ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 3, с. 17-26
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.125:621.039.55
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТНОШЕНИЯ ВЫХОДОВ
МГНОВЕННЫХ НЕЙТРОНОВ СИММЕТРИЧНОГО И АСИММЕТРИЧНОГО ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР ИЗОТОПОВ ^^ ^ ОТ ЭНЕРГИИ НЕЙТРОНОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ДЕЛЕНИЕ
© 2012 г. В. Д. Севастьянов
ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений Россия, 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево Поступила в редакцию 29.06.2011 г. После доработки 15.08.2011 г.
Измерены отношения выходов мгновенных нейтронов, испускаемых в процессах симметричного и асимметричного деления ядер 235и тепловыми нейтронами и быстрыми нейтронами импульсных ядерных реакторов, а также при делении ядер 238и нейтронами с энергией 14.7 МэВ. Проведено сравнение известных измеренных интегральных сечений системы дозиметрических ядерных реакций и тех же сечений, рассчитанных с использованием дифференциальных сечений из известных в мире библиотек данных, трехкомпонетного представления спектров нейтронов деления ядер 235и и 252а и программы восстановления спектров КАСКАД.
1. ВВЕДЕНИЕ
В ранних работах [1, 2] энергетические спектры мгновенных нейтронов деления ядер трансурановых элементов представлялись в эмпирическом виде
Е (Е) = (2а -3/2 /л/Л)л/Ее ~аЕ, (1)
где — единичный флюенс нейтронов; Е, МэВ — энергия нейтронов; — константа спектра деления, связанная с температурой Т делящегося ядра соотношением а^ = 1/Т.
Однако деление ядер является сложным процессом. В случае ядер урана имеет место как асимметричное, так и симметричное деление [3, 4]. Для симметричного деления ядер характерно одногорбое распределение ядер-осколков деления. Вклад симметричного деления быстро возрастает с увеличением энергии нейтронов, бомбардирующих ядра. Асимметричное деление ядер характеризуется двугорбым массовым распределением ядер-осколков деления. Вероятность его незначительно изменяется с увеличением энергии нейтронов, бомбардирующих делящееся ядро. Вид двугорбого распределения показан на рис. 1 [5]: чем больше вклад симметричного деления, тем меньше глубина впадины двугорбого массового распределения. Асимметричное деление ядер является доминирующим процессом при делении ядер нейтронами с энергией <2 МэВ. При асимметричном делении ядер трансурановых элементов оболочечная структура ядер-осколков деления формируется еще до момента деления ядра, тогда как при симметричном деле-
нии оболочечная структура ядер-осколков до момента их деления не проявляется.
Исходя из сказанного выше, в работах [6, 7] впервые в мировой практике нейтронных измерений было предложено приближенное трехком-понентное представление спектра мгновенных
Выход, % 101
10°
10-1
10-2
75 95 115 135 155 А
Рис. 1. Массовые распределения ядер-осколков деления при делении и нейтронами различных энергий: штриховая кривая — тепловыми нейтронами, сплошная кривая — нейтронами с энергией 14.7 МэВ; отрезки кривых дают представление о выходе ядер-осколков деления при различных энергиях нейтронов (цифры у кривых) (н.с.д. — нейтроны спонтанного деления 2520).
нейтронов деления ядер трансурановых элементов. Так, априорные спектры единичного флюен-са мгновенных нейтронов F(E) при делении ядер нуклидов 235U, 239Pu тепловыми нейтронами и спонтанном делении ядер 252Cf при восстановлении спектра нейтронов были представлены в виде суперпозиции трех парциальных испарительных спектров Вайскопфа:
F(E) = A1aшЕе~amE + A2a¡2e-amE + A3amEe~аюЕ, (2) где Е — энергия нейтронов, aBi — константа i-го испарительного спектра, Ai — вклад i-го парциального спектра в восстанавливаемый спектр нейтронов. Первый член в уравнении (2) со значением константы аВ1 = 0.69 описывает спектр нейтронов, излучаемых в момент деления ядра (предположительно симметричное деление). Второй член со значением константы aB2 = 0.97 описывает спектр нейтронов, излучаемых после момента деления из сильно возбужденных ядер-осколков деления (предположительно асимметричное деление). Последний член со значением константы aB3 = 5.00 соответствует спектру нейтронов, излучаемых из возбужденного делящегося ядра еще до момента его деления. Средняя энергия нейтронов в указанных парциальных испарительных спектрах составляет 2.9, 2.0 и 0.4 МэВ соответственно.
Известно, что энергетические спектры нейтронов в центре металлических активных зон (м.а.з.) быстрых импульсных реакторов [8] могут быть представлены в виде суперпозиции парциальных делительных и испарительных спектров [7, 9]:
F(E) = Af (2а3/2 /4Лу1Ее ~а,Е +
+ Afl(2afi2 /4ñyíEea,lE + (3)
+Af 2(2af22 /4%уЕе ~а,2Е + ABa2BEe~asE, где F(E) — единичный флюенс нейтронов; Е — энергия нейтронов; Af, Ад,Ад и af, ад, ад — соответственно вклады и константы парциальных спектров нейтронов деления; АВ и аВ — вклад и константа парциального испарительного спектра нейтронов Вайскопфа, излучаемых ядрами урана при неупругом рассеянии мгновенных нейтронов деления, образующихся в м.а.з. реактора в результате управляемой цепной ядерной реакции. В формуле (3) первый парциальный спектр нейтронов деления соответствует мгновенным нейтронам деления ядер 235U, попадающим в центр м.а.з. реактора без ядерных взаимодействий с ядрами урана и молибдена, содержащимися в материале м.а.з. Второй и третий парциальные спектры нейтронов деления ядер 235U соответствуют мгновенным нейтронам деления, предварительно упруго рассеянным на ядрах урана и молибдена соответственно.
Такое представление спектров нейтронов в центре м.а.з. реакторов наглядно показывает со-
отношение мгновенных нейтронов деления и нейтронов неупругого рассеяния в восстанавливаемом спектре нейтронов в центре м.а.з. импульсного реактора. Заметим, что спектры нейтронов в центре м.а.з. импульсных быстрых реакторов могут быть также достаточно корректно представлены в виде суперпозиции тех же трех парциальных спектров Вайскопфа [7] (см. формулу (2)). Однако вклад третьего парциального спектра с константой аВ3 = 5 для них значительно больше из-за неупругого рассеяния мгновенных нейтронов деления на ядрах 235и и ядрах конструкционных материалов м.а.з. реакторов. Представление спектра мгновенных нейтронов деления ядер и нейтронов в центре м.а.з. быстрых импульсных реакторов в трехкомпонентном виде (см. формулу (2)) позволяет установить закономерности изменения выходов каждого из трех парциальных испарительных спектров в восстанавливаемых спектрах ядерно-физических установок (я.ф.у.) в зависимости от энергии нейтронов, вызывающих деление ядер. Указанное представление использовалось автором для анализа спектров мгновенных нейтронов, вылетающих из легких и тяжелых осколков при делении ядер 235и и 252СГ[10], а также при исследовании асимметричного деления ядер 235и тепловыми нейтронами и быстрыми нейтронами импульсных ядерных реакторов [11].
В данной работе 3-компонентное представление используется для определения зависимости отношения выходов мгновенных нейтронов симметричного и асимметричного деления ядер изотопов 235и, 238и от энергии нейтронов, вызывающих деление ядер.
Предложенный метод определения отношения выходов симметричного и асимметричного деления ядер нейтронами различных энергий с целью дополнительной проверки достоверности был применен для анализа известных оцененных интегральных сечений ядерных реакций в наиболее изученных в мировой практике нейтронных измерений стандартных полях мгновенных нейтронов деления ядер 235и тепловыми нейтронами и спонтанного деления ядер 252С£
Для анализа использовались как экспериментальные данные по сечениям ядерных реакций, так и расчетные сечения [12—14], полученные с использованием дифференциальных сечений из библиотек ENDF В/У1, JENDL и IRDF-85 [15].
Согласно результатам проведенного сравнения, отклонение значений указанных выше известных сечений дозиметрических ядерных реакций от "оцененных" автором статьи по описанной выше методике значений в основном не превышает 2—4%. Это свидетельствует о прецизионном уровне их измерения и корректности оценки сечений ядерных реакций, кроме того, можно говорить, что предложенное в работах [6, 7] трех-
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТНОШЕНИЯ ВЫХОДОВ
19
компонентное представление спектров мгновенных нейтронов деления ядер трансурановых элементов и нейтронов в центре м.а.з. быстрых импульсных реакторов физически обоснованно.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследование энергетической зависимости отношения выходов нейтронов симметричного и асимметричного деления изотопов 235и, 238и проводилось в полях тепловых нейтронов и нейтронов в центре м.а.з. в центральных каналах (ц.к.) быстрых импульсных реакторов, а также в полях нейтронов за специальными, трансформирующими нейтронное излучение сборками, установленными вблизи источника моноэнергетических нейтронов с энергией 14.7 МэВ. Отношение выходов нейтронов асимметричного и симметричного деления ядер в работе определено также и для нейтронов спонтанного деления ядер 252С£
Спектры мгновенных нейтронов деления ядер 235и тепловыми нейтронами и спонтанного деления 252СГ были выбраны в качестве объекта исследований, поскольку в мировой практике нейтронных измерений они используются как первичные стандартные поля нейтронов, измеренные и оцененные с наивысшей точностью.
Выбор полей нейтронов в центре открытой м.а.з. быстрых реакторов связан с тем, что: 1) материал м.а.з. отечественных и зарубежных реакторов практически идентичен по составу и, как правило, включает в себя сплав высокообогащенного по 235и урана и молибдена; 2) механизм формирования спектра нейтронов в них практически один и тот же; 3) поля нейтронов в центре м.а.з. экранированы от нейтронов, рассеянных на окружающих м.а.з. предметах (пол, стены, потолок экспериментального зала и т.д.), самой зоной; 4) в их спектрах нейтронов отсутствуют тепловые и эпи-тепловые нейтроны; 5) средняя энергия нейтронов в спектрах находится в широком диапазоне энергии 0.7-1.5 МэВ [7].
Выбор полей нейтронов за двумя специальными трансформирующими сборками, установленными вблизи высокоинтенсивного источника моноэнергетических нейтронов с энергией 14.7 МэВ, обусловлен тем, что средняя энергия нейтронов в их
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.