Nêutron atrasado - Delayed neutron

Na engenharia nuclear , um nêutron retardado é um nêutron emitido após um evento de fissão nuclear , por um dos produtos de fissão (ou, na verdade, um produto de fissão filho após o decaimento beta), a qualquer momento de alguns milissegundos a alguns minutos após o evento de fissão . Os nêutrons nascidos dentro de 10 a 14 segundos da fissão são chamados de "nêutrons imediatos".

Em um reator nuclear, grandes nuclídeos se dividem em dois produtos de fissão ricos em nêutrons (ou seja, nuclídeos instáveis ) e nêutrons livres (nêutrons imediatos). Muitos desses produtos de fissão então sofrem decaimento radioativo (geralmente decaimento beta) e os nuclídeos resultantes são instáveis ​​em relação ao decaimento beta . Uma pequena fração deles está excitada o suficiente para ser capaz de decair beta emitindo um nêutron retardado além do beta. O momento do decaimento beta dos nuclídeos precursores - que são os precursores dos nêutrons atrasados ​​- acontece ordens de magnitude mais tarde em comparação com a emissão dos nêutrons imediatos . Portanto, o nêutron que se origina do decaimento do precursor é denominado nêutron retardado. No entanto, o "atraso" na emissão de nêutrons é devido ao atraso no decaimento beta (que é mais lento porque controlado pela força fraca ), uma vez que a emissão de nêutrons, como a emissão gama, é controlada pela força nuclear forte e, portanto, qualquer um acontece em fissão, ou quase simultaneamente com a decadência beta, imediatamente após. As várias meias-vidas desses decaimentos que finalmente resultam na emissão de nêutrons são, portanto, as meias-vidas de decaimento beta dos radionuclídeos precursores.

Nêutrons atrasados ​​desempenham um papel importante no controle do reator nuclear e na análise de segurança.

Princípio

Os nêutrons atrasados ​​estão associados ao decaimento beta dos produtos da fissão. Após a emissão imediata de nêutrons de fissão, os fragmentos residuais ainda são ricos em nêutrons e sofrem uma cadeia de decaimento beta. Quanto mais rico em nêutrons for o fragmento, mais energético e mais rápido será o decaimento beta. Em alguns casos, a energia disponível no decaimento beta é alta o suficiente para deixar o núcleo residual em um estado tão excitado que ocorre a emissão de nêutrons em vez da emissão gama .

Usando o U-235 como exemplo, este núcleo absorve nêutrons térmicos e os produtos de massa imediatos de um evento de fissão são dois grandes fragmentos de fissão, que são remanescentes do núcleo U-236 formado. Esses fragmentos emitem, em média, dois ou três nêutrons livres (em média 2,47), chamados de nêutrons "imediatos" . Um fragmento de fissão subsequente ocasionalmente passa por um estágio de decaimento radioativo (que é um decaimento beta menos ) que produz um novo núcleo (o núcleo emissor) em um estado excitado que emite um nêutron adicional, chamado de nêutron "atrasado", para chegar ao solo Estado. Esses fragmentos de fissão que emitem nêutrons são chamados de átomos precursores de nêutrons atrasados.

Dados de nêutrons atrasados ​​para fissão térmica em U-235

Grupo Meia-vida (s) Constante de decaimento (s -1 ) Energia (keV) Rendimento, nêutrons por fissão Fração
1 55,72 0,0124 250 0,00052 0,000215
2 22,72 0,0305 560 0,00346 0,001424
3 6,22 0,111 405 0,00310 0,001274
4 2,30 0,301 450 0,00624 0,002568
5 0,610 1,14 - 0,00182 0,000748
6 0,230 3,01 - 0,00066 0,000273

Importância na pesquisa básica da fissão nuclear

O desvio padrão da distribuição final da energia cinética em função da massa dos fragmentos finais da fissão de baixa energia do urânio 234 e do urânio 236, apresenta um pico em torno da região das massas dos fragmentos leves e outro na região das massas dos fragmentos pesados. A simulação pelo método de Monte Carlo desses experimentos sugere que esses picos são produzidos por emissão imediata de nêutrons. Este efeito da emissão imediata de nêutrons não permite a obtenção de massa primária e distribuição cinética, o que é importante para estudar a dinâmica da fissão do ponto de sela ao ponto de cisão.

Importância em reatores nucleares

Se um reator nuclear fosse crítico imediato - mesmo muito ligeiramente - o número de nêutrons aumentaria exponencialmente a uma taxa elevada e muito rapidamente o reator se tornaria incontrolável por meio de mecanismos externos. O controle do aumento de potência seria então deixado aos seus fatores de estabilidade física intrínsecos, como a dilatação térmica do núcleo, ou o aumento da absorção de ressonância de nêutrons, que geralmente tendem a diminuir a reatividade do reator quando a temperatura sobe; mas o reator correria o risco de ser danificado ou destruído pelo calor.

No entanto, graças aos nêutrons atrasados, é possível deixar o reator em um estado subcrítico no que diz respeito apenas aos nêutrons imediatos: os nêutrons atrasados ​​vêm um momento depois, bem a tempo de sustentar a reação em cadeia quando vai morrer Fora. Nesse regime, a produção geral de nêutrons ainda cresce exponencialmente, mas em uma escala de tempo que é governada pela produção de nêutrons atrasada, que é lenta o suficiente para ser controlada (assim como uma bicicleta instável pode ser equilibrada porque os reflexos humanos são rápidos o suficiente no escala de tempo de sua instabilidade). Assim, ao alargar as margens de não operação e supercriticalidade e permitir mais tempo para regular o reator, os nêutrons atrasados ​​são essenciais para a segurança inerente do reator e mesmo em reatores que requerem controle ativo.

A menor porcentagem de nêutrons atrasados ​​torna o uso de grande porcentagem de plutônio em reatores nucleares mais desafiador.

Definições de fração

A fração de rendimento precursor β é definida como:

e é igual a 0,0064 para U-235.

A fração de nêutron atrasada (DNF) é definida como:

Esses dois fatores, β e DNF , são quase a mesma coisa, mas não exatamente; eles diferem no caso de uma mudança rápida (mais rápida do que o tempo de decaimento dos átomos precursores) no número de nêutrons no reator.

Outro conceito é a fração efetiva de nêutrons atrasados β eff , que é a fração de nêutrons atrasados ​​ponderados (no espaço, energia e ângulo) no fluxo de nêutrons adjacentes. Este conceito surge porque nêutrons atrasados ​​são emitidos com um espectro de energia mais termalizado em relação aos nêutrons imediatos. Para combustível de urânio de baixo enriquecimento trabalhando em um espectro de nêutrons térmicos, a diferença entre as frações de nêutrons atrasados ​​média e efetiva pode chegar a 50 pcm .

Veja também

Referências

links externos