Тепловые нейтроны

Тепловые нейтроны — это свободные нейтроны, находящиеся в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, то есть их кинетическая энергия соответствует энергии теплового движения молекул среды. В физике к тепловым нейтронам обычно относят нейтроны с энергией менее 0,025 эВ (электронвольта), что соответствует скорости около 2,2 км/с при комнатной температуре (20 °C). Тепловые нейтроны играют ключевую роль в ядерной физике, особенно в процессе деления ядер урана-235 в ядерных реакторах, а также в нейтронном рассеянии для исследования структуры вещества.

Физические свойства

Энергия и скорость

Тепловые нейтроны подчиняются распределению Максвелла — Больцмана по скоростям. Наиболее вероятная энергия такого нейтрона при температуре 20 °C составляет 0,0253 эВ, а наиболее вероятная скорость — 2200 м/с. При повышении температуры среды энергия тепловых нейтронов возрастает пропорционально абсолютной температуре. Например, при 100 °C их энергия увеличивается до примерно 0,032 эВ. В отличие от быстрых нейтронов (с энергией выше 1 МэВ) и медленных (надтепловых) нейтронов (с энергией от 0,025 до 1 эВ), тепловые нейтроны обладают наибольшей вероятностью взаимодействия с ядрами многих веществ.

Длина волны де Бройля

Волновые свойства тепловых нейтронов проявляются в их длине волны де Бройля, которая для нейтрона с энергией 0,025 эВ составляет около 1,8 Å (ангстрема). Это значение сопоставимо с межатомными расстояниями в кристаллических решётках, что делает тепловые нейтроны эффективным инструментом для нейтронной дифракции и нейтронной спектроскопии.

Взаимодействие с веществом

Тепловые нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами в основном через ядерные силы, а не через электрическое поле, так как нейтрон электрически нейтрален. Это позволяет им глубоко проникать в вещество, особенно в лёгкие элементы, такие как водород, углерод и кислород. Вероятность захвата теплового нейтрона ядром (сечение захвата) сильно зависит от нуклида. Например, сечение захвата для бора-10 составляет 3835 барн, для кадмия-113 — 20 600 барн, а для урана-235 — 680 барн. Эти свойства используются для управления цепной реакцией и для защиты от излучения.

Получение тепловых нейтронов

Замедление быстрых нейтронов

Тепловые нейтроны образуются в результате замедления быстрых нейтронов, испускаемых при делении ядер или в ядерных реакциях. Процесс замедления происходит в замедлителях — веществах, состоящих из лёгких ядер (водород, дейтерий, углерод, бериллий). При столкновении быстрого нейтрона с ядром замедлителя нейтрон теряет часть своей кинетической энергии. Наиболее эффективно замедление происходит на ядрах водорода (в воде или полиэтилене), так как масса ядра водорода (протона) близка к массе нейтрона, что позволяет передавать до 50 % энергии за одно столкновение. В тяжёлой воде (D₂O) и графите замедление происходит медленнее, но эти материалы имеют меньшее сечение захвата нейтронов, что важно для реакторов на природном уране.

Тепловое равновесие

После серии столкновений нейтрон достигает энергии, соответствующей температуре замедлителя, и начинает двигаться хаотически, находясь в тепловом равновесии с окружающей средой. Время жизни теплового нейтрона в веществе ограничено процессом захвата ядром или утечкой из системы. В типичном ядерном реакторе время жизни теплового нейтрона до захвата составляет от 0,1 до 1 миллисекунды.

Применение тепловых нейтронов

Ядерная энергетика

Тепловые нейтроны являются основой работы большинства современных ядерных реакторов (реакторов на тепловых нейтронах). В таких реакторах ядерное топливо (обычно уран-235 или плутоний-239) делится под действием тепловых нейтронов с высокой вероятностью. Цепная реакция поддерживается за счёт того, что при делении выделяются быстрые нейтроны, которые затем замедляются до тепловых энергий. Крупнейший класс таких реакторов — водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР), используемые в России, и реакторы с кипящей водой (BWR) и с водой под давлением (PWR) в других странах. В России также эксплуатируются реакторы РБМК (реактор большой мощности канальный) и реакторы на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800), где тепловые нейтроны не используются, но они составляют меньшинство в мировой ядерной энергетике.

Нейтронная физика и материаловедение

Тепловые нейтроны широко применяются в научных исследованиях благодаря их волновым свойствам. Нейтронная дифракция позволяет определять кристаллическую структуру материалов, особенно лёгких элементов (водород, литий), которые слабо рассеивают рентгеновские лучи. Нейтронная спектроскопия используется для изучения динамики атомов и молекул, фазовых переходов и магнитных свойств. В России такие исследования проводятся на исследовательских реакторах, например, в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне и в Институте ядерной физики имени Б. П. Константинова (ПИЯФ) в Гатчине.

Медицина и биология

В нейтронозахватной терапии (НЗТ) тепловые нейтроны используются для лечения злокачественных опухолей. В организм пациента вводится препарат, содержащий изотоп бора-10, который накапливается в раковых клетках. При облучении тепловыми нейтронами происходит ядерная реакция ¹⁰B(n,α)⁷Li, в результате которой выделяются альфа-частицы и ядра лития, разрушающие опухоль на клеточном уровне. В России разработки в этой области ведутся в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» и в Институте ядерной физики СО РАН.

Нейтронный каротаж

В нефтегазовой геологии тепловые нейтроны используются в методе нейтронного каротажа для определения пористости горных пород и содержания водорода (воды или углеводородов) в пластах. Специальные нейтронные источники (например, на основе америция-241 и бериллия) испускают быстрые нейтроны, которые замедляются до тепловых в породе, и детекторы регистрируют поток тепловых нейтронов, что позволяет судить о свойствах геологического разреза.

Классификация нейтронов по энергии

В ядерной физике нейтроны принято классифицировать по их кинетической энергии. Тепловые нейтроны занимают нижнюю часть шкалы:

Холодные нейтроны, имеющие энергию ниже тепловых, получают дополнительным охлаждением замедлителя (например, жидким водородом или дейтерием) и используются в особо чувствительных экспериментах.

Защита от тепловых нейтронов

Из-за высокого сечения захвата тепловых нейтронов для защиты от них применяют материалы, содержащие ядра с большим сечением захвата: кадмий, бор (в виде борированной стали или бората натрия), гадолиний. Тонкий слой кадмия (толщиной около 1 мм) практически полностью поглощает тепловые нейтроны, но почти не задерживает быстрые. В ядерных реакторах для регулирования цепной реакции используются стержни из карбида бора или сплавов кадмия. В биологической защите реакторов применяют бетон с добавками бора или тяжёлых элементов.

Интересные факты

• Тепловые нейтроны были впервые обнаружены в 1930-х годах итальянским физиком Энрико Ферми, который изучал замедление нейтронов в парафине. Это открытие привело к созданию первого ядерного реактора.
• В природе тепловые нейтроны практически не встречаются, так как свободные нейтроны имеют период полураспада около 14 минут и быстро поглощаются ядрами в земной коре. Исключение составляют нейтроны, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей.
• В реакторах на тепловых нейтронах используется уран с низким обогащением (до 5 % по урану-235), что снижает риск распространения ядерных материалов. В России такие реакторы составляют основу атомной энергетики.

Источники

• Мурин А. Н. «Физика ядерного реактора». — М.: Энергоатомиздат, 1989.
• Бекурц К., Вирц К. «Нейтронная физика». — М.: Атомиздат, 1968.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика. Том 9. Статистическая физика. Часть 2». — М.: Наука, 1978.
• Материалы Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (раздел «Нейтронная физика»).
• Справочник по ядерной физике и ядерным реакторам / под ред. А. И. Лейпунского. — М.: Атомиздат, 1975.