Как сделать нейтронов жидкость

Обновлено: 06.07.2024

ЗАМЕДЛИ́ТЕЛЬ НЕЙТРО́НОВ, вещество, используемое для уменьшения энергии нейтронов в ядерных реакторах. Служит для уменьшения кинетич. энергии быстрых нейтронов до энергии тепловых нейтронов , которые вызывают в активной зоне деление ядер $\ce$ и $\ce$ . З . н. должен обладать малой атомной массой, малым сечением поглощения и большим сечением рассеяния нейтронов. Характеристикой З. н. является коэф. замедления – отношение замедляющей способности вещества к сечению поглощения тепловых нейтронов. К числу З. н. относятся: вода, тяжёлая вода, бериллий, оксид бериллия, графит, гидрид циркония, а также органич. вещества (напр., изопропилдифенил). З. н. также используются в качестве осн. компонента состава отражателей, окружающих активную зону ядерного реактора; водородосодержащие З. н. (вода, гидриды металлов) – в качестве элементов биологич. защиты.

В лабораториях для получения нейтронов чаще всего пользуются радиево-бериллиевым источником: какую-либо радиевую соль в количестве чистого радия смешивают с бериллия и смесь помещают в запаянную трубочку. Такой источник в результате бомбардировки ядер бериллия альфа-частицами, возникающими при распаде радия, дает около 2 млн. нейтронов в секунду, которые проходят через стенки трубки. В радиево-бериллиевой смеси проникновение -частицы в ядро бериллия вызывает выброс нейтрона из образовавшегося промежуточного ядра, которое после этого превращается в ядро изотопа углерода Превращение сопровождается выделением энергии Так как среди продуктов распада радия имеются такие, которые испускают -частицы с энергиями вплоть до то получающиеся нейтроны могут иметь энергию до

Для получения нейтронов с большой кинетической энергией применяют облучение мишеней пучками искусственно ускоренных протонов и дейтонов. Мишенями служат чаще всего бериллий, литий, алюминий и лед тяжелой воды (лед тяжелой воды наносят на металлическую подкладку, которую при бомбардировке мишени интенсивно охлаждают жидким воздухом). Для ускорения протонов и дейтонов пользуются аппаратами, описанными в предыдущих параграфах. Большие фазотроны при бомбардировке мишеней протонами дают нейтроны с энергией в сотни мегаэлектроновольт. Когда для опытов требуется большая корпускулярная плотность потока нейтронов при их энергии порядка нескольких мегаэлектроновольт или десятков мегаэлектроновольт, то облучение мишеней производят пучками протонов и дейтонов, ускоренных в циклотронах (так как плотность ионного тока, создаваемого большими циклотронами, несравненно больше плотности тока, создаваемого другими аппаратами).

Наиболее мощными источниками нейтронов являются ядерные реакторы. В них плотность потока составляет нейтронов в секунду на на каждый киловатт (в активной зоне реакторов средней мощности).

Для действия ядерных реакторов (§ 118) весьма важным процессом является замедление нейтронов до небольшой скорости движения. Нейтроны с кинетической энергией, измеряемой миллионами электроновольт и не меньшей той величины, при которой они вызывают деление ядер (порядка называют быстрыми нейтронами. Все нейтроны с меньшими значениями энергии называют медленными нейтронами. Из них нейтроны с совсем малыми кинетическими энергиями, порядка и меньше, т. е. с энергиями, которые характерны для теплового движения частиц малой массы, называют тепловыми нейтронами.

Скорость нейтронов при разных энергиях

При некоторых, характерных для разных атомных ядер значениях энергии, чаще всего порядка поглощение нейтронов ядрами, в том числе ядрами урана оказывается аномально большим. При взаимодействии нейтронов с ядрами такое аномально большое поглощение наблюдается, когда энергия нейтронов близка к Поглощение нейтронов становится весьма малым при энергиях, несколько ббльших или несколько меньших, чем эти характерные значения энергий. Поэтому такие случаи поглощения нейтронов называют резонансным поглощением.

В ядерных реакторах используется уран, состоящий из двух изотопов: Как было сказано выше (§ 95), делится только при поглощении быстрых нейтронов, причем деление не является единственным процессом, который может происходить при поглощении быстрого нейтрона ядром. Более того, вероятность деления оказывается малой величиной в сравнении с вероятностями других процессов (радиационного захвата и неупругого рассеяния). Изотоп может делиться уже при поглощении тепловых нейтронов, причем вероятность этого процесса велика. Деление ядра сопровождается выбросом двух-трех (в среднем около 2,5) быстрых нейтронов. Деление ядра урана происходит и при поглощении быстрого нейтрона, но захват быстрого нейтрона ядром несравненно менее вероятен, чем захват теплового нейтрона. Вероятность захвата тепловых нейтронов ядрами столь велика в сравнении с вероятностью захвата быстрых нейтронов теми же ядрами и ядрами что, несмотря на очень большое процентное преобладание ядер размножение нейтронов в ядерном реакторе на природном уране происходит в основном вследствие деления ядер под действием тепловых нейтронов. Поэтому конструкция ядерного реактора должна обеспечивать замедление нейтронов до тепловых скоростей с возможно меньшей потерей числа нейтронов в процессе их замедления.

Замедление нейтронов происходит при их столкновениях с атомными ядрами. Эти столкновения могут быть упругими или неупругими. Неупругие столкновения могут происходить, когда энергия нейтрона достаточна велика, чтобы привести ядро в возбужденное состояние. При энергиях нейтрона в сотни мегаэлектроновольт неупругие соударения нейтронов с ядрами быстро приводят к понижению энергии нейтронов до величин порядка При меньших энергиях нейтрона основную роль в замедлении играет рассеяние их энергии в упругих соударениях с атомными ядрами. Это рассеяние энергии происходит тем быстрее, чем меньше различие масс нейтрона и частицы, с которой он сталкивается. Из законов

классической механики следует, что доля кинетической энергии, передаваемой при центральном ударе телом массы телу массы равна

Когда масса ядра во много раз превосходит массу нейтрона то доля кинетической энергии нейтрона, отдаваемой ядру при соударении с ним, мала. Так, сталкиваясь с ядром свинца, нейтрон передает ему менее 2% своей энергии. При каждом соударении с ядром легкого элемента нейтрон отдает этому ядру около 10—40% своей энергии (для ядер азота При соударении с дейтоном нейтрон отдает ему почти 90% своей энергии, а при соударении с протоном — всю энергию.

Соударения нейтронов с электронами не приводят к заметному уменьшению энергии нейтрона из-за большого различия в массах; согласно вышеприведенному выражению энергия нейтрона уменьшается в этом случае только на 0,2%.

В связи со сказанным в качестве замедлителей нейтронов до тепловых скоростей применяют чаще всего водородсодержащие вещества (воду, парафин) и графит. Быстрые нейтроны с энергией порядка замедляются в парафине до тепловых скоростей (до энергий в сотые доли электроновольта) в среднем после 17 ядерных соударений, что занимает время менее одной стотысячной доли секунды. По истечении одной микросекунды энергия быстрых нейтронов, попавших в парафин, уменьшается уже в миллион раз.

В графите после 10 соударений с ядрами углерода энергия нейтронов уменьшается в 10 раз. Замедление нейтрона от энергии порядка до тепловых скоростей в графите происходит в среднем после 110 его соударений с ядрами углерода.

Когда для получения тепловых нейтронов пользуются ампулами с радиево-бериллиевой смесью, то помещают такую ампулу в парафин; парафин применяют также для замедления нейтронов, полученных при облучении мишеней ионами, ускоренными в циклотронах и других аппаратах.

Но парафин и другие водородсодержащие вещества (точнее, вещества, содержащие легкий изотоп водорода) не всегда являются подходящими замедлителями нейтронов. Дело в том, что при столкновении медленных нейтронов с протонами в значительном числе случаев происходит захват нейтрона протоном с образованием дейтона. Таким образом, при замедлении нейтронов протонсодержащими веществами число замедляемых нейтронов существенно уменьшается. Поэтому, когда замедление нейтронов проводят не для исследования свойств медленных нейтронов, а для возможно более полного использования медленных нейтронов в вызываемых ими ядерных реакциях, то во избежание бесполезной потери

нейтронов (потери, которая способна расстроить действие ядерного реактора) в качестве замедлителей применяют вещества, не поглощающие нейтроны. Для ядерных реакторов лучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода; но вследствие ее дороговизны в реакторах вместо тяжелой воды часто применяют графит.

В помещенной ниже таблице указаны свойства важнейших замедлителей нейтронов. Решающую роль играет коэффициент замедления, указывающий, во сколько раз эффект замедления превышает поглощение нейтронов. При 70—100 соударениях с ядрами лития и бора нейтроны замедляются до тепловых скоростей (т. е. быстрее, чем в графите), но ядра лития, бора, кадмия отличаются исключительно большим поглощением нейтронов, и поэтому для них коэффициент замедления ничтожно мал.

Замедляющие свойства легких ядер

В ядерных реакторах урановые стержни опускают в тяжелую воду или в графитовую массу, причем объем этих замедлителей нейтронов путем расчета и экспериментов выбирают так, чтобы имелась возможность стабилизировать процесс каскадного размножения нейтронов. Такая стабилизация наступает тогда, когда число нейтронов, ежесекундно образующихся при делении ядер, становится равным сумме чисел нейтронов, ежесекундно поглощаемых без деления ядер и выходящих из реактора наружу. Чтобы точно обеспечить и, когда нужно, изменять эту стабилизацию процесса размножения нейтронов в реакторе, применяют легко вводимые в реактор и выдвигаемые из него стержни, изготовленные из стали с большим содержанием веществ, сильно поглощающих нейтроны, — обычно кадмия или соединений бора. Если размножение нейтронов в реакторе почему-либо стало происходить слишком быстро, то приборы автоматического контроля немедленно вводят в реактор поглощающие нейтроны стержни, а в противоположном случае несколько выдвигают их из реактора.

Реакторы на лёгкой воде - ядерные реакторы, в которых для замедления нейтронов и в качестве теплоносителя используется обычная вода H2O. Термин используется чтобы подчеркнуть отличие от тяжеловодного реактора, в котором в качестве замедлителя нейтронов используется тяжёлая вода D2O. В тяжёлой воде оба атома водорода заменены на атом тяжёлого водорода — дейтерия. Обычная вода, в отличие от тяжёлой воды, не только замедляет, но и в значительной степени поглощает нейтроны (по реакции 1H + n = 2D). Поэтому, если в легководном реакторе вода используется и как теплоноситель и как замедлитель нейтронов (как, например в реакторах ВВЭР), то реактор не может работать на природном уране, для работы такого реактора требуется предварительное обогащение урана. Если же замедлителем нейтронов служит графит, а обычная вода используется только как теплоноситель, то реактор в принципе может работать на природном уране или на уране низкого обогащения (как, например, реактор РБМК). Тяжеловодный реактор также может работать на природном уране, в этом одно из основных его достоинств.

Водород имеет три изотопа: обычные атомы водорода (1 протон в ядре) , дейтерий (1 протон и 1 нейтрон в ядре) , тритий (1 протон и два нейтрона в ядре) . Отсюда ясно, почему обычная вода поглощает нейтроны. Нейтрон, пролетая близко к атому водорода, притягивается к ядру, в результате обычный атом с одним протоном в ядре превращается в дейтерий. Тяжелая вода, содержащая дейтерий уже не так активно поглощает нейтроны: превращение дейтерий-тритий обратимо, поэтому наблюдается скорее замедление, чем поглощение нейтронов.

Используют не простую воду, а тяжелую. Где вместо водорода его изотоп - дейтерий. Формула D2O. Эта вода хорошо нейтроны задерживает.

нейтроны замедляются водородом, так что мона вместо воды заливать любую хрень соержащую водород, например парафин.

Представляю вам статью о том, как можно изготовить термоядерный реактор своими руками!

Но сначала несколько предупреждений:

Эта самоделка использует при своей работе опасное для жизни напряжение. Для начала убедитесь, что вы ознакомлены с правилами техники безопасности при работе с высоким напряжением или имеете квалифицированного друга – электрика в качестве советчика.

При работе реактора будут излучаться потенциально опасные уровни рентгеновских лучей. Свинцовое экранирование смотровых окон является обязательным!

Дейтерий, что будет использоваться в поделке – взрывоопасный газ. Поэтому особое внимание следует уделить проверке на герметичность топливного отсека.

При работе соблюдайте правила ТБ, не забывайте надевать спецодежду и средства индивидуальной защиты.

Список необходимых материалов:

Вакуумная камера;
Форвакуумный насос;
Диффузионный насос;
Блок питания высокого напряжения, способный выдавать 40 кВ 10 мА. Должна присутствовать отрицательная полярность;
Высоковольтный делитель – зонд, с возможностью подключения к цифровому мультиметру;
Термопара или баратрон;
Детектор нейтронного излучения;
Счётчик Гейгера;
Газ дейтерий;
Большой балластный резистор в диапазоне 50-100 кОм и длиной около 30 см;
Камера и телевизионный дисплей для отслеживания ситуации внутри реактора;
Стекло покрытое свинцом;
Инструменты общего плана (гравёр, дрель и т.д).

Шаг 1: Сборка вакуумной камеры

Для проекта потребуется изготовить вакуумную камеру высокого качества.

Приобретите две полусферы из нержавеющей стали, фланцы для вакуумных систем. Просверлим отверстия для вспомогательных фланцев, а затем сварим всё это вместе. Между фланцами располагаются уплотнительные кольца из мягкого металла. Если вы раньше никогда не варили, было бы разумно, чтобы кто-то с опытом сделал эту работу за вас. Поскольку сварные швы должны быть безупречны и без дефектов. После тщательно очистите камеру от отпечатков пальцев. Поскольку они будут загрязнять вакуум и будет трудно поддерживать стабильность плазмы.

Шаг 2: Подготовка насоса высокого вакуума

Установим диффузионный насос. Заполним его качественным маслом до положенного уровня (уровень масла указан в документации), закрепим выпускной клапан, который затем соединим с камерой (см схему). Прикрепим форвакуумный насос. Насосы высокого вакуума не способны работать с атмосферы.

Подключим воду, для охлаждения масла в рабочей камере диффузионного насоса.

Венчик будет присоединяться к проводам высокого напряжения, которые будут заходить в рабочий объём через сильфон. Лучше всего использовать вольфрамовую нить, так как она имеет очень высокую температуру плавления, и будет оставаться целой в течение многих циклов.

Электроды, к которым крепится вольфрамовая проволока должны быть рассчитаны на напряжение порядка 40 кВ.

Шаг 4: Монтаж газовой системы

Дейтерий используется в качестве топлива для термоядерного реактора. Вам нужно будет приобрести бак для этого газа. Газ добывается из тяжёлой воды путем электролиза с помощью небольшого аппарата Гофмана.

Присоединим регулятор высокого давления, непосредственно в бак, добавим микродозаторный игольчатый клапан, а затем прикрепим его к камере. Шаровой клапан следует установить между регулятором и игольчатым клапаном.

Шаг 5: Высокое напряжение

Если вы можете приобрести блок питания, подходящий для использования в термоядерном реакторе, то проблем возникнуть не должно. Просто возьмите выходной отрицательный 40 кВ электрод и прикрепите его к камере с большим балластным резистором высокого напряжения 50-100 кОм.

Проблема заключается в том, что часто затруднительно (если не невозможно) найти соответствующий источник постоянного тока с ВАХ (вольт-амперной характеристикой) которая полностью бы соответствовала заявленным требованиям ученого-любителя.

На фото представлена пара высокочастотных ферритовых трансформаторов, с 4-ступенчатым множителем (находится за ними).

Шаг 6: Установка детектора нейтронов

Нейтронное излучение является побочным продуктом реакции синтеза. Его можно фиксировать тремя различными приборами.

Пузырчатый дозиметр небольшое устройство с гелем, в котором формируются пузыри, во время ионизации нейтронным излучением. Недостатком является то, что это интегративный детектор, который сообщает общее количество выбросов нейтронов за время, что он использовался (невозможно получить данные о мгновенной скорости нейтронов). Кроме того, такие детекторы довольно трудно купить.

Активное серебро замедлителем [парафином, водой и т.д.], расположенное вблизи реактора становится радиоактивным, испуская приличные потоки нейтронов. Процесс имеет короткий период полураспада (только несколько минут), но если вы поставите счетчик Гейгера рядом с серебром, то результат можно документально зафиксировать. Недостатком этого метода является то, что серебро требует достаточно большого потока нейтронов. Кроме того, систему довольно трудно откалибровать.

Шаг 7: Запускаем реактор

Пришло время включить реактор (не забудьте установить смотровые стекла покрытые свинцом!). Включите форвакуумный насос и подождите, пока объём камеры не будет откачен на предварительный вакуум. Запустите диффузионный насос и подождите, пока он полностью разогреется и достигнет рабочего режима.

Перекройте доступ вакуумной системы к рабочему объёму камеры.

Чуть-чуть приоткройте игольчатый клапан в баке дейтерия.

Поднимайте высокое напряжение, пока вы не увидите плазму (она сформируется при 40 кВ). Помните о правилах электробезопасности.

Если всё пойдет хорошо, вы зафиксируете всплеск нейтронов.

Требуется много терпение, чтобы повысить давление до надлежащего уровня, но после того, как всё получится, управлять им станет довольно просто.

Все материалы добавляются пользователями. При копировании необходимо указывать ссылку на источник.

Читайте также: