中子溫度
中子溫度，亦稱中子能量，指的是自由中子的動能，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、速度和波長之間滿足物質波的德布羅意公式。
中子能量分布區間
[編輯]- 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
[編輯]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
[編輯]熱中子是動能約為0.025電子伏特（大約4.0×10−21 焦，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
[編輯]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。重水反應堆與石墨反應堆甚至可以使用天然鈾作為核燃料，這是因為重水與石墨的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
[編輯]- ^ Some Physics of Uranium. Accessed March 7, 2009. [2011-01-05]. （原始內容存檔於2019-11-05）.
