النيوترون المتأخر

في الهندسة النووية ، يُعرف النيوترون المتأخر بأنه نيوترون لا ينطلق فورًا أثناء عملية الانشطار النووي ، بل بعد فترة وجيزة تتراوح بين أجزاء من الثانية وعدة دقائق. تنبعث هذه النيوترونات من النوى الوليدة المثارة لبعض نواتج الانشطار التي تخضع لتحلل بيتا . في المقابل، تنبعث النيوترونات الفورية ^{بشكل شبه فوري - في غضون حوالي 10⁻¹⁴} ثانية - لحظة الانشطار.

أثناء الانشطار النووي، تنقسم نواة ثقيلة إلى جزأين أصغر حجماً غنيين بالنيوترونات (نواتج الانشطار)، مطلقةً عدة نيوترونات حرة تُعرف بالنيوترونات الفورية. العديد من هذه النواتج مشعة، وعادةً ما تخضع لتحلل بيتا للوصول إلى تكوينات أكثر استقراراً. في حالات نادرة، ينتج عن تحلل بيتا لناتج الانشطار نواة ابنة في حالة إثارة ذات طاقة كافية لإطلاق نيوترون. يُطلق على هذا النيوترون، الذي ينبعث بعد الانشطار بفترة وجيزة ولكنه يتأخر بسبب عملية تحلل بيتا، اسم النيوترون المتأخر.

ينشأ تأخر انبعاث النيوترونات من الوقت اللازم للنواة الأولية (ناتج الانشطار الناتج عن تحلل بيتا) للخضوع لتحلل بيتا، وهي عملية تستغرق وقتًا أطول بكثير من الانبعاث الفوري للنيوترونات أثناء الانشطار. وبينما ينبعث النيوترون المتأخر فورًا تقريبًا بعد تحلل بيتا، فإنه في الواقع يُطلق من النواة الوليدة المثارة الناتجة عن هذا التحلل. لذا، فإن التوقيت الكلي لانبعاث النيوترونات المتأخر يخضع لنصف عمر تحلل بيتا للنواة الأولية.

تُعد النيوترونات المتأخرة ذات أهمية بالغة للتحكم في المفاعلات النووية. إذ يسمح ظهورها المتأخر باستجابة أبطأ وأكثر قابلية للتحكم في تغيرات قدرة المفاعل، مما يعزز بشكل كبير كلاً من استقرار التشغيل والسلامة.

ترتبط النيوترونات المتأخرة بتحلل بيتا لمنتجات الانشطار. بعد انبعاث نيوترونات الانشطار الفوري، تظل الشظايا المتبقية غنية بالنيوترونات وتخضع لسلسلة من تحلل بيتا. كلما زادت غنى الشظية بالنيوترونات، زادت طاقة تحلل بيتا وسرعته. في بعض الحالات، تكون الطاقة المتاحة في تحلل بيتا عالية بما يكفي لترك النواة المتبقية في حالة إثارة عالية جدًا، مما يؤدي إلى انبعاث نيوترونات بدلًا من انبعاث أشعة غاما .

باستخدام اليورانيوم-235 كمثال، تمتص هذه النواة النيوترونات الحرارية ، وتكون نواتج الانشطار الكتلية المباشرة شظيتين انشطاريتين كبيرتين، وهما بقايا نواة اليورانيوم-236 المتكونة. تُصدر هاتان الشظيتان، في المتوسط، نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات حرة (بمعدل 2.47)، تُسمى "النيوترونات الفورية" . تخضع شظية انشطار لاحقة أحيانًا لمرحلة من التحلل الإشعاعي (وهو تحلل بيتا السالب ) ينتج عنها نواة جديدة (النواة المُصدرة) في حالة إثارة تُصدر نيوترونًا إضافيًا، يُسمى "النيوترون المتأخر"، للوصول إلى الحالة الأرضية. تُسمى شظايا الانشطار هذه المُصدرة للنيوترونات ذرات طليعة النيوترون المتأخر.

بيانات النيوترونات المتأخرة للانشطار الحراري في اليورانيوم-235 ^{[ 1 ] [ 2 ]}

إذا وصل مفاعل نووي إلى حالة حرجة فورية - ولو بشكل طفيف - فإن عدد النيوترونات سيزداد بشكل هائل وبمعدل مرتفع، وسرعان ما يصبح المفاعل خارجاً عن السيطرة بواسطة الآليات الخارجية. عندها، سيُترك التحكم في ارتفاع الطاقة لعوامل الاستقرار الفيزيائية الذاتية، مثل التمدد الحراري للقلب، أو زيادة امتصاص النيوترونات بالرنين، والتي عادةً ما تُقلل من تفاعلية المفاعل عند ارتفاع درجة الحرارة؛ لكن المفاعل سيواجه خطر التلف أو التدمير بفعل الحرارة.

مع ذلك، وبفضل النيوترونات المتأخرة، يُمكن إبقاء المفاعل في حالة دون حرجة فيما يتعلق بالنيوترونات الفورية فقط: إذ تصل النيوترونات المتأخرة بعد لحظات، في الوقت المناسب تمامًا للحفاظ على استمرار التفاعل المتسلسل عند اقترابه من التوقف. في هذه الحالة، يستمر إنتاج النيوترونات في النمو بشكل أُسّي، ولكن على نطاق زمني يتحكم فيه إنتاج النيوترونات المتأخرة، وهو بطيء بما يكفي للتحكم فيه (تمامًا كما يُمكن موازنة دراجة غير مستقرة لأن ردود الفعل البشرية سريعة بما يكفي على النطاق الزمني لعدم استقرارها). وبالتالي، من خلال توسيع هوامش عدم التشغيل وحالة فوق الحرجة، وإتاحة المزيد من الوقت لتنظيم المفاعل، تُعد النيوترونات المتأخرة أساسية لسلامة المفاعل الذاتية ، حتى في المفاعلات التي تتطلب تحكمًا فعالًا.

إن النسبة المنخفضة ^{[ 3 ]} من النيوترونات المتأخرة تجعل استخدام نسب كبيرة من البلوتونيوم في المفاعلات النووية أكثر صعوبة.

يُعرَّف جزء إنتاج المادة الأولية β على النحو التالي:

${\displaystyle \beta ={\frac {\mbox{ذرات السلف}}{{\mbox{النيوترونات الفورية}}+{\mbox{ذرات السلف}}}}.}$

وهي تساوي 0.0064 بالنسبة لـ U-235.

يُعرَّف جزء النيوترونات المتأخرة (DNF) على النحو التالي:

${\displaystyle DNF={\frac {\mbox{النيوترونات المتأخرة}}{{\mbox{النيوترونات الفورية}}+{\mbox{النيوترونات المتأخرة}}}}.}$

هذان العاملان، β و DNF ، هما تقريبًا نفس الشيء، ولكن ليس تمامًا؛ فهما يختلفان في حالة حدوث تغيير سريع (أسرع من وقت اضمحلال ذرات السلف) في عدد النيوترونات في المفاعل.

مفهوم آخر هو الكسر الفعال للنيوترونات المتأخرة β _eff ، وهو كسر النيوترونات المتأخرة مُرجّحًا (مكانيًا وطاقيًا وزاويًا) بتدفق النيوترونات المرافق. ينشأ هذا المفهوم لأن النيوترونات المتأخرة تُنبعث بطيف طاقة أكثر استقرارًا حراريًا مقارنةً بالنيوترونات الفورية. بالنسبة لوقود اليورانيوم منخفض التخصيب الذي يعمل على طيف نيوترونات حراري، يمكن أن يصل الفرق بين متوسط ​​كسر النيوترونات المتأخرة وكسرها الفعال إلى 50 جزءًا في المليون . ^{[ 4 ]}

• عاجل وحرج
• الكتلة الحرجة
• التفاعل النووي المتسلسل
• الدولار (التفاعلية)

• المفاعلات النووية الهجينة: النيوترونات المتأخرة
• بيتا ليس نسبة النيوترونات المتأخرة (السكانية). مؤرشف بتاريخ 3 سبتمبر 2005 في أرشيف الإنترنت.