Suhu neutron

Suhu deteksi neutron atau temperatur deteksi neutron, juga disebut energi neutron, menunjukkan energi kinetik neutron bebas, biasanya dinyatakan dalam elektronvolt. Istilah suhu atau temperatur digunakan, karena neutron panas, termal, dan dingin dimoderasi dalam medium dengan suhu tertentu. Distribusi energi neutron kemudian disesuaikan dengan distribusi Maxwell yang dikenal untuk gerakan termal. Secara kualitatif, semakin tinggi suhu, semakin tinggi energi kinetik neutron bebas. Momentum dan panjang gelombang neutron dihubungkan melalui hubungan de Broglie. Panjang gelombang neutron lambat yang besar memungkinkan untuk penampang lintang yang besar.[1]

Rentang distribusi energi neutron

Nama rentang energi neutron[2][3]
Energi neutron Rentang energi
0,0–0,025 eV Neutron dingin
0,025 eV Neutron termal
0,025–0,4 eV Neutron epitermal
0,4–0,5 eV Neutron kadmium
0,5–1 eV Neutron epikadmium
1–10 eV Neutron lambat
10–300 eV Neutron resonansi
300 eV–1 MeV Neutron menengah
1–20 MeV Neutron cepat
> 20 MeV Neutron ultracepat

Tetapi rentang yang berbeda dengan nama yang berbeda diamati di sumber lain.[4]

Berikut ini adalah klasifikasi yang rinci:

Termal

Neutron termal adalah neutron bebas dengan energi kinetik sekitar 0,025 eV (sekitar 4,0×10−21 J atau 2,4 MJ/kg, maka kecepatannya 2,19 km/s), yang merupakan energi yang sesuai dengan kecepatan yang paling mungkin pada suhu 290 K (17 °C atau 62 °F), modus distribusi Maxwell–Boltzmann untuk suhu ini.

Setelah beberapa kali bertumbuk dengan inti (hamburan) dalam medium (moderator neutron) pada suhu ini, neutron yang tidak diserap mencapai tingkat energi ini.

Neutron termal memiliki penampang penyerapan neutron efektif yang berbeda dan terkadang jauh lebih besar untuk nuklida tertentu daripada neutron cepat, dan oleh karena itu seringkali dapat diserap lebih mudah oleh inti atom, sehingga menghasilkan isotop unsur kimia yang lebih berat dan seringkali tidak stabil. Peristiwa ini disebut pengaktifan neutron.

Epitermal

[apa contohnya?]

  • Energi neutron lebih besar dari termal.
  • Lebih besar dari 0,025 eV.

Kadmium

[apa contohnya?]

  • Neutron yang diserap kuat oleh kadmium.
  • Kurang dari 0,5 eV.

Epikadmium

[apa contohnya?]

  • Neutron yang tidak diserap kuat oleh kadmium.
  • Lebih besar dari 0,5 eV.

Lambat

[apa contohnya?]

  • Energi neutron sedikit lebih besar dari neutron epikadmium.
  • Kurang dari 1 sampai 10 eV.

Resonansi

[apa contohnya?]

  • Mengacu pada neutron yang sangat rentan terhadap penangkapan nonfisi oleh U-238.
  • 1 eV hingga 300 eV.

Menengah

[apa contohnya?]

  • Neutron yang berada di antara lambat dan cepat.
  • Beberapa ratus eV hingga 0,5 MeV.

Cepat

Neutron cepat adalah neutron bebas dengan tingkat energi kinetik mendekati 1 MeV (100 TJ/kg), maka kecepatannya 14.000 km/s, atau lebih tinggi. Mereka diberi nama neutron cepat untuk membedakannya dari neutron termal berenergi rendah, dan neutron berenergi tinggi yang dihasilkan dalam hujan kosmik atau akselerator.

Neutron cepat dihasilkan oleh proses nuklir:

  • Fisi nuklir menghasilkan neutron dengan energi rata-rata 2 MeV (200 TJ/kg, yaitu 20.000 km/s), yang memenuhi syarat sebagai "cepat". Namun, kisaran neutron dari fisi mengikuti distribusi Maxwell–Boltzmann dari 0 hingga sekitar 14 MeV di pusat kerangka momentum disintegrasi, dan modus energinya hanya 0,75 MeV, yang berarti bahwa kurang dari setengah neutron fisi memenuhi syarat sebagai "cepat" bahkan dengan kriteria 1 MeV.[5]
  • Fisi spontan adalah mode peluruhan radioaktif untuk beberapa nuklida berat. Contohnya termasuk plutonium-240 dan kalifornium-252.
  • Fusi nuklir: fusi deuterium–tritium menghasilkan neutron sebesar 14,1 MeV (1400 TJ/kg, yaitu 52.000 km/s, 17,3% dari laju cahaya) yang dapat dengan mudah memecah uranium-238 dan aktinida nonfisil lainnya.
  • Emisi neutron terjadi dalam situasi di mana inti mengandung cukup banyak neutron berlebih sehingga energi pemisahan satu atau lebih neutron menjadi negatif (yaitu surplus neutron "menetes" keluar dari inti). Inti tidak stabil semacam ini akan sering meluruh dalam waktu kurang dari satu detik.

Neutron cepat biasanya tidak diinginkan dalam reaktor nuklir keadaan tunak karena sebagian besar bahan bakar fisil memiliki laju reaksi yang lebih tinggi dengan neutron termal. Neutron cepat dapat dengan cepat diubah menjadi neutron termal melalui proses yang disebut moderasi. Hal ini dilakukan melalui banyak tumbukan dengan (pada umumnya) partikel yang bergerak lebih lambat dan dengan demikian bersuhu lebih rendah seperti inti atom dan neutron lainnya. Tumbukan ini umumnya akan mempercepat partikel lain dan memperlambat neutron serta menyebarkannya. Idealnya, moderator neutron suhu kamar digunakan untuk proses ini. Dalam reaktor, air berat, air ringan, atau grafit biasanya digunakan untuk memoderasi neutron.

Lihat keterangan untuk penjelasan. Gas mulia yang lebih ringan (helium dan neon digambarkan) memiliki puncak kerapatan probabilitas yang jauh lebih tinggi pada kecepatan rendah daripada gas mulia yang lebih berat, tetapi memiliki kerapatan probabilitas 0 pada kecepatan paling tinggi. Gas mulia yang lebih berat (argon dan xenon digambarkan) memiliki kemungkinan puncak kerapatan yang lebih rendah, tetapi memiliki kerapatan bukan nol pada rentang kecepatan yang jauh lebih besar.
Bagan yang menampilkan fungsi kerapatan probabilitas kecepatan dari beberapa gas mulia pada suhu 298,15 K (25 C). Penjelasan label sumbu vertikal muncul di halaman gambar (klik untuk melihat). Distribusi kecepatan serupa diperoleh untuk neutron pada moderasi.

Ultracepat

[apa contohnya?]

  • Relativistik.
  • Lebih besar dari 20 MeV.

Klasifikasi lainnya

Tumpukan
  • Neutron dari semua energi yang ada dalam reaktor nuklir.
  • 0,001 eV sampai 15 MeV.
Ultradingin
  • Neutron dengan energi yang cukup rendah untuk dipantulkan dan terperangkap.
  • Batas atas 335 neV.

Perbandingan reaktor neutron cepat dan reaktor neutron termal

Kebanyakan reaktor fisi adalah reaktor neutron termal yang menggunakan moderator neutron untuk memperlambat ("menermalisasikan") neutron yang dihasilkan oleh fisi nuklir. Moderasi secara substansial meningkatkan penampang fisi untuk inti fisil seperti uranium-235 atau plutonium-239. Selain itu, uranium-238 memiliki penampang tangkapan yang jauh lebih rendah untuk neutron termal, memungkinkan lebih banyak neutron untuk menyebabkan fisi inti fisil dan menyebarkan reaksi berantai, dan bukan ditangkap oleh 238U. Kombinasi efek ini memungkinkan reaktor air ringan untuk menggunakan uranium yang diperkaya rendah. Reaktor air berat dan reaktor yang dimoderasi grafit bahkan dapat menggunakan uranium alam karena moderator ini memiliki penampang tangkapan neutron yang jauh lebih rendah daripada air ringan.[6]

Peningkatan suhu bahan bakar juga meningkatkan penyerapan neutron termal 238U oleh pelebaran Doppler, memberikan umpan balik negatif untuk membantu mengendalikan reaktor. Ketika pendingin adalah cairan yang juga berkontribusi pada moderasi dan penyerapan (air ringan atau air berat), mendidihkan pendingin akan mengurangi kepadatan moderator, yang dapat memberikan umpan balik positif atau negatif (koefisien kekosongan positif atau negatif), tergantung pada apakah reaktor tersebut kurang dimoderasi atau dimoderasi berlebihan.

Neutron berenergi menengah memiliki rasio fisi/tangkap yang lebih buruk daripada neutron cepat atau termal untuk sebagian besar bahan bakar. Pengecualian untuk hal ini adalah uranium-233 dari siklus torium, yang memiliki rasio fisi/tangkap yang baik pada semua energi neutron.

Reaktor neutron cepat menggunakan neutron cepat yang tidak dimoderasi untuk mempertahankan reaksi dan membutuhkan bahan bakar yang mengandung konsentrasi bahan fisil yang lebih tinggi dibandingkan bahan subur 238U. Namun, neutron cepat memiliki rasio fisi/tangkap yang lebih baik untuk banyak nuklida, dan setiap fisi cepat melepaskan lebih banyak neutron, sehingga reaktor pembiak cepat berpotensi "mengembangbiakkan" lebih banyak bahan bakar fisil daripada yang dikonsumsinya.

Kontrol reaktor cepat tidak bisa hanya bergantung pada pelebaran Doppler atau koefisien kekosongan negatif dari moderator. Namun, ekspansi termal bahan bakar itu sendiri dapat memberikan umpan balik negatif yang cepat. Selalu diperkirakan menjadi gelombang masa depan, pengembangan reaktor cepat hampir tidak aktif dengan hanya beberapa reaktor yang dibangun dalam beberapa dekade semenjak kecelakaan Chernobyl karena harga rendah di pasar uranium, meskipun sekarang ada kebangkitan dengan beberapa negara Asia berencana untuk menyelesaikan prototipe reaktor cepat yang lebih besar dalam beberapa tahun ke depan.[per kapan?]

Lihat pula

Referensi

  1. ^ de Broglie, Louis. "On the Theory of Quanta" (PDF). aflb.ensmp.fr. Diakses tanggal 28 September 2022. 
  2. ^ Carron, N.J. (2007). An Introduction to the Passage of Energetic Particles Through Matter. hlm. 308. Bibcode:2007ipep.book.....C. 
  3. ^ "Neutron Energy". www.nuclear-power.net. Diakses tanggal 28 September 2022. 
  4. ^ H. Tomita, C. Shoda, J. Kawarabayashi, T. Matsumoto, J. Hori, S. Uno, M. Shoji, T. Uchida, N. Fukumotoa and T. Iguchia, Development of epithermal neutron camera based on resonance-energy-filtered imaging with GEM, 2012, kutipan: "Netron epitermal memiliki energi antara 1 eV dan 10 keV dan penampang nuklir yang lebih kecil daripada neutron termal."
  5. ^ Byrne, J. Neutrons, Nuclei, and Matter, Dover Publications, Mineola, New York, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5 (pbk.) Hlm. 259.
  6. ^ Some Physics of Uranium. Diarsipkan 2019-11-05 di Wayback Machine. Diakses tanggal 28 September 2022

Pranala luar