Neutron opóźniony

Neutrony opóźnione – neutrony powstające w reakcji rozszczepienia ciężkich jąder, emitowane z opóźnieniem większym niż 0,05 s. Charakteryzują się mniejszą średnią energią, wynoszącą ok. 0,5 MeV. Mają zasadnicze znaczenie w sterowaniu reaktywnością reaktorów jądrowych.

Większość neutronów powstaje natychmiast lub niemal natychmiast po rozszczepieniu jądra, czyli w czasie krótszym niż 10 fs (10⁻¹⁴s) – neutrony takie nazywane są natychmiastowymi. Część natomiast emitowana jest z pewnym opóźnieniem. Opóźnienie to może sięgać nawet minut. Liczba neutronów powstających średnio na jedno rozszczepienie zależy od rozszczepianego jądra oraz w pewnym stopniu od energii neutronu wywołującego rozszczepienie. Neutrony powstające z opóźnieniem powyżej 0,05 s, w produktach rozszczepienia jąder uranu ²³⁵U stanowią około 0,65–0,75% liczby powstających neutronów. Dla ²³⁹Pu – 0,21%, a ²³³U – 0,264%.

Po rozszczepieniu jądra i ewentualnie emisji natychmiastowych neutronów, powstają niestabilne i silnie wzbudzone jądra zwane fragmentami, ulegają one ciągowi rozpadów β. Po niektórych z tych rozpadów jądro może być w tak wysokim stanie wzbudzenia, że emitowany jest neutron – właśnie neutron opóźniony. Niestabilne bogate w neutrony jądra atomowe, które mogą wyemitować neutrony nazywane są prekursorami neutronów opóźnionych.

O ilości, czasie opóźnienia i innych właściwościach neutronów opóźnionych decydują właściwości jądrowe prekursorów. O ilości prekursorów decyduje ilość rozszczepień poszczególnych izotopów. Znanych jest około 240 emiterów neutronów, 18 emiterów dwóch neutronów i 4 jądra emitujące aż 3 neutrony, z czego 70–150 może powstać z fragmentów rozszczepienia. Czas półtrwania tych izotopów jest różny, od dziesiątych części sekundy, do minut^[2].

Przykład, w wyniku rozszczepienia powstaje izotop 87 bromu, o czasie półtrwania 55,6 s. Rozpada się z emisją cząstki beta, powstające jądro kryptonu 87, może być w stanie podstawowym lub wzbudzonym. Jądro w stanie wzbudzonym może ulec rozpadowi w wyniku rozpadu beta lub emisji neutronu tworząc stabilny krypton 85^[2].

Ze względu na dużą liczbę prekursorów obliczenie udziału i czasu opóźnienia neutronów opóźnionych jest dość skomplikowane, dlatego przyjęło się by podzielić neutrony opóźnione na sześć grup, których stałe zaniku i udziały pasują do danych doświadczalnych^[2].

Neutrony opóźnione dla rozszczepienia termicznego U-235^[3]

Parametr β określający szansę powstania atomu prekursora definiuje się jako stosunek liczby powstających atomów prekursorów do łącznej liczby neutronów natychmiastowych i atomów prekursorów. Parametr ten jest zależny od rodzaju rozszczepianego jądra, a w pewnym stopniu też od energii neutronu wywołującego rozszczepienie.

Parametr β określa udział neutronów opóźnionych w populacji wszystkich neutronów szybkich. Neutrony natychmiastowe mają średnią energię 2 MeV, a opóźnione 0,4 MeV dlatego ich pochłanianie w trakcie spowalniania jest mniejsze, by to uwzględnić wprowadzono, parametr efektywnego udziału neutronów opóźnionych (β_eff) określający udział neutronów opóźnionych wśród wszystkich neutronów po ich spowolnieniu do energii termicznych^[4].

W reaktorze jądrowym znajduje się kilka izotopów rozszczepialnych, każdy z nich ma inną zależność przekroju czynnego od energii neutronów, przez co przy szacowaniu efektywnego współczynnika neutronów opóźnionych dla danego reaktora przypisuje się poszczególnym grupom neutronów opóźnionych współczynnik ważności^[4].

W małym reaktorze termicznym pracującym na znacznie wzbogaconym paliwie ucieczka i pochłanianie szybkich neutronów przeważa nad rozszczepieniami przez szybkie neutrony, współczynnik ważności będzie większy od jeden, zwiększając efektywny współczynnik neutronów opóźnionych. W dużym reaktorze pracującym na nisko wzbogaconym paliwie współczynnik ważności będzie nieznacznie mniejszy od jeden. W dużych reaktorach pracujących na szybkich neutronach efektywny współczynnik neutronów opóźnionych może być o 10% mniejszy od współczynnika neutronów szybkich^[4].

W reaktorze jądrowym promieniowanie gamma ma wpływ na kinetykę i kontrolę stanu krytyczności reaktora. Wysokoenergetyczny foton może wybić z jądra neutron. Energia fotonu musi być większa od energii wiązania neutronu. Istnieje kilka jąder występujących w elementach reaktora o niskiej energii wiązania neutronu, na uwagę zasługują: ²H (2,225 MeV), ⁹Be (1,667 MeV), ⁶Li (5,67 MeV), ¹³C (4,9 MeV)^[5].

Część promieniowania gamma jest emitowana przez produkty rozszczepienia, podobnie jak neutrony opóźnione z pewnym opóźnieniem, ich wpływ na krytyczność i kinetykę reaktora może być rozpatrywana tak samo jak neutronów opóźnionych. Fotoneutrony mają szczególne znaczenie w reaktorach CANDU, w których moderatorem jest ciężka woda. W tych reaktorach na milion neutronów przypada 500 neutronów opóźnionych oraz 30 fotoneutronów. W reaktorach lekkowodnych, w wodzie będącej chłodziwem występuje deuter (∼0,0156%), ponadto deuter powstaje w wyniku wychwytu neutronów przez wodór^[5].

W trakcie pracy reaktora z dużą mocą następuje nagromadzenie w nim produktów rozpadu o długim czasie półtrwania. Najdłużej żyjącym, o czasie połowicznego zaniku 12,75 dnia, produktem rozszczepienia emitującym promieniowanie o energii umożliwiającej emisję neutronu jest ¹⁴⁰Ba. Po wyłączeniu reaktora po dłuższej pracy fotoneutrony są głównym źródłem neutronów i umożliwiają kontrolę stanu reaktora w stanie podkrytycznym podczas długotrwałego wyłączania^[5].

• I.W. Sawieliew: Wykłady z fizyki 3. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1994, s. 301–302. ISBN 83-01-11605-6.
• Podstawy zapewnienia bezpieczeństwa elektrowni jądrowych. W: Andrzej Strupczewski: Awarie reaktorowe a bezpieczeństwo energetyki jądrowej. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1990, s. 26. (pol.).