превышении определённых порогов (~1–2 МэВ).
В быстрых реакторах отсутствует замедлитель. Ядерное горючее включает уран-238 и плутоний-239, получаемый в процессе облучения. Деление происходит как у исходных ядер, так и у вновь синтезированных (плутоний, америций). Характерные особенности:
Из-за высокой проникающей способности и способности инициировать ядерные реакции быстрые нейтроны представляют значительную радиационную опасность. При взаимодействии с телом человека они вызывают:
Экранирование от быстрых нейтронов требует применения веществ с высоким водородным содержанием (полиэтилен, вода), а также тяжёлых материалов, способных рассеивать и замедлять нейтроны (свинец, бетон, борированные материалы).
Для регистрации быстрых нейтронов используются:
Также применяются активационные методы, при которых материал подвергается облучению, а затем измеряется радиоактивность образовавшихся изотопов. Это даёт информацию об интегральном потоке нейтронов за время экспозиции.