中性子温度

中性子検出温度は中性子エネルギーとも呼ばれ、自由中性子の運動エネルギーを示し、通常は電子ボルトで表されます。高温中性子、熱中性子、冷中性子は特定の温度の媒体で減速されるため、温度という用語が用いられます。中性子エネルギー分布は、熱運動で知られるマクスウェル分布に適合します。定性的には、温度が高いほど自由中性子の運動エネルギーは高くなります。中性子の運動量と波長はド・ブロイの関係式で結びついています。低速中性子の波長が長いため、断面積は大きくなります。[ 1 ]

中性子エネルギー分布範囲

中性子エネルギー範囲の正確な境界は明確に定義されておらず、発生源によって異なりますが[ 2 ]、いくつかの一般的な名称と限界が次の表に示されています。

中性子エネルギー範囲の名称[ 3 ] [ 4 ]
中性子エネルギー中性子波長 エネルギー範囲 生産使用法 注記
10 -7 eV> 500Å超冷中性子 液体ヘリウムまたは固体重水素による減速中性子光学、寿命、電気双極子モーメント、凝縮物質研究瓶詰め時の保存時間は15分以上です。[ 5 ]
0.0～25 meV≈ 2 - 6 Å冷たい（遅い）中性子 液体重水素、液体パラ水素、または固体メタンによる減速中性子散乱
25 meV≈ 1.8Å熱中性子（20℃） 室温調節器核分裂炉、核変換、増殖ブランケット室温
25 meV–0.4 eV≈ 1.8 - 0.45 Å熱外中性子 節度の緩和 室温以上
10～300 eV≈ 0.09 - 0.016 Å共鳴中性子 238 U による非核分裂捕獲の影響を受けやすい。
1～20MeV≈ 900 - 200 fm高速中性子 核分裂反応、核融合反応 高速炉、超ウラン燃焼、増殖ブランケット、中性子爆弾
> 20MeV100 fm未満超高速中性子 粒子加速器イオンによる核破砕高速中性子治療、核分裂研究相対論的

詳細な分類は次のとおりです。

サーマル

熱中性子は、運動エネルギーが約 0.025 eV (約 4.0×10 −21 Jまたは 2.4 MJ/kg、したがって速度 2.19 km/s) の自由中性子です。これは、温度 290 K (17 °C または 62 °F) での最確速度に対応するエネルギーであり、この温度でのマクスウェル・ボルツマン分布のモード、E peak = k T です。

この温度で媒体（中性子減速材）内で原子核と数回衝突（散乱）した後、吸収されなかった 中性子はこのエネルギーレベル付近に到達します。

熱中性子は、特定の核種に対する有効中性子吸収断面積が高速中性子とは異なり、場合によってははるかに大きいため、原子核に吸収されやすく、その結果、より重く、しばしば不安定な同位体が生成されます。この現象は中性子活性化と呼ばれます。

浅熱水

熱外中性子とは、室温における熱エネルギー（すなわち0.025 eV）を超えるエネルギーを持つ中性子のことである。文脈によっては、高速中性子までのすべてのエネルギーを包含する場合もある（例えば[ 6 ] [ 7 ]）。

これには、ピッチャー・キャッチャー構造で加速された陽子の変換によって生成された中性子が含まれる[ 8 ]

冷たい（遅い）中性子

液体水素と同程度の温度の中性子を供給する冷中性子源

冷中性子は、液体重水素などの非常に低温の物質中で平衡化された熱中性子です。このような冷中性子源は、研究炉や核破砕源の減速材に設置されます。冷中性子は、中性子散乱実験において特に有用です。 [ 9 ]

超冷中性子は、固体重水素[ 10 ]や超流動ヘリウム[ 11 ]など、数ケルビンの温度で中性子吸収断面積の小さい物質による冷中性子の非弾性散乱によって生成される。代替生成法として、ドップラーシフトを利用した冷中性子の機械的減速がある。[ 12 ] [ 13 ]

超冷中性子はあらゆる入射角で反射します。これは、その運動量が物質の光学ポテンシャルに匹敵するためです。この効果は、中性子を瓶に保存し、その基本特性（例えば、寿命、中性子の電気双極子モーメントなど）を研究するために利用されています。 [ 5 ] [ 14 ]低速中性子の利用における主な制約は、中性子束の低さと効率的な光学装置の不足（CNおよびVCNの場合）です。この不足を補うために、効率的な中性子光学部品の開発と最適化が進められています。[ 15 ]

速い

高速中性子は、運動エネルギーが1 M eV（100  T J / kg ）に近い自由中性子であり 、速度は14,000 km/秒以上です。これらは、よりエネルギーの低い熱中性子や、宇宙シャワーや加速器で生成される高エネルギー中性子と区別するために高速中性子と呼ばれます。高速中性子は、以下の核過程によって生成されます。

高速中性子は通常、定常原子炉では望ましくありません。なぜなら、ほとんどの核分裂性燃料は熱中性子との反応速度が速いからです。高速中性子は、減速と呼ばれる過程を経て、急速に熱中性子へと変化します。これは、原子核や他の中性子など、（一般的に）動きが遅く、したがって温度が低い粒子との衝突を何度も繰り返すことで起こります。これらの衝突は、通常、他の粒子の速度を上昇させ、中性子の速度を低下させて散乱させます。理想的には、この過程には室温の中性子減速材が使用されます。原子炉では、中性子の減速に重水、軽水、またはグラファイトが一般的に使用されます。

説明はキャプションを参照してください。軽い希ガス（ヘリウムとネオン）は、重い希ガスに比べて低速域での確率密度ピークがはるかに高くなりますが、それを超える速度域では確率密度は0になります。重い希ガス（アルゴンとキセノン）は、確率密度ピークは低くなりますが、はるかに広い速度域で密度が0にならないことがあります。
298.15 K（25 ℃）におけるいくつかの希ガスの速度の確率密度関数を示すグラフ。縦軸のラベルの説明は画像ページに記載されています。減速された中性子についても同様の速度分布が得られます。

核分裂エネルギー中性子

高速中性子は、運動エネルギーレベルが1  MeV (1.6 × 10 −13  J）、したがって速度は約高速中性子は、約 14,000 km  /s で加速されます (光速の約 5%)。これらは、低エネルギーの熱中性子や、宇宙シャワーまたは加速器で生成される高エネルギー中性子と区別するために、核分裂エネルギー中性子または高速中性子と呼ばれます。高速中性子は、原子核分裂などの核過程によって生成されます。前述のように、核分裂で生成される中性子は、運動エネルギーが 0 から約 14 MeV のマクスウェル・ボルツマン分布、平均エネルギーが 2 MeV ( 235 U 核分裂中性子の場合)、モードがわずか 0.75 MeV であるため、その半分以上は高速とはみなされません (したがって、 238 U や232 Thなどの核分裂親和性物質で核分裂を開始する可能性はほとんどありません)。

高速中性子は、減速と呼ばれる過程を経て熱中性子に変換されます。これは中性子減速材を用いて行われます。原子炉では、通常、重水、軽水、またはグラファイトが中性子の減速に使用されます。

核融合中性子

核融合反応率は温度とともに急速に増加し、最大に達した後、徐々に低下します。D-T反応率は、核融合エネルギーとして一般的に考えられる他の反応よりも低い温度（約70keV、または8億ケルビン）でピークに達し、高い値を示します。

D-T（重水素-三重水素）核融合は、最もエネルギーの高い中性子を生成する 核融合反応です。中性子の運動エネルギーは14.1MeVで、速度は光速の17%です。D-T核融合は最も点火しやすい核融合反応でもあり、重水素と三重水素の核の運動エネルギーが、生成される14.1MeVの1000分の1しかない場合でも、ほぼピーク速度に達します。

14.1MeV中性子は核分裂中性子の約10倍のエネルギーを持ち、非核分裂性の重原子核でさえも核分裂させるのに非常に効果的です。これらの高エネルギー核分裂は、低エネルギー中性子による核分裂よりも平均して多くの中性子を生成します。そのため、提案されているトカマク型原子炉などのD-T核融合中性子源は、超ウラン元素廃棄物の核変換に有用です。14.1MeV中性子は、原子核から中性子を叩き出すことによっても中性子を生成することができます。

一方、これらの非常に高エネルギーの中性子は、核分裂や破砕を引き起こさずに単純に捕捉される可能性は低い。これらの理由から、核兵器の設計では、より多くの核分裂を引き起こすために、D-T核融合14.1 MeV中性子が広範に使用されている。核融合中性子は、劣化ウラン（ウラン238）など、通常は非核分裂性物質で核分裂を引き起こすことができ、これらの物質は熱核兵器のジャケットに使用されてきた。核融合中性子は、原子炉級プルトニウムなど、一次核分裂爆弾に不適切または製造が困難な物質でも核分裂を引き起こす可能性がある。したがって、この物理的事実により、通常の非兵器級物質が、特定の核拡散に関する議論や条約で懸念されるようになっている。

他の核融合反応では、生成される中性子のエネルギーははるかに低くなります。D-D核融合反応では、反応時間の半分で2.45 MeVの中性子とヘリウム3が、残りの半分ではトリチウムと陽子が生成されますが、中性子は生成されません。D- 3 He核融合反応では中性子は生成されません。

中間エネルギー中性子

熱スペクトル炉である軽水炉における核変換の流れ

減速しているがまだ熱エネルギーに達していない核分裂エネルギー中性子は、熱外中性子と呼ばれます。

捕獲反応と核分裂反応の両方の断面積は、しばしば熱外エネルギー領域内の特定のエネルギーで複数の共鳴ピークを示す。これらの共鳴ピークは、中性子の大部分がこの領域まで減速する前に吸収される高速中性子炉や、熱外中性子が主に減速材核と相互作用し、核分裂性アクチニド核種や親アクチニド核種とは相互作用しない高減速熱中性子炉ではそれほど重要ではない。しかし、熱外中性子と重金属核との相互作用がより多く生じる部分減速炉では、反応度の過渡的変化が生じやすく、原子炉制御をより困難にする 可能性がある。

プルトニウム239などのほとんどの核燃料では、捕獲反応と核分裂反応の比率も悪く（核分裂を伴わない捕獲反応が多い）、これらの燃料を使用する熱外スペクトル原子炉はあまり望ましくない。捕獲反応は、捕獲された1個の中性子を無駄にするだけでなく、通常、熱中性子または熱外中性子では核分裂しない核種を生成するが、高速中性子では核分裂可能であるためである。例外はトリウムサイクルのウラン233で、これはすべての中性子エネルギーにおいて良好な捕獲核分裂比率を示す。

高エネルギー中性子

高エネルギー中性子は核分裂エネルギー中性子よりもはるかに高いエネルギーを持ち、粒子加速器や大気中の宇宙線によって二次粒子として生成されます。これらの高エネルギー中性子は電離効率が非常に高く、 X線や陽子よりも細胞死を引き起こす可能性がはるかに高くなります。[ 20 ] [ 21 ]

高速中性子炉と熱中性子炉の比較

ほとんどの核分裂炉は、核分裂によって生成された中性子を減速（「熱中性子化」）するために中性子減速材を使用する熱中性子炉です。減速により、ウラン235やプルトニウム239などの核分裂性核種の核分裂断面積が大幅に増加します。さらに、ウラン238は熱中性子の捕獲断面積がはるかに低いため、より多くの中性子が238 Uに捕獲されるのではなく、核分裂性核種の核分裂を引き起こし、連鎖反応を伝播させることができます。これらの効果の組み合わせにより、軽水炉は低濃縮ウランを使用することができます。重水炉と黒鉛減速炉は、これらの減速材の中性子捕獲断面積が軽水よりもはるかに低いため、天然ウランを使用することもできます。 [ 22 ]

燃料温度の上昇は、ドップラー広がりによるウラン238の熱中性子吸収も増加させ、原子炉制御を助ける負のフィードバックを提供します。冷却材が減速と吸収にも寄与する液体（軽水または重水）である場合、冷却材の沸騰により減速材の密度が低下し、原子炉の減速不足または減速過剰に応じて、正または負のフィードバック（正または負のボイド係数）を提供します。

中エネルギー中性子は、ほとんどの燃料において、高速中性子や熱中性子よりも核分裂／捕獲比が低い。例外として、トリウムサイクルのウラン233は、全ての中性子エネルギーにおいて良好な核分裂／捕獲比を示す。

高速中性子炉は、反応を維持するために減速されていない高速中性子を使用するため、燃料には核分裂性物質（ウラン238）よりも高い濃度が必要です。しかし、高速中性子は多くの核種に対して核分裂／捕獲比が高く、1回の高速核分裂でより多くの中性子が放出されるため、高速増殖炉は消費するよりも多くの核分裂性燃料を「増殖」する可能性があります。

高速炉の制御は、ドップラー広がりや減速材の負のボイド係数だけに頼ることはできません。しかし、燃料自体の熱膨張は、迅速な負のフィードバックをもたらす可能性があります。常に未来の潮流として期待されてきた高速炉開発は、チェルノブイリ事故以降の数十年間でウラン市場の低迷により数基しか建設されておらず、ほぼ停滞していました。しかし、現在ではアジアのいくつかの国が今後数年以内に大型の高速炉プロトタイプを完成させる計画を進めており、開発は再び活発化しています。

参照

参考文献

  1. ^ de Broglie, Louis. 「量子理論について」(PDF) . aflb.ensmp.fr . 2014年11月7日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2019年2月2日閲覧。
  2. ^ H. Tomita, C. Shoda, J. Kawarabayashi, T. Matsumoto, J. Hori, S. Uno, M. Shoji, T. Uchida, N. Fukumotoa および T. Iguchia、「 GEM を用いた共鳴エネルギーフィルタ画像に基づくエピサーマル中性子カメラの開発」、2012 年、引用：「エピサーマル中性子のエネルギーは 1 eV から 10 keV の間で、核断面積は熱中性子よりも小さい。」
  3. ^ Carron, NJ (2007).物質を通過する高エネルギー粒子の入門. p. 308. Bibcode : 2007ipep.book.....C .
  4. ^ 「中性子エネルギー」 www.nuclear-power.net 2019年1月27日閲覧。
  5. ^ a b「序論」、超冷中性子、WORLD SCIENTIFIC、pp.  1– 9、2019年9月23日、doi：10.1142/9789811212710_0001、ISBN 978-981-12-1270-3, S2CID  243745548 , 2022年11月11日取得{{citation}}: CS1 maint: ISBNによる作業パラメータ（リンク）
  6. ^ WC Feldman et al., Lunar Prospectorからの高速中性子とエピサーマル中性子のフラックス：月の極における水氷の証拠. Science281, 1496-1500(1998). DOI:10.1126/science.281.5382.1496
  7. ^ Mirfayzi, SR, Yogo, A., Lan, Z. et al. レーザー駆動冷中性子源の原理実証実験．Sci Rep 10, 20157 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-77086-y
  8. ^余湖 明史、「ピッチャーキャッチャー方式に基づくレーザー駆動中性子源の開発」、レーザー研究、2018年、第46巻、第10号、582-頁、J-STAGEにて2020年12月18日公開。https ://doi.org/10.2184/lsj.46.10_582
  9. ^ brian.maranville@nist.gov (2017-04-17). 「中性子の有用性」 . NIST . 2021年1月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年1月21日閲覧。
  10. ^ B. Lauss (2012年5月). 「ポール・シェラー研究所における高強度超冷中性子源の始動」. Hyperfine Interact . 211 (1): 21– 25. arXiv : 1202.6003 . Bibcode : 2012HyInt.211...21L . doi : 10.1007/s10751-012-0578-7 . S2CID 119164071 . 
  11. ^ R. Golub & JM Pendlebury (1977). 「超冷中性子（UCN）と液体ヘリウムおよび超熱UCN源との相互作用」. Phys. Lett. A. 62 ( 5): 337– 339. Bibcode : 1977PhLA...62..337G . doi : 10.1016/0375-9601(77)90434-0 .
  12. ^ A. Steyerl; H. Nagel; F.-X. Schreiber; K.-A. Steinhauser; R. Gähler; W. Gläser; P. Ageron; JM Astruc; W. Drexel; G. Gervais & W. Mampe (1986). 「冷中性子および超冷中性子の新たな発生源」. Phys. Lett. A. 116 ( 7): 347– 352. Bibcode : 1986PhLA..116..347S . doi : 10.1016/0375-9601(86)90587-6 .
  13. ^ Stefan Döge、Jürgen Hingerl、Christoph Morkel (2020年2月). 「Institut Laue–LangevinのPF2超冷中性子ビームポートの測定された速度スペクトルと中性子密度」 . Nucl. Instrum. Methods A. 953 163112. arXiv : 2001.04538 . Bibcode : 2020NIMPA.95363112D . doi : 10.1016 /j.nima.2019.163112 . S2CID 209942845. 2021年2月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年4月24日閲覧。 
  14. ^ Jenke, Tobias; Bosina, Joachim; Micko, Jakob; Pitschmann, Mario; Sedmik, René; Abele, Hartmut (2021-06-01). 「重力共鳴分光法とダークエネルギーシンメトロン場」 .ヨーロッパ物理学ジャーナル特集号. 230 (4): 1131– 1136. arXiv : 2012.07472 . Bibcode : 2021EPJST.230.1131J . doi : 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y . ISSN 1951-6401 . S2CID 229156429 .  
  15. ^ Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi, Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (2022-05-24). 「極めて大きな中性子屈折率変調を有するナノダイヤモンドベースのナノ粒子-ポリマー複合格子」 . McLeod, Robert R.; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T.; Pascual Villalobos, Inmaculada (eds.).感光性材料とその応用 II . Vol. 12151. SPIE. pp.  70– 76. Bibcode : 2022SPIE12151E..09H . doi : 10.1117/12.2623661 . ISBN 978-1-5106-5178-4. S2CID  249056691 .
  16. ^ a b cバーン、ジェームズ (2011).中性子、核、物質：低速中性子の物理学の探究(ドーバー編). ミネオラ、ニューヨーク州: ドーバー出版. p. 259. ISBN 978-0-486-48238-5。
  17. ^ Zijp WL、Nolthenius HJ、Baard JH、欧州委員会(1989)。原子炉中性子計測のための核データガイド。ドルドレヒト: クルーワー。 p. 359.ISBN​ 0-7923-0486-1. CD-NA-12-354-EN-C.
  18. ^ Watt, BE (1952年9月15日). 「U 235の熱核分裂による中性子のエネルギースペクトル」. Physical Review . 87 (6): 1037– 1041. Bibcode : 1952PhRv...87.1037W . doi : 10.1103/PhysRev.87.1037 .
  19. ^カウフマン、アンドリュー；ヘルミングハイゼン、ケビン；ヴァン・ザイル、マシュー；ホワイト、スーザン；ハッチ、ジョエル；マイヤー、アンドリュー；カオ、レイ・R.（2024年10月）「オハイオ州立大学における500kW研究炉の研究と能力のレビュー」Annals of Nuclear Energy . 206 110647. Bibcode : 2024AnNuE.20610647K . doi : 10.1016/j.anucene.2024.110647 .
  20. ^ Freeman, Tami (2008年5月23日). 「二次中性子に立ち向かう」 . Medical Physics Web. 2010年12月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年2月8日閲覧。
  21. ^ Heilbronn, L.; Nakamura, T.; Iwata, Y.; Kurosawa, T.; Iwase, H.; Townsend, LW (2005). 「宇宙空間における遮蔽に関連する二次中性子生成の拡大+概要」 .放射線防護線量測定. 116 ( 1–4 ): 140–143 . doi : 10.1093/rpd/nci033 . PMID 16604615. 2019年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年1月25日閲覧。 
  22. ^ 「ウランの物理学について」。2009年3月7日アクセス。 2019年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年3月8日閲覧。
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