Neutron-termisering

Den thermalization af neutroner er opbremsning af neutroner af en række kollisioner med kerner af atomer af en moderator . En termiseret neutron kaldes en termisk neutron eller langsom neutron . Den har en kinetisk energi på mindre end 0,025 eV og en hastighed på mindre end 2.190 m / s . Det skelnes således fra såkaldte hurtige neutroner, hvis energi er større end 0,907 MeV og hastigheden større end 13 170 km / s . Spektret af mellemenergier siges at være epithermalt.

En termisk neutronreaktor eller langsom neutronreaktor bruger en moderator til at bremse neutronerne fra fissionsreaktioner. I fravær af en moderator kaldes reaktoren en hurtig neutronreaktor .

Hovedårsagen til, at denne neutronopbremsningsproces bruges, er at tillade neutronerne at interagere med de fissile atomer ( uran 235 eller plutonium 239 ), der er til stede i brændstoffet i en atomreaktor . Faktisk, når et fissilt atom går i stykker efter absorption af en termisk neutron, udsender det to eller tre hurtige neutroner med en hastighed svarende til 20.000 km / s (energi i størrelsesordenen 2 MeV ). Med denne hastighed er det usandsynligt, at et andet fissilt atom vil absorbere denne neutron af to grunde:

på den ene side, hvis der er en kollision, er sandsynligheden for at udløse en fission lavere for en hurtig neutron ( tværsnittet er mærkbart 250 gange større med en termisk neutron end med en hurtig neutron)
og på den anden side går den hurtige neutron for det meste i en lige linje og forlader reaktorkernen hurtigt, mens den termiske neutron udfører en tilfældig Brownian-bevægelse, der giver den en meget længere bane.

Derfor foretrækkes det i et atomkraftværk at udføre termaliseringen af neutronerne ved hjælp af en moderator for at muliggøre en bedre effektivitet af reaktoren.

Sænkende stød

I en vandreaktor under tryk udsendes fissionsneutronerne med en gennemsnitlig hastighed på omkring 19.300 km / s , termiseringshastigheden er 3,1 km / s eller ca. 6.250 gange mindre. Næsten 30 stød er nødvendige for at få denne opbremsning til, uden at der sker nogen fangst. Opbremsningens varighed er i størrelsesordenen 4,2 × 10 −5 s, hvilket er meget hurtigt sammenlignet med f.eks. Den gennemsnitlige levetid for neutroner (mere end 800 sekunder) eller den gennemsnitlige produktionstid for forsinkede neutroner (mere end 10 sekunder ).

Bemærk, at den meget lidt iltfangning kun moderat forstyrrer effektiviteten af vandet eller tungt vand og forbedrer situationen i brændstoffet lidt.

Med rent (metallisk) uran er der næsten 2.000 stød påkrævet for at samle termisk energi, hvilket efterlader lidt chance for, at neutronen ikke bliver fanget af uran 238, således finder vi en illustration af behovet for lysmodererende atomer i reaktoren .

Overvejet krop	Gennemsnitlig hastighed reduktion forholdet pr chok = $\ varepsilon$	Gennemsnitligt antal stød til termalisering	Bemærkninger
Brint (rent)	0,636	19	Teoretisk case
Oxygen (ren)	0,942	147	Teoretisk case
Let vand	0,725	${\ displaystyle {\ color {Blue} 27}}$
Deuterium (ren)	0,710	26	Teoretisk case
Kraftigt vand	0,780	${\ displaystyle {\ color {Blue} 35}}$
Grafit	0,925	${\ displaystyle {\ color {Blue} 112}}$
Beryllium	0,903	86
Zirkonium	0,989	804
Beriget uran	0,996	2.086	Teoretisk tilfælde undtagen i en forskningsreaktor
Uranoxid	0,960	212
Natrium	0,959	204	T = 500 ° C

Demonstration

Elemental stødsænkning

Under en påvirkning med en kerne af masse A ser neutronen sin indledende hastighed v 1 (dens energi E 1 ) reduceret til v 2 (energi E 2 ). Værdien af v 2 afhænger af stødets art (direkte eller med en forekomst, såsom billardkugler); vi kan vise, at forholdet mellem kvadratet af hastighederne efter og før stødet er lig med:

${\ displaystyle \ left ({v_ {2} \ over v_ {1}} \ right) ^ {2} = {(A ^ {2} +2 \ gange A \ times \ cos {\ phi} +1) \ over (A + 1) ^ {2}}}$ med ϕ = neutronens afvigelsesvinkel sammenlignet med dens indledende hastighed i referencerammen for centrum af massen.
hvis neutronen næppe afbøjes (ϕ = 0) ${\ displaystyle. \ qquad v_ {2} = v_ {1}}$
hvis neutron- bounces i sin retning for ankomst (dvs. donc = π) hastigheden v 2 er minimal, og er lig med : ${\ displaystyle v_ {2} = v_ {1} \ times \ left ({A-1 \ over A + 1} \ right)}$
hvis derudover er A lig med 1 (hydrogenatomens kerne): neutronen kan stoppes i et enkelt chok ${\ displaystyle \ left ({A-1 \ over A + 1} \ right) = 0 \ qquad.}$

Den gennemsnitlige værdi af hastigheden v 2 på sættet af mulige stød (direkte eller hændelse), det vil sige derfor på sættet af mulige værdier for ϕ, kan beregnes ved simpel summering af

{\ displaystyle {{\ sqrt {A ^ {2} +2 \ gange A \ times \ cos {\ phi} +1}} \ over (A + 1)} \ qquad.}

med ϕ variabel fra o til π, for eksempel ifølge den trapezformede metode.

Vi bemærker det ${\ displaystyle \ varepsilon = {v_ {2moy} \ over v_ {1}}}$

Jo mindre masse A, jo lavere værdi af ε, jo mere bremses neutronen i gennemsnit under et chok; moderatoren er nødvendigvis et lysatom (se tabel ovenfor)

I tilfælde af vand (og tungt vand) er det også nødvendigt at tage højde for tilstedeværelsen af ilt, som er meget tungere end brint. 1/3 af stødene i moderatoren er med ilt. Den gennemsnitlige hastighedsreduktion under et stød i moderatoren er:

{\ displaystyle \ varepsilon _ {water} = (\ varepsilon _ {H} ^ {2} \ times \ varepsilon _ {O}) ^ {1/3}}

{\ displaystyle \ varepsilon _ {heavy ~ water} = (\ varepsilon _ {D} ^ {2} \ times \ varepsilon _ {O}) ^ {1/3}}

Ligeledes skal der i tilfælde af et UO2-brændstof tages hensyn til de to iltatomer, som uranet er kemisk bundet til.

{\ displaystyle \ varepsilon _ {UO2} = (\ varepsilon _ {O} ^ {2} \ times \ varepsilon _ {U}) ^ {1/3}}

Antal langsomme stød

I et trykvand reageres fissionsneutroner til en gennemsnitlig kinetisk energi ( 4,8 MeV / fissionsneutron 2,47 ) = 1,943 3 MeV ved en gennemsnitlig hastighed på 19 282 m / s ; temperaturen på det primære vand er (304,5 + 273,15) = 577,65 K ; den tilsvarende termiske energi er værd:

577,65 × ( Boltzmann-konstant ) = 577,65 × 1,381 × 10 −23 J / K = 7,975 × 10 −21 J = 0,049 78 eV ; neutronernes hastighed med denne kinetiske energi er lig med 3.086 km / s . Hastighedsreduktionsforholdet mellem neutronerne som følge af fissionerne og de termiserede neutroner er derfor lig med 3.086 / 19282 = 0.000 160 05

Det gennemsnitlige antal nødvendige stød = n, er løsningen på forholdet:

{\ displaystyle \ varepsilon ^ {n} = 0 {,} 000 \, 160 \, 05}

hvorfra

{\ displaystyle n = {\ ln (0 {,} 000 \, 160 \, 05) \ over \ ln (\ varepsilon)}}

Termaliseringsforsinkelse

For at vurdere termiseringstiden evalueres den gennemsnitlige frie diffusionsvej for termiske og hurtige neutroner i vand svarende til den inverse af den makroskopiske effektive diffusionssektion. Ved at kende antallet af stød og hastigheden udledes forsinkelsen:

Koncentration af hydrogenatomer i vand ved 304,5 ° C - 155 bar = 4,791 × 10 22 ved / cm 3
Koncentration af iltatomer i vand ved 304,5 ° C - 155 bar = 2,396 × 10 22 ved / cm 3
Mikroskopisk termisk diffusionstværsnit af hydrogenatom = 20 stalde

Tværsnit mikroskopisk termisk diffusion af iltatom = 4 stalde

Makroskopisk tværsnit af vanddiffusion = 1.054 1 cm -1
Gennemsnitlig fri vej for termiske neutroner i vand = 1 / 1,0541 = 0,949 cm
Den frie rejsetid ved termisk hastighed er 3.074 × 10 −6 sekunder, dvs. for 27 stød ca. 8.35 × 10 −5 s
Mikroskopisk tværsnit af hurtig diffusion af hydrogenatomet = 4 stalde
Mikroskopisk tværsnit af hurtig diffusion af iltatom = 3 stalde
Makroskopisk tværsnit af hurtig neutronspredning i vand = 0,263 5 cm -1
Gennemsnitlig fri vej for hurtige neutroner i vand = 1 / 0,2635 = 3,79 cm
Den frie rejsetid ved hurtig hastighed er 4,92 × 10 −10 s, dvs. for 27 stød ca. 1,34 × 10 −8 s

Opbremsningens varighed estimeres tilnærmelsesvis lig med gennemsnittet af de to fundne værdier, nemlig: 4.2 E −5 s .

Noter og referencer

Radioaktivitet , CNRS, edp Sciences
Det kan være en moderatorkerne, strukturer eller brændstof
I tilfældet med natrium, temperaturen er 500 ° C for at udføre beregningen