Условия инверсии заселенностей уровней при нейтронной накачке активной среды, образованной парой изотопов гадолиния Gd155 и Gd156

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 Hf^178m2. 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.

активная среда, инверсия заселенностей уровней, изотопы гадолиния, нейтронная накачка

1. Шаманин, И.В. Использование программы ORIGEN-ARP при расчете изотопного состава отработанного топлива реактора ВВЭР-1000 / И.В. Шаманин [и др.] // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]: Энергетика. – 2010. – Т. 317. – № 4. – С. 25–28.

2. Шаманин, И.В. Нуклидная кинетика с участием ядер гафния и гадолиния, находящихся в долгоживущих изомерных состояниях / И.В. Шаманин, М.А. Казарян // Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2017. – Т. 44. – № 7. – С. 48–52; DOI 10.3103/S1068335617070077

3. Ткаля, Е.В. Индуцированный распад ядерного изомера 178m2Hf и «изомерная бомба» / Е.В. Ткаля // Успехи физических наук. – 2005. – Т. 175. – № 5. С. 555–561.

4. Российская библиотека файлов оцененных нейтронных данных для генерации наборов констант в системе константного обеспечения БНАБ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ultra.ippe.obninsk.ru:8097. – (Дата обращения: 06.2005).

5. Audi, G. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties / G. Audi [et al.] // Nuclear Physics A. – 1997. – Vol. 624. – P. 1–124.