中子温度

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一些稀有气体在298.15 K (25 C)的速率分布曲线。点击图片可以看到对y-轴单位的解释。经过减速的中子也有类似的速率分布。

中子温度,亦称中子能量,指的是自由中子动能,单位通常是电子伏特。由于中子经过不同温度的减速剂会有不同的速度分布,一般可以使用温度来衡量中子的动能。中子的能量分布基本上符合热运动的麦克斯韦-玻尔兹曼分布。定性的来说,温度越高,自由中子的动能也越高。中子的动能、速度波长之间满足物质波的德布罗意公式。

中子能量分布区间[编辑]

  • 快中子能量高于1电子伏特、0.1兆电子伏特或者接近1兆电子伏特,有不同的定义。
  • 慢中子能量小于等于0.4电子伏特。
  • 超热中子能量在1电子伏特至10电子伏特之间。
  • 高热中子能量约0.2电子伏特。
  • 热中子能量约0.025电子伏特。
  • 冷中子能量约5x10−5电子伏特至 0.025电子伏特。
  • 甚冷中子能量约3x10−7电子伏特至 5x10−5电子伏特。
  • 极冷中子能量小于3x10−7电子伏特。
  • 连续区间中子能量从0.01兆电子伏特至25兆电子伏特。
  • 共振区间中子能量从1电子伏特至0.01兆电子伏特。
  • 低能区间中子能量低于1电子伏特。

快中子[编辑]

此处介绍的快中子的动能接近1兆电子伏特(100TJ/kg),速度接近14000千米/秒。将它们命名为快中子可以将其区别于于低能的热中子、以及通常在宇宙射线或者加速器中产生的高能中子。快中子通常有由核反应例如核裂变产生。

核聚变反应中产生的中子通常的能量都远大于1兆电子伏特,例如,氘氚核聚变的中子能量达到14.1兆电子伏特(1400 TJ/kg,速度约52000千米/秒,达到了光速的17.3%)。这样高能量的中子可以很容易使得铀-238与其他超铀元素发生裂变。

快中子可以通过中子慢化过程转变为热中子。中子慢化主要依靠减速剂。在核反应堆中,通常使用重水轻水、或石墨来使中子减速。

热中子[编辑]

热中子是动能约为0.025电子伏特(大约4.0×10−21 ,2.4MJ/kg,速度约2.2千米/秒)的自由中子。这个速度也是对应于290K(摄氏17度)时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可能速度。

最可能能量和最可能速度对应的能量、平均能量是不同的。最可能能量是最可能速度对应的能量的一般,而平均能量比最可能速度对应的能量大50%。

在中子与常温下减速介质的原子核发生若干次碰撞后,如果中子还没有被俘获,它们就会达到这个能量。热中子通常有比快中子大得多的有效中子俘获截面,也因此会更容易被原子核吸收,形成更重的、通常也不稳定的同位素。这个现象也被称为中子活化

快中子增殖反应堆与热反应堆比较[编辑]

大多数核裂变反应堆是热反应堆,它们使用中子减速剂使裂变产生的中子速度降低。减速可以大大增加裂变物质如铀-235钚-239的原子核裂变反应截面。此外,铀-238对热中子的俘获截面很小,因此,减速以后更多的中子可以用于引发裂变,形成链式反应,而不会被铀-238俘获。这些效应使得轻水反应堆可以使用低浓缩铀重水反应堆石墨反应堆甚至可以使用天然铀作为核燃料,这是因为重水石墨中子俘获界面要比轻水小很多[1]

增加核燃料的温度可以通过多普勒展宽增加铀-238对热中子的吸收,从而产生对核反应堆控制的负反馈。当减速剂是一种循环使用的冷却剂(如重水、轻水)的时候,冷却剂沸腾会降低减速剂的密度,从而提供了负反馈。

对于大多数核燃料,中间能量的中子的裂变/俘获比例比快中子和热中子都低。一个例外是钍循环中使用的铀-233,这也使得钍循环对各种中子能量都有很好的裂变/俘获比例。

快中子增殖反应堆使用未经减速的快中子来维持反应,因此需要核燃料中的裂变物质相对于增殖物质铀-238有较高的浓度。然而,快中子的裂变/俘获比例对于大多数物质来说都比较高,而每一个快中子裂变反应都回释放出大量的中子,因此一个快中子增殖反应堆很可能产生比它消耗更多的裂变物质。

增殖反应堆的控制不能依靠多普勒展宽和减速剂所提供的负反馈。然而,燃料的热膨胀可以提供快速的负反馈。切尔诺贝利核事故以后,增殖反应堆的发展几乎停滞,几十年间仅仅制造了很少的反应堆。这也是由于铀的价格比较低廉。在未来的几年,一些亚洲国家计划建造一些增殖反应堆的大型原型。

参考[编辑]