حرارة النيوترون
يشير مصطلح حرارة النيوترون إنگليزية: neutron temperature, و التي تسمى أيضاً طاقة النيوترون إنگليزية: neutron energy, إلى الطاقة الحركية لنيوترون الحر, التي تُعطى بوحدة إلكترون فولت electron volt. إن مصطلح حرارة temperature تُستعمل عندما تتم تهدئة النيترونات الحرارية و الباردة و الساخنة في الوسيط عند درجة حرارة معينة . يعتمد توزيع طاقة النيترون على التوزيع الماكسويلي المعروفة بدراستها للحركة الحرارية. نوعياً, في حالة أزدياد درجة الحرارة, تزداد الطاقة الحركية للنيوترون الحر. إن الطاقة الحرارية و السرعة و الطول الموجي لنيوترون متعلقة بعضها ببعض و ذلك من خلال علاقة دي بروي De Broglie relation.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
مدى توزيع طاقة النيوترون
إن مدى و تورزيع طاقة النيترون الوسيط و الغير-حراري و غيرهما موزعة في الجدول أدناه:
- النيوترونات السريعة Fast neutrons لديها طاقة أكبر من 1 إلكترون فولت, أو 0.1 ميغا إلكترون فولت أو تقريباً 1 ميغا إلكترون فولت, و يعتمد ذلك على التعريف.
- النيوترونات البطيئة Slow neutrons لديها طاقة أقل من أو يساوي 0.4 إلكترون فولت.
- النيوترونات الفوق-حرارية Epithermal neutrons لديها طاقة من 0.025 إلى 1 إلكترون فولت.
- النيوترونات الساخنة Hot neutrons لديها طاقة تقدر بحوالي 2 إلكترون فولت.
- النيوترونات الحرارية Thermal neutrons لديها طاقة تقدر بحوالي 0.025 إلكترون فولت.
- النيوترونات الباردة Cold neutrons لديها طاقة من 5x10−5 إلكترون فولت إلى 0.025 إلكترون فولت.
- النيوترونات الباردة جداً Very cold neutrons لديها طاقة من 3x10−7 إلكترون فولت إلى 5x10−5 إلكترون فولت.
- النيوترونات فائقة البرودة Ultracold Neutrons لديها طاقة أقل من 3x10−7 إلكترون فولت.
- نيوترونات منطقة الاستمرار Continuum region neutrons لديها طاقة من 0.01 ميغا إلكترون فولت إلى 25 ميغا إلكترون فولت.
- نيوترونات منطقة التجاوب Resonance region neutrons لديها طاقة من 1 إلكترون فولت إلى 0.01 ميغا إلكترون فولت.
- نيوترونات المنطقة ذات الطاقة المنخفضة Low energy region neutrons لديها طاقة أقل من 1 إلكترون فولت.
النيوترونات السريعة
النيوترون السريع إنگليزية: fast neutron هو نيترون حر free neutron لديها طاقة حركية تقارب 1 MeV (أي يساوي 100 TJ/kg), و من ثم تكون السرعة 14,000 km/s. سميت هذه النيوترونات بالنيوترونات السريعة fast للتمييز بينها وبين النيوترونات الحرارية ذات الطاقة المنخفضة lower-energy thermal neutrons, و النيوترونات ذات الطاقة العالية high-energy neutrons الناتجة عن الهمرات و المعجلات الكونية. تتنتج النيوترونات السريعة عن طريق العمليات النووية مثل الانشطار النووي nuclear fission.
عادةً ما تكون النيوترونات التي تأتي من تفاعلات الإندماج لها طاقة أكبر من 1 ميغا إلكترون فولت; و أقصى حالة هي عند إندماج الديوتيريوم-التريتيوم التي تنتج نيوترونات لها طاقة تساوي 14.1 ميغا إلكترون فولت (أي يساوي 1400 تيرا جول/كيلوغرام, و تتحرك بسرعة 52,000 كيلو متر/ثانية، التي تساوي 17.3% من سرعة الضوء) و التي يمكن لها و بسهولة شطر يورانيوم-238 و الأكتينيدات الغير-إنشطارية.
النيوترونات السريعة يمكن أن تتحول إلى نيوترونات حرارية عن طريق عملية بالتهدئة moderation. و تقام هذه العملية باستخدام مهدئ النيوترون neutron moderator. في المفاعلات, تُستعمل الماء الثقيل أو الماء الخفيف أو الغرافيت graphite لتهدئة النيترونات.
النيوترونات الحرارية
النيوترون الحراري إنگليزية: Thermal neutron هو نيوترون حر لها طاقة حركية تقدر بحوالي 0.025 eV (أي ما يقارب 4.0×10−21 J; أو 2.4 MJ/kg, و من ثم تكون سرعتها 2.2 km/s)
و التي تعتبر الطاقة الأكثر إحتمالاً عند درجة حرارة 290 كلفن (17 درجة مئوية أو 62 فهرنهايت), منوال توزيع ماكسويل-بولتزمان Maxwell–Boltzmann distribution عند هذه الدرجة الحرارية.
إن طاقة الأكثر إحتمالاً مختلفة عن طاقة الوسط, و كما هو موجود في توزيع ماكسويل-بولتزمان فأنها أكبر من طاقة النمط بمقدار 50%.
و بعد عدد من التصادمات مع الأنوية (تبعثر) في الوسيط (مهدئ النيوترون) في هذه الدرجة من الحرارة, تصل النيوترونات إلى هذا المستوى من الطاقة, شريطة بألا تكون ممتصة.
لدى النيوترونات الحرارية مقطع عرضي لامتصاص النيوترون مختلف و أكثر فعالية من ما هو موجود عند النيوترونات, و بالتالي فأنها تُمتص أكثر سهولة بواسطة الأنوية الذرية, مخلقةً بذلك نظير أثقل - و كثيراً ما تكون غير مستقرة - للعنصر الكيميائي كنتيجة. (تنشيط النيوترون neutron activation)
المقارنة بين المفاعل السريع و المفاعل الحراري
إن أكثر المفاعلات الإنشطارية هي مفاعلات حرارية التي تستعمل مهدئ النيوترون لإبطاء السرعات, أو تبطئ (باستعمال الطريقة الحرارية) النيوترونات الناتجة عن الإنشطار النووي. إن عملية التهدئة تقوم بزيادة مقطع الانشطار العرضي جوهرياً للنواة الانشطارية مثل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239. بالإضافة إلى ذلك, فلدى اليورانيوم-238 طاقة أقل بكثير من ما هو مطلوب لأسر المقطع العرضي للنيترونات الحرارية, مما يسمح لكثير من النيوترونات بأن تسبب انشطاراً للأنوية و استمرار سلسلة التفاعل. تلك التأثيرات أجبرت المفاعلات الحرارية باستعمال يورانيوم أقل تخصيباً, أو حتى يورانيوم طبيعي مع تأثير المهدئات الأكثر كفاءةً مثل الماء الثقيل أو الغرافيت، مما يعني بأنها لن تميل إلى حبس النيوترونات. [1]
إن ازدياد درجة حرارة الوقود تؤدي إلى ارتفاع قدرة إمتصاص U-238 للنيوترونات حسب توسيع دوبلر Doppler broadening, منتجةً بذلك رد فعل سلبي يساعد على التحكم بالمفاعل. و أيضاً, عندما يدور المهدئ المبرّد (الماء الخفيف أو الثقيل على سبيل المثال), فإن غليان المبرد يتقوم بخفض كثافة المهدئ و تنتج ردة فعل سلبية. (معامل فارغ سلبي)
إن لدى نيوترونات الطاقة المتوسطة نسب أقل للإنشطار أو للإلتقاط من النيوترونات الحرارية و من النيوترونات السريعة في معظم أنواع الوقود ما عدا اليورانيوم-233 الناتج عن دورة الثوريوم.
تستعمل المفاعلات السريعة نيوترونات سريعة غير-مهدئة لتعزيز التفاعل و تستلزم من الوقود بأن تحتوي تركيز أعلى من المواد الانشطارية. على أية حال, لدى النيوترونات السريعة نسبة أفضل في الانشطار أو في الالتقاط للعديد من النوكليدات, و تصدر كل انشطار سريع عدد كبير من النيوترونات, و بالتالي يمكن للمفاعلات سريعة التوليد fast breeder reactor بأن "تولد" وقود انشطاري أكثر من ما تستهلك. إلا أن السيطرة على المفاعل تكون أكثر صعوبةً و ذلك يعود إلى توسيع دوبلر منقوص وإلى نقص معامل الفراغ السلبي من المهدئ.
أنظر أيضاً
- قائمة الجسيمات List of particles
- مصدر النيوترون Neutron source
- تفاعل نووي Nuclear reaction
- مفاعل حراري Thermal reactor
- مفاعل النيوترون السريع Fast neutron reactor