中子溫度,亦稱中子能量,指的是自由中子動能,單位通常是電子伏特。由於中子經過不同溫度的減速劑會有不同的速度分布,一般可以使用溫度來衡量中子的動能。中子的能量分布基本上符合熱運動的麥克斯韋-玻爾茲曼分布。定性的來說,溫度越高,自由中子的動能也越高。中子的動能、速度波長之間滿足物質波的德布羅意公式。

一些稀有氣體在298.15 K (25 C)的速率分布曲線。點擊圖片可以看到對y-軸單位的解釋。經過減速的中子也有類似的速率分布。

中子能量分布區間

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  • 快中子能量高於1電子伏特、0.1百萬電子伏特或者接近1百萬電子伏特,有不同的定義。
  • 慢中子能量小於等於0.4電子伏特。
  • 超熱中子能量在1電子伏特至10電子伏特之間。
  • 高熱中子能量約0.2電子伏特。
  • 熱中子能量約0.025電子伏特。
  • 冷中子能量約5x10−5電子伏特至 0.025電子伏特。
  • 甚冷中子能量約3x10−7電子伏特至 5x10−5電子伏特。
  • 極冷中子能量小於3x10−7電子伏特。
  • 連續區間中子能量從0.01百萬電子伏特至25百萬電子伏特。
  • 共振區間中子能量從1電子伏特至0.01百萬電子伏特。
  • 低能區間中子能量低於1電子伏特。

快中子

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此處介紹的快中子的動能接近1 MeV(100TJ/kg),速度接近14000千米/秒。將它們命名為快中子可以將其區別于于低能的熱中子、以及通常在宇宙射線或者加速器中產生的高能中子。快中子通常有由核反應例如核裂變產生。

核聚變反應中產生的中子通常的能量都遠大於1 MeV,例如,氘氚核聚變的中子能量達到14.1 MeV(1400 TJ/kg,速度約52000千米/秒,達到了光速的17.3%)。這樣高能量的中子可以很容易使得鈾-238與其他超鈾元素發生裂變。

快中子可以通過中子慢化過程轉變為熱中子。中子慢化主要依靠減速劑。在核反應堆中,通常使用重水輕水、或石墨來使中子減速。

熱中子

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熱中子是動能約為0.025電子伏特(大約4.0×10−21 ,2.4MJ/kg,速度約2.2千米/秒)的自由中子。這個速度也是對應於290K(攝氏17度)時麥克斯韋-玻爾茲曼分布下的最可能速度。

最可能能量和最可能速度對應的能量、平均能量是不同的。最可能能量是最可能速度對應的能量的一半,而平均能量比最可能速度對應的能量大50%。

在中子與常溫下減速介質的原子核發生若干次碰撞後,如果中子還沒有被俘獲,它們就會達到這個能量。熱中子通常有比快中子大得多的有效中子俘獲截面,也因此會更容易被原子核吸收,形成更重的、通常也不穩定的同位素。這個現象也被稱為中子活化

快中子增殖反應堆與熱反應堆比較

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大多數核裂變反應堆是熱反應堆,它們使用中子減速劑使裂變產生的中子速度降低。減速可以大大增加裂變物質如鈾-235鈈-239的原子核裂變反應截面。此外,鈾-238對熱中子的俘獲截面很小,因此,減速以後更多的中子可以用於引發裂變,形成鏈式反應,而不會被鈾-238俘獲。這些效應使得輕水反應堆可以使用低濃縮鈾重水反應堆石墨反應堆甚至可以使用天然鈾作為核燃料,這是因為重水石墨中子俘獲界面要比輕水小很多[1]

增加核燃料的溫度可以通過多普勒展寬增加鈾-238對熱中子的吸收,從而產生對核反應堆控制的負反饋。當減速劑是一種循環使用的冷卻劑(如重水、輕水)的時候,冷卻劑沸騰會降低減速劑的密度,從而提供了負反饋。

對於大多數核燃料,中間能量的中子的裂變/俘獲比例比快中子和熱中子都低。一個例外是釷循環中使用的鈾-233,這也使得釷循環對各種中子能量都有很好的裂變/俘獲比例。

快中子增殖反應堆使用未經減速的快中子來維持反應,因此需要核燃料中的裂變物質相對於增殖物質鈾-238有較高的濃度。然而,快中子的裂變/俘獲比例對於大多數物質來說都比較高,而每一個快中子裂變反應都回釋放出大量的中子,因此一個快中子增殖反應堆很可能產生比它消耗更多的裂變物質。

增殖反應堆的控制不能依靠多普勒展寬和減速劑所提供的負反饋。然而,燃料的熱膨脹可以提供快速的負反饋。切爾諾貝利核事故以後,增殖反應堆的發展幾乎停滯,幾十年間僅僅製造了很少的反應堆。這也是由於鈾的價格比較低廉。在未來的幾年,一些亞洲國家計劃建造一些增殖反應堆的大型原型。

參考

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  1. ^ Some Physics of Uranium. Accessed March 7, 2009. [2011-01-05]. (原始內容存檔於2019-11-05).