Temperatura do nêutron - Neutron temperature
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A temperatura de detecção de neutrões , também chamado de energia de neutrões , indica um neutrão livre 'é a energia cinética , geralmente dado em electrões-volt . O termo temperatura é usado, uma vez que nêutrons quentes, térmicos e frios são moderados em um meio com uma determinada temperatura. A distribuição de energia de nêutrons é então adaptada à distribuição Maxwelliana conhecida para movimento térmico. Qualitativamente, quanto maior a temperatura, maior a energia cinética dos nêutrons livres. O momento e o comprimento de onda do nêutron estão relacionados através da relação de de Broglie . O grande comprimento de onda dos nêutrons lentos permite a grande seção transversal.
Faixas de distribuição de energia de nêutrons
Energia de nêutrons | Gama de energia |
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0,0–0,025 eV | Nêutrons frios |
0,025 eV | Nêutrons térmicos |
0,025–0,4 eV | Nêutrons epitérmicos |
0,4–0,5 eV | Nêutrons de cádmio |
0,5-1 eV | Neutrons EpiCadmium |
1–10 eV | Nêutrons lentos |
10–300 eV | Nêutrons de ressonância |
300 eV – 1 MeV | Neutrons intermediários |
1–20 MeV | Nêutrons rápidos |
> 20 MeV | Nêutrons ultrarrápidos |
Mas intervalos diferentes com nomes diferentes são observados em outras fontes.
A seguir está uma classificação detalhada:
Térmico
Um nêutron térmico é um nêutron livre com uma energia cinética de cerca de 0,025 eV (cerca de 4,0 × 10 −21 J ou 2,4 MJ / kg, portanto, uma velocidade de 2,19 km / s), que é a energia correspondente à velocidade mais provável em uma temperatura de 290 K (17 ° C ou 62 ° F), o modo da distribuição de Maxwell-Boltzmann para esta temperatura.
Após uma série de colisões com núcleos ( espalhamento ) em um meio ( moderador de nêutrons ) nessa temperatura, os nêutrons que não são absorvidos atingem esse nível de energia.
Os nêutrons térmicos têm uma seção transversal de absorção efetiva de nêutrons diferente e às vezes muito maior para um determinado nuclídeo do que nêutrons rápidos e, portanto, podem ser absorvidos mais facilmente por um núcleo atômico , criando um isótopo mais pesado e frequentemente instável do elemento químico como resultado . Este evento é chamado de ativação de nêutrons .
Epitérmico
- Nêutrons de energia maiores que a térmica
- Maior que 0,025 eV
Cádmio
- Nêutrons que são fortemente absorvidos pelo cádmio
- Menos de 0,5 eV.
Epicadmium
- Nêutrons que não são fortemente absorvidos pelo cádmio
- Maior que 0,5 eV.
Lento
- Nêutrons de energia ligeiramente maior do que nêutrons de epicádmio.
- Menos de 1 a 10 eV.
Ressonância
- Refere-se a nêutrons que são fortemente suscetíveis à captura sem fissão pelo U-238.
- 1 eV a 300 eV
Intermediário
- Nêutrons que estão entre lento e rápido
- Algumas centenas de eV a 0,5 MeV.
Rápido
- Um nêutron rápido é um nêutron livre com um nível de energia cinética próximo a 1 M eV (100 T J / kg ), portanto, uma velocidade de 14.000 km / s ou superior. Eles são chamados de nêutrons rápidos para distingui-los dos nêutrons térmicos de baixa energia e nêutrons de alta energia produzidos em chuvas cósmicas ou aceleradores.
Nêutrons rápidos são produzidos por processos nucleares:
- A fissão nuclear produz nêutrons com uma energia média de 2 MeV (200 TJ / kg, ou seja, 20.000 km / s), que se qualifica como "rápido". No entanto, a faixa de nêutrons da fissão segue uma distribuição de Maxwell-Boltzmann de 0 a cerca de 14 MeV na estrutura do centro do momento da desintegração, e o modo da energia é de apenas 0,75 MeV, o que significa que menos da metade dos nêutrons da fissão se qualificam como "rápido" mesmo pelo critério de 1 MeV.
- A fissão espontânea é um tipo de decomposição radioativa que alguns elementos pesados sofrem. Os exemplos incluem plutônio-240 e califórnio-252 .
- Fusão nuclear : a fusão de deutério - trítio produz nêutrons de 14,1 MeV (1400 TJ / kg, ou seja, 52.000 km / s, 17,3% da velocidade da luz ) que podem facilmente fender o urânio-238 e outros actinídeos não físseis .
- A emissão de nêutrons ocorre em situações nas quais um núcleo contém nêutrons em excesso o suficiente para que a energia de separação de um ou mais nêutrons se torne negativa (isto é, nêutrons em excesso " pingam " do núcleo). Núcleos instáveis desse tipo geralmente decaem em menos de um segundo.
Nêutrons rápidos são geralmente indesejáveis em um reator nuclear de estado estacionário porque a maioria dos combustíveis físseis tem uma taxa de reação mais alta com nêutrons térmicos. Nêutrons rápidos podem ser rapidamente transformados em nêutrons térmicos por meio de um processo chamado moderação. Isso é feito por meio de numerosas colisões com partículas (em geral) de movimento mais lento e, portanto, de temperatura mais baixa, como núcleos atômicos e outros nêutrons. Essas colisões geralmente aceleram a outra partícula, tornam o nêutron mais lento e o espalha. Idealmente, um moderador de nêutrons à temperatura ambiente é usado para esse processo. Em reactores, água pesada , água luz , ou grafite são tipicamente usadas para neutrões moderados.
Ultra rápido
- Relativista
- Maior que 20 MeV
Outras classificações
- Pilha
-
- Nêutrons de todas as energias presentes em reatores nucleares
- 0,001 eV a 15 MeV.
- Ultracold
-
- Nêutrons com energia suficientemente baixa para serem refletidos e presos
- Limite superior de 335 neV
Reator de nêutron rápido e reator de nêutron térmico comparados
A maioria dos reatores de fissão são reatores de nêutrons térmicos que usam um moderador de nêutrons para desacelerar (" termalizar ") os nêutrons produzidos pela fissão nuclear . A moderação aumenta substancialmente a seção transversal de fissão para núcleos físseis , como urânio-235 ou plutônio-239 . Além disso, urânio-238 tem uma secção transversal de captura muito inferior para neutrões térmicos, permitindo que mais neutrões para causa fissão de cindíveis e propagar a reacção em cadeia, em vez de serem capturados por 238 U. A combinação destes efeitos permite que os reactores de água leve para usar urânio pouco enriquecido . Reatores de água pesada e reatores moderados com grafite podem até usar urânio natural, pois esses moderadores têm seções transversais de captura de nêutrons muito mais baixas do que a água leve.
Um aumento na temperatura do combustível também aumenta a absorção de nêutrons térmicos do U-238 por alargamento Doppler , fornecendo feedback negativo para ajudar a controlar o reator. Quando o refrigerante é um líquido que também contribui para a moderação e absorção (água leve ou pesada), a ebulição do refrigerante reduzirá a densidade do moderador, que pode fornecer feedback positivo ou negativo (um coeficiente de vazio positivo ou negativo ), dependendo se o reator está sub ou super moderado.
Os nêutrons de energia intermediária têm taxas de fissão / captura mais pobres do que os nêutrons rápidos ou térmicos para a maioria dos combustíveis. Uma exceção é o urânio-233 do ciclo de tório , que tem uma boa relação fissão / captura em todas as energias de nêutrons.
Os reatores de nêutrons rápidos usam nêutrons rápidos não moderados para sustentar a reação e exigem que o combustível contenha uma concentração mais alta de material físsil em relação ao material fértil U-238. No entanto, nêutrons rápidos têm uma melhor proporção de fissão / captura para muitos nuclídeos, e cada fissão rápida libera um número maior de nêutrons, portanto, um reator reprodutor rápido pode potencialmente "gerar" mais combustível físsil do que consome.
O controle do reator rápido não pode depender apenas do alargamento Doppler ou do coeficiente de vazio negativo de um moderador. No entanto, a expansão térmica do próprio combustível pode fornecer um feedback negativo rápido. Sempre esperada como a onda do futuro, o desenvolvimento de reatores rápidos tem estado quase adormecido com apenas um punhado de reatores construídos nas décadas desde o acidente de Chernobyl devido aos baixos preços no mercado de urânio , embora haja agora um renascimento em vários países asiáticos planejando concluir reatores rápidos de protótipo maiores nos próximos anos.