O que é interação de nêutrons com matéria - definição
Nêutrons podem interagir com a matéria de várias maneiras. Nêutrons são partículas neutras, portanto colidem com núcleos, não com átomos. Interações de nêutrons com matéria. Dosimetria de Radiação
Interações de nêutrons com matéria
Os nêutrons são partículas neutras; portanto, eles viajam em linhas retas , desviando-se do caminho apenas quando colidem com um núcleo para serem dispersos em uma nova direção ou absorvidos. Nem os elétrons que cercam (nuvem de elétrons atômicas) um núcleo nem o campo elétrico causado por um núcleo carregado positivamente afetam o vôo de um nêutron. Em resumo, os nêutrons colidem com núcleos , não com átomos. Uma característica muito descritiva da transmissão de nêutrons através da matéria a granel é o comprimento médio do caminho livre ( λ – lambda ), que é a distância média que um nêutron viaja entre interações. Pode ser calculado a partir da seguinte equação:
Os nêutrons podem interagir com os núcleos de uma das seguintes maneiras:
Tipos de reações nucleares de nêutrons
Reação de dispersão elástica
Reação de dispersão inelástica
Absorção de Nêutrons
Ejeção de partículas carregadas
Seção transversal de nêutrons
Secções típicas do material de fissão. Diminuir a velocidade dos nêutrons resulta no aumento da probabilidade de interação (por exemplo, reação de fissão).
A extensão em que os nêutrons interagem com os núcleos é descrita em termos de quantidades conhecidas como seções transversais . As seções transversais são usadas para expressar a probabilidade de interação específica entre um nêutron incidente e um núcleo alvo . Deve-se notar que essa probabilidade não depende das dimensões reais do alvo. Em conjunto com o fluxo de nêutrons, permite o cálculo da taxa de reação, por exemplo, para derivar a energia térmica de uma usina nuclear. A unidade padrão para medir a seção microscópica ( σ-sigma ) é o celeiro , que é igual a 10 -28 m 2. Esta unidade é muito pequena, portanto, celeiros (abreviados como "b") são comumente usados. A seção microscópica pode ser interpretada como a 'área-alvo' eficaz em que um núcleo interage com um nêutron incidente.
Uma seção macroscópica é derivada de microscópico e a densidade do material:
Aqui σ, que possui unidades de m 2 , é chamado de seção microscópica. Como as unidades de N (densidade dos núcleos) são núcleos / m 3 , a seção macroscópica Σ possui unidades de m -1 , portanto, de fato, é um nome incorreto, porque não é uma unidade correta de seções transversais.
As seções transversais de nêutrons constituem parâmetros-chave do combustível nuclear. As seções transversais de nêutrons devem ser calculadas para conjuntos de combustível novo geralmente em modelos bidimensionais da treliça de combustível.
A seção transversal de nêutrons é variável e depende de:
Núcleo alvo (hidrogênio, boro, urânio, etc.) Cada isótopo tem seu próprio conjunto de seções transversais.
Tipo de reação (captura, fissão, etc.). As seções transversais são diferentes para cada reação nuclear.
Energia de nêutrons (nêutron térmico, nêutron de ressonância, nêutron rápido). Para um determinado alvo e tipo de reação, a seção transversal depende fortemente da energia de nêutrons. No caso comum, a seção transversal é geralmente muito maior em baixas energias do que em altas energias. É por isso que a maioria dos reatores nucleares usa um moderador de nêutrons para reduzir a energia do nêutron e, assim, aumentar a probabilidade de fissão, essencial para produzir energia e sustentar a reação em cadeia.
Energia alvo (temperatura do material alvo – ampliação do Doppler) Essa dependência não é tão significativa, mas a energia alvo influencia fortemente a segurança inerente dos reatores nucleares devido a uma ampliação do Doppler das ressonâncias.
Veja também: JANIS (software de informação nuclear baseado em Java)
Veja também: Seção transversal de nêutrons
Lei 1 / v
Para nêutrons térmicos (na região 1 / v), as seções transversais de absorção aumentam à medida que a velocidade (energia cinética) do nêutron diminui.
Fonte: JANIS 4.0
Para nêutrons térmicos ( na região 1 / v ), as seções transversais de absorção aumentam à medida que a velocidade (energia cinética) do nêutron diminui. Portanto, a lei 1 / v pode ser usada para determinar a mudança na seção transversal de absorção, se o nêutron estiver em equilíbrio com um meio circundante. Esse fenômeno se deve ao fato de a força nuclear entre o núcleo alvo e o nêutron ter mais tempo para interagir.
Esta lei é aplicável apenas para a seção transversal de absorção e somente na região 1 / v.
Exemplo de seções transversais na região 1 / v:
A seção transversal de absorção para 238U a 20 ° C = 293K (~ 0,0253 eV) é:
A seção transversal de absorção para 238U a 1000 ° C = 1273K é igual a:
Essa redução da seção transversal é causada apenas devido à mudança de temperatura do meio circundante.
Captura de ressonância de nêutrons
Picos de ressonância para captura radiativa de U238. Nas energias de ressonância, a probabilidade de captura pode ser mais de 100x maior que o valor base.
Fonte: Programa JANIS
A seção transversal de absorção geralmente é altamente dependente da energia de nêutrons. Observe que a fissão nuclear produz nêutrons com uma energia média de 2 MeV (200 TJ / kg, ou seja, 20.000 km / s). O nêutron pode ser dividido em três faixas de energia:
Nêutron rápido. (10MeV – 1keV)
Nêutron de ressonância (1keV – 1eV)
Nêutron térmico. (1eV – 0,025eV)
Os nêutrons de ressonância são chamados de ressonância por seu comportamento especial. Nas energias de ressonância, a seção transversal pode atingir picos mais de 100x mais altos que o valor base da seção transversal. Com essas energias, a captura de nêutrons excede significativamente a probabilidade de fissão. Portanto, é muito importante (para reatores térmicos) superar rapidamente essa faixa de energia e operar o reator com nêutrons térmicos, resultando no aumento da probabilidade de fissão.
O efeito Doppler melhora a estabilidade do reator. A ressonância ampliada (aquecimento de um combustível) resulta em uma maior probabilidade de absorção, causando inserção de reatividade negativa (redução da potência do reator).
Um alargamento de Doppler de ressonâncias é um fenômeno importante, o que melhora a estabilidade do reator . O coeficiente de temperatura imediata da maioria dos reatores térmicos é negativo , devido ao efeito Doppler nuclear. Embora a seção transversal de absorção dependa significativamente da energia incidente de nêutrons, o formato da curva da seção transversal também depende da temperatura alvo.
Os núcleos estão localizados em átomos que estão em movimento contínuo devido à sua energia térmica. Como resultado desses movimentos térmicos, os nêutrons que atingem um alvo parecem ter núcleos no alvo uma propagação contínua de energia. Isso, por sua vez, afeta a forma observada de ressonância. A ressonância se torna mais curta e mais larga do que quando os núcleos estão em repouso.
Embora a forma de uma ressonância mude com a temperatura, a área total sob a ressonância permanece essencialmente constante. Mas isso não implica absorção constante de nêutrons . Apesar da área constante sob ressonância, uma integral de ressonância , que determina a absorção, aumenta com o aumento da temperatura alvo. Obviamente, isso diminui o coeficiente k (a reatividade negativa é inserida).
Secções transversais típicas de materiais no reator
A tabela a seguir mostra seções transversais de nêutrons dos isótopos mais comuns do núcleo do reator.