درجة حرارة النيوترونات

النيوترون الحراري هو نيوترون حر ذو طاقة حركية تبلغ حوالي 0.025 إلكترون فولت (حوالي 4.0 × 10⁻²¹ ^جول أو 2.4 ميجا جول/كجم، وبالتالي سرعة 2.19  كم/ث)، وهي الطاقة المقابلة للسرعة الأكثر احتمالاً عند درجة حرارة 290 كلفن (17  درجة مئوية أو 62  درجة فهرنهايت)، وهو نمط توزيع ماكسويل -بولتزمان لهذه الدرجة، E _peak = k T.

بعد عدد من التصادمات مع النوى ( التشتت ) في وسط ( معدل النيوترونات ) عند درجة الحرارة هذه، تصل تلك النيوترونات التي لا يتم امتصاصها إلى مستوى الطاقة هذا تقريبًا.

تتميز النيوترونات الحرارية بمقطع عرضي فعال لامتصاص النيوترونات يختلف، وأحيانًا يكون أكبر بكثير، بالنسبة لنواة معينة مقارنةً بالنيوترونات السريعة، ولذلك غالبًا ما يتم امتصاصها بسهولة أكبر بواسطة نواة الذرة ، مما يؤدي إلى تكوين نظير أثقل، وغالبًا ما يكون غير مستقر، للعنصر الكيميائي . تُسمى هذه العملية بالتنشيط النيوتروني .

النيوترونات فوق الحرارية هي تلك التي تمتلك طاقات أعلى من الطاقة الحرارية عند درجة حرارة الغرفة (أي 0.025 إلكترون فولت). وبحسب السياق، يمكن أن يشمل ذلك جميع الطاقات حتى النيوترونات السريعة (كما في ^{[ 6 ] و[ 7 ]} على سبيل المثال ).

وهذا يشمل النيوترونات الناتجة عن تحويل البروتونات المتسارعة في هندسة الرامي والملتقط ^{[ 8 ]}

النيوترونات الباردة هي نيوترونات حرارية تم موازنة حرارتها في مادة شديدة البرودة مثل الديوتيريوم السائل . يوضع هذا المصدر البارد في مهدئ مفاعل بحثي أو مصدر للتفتت النووي. وتُعد النيوترونات الباردة ذات قيمة خاصة لتجارب تشتت النيوترونات . ^{[ 9 ]}

تُنتَج النيوترونات فائقة البرودة عن طريق التشتت غير المرن للنيوترونات الباردة في مواد ذات مقطع عرضي منخفض لامتصاص النيوترونات عند درجة حرارة بضعة كلفن، مثل الديوتيريوم الصلب ^{[ 10 ]} أو الهيليوم فائق الميوعة . ^{[ 11 ]} وثمة طريقة إنتاج بديلة تتمثل في التباطؤ الميكانيكي للنيوترونات الباردة باستخدام تأثير دوبلر. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تنعكس النيوترونات فائقة البرودة عند جميع زوايا السقوط، وذلك لأن زخمها يُقارن بالجهد البصري للمواد. يُستغل هذا التأثير لتخزينها في قوارير ودراسة خصائصها الأساسية ^{[ 5 ] [ 14 ]} ، مثل عمرها وعزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون، إلخ. تتمثل أبرز قيود استخدام النيوترونات البطيئة في انخفاض تدفقها ونقص الأجهزة البصرية الفعالة (في حالة النيوترونات فائقة البرودة والنيوترونات فائقة البرودة المتفجرة). ويجري حاليًا تطوير وتحسين مكونات بصرية فعالة للنيوترونات لمعالجة هذا النقص. ^{[ 15 ]}

النيوترون السريع هو نيوترون حر ذو طاقة حركية تقارب 1 ميغا إلكترون فولت (100 تيرا جول / كيلوغرام )، وبالتالي سرعة تبلغ 14000 كيلومتر/ ثانية أو أعلى. سُميت بالنيوترونات السريعة لتمييزها عن النيوترونات الحرارية ذات الطاقة المنخفضة، والنيوترونات عالية الطاقة التي تُنتج في زخات النيوترونات الكونية أو في مسرعات الجسيمات. تُنتج النيوترونات السريعة من خلال العمليات النووية.   

• الانشطار النووي : الانشطار الحراري للنظير ²³⁵ينتج اليورانيوم نيوترونات بمتوسط ​​طاقة يبلغ 2  ميغا إلكترون فولت (200  تيرا جول/كغ، أي 20000  كم/ث)، ^{[ 16 ]} وهو ما يُصنف على أنه "سريع". ومع ذلك، فإن طيف طاقة هذه النيوترونات يتبع تقريبًا توزيع وات المنحرف نحو اليمين${\displaystyle N(E)\propto \exp(-aE)\sinh({\sqrt {bE}})}$[ ^{17 ] [ 18 ]} بنطاق يتراوح من 0 إلى حوالي 17 ميغا ^{إلكترون} فولت، ^{[ 16 ]} ومتوسط ​​قدره 1.6 ميغا إلكترون فولت، ^{[ 19 ]} ونمط قدره 0.75 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 16 ]} نسبة كبيرة من نيوترونات الانشطار لا تُصنف على أنها "سريعة" حتى وفقًا لمعيار 1 ميغا إلكترون فولت.    
• الانشطار التلقائي هو أحد أنماط التحلل الإشعاعي لبعض النوى الثقيلة. ومن الأمثلة على ذلك البلوتونيوم-240 والكاليفورنيوم -252 .
• الاندماج النووي : ينتج اندماج الديوتيريوم والتريتيوم نيوترونات بطاقة 14.1 ميغا إلكترون فولت  (1400 تيرا جول/كجم،  أي 52000  كم/ث، 17.3% من سرعة الضوء ) والتي يمكنها بسهولة انشطار اليورانيوم-238 والأكتينيدات الأخرى غير القابلة للانشطار .
• يحدث انبعاث النيوترونات في الحالات التي تحتوي فيها النواة على فائض كافٍ من النيوترونات بحيث تصبح طاقة فصل نيوترون واحد أو أكثر سالبة (أي أن النيوترونات الزائدة " تتسرب " من النواة). غالبًا ما تتحلل النوى غير المستقرة من هذا النوع في أقل من ثانية واحدة.

عادةً ما تكون النيوترونات السريعة غير مرغوب فيها في المفاعلات النووية ذات الحالة المستقرة، لأن معظم أنواع الوقود الانشطاري تتفاعل بسرعة أكبر مع النيوترونات الحرارية. يمكن تحويل النيوترونات السريعة بسرعة إلى نيوترونات حرارية عبر عملية تُسمى التهدئة. تتم هذه العملية من خلال تصادمات عديدة مع جسيمات أبطأ حركةً، وبالتالي ذات درجة حرارة أقل، مثل نوى الذرات والنيوترونات الأخرى. تُسرّع هذه التصادمات عادةً الجسيم الآخر، وتُبطئ النيوترون وتُشتّته. يُفضّل استخدام مُهدِّئ نيوترونات يعمل في درجة حرارة الغرفة لهذه العملية. في المفاعلات، يُستخدم الماء الثقيل أو الماء الخفيف أو الجرافيت عادةً لتهدئة النيوترونات.

النيوترون السريع هو نيوترون حر ذو مستوى طاقة حركية قريب من1 ميغا إلكترون فولت  (1.6 × 10⁻¹³ جول ) ^،  وبالتالي سرعة تبلغ حواليتبلغ سرعتها 14000 كم  /ث (حوالي 5% من سرعة الضوء). تُسمى هذه النيوترونات طاقة الانشطار أو النيوترونات السريعة لتمييزها عن النيوترونات الحرارية ذات الطاقة المنخفضة، والنيوترونات عالية الطاقة الناتجة عن زخات النيوترونات الكونية أو المسرعات. تُنتج النيوترونات السريعة من خلال عمليات نووية مثل الانشطار النووي . وكما ذُكر سابقًا، فإن النيوترونات الناتجة عن الانشطار لها توزيع ماكسويل-بولتزمان للطاقات الحركية من 0 إلى حوالي 14 ميغا إلكترون فولت، بمتوسط ​​طاقة 2 ميغا إلكترون فولت ( لنيوترونات انشطار اليورانيوم ^{-235 )،} ونمط طاقة يبلغ 0.75 ميغا إلكترون فولت فقط، مما يعني أن أكثر من نصفها لا يُصنف كنيونات سريعة (وبالتالي يكاد يكون من المستحيل أن تبدأ الانشطار في المواد الخصبة ، مثل اليورانيوم ^-238 والثوريوم ^-232 ).

يمكن تحويل النيوترونات السريعة إلى نيوترونات حرارية عبر عملية تُسمى التهدئة. ويتم ذلك باستخدام مهدئ النيوترونات . في المفاعلات النووية، يُستخدم عادةً الماء الثقيل أو الماء الخفيف أو الجرافيت لتهدئة النيوترونات.

يُعدّ اندماج الديوتيريوم والتريتيوم (D-T ) تفاعل الاندماج النووي الذي يُنتج أعلى طاقة نيوترونية، بطاقة حركية تبلغ 14.1 ميغا إلكترون فولت ، وبسرعة تصل إلى 17% من سرعة الضوء . كما يُعدّ اندماج الديوتيريوم والتريتيوم أسهل تفاعلات الاندماج النووي بدءًا، إذ يصل إلى معدلات قريبة من ذروتها حتى عندما تكون الطاقة الحركية لنوى الديوتيريوم والتريتيوم جزءًا من ألف من الطاقة الحركية للنيوترونات الناتجة البالغة 14.1 ميغا إلكترون فولت.  

تمتلك النيوترونات ذات طاقة 14.1  ميغا إلكترون فولت طاقةً تفوق طاقة نيوترونات الانشطار بحوالي عشرة أضعاف، وهي فعّالة للغاية في انشطار حتى النوى الثقيلة غير القابلة للانشطار . كما تُنتج هذه الانشطارات عالية الطاقة عددًا أكبر من النيوترونات في المتوسط ​​مقارنةً بالانشطارات التي تُنتجها نيوترونات ذات طاقة أقل. ولذلك، تُعدّ مصادر نيوترونات اندماج الديوتيريوم-تريتيوم، مثل مفاعلات توكاماك المقترحة ، مفيدةً لتحويل النفايات العابرة لليورانيوم. ويمكن أيضًا لنيوترونات 14.1 ميغا إلكترون فولت إنتاج نيوترونات عن طريق تحريرها من النوى . 

من جهة أخرى، من غير المرجح أن يتم امتصاص هذه النيوترونات عالية الطاقة دون إحداث انشطار أو تفتت نووي . ولهذه الأسباب، يعتمد تصميم الأسلحة النووية بشكل كبير على نيوترونات الاندماج النووي D-T ذات طاقة 14.1  ميغا إلكترون فولت لإحداث المزيد من الانشطار . تستطيع نيوترونات الاندماج إحداث انشطار في مواد غير قابلة للانشطار عادةً، مثل اليورانيوم المنضب (اليورانيوم-238)، وقد استُخدمت هذه المواد في أغلفة الأسلحة النووية الحرارية . كما يمكن لنيوترونات الاندماج إحداث انشطار في مواد غير مناسبة أو يصعب تصنيعها في قنابل انشطارية أولية، مثل البلوتونيوم المستخدم في المفاعلات النووية . هذه الحقيقة الفيزيائية تجعل المواد العادية غير المستخدمة في الأسلحة النووية موضع قلق في بعض مناقشات ومعاهدات الانتشار النووي .

تُنتج تفاعلات الاندماج الأخرى نيوترونات ذات طاقة أقل بكثير. ينتج اندماج الديوتيريوم-ديوتيريوم نيوترونًا بطاقة 2.45  ميغا إلكترون فولت وهيليوم-3 في نصف الحالات، وينتج التريتيوم وبروتونًا فقط في النصف الآخر. أما اندماج الديوتيريوم-هيليوم ^-3 فلا يُنتج أي نيوترون.

يُطلق على النيوترون ذو طاقة الانشطار الذي تباطأ ولكنه لم يصل بعد إلى الطاقات الحرارية اسم النيوترون فوق الحراري.

غالبًا ما تحتوي المقاطع العرضية لتفاعلات الامتصاص والانشطار على قمم رنين متعددة عند طاقات محددة في نطاق الطاقة فوق الحرارية. وتكون هذه القمم أقل أهمية في مفاعل النيوترونات السريعة ، حيث تُمتص معظم النيوترونات قبل أن تتباطأ إلى هذا النطاق، أو في مفاعل حراري مُهَدَّأ جيدًا ، حيث تتفاعل النيوترونات فوق الحرارية في الغالب مع نوى المُهَدِّئ، وليس مع نوى الأكتينيدات القابلة للانشطار أو الخصبة . ولكن في مفاعل مُهَدَّأ جزئيًا، مع تفاعلات أكثر للنيوترونات فوق الحرارية مع نوى المعادن الثقيلة، تزداد احتمالات حدوث تغيرات عابرة في التفاعلية ، مما قد يُصعِّب التحكم في المفاعل.

تكون نسب تفاعلات الالتقاط إلى تفاعلات الانشطار أسوأ (أي تحدث عمليات التقاط أكثر دون انشطار) في معظم أنواع الوقود النووي، مثل البلوتونيوم-239 ، مما يجعل مفاعلات الطيف فوق الحراري التي تستخدم هذا الوقود أقل جدوى، إذ لا يقتصر الأمر على إهدار النيوترون الملتقط فحسب، بل ينتج عنه عادةً نويدة غير قابلة للانشطار بالنيوترونات الحرارية أو فوق الحرارية، مع أنها قابلة للانشطار بالنيوترونات السريعة. ويُستثنى من ذلك اليورانيوم-233 من دورة الثوريوم ، الذي يتميز بنسب التقاط إلى انشطار جيدة عند جميع طاقات النيوترونات.

تتمتع النيوترونات عالية الطاقة بطاقة أكبر بكثير من طاقة نيوترونات الانشطار، وتتولد كجسيمات ثانوية بواسطة مسرعات الجسيمات أو في الغلاف الجوي من الأشعة الكونية . وتتميز هذه النيوترونات عالية الطاقة بكفاءة عالية في التأين، وهي أكثر قدرة على التسبب في موت الخلايا من الأشعة السينية أو البروتونات. ^{[ 20 ] [ 21 ]}