Игорь Владимирович Шаманин - доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Отделения естественных наук.
Д. 30, пр. Ленина, Томск, 634050, тел.: +7 (3822) 60-61-12
Igor Shamanin - D.Sc. in Physics and Mathematics, Professor, Chief of Nature Sciences Department.
30 Lenin Av., Tomsk, 634050, tel.: +7 (3822) 60 61 12
Мишик Айразатович Казарян - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
Д. 53, Ленинский просп., Москва, ГСП-1, 117924, тел.: +7 (499) 132-61-47
Mishik Kazaryan - D.Sc. in Physics and Mathematics, Leading Researcher.
53 Leninskiy Av., Moscow, GSP-1, 117924, tel.: +7 (499) 132 61 47
Теоретически изучена возможность преобразования энергии быстрых и эпитепловых нейтронов в энергию моноэнергетического фотонного излучения за счет нейтронной накачки активной среды, образованной ядрами с долгоживущими изомерными состояниями. Впервые принят во внимание канал образования ядра в изомерном состоянии как дочернего ядра, являющегося продуктом реакции радиационного захвата нейтрона более легким ядром. Проведены оценки параметров спектра потока нейтронов, обеспечивающих перевод из основного в одно из возбужденных состояний для ядер изотопов 54Xe130 , 10Ne22. Показано, что для перевода ядер изотопа в возбужденное состояние путем прямого рассеяния нейтронов на ядрах необходимо «выбирать» изотопы не только с большой удельной энергией связи нуклонов в ядре, но и с малым значением сечения поглощения нейтронов. Проведен анализ зависимости сечений радиационного захвата нейтронов ядрами изотопов гадолиния Gd155 и Gd156, в результате которого установлено, что скорость образования ядер Gd156 превосходит скорость их «выгорания» в потоке нейтронов. Это обеспечивается уникальным сочетанием поглощающих свойств двух изотопов гадолиния Gd155 и Gd156 как в тепловой, так и резонансной областях энергии нейтронов. Сформулированы условия, необходимые для перевода ядер изотопа в возбужденное состояние путем прямого рассеяния нейтронов на ядрах и для накопления ядер в возбужденных состояниях. В результате аналитического решения системы дифференциальных уравнений нуклидной кинетики с учетом распада изомерных состояний ядер получено соотношение, позволяющее проводить оценки параметров процессов захвата нейтронов ядрами, образования и распада изомерных состояний ядер. Проведен анализ возможности нейтронной накачки активной среды, образованной ядрами изотопа гафния. Установлено, что свойства ядер изотопов гафния не позволяют обеспечить условия инверсии заселенности энергетических уровней за счет образования в потоке нейтронов ядер гафния в изомерном состоянии Hf178m2. Показана возможность накопления избыточной энергии в активной среде, образованной ядрами пары изотопов гадолиния Gd155 и Gd156, за счет образования и накопления ядер в изомерном состоянии при радиационных захватах нейтронов ядрами стабильного изотопа с меньшей массой. Сформулирован вывод о том, что при накачке активной среды, образованной ядрами гадолиния, нейтронами с плотностью потока порядка 1013 см-2·с-1 условие инверсии заселенности уровней может быть достигнуто за несколько десятков секунд. Длина волны генерируемого средой излучения составляет 0,0006 нм. В качестве претендента на роль активной среды может быть рассмотрена спеченная керамика на основе обогащенного по 155-му изотопу оксида гадолиния Gd2O3. Таким образом, существует возможность создания лазерной техники нового поколения с параметрами, обеспечивающими ее применение в импульсной энергетике будущего.
The paper theoretically studies the possibility of energy transformation of fast and epithermal neutrons to energy of coherent photon radiation at the expense of a neutron pumping of the active medium formed by nucleus with longliving isomerous states. The channel of the nucleus formation in isomeric state as a daughter nucleus resulting from the nuclear reaction of neutron capture by a lighter nucleus is taken into consideration for the first time. Assessment of neutron flux spectrum parameters providing transition from the main state into one of the excited ones for the nuclei of isotopes 54Xe130, 10Ne22 is made. It was shown that to transit the isotope nuclei into the excited state by forward neutron scattering on the nuclei it is necessary to “select” the isotopes not only with great specific energy of nucleons coupling but also with a small value of the neutron absorption cross section. Moreover, the paper performs the analysis of cross sections dependence of radiative neutron capture by the nuclei of gadolinium isotopes Gd155 and Gd156. As a result, the speed of Gd156 nuclei formation is stated to exceed the speed of their “burnup” in the neutron flux. It is provided by a unique combination of absorbing properties of two isotopes of gadolinium Gd155 and Gd156 in both thermal and resonance regions of neutron energy. We have formulated the conditions required for making isotope nuclei excited by forward neutron scattering on nuclei and for storing nuclei in excited states. The relation which allows estimating processes parameters of neutron capture by nuclei, formation and decay of nuclei isomeric states is obtained as a result of analytical solution of differential equations system of nuclide kinetics taking into account the decay of nuclei isomeric states. The paper makes the possibility analysis of neutron pumping of the participating medium created by the hafnium isotope nuclei. The properties of hafnium isotopes nuclei is found to do not allow providing conditions for population inversion of energy levels due to the formation of hafnium nuclei in isomeric state Hf178m2 in the neutron flux. The paper shows the possibility of excess energy accumulation in the participating medium created by the nuclei of the pair of gadolinium isotopes Gd155 and Gd156 due to formation and storage of nuclei in isomeric state at radiative neutron capture by the nuclei of the stable isotope with a smaller mass. It is concluded that when the active medium created by gadolinium nuclei is pumped by neutrons with the flux density of the order of 1013 cm-2·s-1, the condition of levels population inversion can be achieved in a few tens of seconds. The wave length of the radiation generated by the medium is 0.0006 nm. Sintered ceramics Gd2O3 based on enriched in the 155-th isotope of gadolinium can be considered a possible active medium. Thus, there is a possibility of creation of the laser techniques of new generation with the parameters providing its application in pulse power engineering of the future.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.