关于宏观中子物理介绍

[拼音]：hongguan zhongzi wuli

[外文]：macroscopic neutron physics

研究中子同大块媒质相互作用的核物理分支。它着眼于大量中子在单一媒质中的平均行为。它首先是由于裂变反应堆的要求而发展的，但它对于裂变能源，对于中子束的应用以及各种中子物理实验技术的发展都有重要的作用。

以一定速度在大块媒质中运动的中子，不断地同周围的原子核（称为靶核）发生碰撞，发生散射或吸收两类中子核反应。散射时，中子本身并不消失，只是能量发生变化，以新的速度继续在媒质中运动。吸收时，中子被原子核俘获，从而在媒质中消失。原子吸收中子以后将发出γ射线、发出次级粒子或发生原子核裂变，核裂变将产生新的中子。这些核反应的发生几率用各种反应截面（微观截面，见核反应截面）描述，截面大，表示产生核反应的几率大。不同能量的中子，与原子核产生各种反应的截面也不同。为了便于表述中子同宏观物质的作用，引入宏观反应截面这一物理量，用符号Σ 表示。它是靶核的微观截面和单位体积内的靶核数N的乘积Σ＝Nσ。与微观截面不同，宏观截面的量纲是[L-1]。宏观截面是一个中子同单位体积内的原子核发生核反应的平均几率大小的量度，它等于中子在媒质内飞行单位距离时发生某种核反应的几率。宏观总截面用 Σt表示，Σt=Σa+Σs，Σa为宏观吸收截面，Σs为宏观散射截面。

中子在连续两次碰撞之间的平均飞行距离称为平均自由程，用符号λ表示。显然，在一个平均自由程之内发生某种碰撞的平均数为1。参照宏观截面的定义，容易得出 λΣ＝1，即平均自由程等于宏观截面的倒数。相应的有散射平均自由程，吸收平均自由程 。中子在媒质中的各种运动规律(无论空间时间变量的，还是能量变量的)都同宏观截面或平均自由程有关，宏观截面或平均自由程是描述物质中子物理特性的最基本的物理量。

无论是核裂变，还是其他核反应产生的中子，一般能量都在兆电子伏量级，这些快中子在大块媒质中不断通过散射损失能量，直到和媒质中靶核的能量交换处于平衡状态为止。散射可分为d性散射和非d性散射两种。发生d性散射时，中子和靶核间只有动能交换，是一种d性球式碰撞，靶核内能不发生变化。发生非d性散射时，靶核内能发生变化。非d性散射是一种阈反应，只有入射中子的能量超过某一数值时才能发生。一般说，轻核非d性散射阈值高，重核的阈值低。研究中子在大块媒质中损失能量的规律对核反应堆的物理设计十分重要。在快中子反应堆内，中子的平均能量为100keV左右，裂变中子（平均能量约为2MeV）主要通过非d性散射损失能量。热中子反应堆内中子的平均能量只有0.01eV左右，裂变中子主要通过d性散射损失能量。中子这种损失能量而不断减速的过程称为慢化过程。中子从某一能量慢化到热能，在媒质中穿行的平行距离用中子年龄来描述。对一个在无限大无吸收的媒质内的单能点中子源，定义中子年龄τ为中子在被慢化前穿行的直线距离RM的均方值的1/6，即

显然τ 将由中子在媒质中的散射平均自由程和靶核的质量数决定，也同中子的初始能量有关。例如，平均能量为2MeV的裂变中子，在轻水（即普通水）中的中子年龄τ=26cm2。慢化到热中子以后，中子在媒质中的主要过程是扩散。中子慢化到热中子以后并不马上消失，还会在媒质中不断运动，不断地同原子核发生碰撞，这时中子和靶核之间的能量交换已达到平衡状态，扩散过程是一个单纯的从密度高的位置向密度低的位置迁移的过程。在某些条件下，中子扩散现象可以用斐克定律来描述，这些条件中最主要的是媒质必须是均匀的，足够大的，宏观吸收截面必须远小于宏观散射截面，即ΣaΣS。

描述中子扩散过程的斐克(Fick)定律是反应堆物理计算中广为使用的扩散近似模型的基础，它表示：中子流密度J正比于中子注量率梯度 墷φ的负值，其比例系数叫扩散系数，用D表示

其中，φ为中子注量率。

中子从成为热中子开始扩散直到被吸收为止，在媒质中平均穿行的距离用中子扩散长度描述，它是表征物质宏观中子物理特性的又一重要参量。对于在无限媒质内点中子源的情况，扩散长度L的平方等于热中子从产生地点到被吸收处所穿行的直线距离RD的均方值的1/6，即

扩散长度和扩散系数之间的关系为

中子年龄和扩散系数等统称为宏观中子物理参量。它们从总体上反映了物质的中子物理特性。从20世纪40年代中期直到60年代末，由于反应堆工程的需要，人们广泛研究了已经或可能用在反应堆中作为慢化剂的各种材料，如石墨、重水、铍、轻水和多种有机材料，测定它们的中子年龄和扩散长度。测定方法可以分为静态的和动态的两类，所谓静态方法，是在大块被研究的媒质中放一个恒定中子源，测定中子注量率在媒质中的空间分布。具有不同能量响应特性的中子探测器测得的空间分布也不同，分析这些空间分布曲线就可以得到相应的参量。所谓动态方法是瞬间向媒质注入一束中子，测量中子数随时间的衰减，从分析衰减曲线中得到有关参量。动态方法又称脉冲中子源方法，发展得比较晚，但使用得比较广。

在反应堆工程发展的前期，由于堆用材料的微观核数据不够齐全，计算机及计算技术还不够发达，反应堆物理计算主要依靠宏观中子物理参量，人们不仅研究和测量了单一媒质的宏观中子物理参量，还测定了混合媒质，如水-铝等混合媒质的宏观中子物理参量，此外，还对几种常用的慢化媒质，例如轻水和重水，测定了宏观中子物理参量随媒质温度的变化。

为了描述中子群体在大块媒质中的运动规律，可以写出很完备的中子输运方程，在输运方程中出现的只是一些基本核参量，随着核数据的逐步齐备和数字计算机技术的发展，宏观中子物理参数对反应堆物理设计来说已经不那么重要了，但是，在早期形成的，属于宏观中子物理的一些基本概念仍在发展和使用，例如中子年龄本来是对无吸收的媒质定义的，对有吸收的媒质并不适用，但是人们仍然按中子被减速到某一能量以前穿行的空间距离的均方值，即所谓空间二次距来定义中子年龄。又如扩散系数，本来是对热中子定义的，人们却把它引伸到快中子能量范围，在多群扩散近似中，按斐克定律的模式，定义了群扩散系数，等等。

此外，在宏观中子物理研究中发展起来的脉冲中子源方法，它的基本思想和某些实验技术已被用在其他领域，例如在反应堆物理实验中，用以测定反应堆的次临界度，这方面的工作十分活跃。在工业上宏观中子物理参量及其有关的测试技术已被用来检验堆用慢化剂的核性能，脉冲中子源技术还用在石油地质勘探中，并取得了积极的成效。

目前，在宏观中子物理这个领域内，研究课题已经深入了一步，针对媒质的具体结构和特性，探讨一些基本问题。例如，研究媒质的几何结构和物质结构对中子宏观行为的影响。首先，在空腔内中子的宏观截面趋向于零。这意味着中子的平均自由程为无限大，如果在媒质内有空腔，它对某些中子将成为陷阱，如果空腔是开口的，还会造成中子丢失。而实际的反应堆总会有这种或那种空腔存在。其次，研究中子同靶核的相互作用时，最简单的方法是假定靶核原子是自由的，而事实上物质总是有一定结构的，例如石墨中的碳原子，氢化锆中的氢原子，它们都处在点阵的束缚状态，水中的氢原子也是处在化学键的束缚之中。物质的结构将影响靶核和中子之间的能量交换形式，进而将影响中子的宏观行为，影响描述宏观行为的物理参量。对这些基本问题的进一步研究，将有助于深化人们对中子在大块物质中的运动规律的认识，也将有助于反应堆物理计算的精确化。

参考书目

1. 卢希庭主编：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。
2. 谢仲生等编著：《核反应堆物理分析》，原子能出版社，北京，1981。