Поглощение нейтронов

Явление поглощения нейтронов и его физическая природа

Поглощение нейтронов — это один из важнейших процессов взаимодействия нейтронов с веществом, лежащий в основе многих ядерных реакций и технологических применений ядерной энергии. Под этим процессом понимается ядерное взаимодействие, в результате которого нейтрон исчезает как свободная частица, будучи захваченным ядром. В отличие от рассеяния, где нейтрон сохраняется, при поглощении происходит превращение нейтрона в составную часть нового изотопа, что сопровождается выделением энергии, возбуждением ядра, испусканием других частиц и/или гамма-квантов.

Физически поглощение нейтрона может быть результатом различных механизмов, включая:

• Резонансный захват — характерен для медленных (тепловых) нейтронов и происходит при энергии нейтрона, совпадающей с резонансами уровней ядра.
• Нерезонансный захват — захват слабо зависящий от энергии нейтрона, особенно выражен для легких ядер.
• Захват с последующим делением — важнейший процесс для ядер, способных к делению (например, U-235, Pu-239), где поглощение нейтрона вызывает распад ядра.

Основные характеристики поглощения нейтронов

Эффективное сечение поглощения

Одной из ключевых количественных характеристик является эффективное сечение поглощения нейтронов — вероятность взаимодействия нейтрона с ядром, выражаемая в барнах (1 барн = 10⁻²⁴ см²). Это сечение зависит от:

• Энергии нейтрона: для большинства ядер наблюдается выраженная зависимость, особенно в области резонансов.
• Химической природы вещества: различные изотопы обладают различным сечением захвата.
• Температуры среды: через эффект Доплера влияет на ширину и форму резонансов.

Закон 1/√E и резонансное поглощение

Для многих тяжелых ядер (например, Cd, Sm, Gd) эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов приблизительно подчиняется закону:

$$ \sigma(E) \propto \frac{1}{\sqrt{E}} $$

что связано с тем, что нейтроны с меньшей энергией задерживаются вблизи ядра дольше, увеличивая вероятность захвата. Однако при переходе к энергии порядка эВ и выше наблюдается серия резонансов, обусловленных возбуждением ядерных уровней.

Разновидности поглощающих реакций

Радиационный захват (n,γ)

Это наиболее распространённая реакция при поглощении тепловых нейтронов. Ядро после захвата нейтрона оказывается в возбуждённом состоянии и испускает гамма-квант(ы):

_Z^AX + n → _Z^A + 1X^* → _Z^A + 1X + γ

Пример:

¹¹³Cd + n → ¹¹⁴Cd + γ

Реакции типа (n,p), (n,α), (n,2n), (n,f)

При энергиях нейтронов выше тепловых становятся возможны и другие каналы поглощения:

• (n,p): выбрасывается протон, ядро становится изотопом другого элемента.
• (n,α): испускается альфа-частица.
• (n,2n): выбивается один нейтрон, а другой захватывается.
• (n,f): деление ядра, характерно для тяжёлых элементов.

Зависимость сечения поглощения от энергии нейтрона

График зависимости эффективного сечения от энергии нейтрона имеет характерный вид:

1. В области тепловых энергий (~0.025 эВ) наблюдается рост сечения ~1/√E.
2. В промежуточной области (~1 эВ – 100 кэВ) — область резонансов.
3. При высоких энергиях (>1 МэВ) — плавное снижение или стабилизация.

Для ядер с выраженными резонансами (например, Sm-149, Gd-155, Gd-157) сечение поглощения может достигать сотен тысяч барн вблизи резонансной энергии.

Поглощение нейтронов в ядерных реакторах

Поглощение нейтронов играет определяющую роль в реакторной физике:

• Регулирующие стержни: изготавливаются из материалов с высоким сечением захвата (бор, кадмий, гафний, диспрозий).
• Ядерное выгорание: накопление продуктов захвата (например, Xe-135) изменяет нейтронный баланс, требуя коррекции управления.
• Модератор: должен обладать малым сечением захвата (графит, тяжёлая вода), чтобы не поглощать нейтроны, а лишь замедлять их.
• Поглотители ядерного топлива: U-238 играет двойную роль, захватывая нейтроны и превращаясь в Pu-239.

Эффект Доплера

Рост температуры приводит к уширению резонансных уровней, что увеличивает вероятность поглощения быстрых нейтронов ядрами U-238. Этот эффект обеспечивает негативную обратную связь, стабилизируя реакцию и препятствуя перегреву реактора.

Нейтронные яды

Некоторые изотопы, образующиеся в процессе работы реактора, обладают чрезвычайно высоким сечением захвата:

• Ксенон-135: до 2,6·10⁶ барн при тепловых нейтронах.
• Самарий-149: устойчивый яд, не выгорает и накапливается со временем.
• Гадолиний: используется в управляемых поглотителях благодаря сверхвысокому сечению.

Эти изотопы критически важны при проектировании реактора и управлении цепной реакцией.

Примеры веществ с различным сечением захвата

Вещество	Сечение захвата тепловых нейтронов (барн)
¹H	0.33
²H	0.0005
¹⁰B	3840
¹¹B	0.005
¹¹³Cd	~20,000
¹³⁵Xe	~2,600,000
¹⁴⁹Sm	~42,000
²³⁸U	2.7

Теоретическое описание захвата

Поглощение нейтронов теоретически описывается в рамках оптической модели ядра, резонансной теории Брайтвигнера, а также модели компаунд-ядра, согласно которой нейтрон, взаимодействуя с ядром, приводит к образованию промежуточного возбуждённого состояния, после чего происходит релаксация системы с испусканием квантов или частиц.

Формула Брайтвигнера для сечения одного резонанса:

$$ \sigma(E) = \frac{\pi \lambda^2}{g} \cdot \frac{\Gamma_n \Gamma_\gamma}{(E - E_r)^2 + (\Gamma/2)^2} $$

где:

• λ — длина волны нейтрона,
• g — статистический фактор,
• Γ_n, Γ_γ — ширины распадов по нейтронному и гамма-каналу,
• E_r — энергия резонанса,
• Γ — полная ширина уровня.

Эта формула хорошо описывает резонансные пики в сечении захвата и используется при расчётах реакторов, особенно при наличии поглотителей с выраженными резонансами.

Практическое применение

Поглощение нейтронов находит применение в:

• ядерной энергетике — контроль и управление реакцией;
• радиоизотопном производстве — облучение мишеней в реакторах;
• нейтронной радиографии — использование поглотителей для формирования контрастного изображения;
• ядерной медицине — бор-нейтрон-захватная терапия (BNCT);
• активационном анализе — определение элементного состава образцов.

Важнейшей задачей современной физики является точное измерение и предсказание сечений поглощения нейтронов для всех стабильных и нестабильных изотопов, что обеспечивает точность расчётов в реакторной физике, астрофизике и при проектировании новых ядерных технологий.