อุณหภูมิของนิวตรอน

วิทยาศาสตร์กับนิวตรอน
มูลนิธิ
อุณหภูมิของนิวตรอน ฟลักซ์ , รังสี , การขนส่ง หน้าตัดการ ดูด ซึมการกระตุ้น
การกระเจิงนิวตรอน
การเลี้ยวเบนของนิวตรอน การกระเจิงนิวตรอนมุมเล็ก จิซานส์ รีเฟลคโตเมตรี การกระเจิงนิวตรอนที่ไม่ยืดหยุ่น เครื่องวัดสเปกตรัมแบบ 3 แกน เครื่องวัดสเปกตรัมแบบ Time-of-Flight เครื่องวัดการกระเจิงกลับ สเปกโตรมิเตอร์สปินเอคโค่
การใช้งานอื่น ๆ
เอกซเรย์นิวตรอน การวิเคราะห์การเปิดใช้งานการวิเคราะห์การเปิดใช้งานแกมมาทันที การวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับนิวตรอน: นิวตรอนเย็นจัด , อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ การบำบัดด้วยนิวตรอนเร็ว การบำบัดด้วยการจับนิวตรอน
โครงสร้างพื้นฐาน
แหล่งกำเนิดนิวตรอน : เครื่องปฏิกรณ์วิจัย , สปอลเลชัน , ตัวหน่วงนิวตรอน เลนส์นิวตรอน: ตัวสะท้อนแสง , กระจกซุปเปอร์มิเรอร์ การตรวจจับ
สิ่งอำนวยความสะดวกนิวตรอน
อเมริกา: HFIR , LANSCE , NIST CNR - SNS โอเชียเนีย : โอปอล เอเชีย: J-PARC , HANARO Europe: BER II, FRM II, ILL, ISIS Neutron and Muon Source, JINR, SINQ Historic: IPNS, HFBR Under construction: ESS
v t e

อุณหภูมิการตรวจจับนิวตรอนเรียกอีกอย่างว่าพลังงานนิวตรอนแสดงถึงพลังงานจลน์ของนิวตรอนอิสระซึ่งมักแสดงเป็นอิเล็กตรอนโวลต์คำว่าอุณหภูมิถูกใช้ เนื่องจากนิวตรอนร้อน ความร้อน และความเย็นจะถูกควบคุมในตัวกลางที่มีอุณหภูมิที่แน่นอน จากนั้นการกระจายพลังงานนิวตรอนจะถูกปรับให้เข้ากับการกระจายของแมกซ์ เวลล์ ที่ทราบกันดีว่าเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ในเชิงคุณภาพ ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานจลน์ของนิวตรอนอิสระก็จะยิ่งสูงขึ้นโมเมนตัมและความยาวคลื่นของนิวตรอนมีความสัมพันธ์กันผ่านความสัมพันธ์ของเดอบรอยล์ความยาวคลื่นที่ยาวของนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้าทำให้มีพื้นที่หน้าตัดขนาดใหญ่^[1]

แต่มีการสังเกตช่วงที่แตกต่างกันที่มีชื่อที่แตกต่างกันในแหล่งอื่น^[4]

ต่อไปนี้เป็นการจำแนกรายละเอียด:

นิวตรอนเทอร์มอลเป็นนิวตรอนอิสระที่มีพลังงานจลน์ประมาณ 0.025 eV (ประมาณ 4.0×10 ⁻²¹ Jหรือ 2.4 MJ/kg ดังนั้นจึงมีความเร็ว 2.19 กม./วินาที) ซึ่งเป็นพลังงานที่สอดคล้องกับความเร็วที่น่าจะเป็นไปได้สูงสุดที่อุณหภูมิ 290 K (17 °C หรือ 62 °F) ซึ่งเป็นโหมดของการกระจายแบบแมกซ์เวลล์–โบลต์ซมันน์สำหรับอุณหภูมินี้ E _พีค = k T

หลังจากการชนกันหลายครั้งกับนิวเคลียส ( การกระเจิง ) ในตัวกลาง ( ตัวชะลอนิวตรอน ) ที่อุณหภูมินี้นิวตรอนที่ไม่ถูกดูดซับก็จะมีพลังงานถึงระดับนี้

นิวตรอนความร้อนจะมี หน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอน ที่มีประสิทธิภาพแตกต่างกันและบางครั้งมีขนาดใหญ่กว่ามาก สำหรับ นิวไคลด์ที่กำหนด เมื่อเทียบกับนิวตรอนเร็ว และด้วยเหตุนี้ จึงมักจะถูกนิวเคลียสของ อะตอมดูดซับได้ง่ายกว่าทำให้เกิดไอโซโทปของธาตุเคมี ที่มีน้ำหนักมากกว่าและมัก ไม่เสถียรในที่สุด เหตุการณ์นี้เรียกว่าการ กระตุ้นนิวตรอน

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• นิวตรอนมีพลังงานมากกว่าความร้อน
• มากกว่า 0.025 eV

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• นิวตรอนซึ่งถูกดูดซับโดยแคดเมียม อย่างรุนแรง
• น้อยกว่า 0.5 eV

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• นิวตรอนซึ่งแคดเมียมไม่ดูดซับได้มาก
• มากกว่า 0.5 eV

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• นิวตรอนที่มีพลังงานต่ำกว่า (น้อยกว่ามาก) นิวตรอนเทอร์มอล
• น้อยกว่า 5 meV

นิวตรอนเย็น (ช้า) แบ่งย่อยได้เป็นนิวตรอนเย็น (CN) นิวตรอนเย็นมาก (VCN) และนิวตรอนเย็นมาก (UCN) โดยแต่ละชนิดจะมีลักษณะเฉพาะในแง่ของปฏิสัมพันธ์ทางแสงกับสสาร เมื่อความยาวคลื่นถูกทำให้ยาวขึ้น (เลือกให้ยาวขึ้น) ค่าการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมที่ต่ำลงก็จะเข้าถึงได้ ดังนั้น จึงสามารถศึกษาขนาดที่ใหญ่ขึ้นและไดนามิกที่ช้าลงได้ แรงโน้มถ่วงยังมีบทบาทสำคัญมากในกรณีของ UCN อย่างไรก็ตาม UCN จะสะท้อนกลับที่มุมตกกระทบทุกมุม นั่นเป็นเพราะโมเมนตัมของวัสดุนั้นเทียบได้กับศักย์แสงของวัสดุ ผลกระทบนี้ใช้ในการเก็บวัสดุในขวดและศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุ^{[5] [6]}เช่น อายุการใช้งาน โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของนิวตรอน เป็นต้น ข้อจำกัดหลักของการใช้นิวตรอนช้าคือฟลักซ์ต่ำและการขาดอุปกรณ์ออปติกที่มีประสิทธิภาพ (ในกรณีของ CN และ VCN) ส่วนประกอบออปติกนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพกำลังได้รับการพัฒนาและปรับปรุงเพื่อแก้ไขการขาดนี้^[7]

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• หมายถึงนิวตรอนซึ่งมีความอ่อนไหวอย่างยิ่งต่อการจับยึดแบบไม่แตกตัวของยูเรเนียม-238
• 1 eV ถึง 300 eV

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• นิวตรอนที่อยู่ระหว่างช้าและเร็ว
• ไม่กี่ร้อย eV ถึง 0.5 MeV

นิวตรอนเร็วคือนิวตรอนอิสระที่มีระดับพลังงานจลน์ใกล้เคียงกับ 1  M eV (100  T J / kg ) จึงมีความเร็ว 14,000 กม./ วินาทีขึ้นไปนิวตรอนเร็ว ได้รับชื่อนี้ เพื่อแยกความแตกต่างจากนิวตรอนเทอร์มอลพลังงานต่ำและนิวตรอนพลังงานสูงที่เกิดขึ้นในฝนจักรวาลหรือเครื่องเร่งอนุภาค

นิวตรอนเร็วเกิดจากกระบวนการนิวเคลียร์:

• ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน : ปฏิกิริยาฟิชชันความร้อน²³⁵
  Uผลิตนิวตรอนที่มีพลังงานเฉลี่ย 2 MeV (200 TJ/kg หรือ 20,000 km/s) ^[8]ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่ม "เร็ว" อย่างไรก็ตาม สเปกตรัมพลังงานของนิวตรอนเหล่านี้โดยประมาณจะเป็นไปตามการกระจายวัตต์แบบเบ้ขวา [ ^{9] [10]}โดยมีช่วงตั้งแต่ 0 ถึงประมาณ 17 MeV ^[8]ค่ามัธยฐาน 1.6 MeV ^[11]และโหมด 0.75 MeV ^[8]นิวตรอนฟิชชันจำนวนมากไม่จัดอยู่ในกลุ่ม "เร็ว" แม้จะอยู่ในเกณฑ์ 1 MeV ก็ตาม${\displaystyle N(E)\propto \exp(-aE)\sinh({\sqrt {bE}})}$
• ปฏิกิริยาฟิชชันโดยธรรมชาติคือรูปแบบหนึ่งของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีสำหรับนิวไคลด์หนักบางชนิด ตัวอย่างเช่นพลูโตเนียม-240และแคลิฟอร์เนียม-252
• ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์ : ปฏิกิริยาฟิวชันดิวที เรียม - ทริเทียมก่อให้เกิดนิวตรอนที่มีพลังงาน 14.1 MeV (1,400 TJ/กก. หรือ 52,000 กม./วินาที หรือ 17.3% ของความเร็วแสง ) ซึ่งสามารถแตกตัว ของยูเรเนียม-238และแอกทิไนด์ ที่ไม่ แตกตัวได้ อื่นๆ ได้อย่างง่ายดาย
• การปล่อยนิวตรอนเกิดขึ้นในสถานการณ์ที่นิวเคลียสมีนิวตรอนส่วนเกินเพียงพอจนทำให้พลังงานการแยกตัวของนิวตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นกลายเป็นค่าลบ (กล่าวคือ นิวตรอนส่วนเกินจะ " หยด " ออกมาจากนิวเคลียส) นิวเคลียสที่ไม่เสถียรประเภทนี้มักจะสลายตัวในเวลาน้อยกว่าหนึ่งวินาที

นิวตรอนเร็วมักไม่เป็นที่ต้องการในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบคงที่ เนื่องจากเชื้อเพลิงแตกตัวได้ส่วนใหญ่มีอัตราการเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอนความร้อนที่สูงกว่า นิวตรอนเร็วสามารถเปลี่ยนเป็นนิวตรอนความร้อนได้อย่างรวดเร็วผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการลดความเร็ว ซึ่งทำได้โดยการชนกันหลายครั้งกับอนุภาคที่เคลื่อนที่ช้ากว่า (โดยทั่วไป) และด้วยเหตุนี้จึงมีอุณหภูมิต่ำกว่า เช่น นิวเคลียสของอะตอมและนิวตรอนอื่นๆ การชนกันเหล่านี้โดยทั่วไปจะทำให้อนุภาคอื่นเคลื่อนที่เร็วขึ้น เคลื่อนที่ช้าลง และกระจายนิวตรอนออกไป โดยทั่วไปแล้ว จะใช้ ตัวลดความเร็วนิวตรอน ที่อุณหภูมิห้อง สำหรับกระบวนการนี้ ในเครื่องปฏิกรณ์ มักใช้ น้ำหนัก น้ำเบาหรือกราไฟต์เพื่อลดความเร็วของนิวตรอน

^{[ ต้องการตัวอย่าง ]}

• สัมพันธภาพ
• มากกว่า 20 MeV

กอง

• นิวตรอนของพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• 0.001 eV ถึง 15 MeV

อุลตราโคลด์

• นิวตรอนที่มีพลังงานต่ำเพียงพอที่จะสะท้อนและดักจับได้
• ขอบเขตบนของ 335 neV

เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์เทอร์มอลนิวตรอนที่ใช้ตัวหน่วงนิวตรอนเพื่อทำให้นิวตรอนที่เกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสช้าลง (" thermalize ") การลดความร้อนจะทำให้ หน้าตัดของนิวเคลียสที่แตกตัวได้เช่นยูเรเนียม-235หรือพลูโตเนียม-239เพิ่มขึ้นอย่างมากนอกจากนี้ยูเรเนียม-238ยังมีหน้าตัดการจับนิวตรอนเทอร์มอลที่ต่ำกว่ามาก ทำให้มีนิวตรอนจำนวนมากขึ้นที่ทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสที่แตกตัวได้และแพร่กระจายปฏิกิริยาลูกโซ่ แทนที่จะถูกจับโดย²³⁸ U การรวมกันของผลกระทบเหล่านี้ทำให้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาสามารถใช้ยูเรเนียมที่มีความเข้มข้นต่ำได้เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักและเครื่องปฏิกรณ์ที่ควบคุมด้วยกราไฟต์ สามารถใช้ ยูเรเนียมธรรมชาติได้เนื่องจากตัวหน่วงเหล่านี้มีหน้าตัดการจับนิวตรอน ต่ำ กว่าน้ำเบา มาก ^[12]

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเชื้อเพลิงยังทำให้การดูดซับนิวตรอนความร้อนของยูเรเนียม-238 เพิ่มขึ้นด้วยการขยายดอปเปลอร์ซึ่งทำให้เกิดการตอบรับเชิงลบเพื่อช่วยควบคุมเครื่องปฏิกรณ์ เมื่อสารหล่อเย็นเป็นของเหลวที่ช่วยในการหน่วงและดูดซับ (น้ำเบาหรือน้ำหนัก) การต้มสารหล่อเย็นจะลดความหนาแน่นของตัวหน่วง ซึ่งสามารถให้การตอบรับเชิงบวกหรือเชิงลบ ( ค่าสัมประสิทธิ์ช่องว่าง เชิงบวกหรือเชิงลบ ) ขึ้นอยู่กับว่าเครื่องปฏิกรณ์ถูกหน่วงน้อยเกินไปหรือมากเกินไป

นิวตรอนพลังงานปานกลางมีอัตราส่วนการแตกตัว/การจับตัวที่แย่กว่านิวตรอนเร็วหรือนิวตรอนความร้อนสำหรับเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ ข้อยกเว้นคือยูเรเนียม-233ของวงจรทอเรียมซึ่งมีอัตราส่วนการแตกตัว/การจับตัวที่ดีที่พลังงานนิวตรอนทั้งหมด

เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วใช้นิวตรอนเร็ว ที่ไม่ได้รับการหน่วงความเร็ว เพื่อรักษาปฏิกิริยา และต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีความเข้มข้นของวัสดุแตกตัว ที่สูงกว่า เมื่อเทียบกับวัสดุที่มีความอุดมสมบูรณ์ (ยูเรเนียม-238) อย่างไรก็ตาม นิวตรอนเร็วมีอัตราส่วนการแตกตัว/การจับตัวที่ดีกว่าสำหรับนิวไคลด์หลายชนิด และปฏิกิริยาแตกตัวเร็วแต่ละครั้งจะปลดปล่อยนิวตรอนออกมาในจำนวนที่มากกว่า ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันเร็ว จึง อาจสามารถ "เพาะพันธุ์" เชื้อเพลิงแตกตัวได้มากกว่าที่มันใช้ไป

การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วไม่สามารถขึ้นอยู่กับการขยายโดปเปลอร์หรือค่าสัมประสิทธิ์ช่องว่างเชิงลบจากตัวหน่วงเพียงอย่างเดียว อย่างไรก็ตาม การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเชื้อเพลิงเองสามารถให้ผลตอบรับเชิงลบได้อย่างรวดเร็ว การพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วซึ่งคาดว่าจะเป็นกระแสในอนาคตนั้นแทบจะหยุดชะงัก โดยมีเครื่องปฏิกรณ์เพียงไม่กี่เครื่องที่สร้างขึ้นในช่วงหลายทศวรรษหลังจากอุบัติเหตุเชอร์โนบิลเนื่องจากราคายูเรเนียม ที่ต่ำ แม้ว่าปัจจุบันจะมีการฟื้นตัว โดยประเทศในเอเชียหลายประเทศวางแผนที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วต้นแบบที่ใหญ่กว่าให้เสร็จภายในไม่กี่ปีข้างหน้า^{[ เมื่อไร? ]}

• ภาษาของนิวเคลียส