Температура виявлення нейтронів, яку також називають енергією нейтрона, вказує на кінетичну енергію вільного нейтрона, зазвичай виміряну в електрон-вольтах. Термін «температура» використовується, оскільки гарячі, теплові та холодні нейтрони сповільнюються в середовищі з певною температурою. Розподіл енергії нейтронів потім адаптується до розподілу Максвелла, відомого для теплового руху. Якісно, чим вища температура, тим вища кінетична енергія вільних нейтронів. Імпульс та довжина хвилі нейтрона пов'язані співвідношенням де Бройля. Велика довжина хвилі повільних нейтронів забезпечує великий поперечний переріз.

Діапазони розподілу енергії нейтронів Точні межі діапазонів енергії нейтронів не є чітко визначеними та відрізняються залежно від джерел,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, quote: «Epithermal neutrons have energies between 1 eV and 10 keV and smaller nuclear cross sections than thermal neutrons.» але деякі поширені назви та обмеження наведено в наступній таблиці. +Назви діапазонів енергії нейтронів Енергія нейтронів Довжина хвилі нейтрона Діапазон енергії Виробництво Використання Нотатки 10−7 еВ > 500 Å Ультрахолодні нейтрони Сповільнення рідким гелієм або твердим дейтерієм Нейтронна оптика, час життя, електричний дипольний момент, дослідження конденсованих середовищ Час зберігання >15 хвилин у пляшках. 0,0 — 25 меВ ≈ 2 — 6 Å Холодні (повільні) нейтрони Сповільнення рідким дейтерієм, рідким пара- воднем або твердим метаном Розсіювання нейтронів 25 меВ ≈ 1,8 Å Теплові нейтрони (при 20 °C) Сповільнювачі кімнатної температури Ядерні реактори поділу, трансмутація, розмножувальні бланкети Кімнатна температура 25 меВ–0,4 еВ ≈ 1,8 — 0,45 Å Епітеплові нейтрони Зменшене сповільнення Вища за кімнатну температуру 10–300 еВ ≈ 0,09 — 0,016 Å Резонансні нейтрони Схильний до захоплення 238U без поділу. 1–20 МеВ ≈ 900—200 фм Швидкі нейтрони Реакції ядерного поділу, реакції ядерного синтезу Швидкі реактори, вигоряння трансурану, реактивні ковдри, нейтронні бомби > 20 МеВ < 100 фм Надшвидкі нейтрони Ядерне розщеплення від іонів прискорювача частинок Терапія швидкими нейтронами, дослідження поділу Релятивістський Нижче наведено детальну класифікацію:

Теплові Тепловий нейтрон — це вільний нейтрон з кінетичною енергією близько 0,025 еВ (близько 4,0×10−21 Дж або 2,4 МДж/кг, отже, швидкість 2,19 км/с), що є енергією, що відповідає найімовірнішій швидкості за температури 290 K (17 °C або 62 °F), мода розподілу Максвелла-Больцмана для цієї температури, Eпік = k T.

Після низки зіткнень з ядрами (розсіювання) у середовищі (сповільнювачі нейтронів) за цієї температури ті нейтрони, які не поглинаються, досягають приблизно цього енергетичного рівня.

Теплові нейтрони мають інший, а іноді й набагато більший ефективний переріз поглинання нейтронів для даного нукліда, ніж швидкі нейтрони, і тому часто можуть легше поглинатися атомним ядром, створюючи в результаті важчий, часто нестабільний ізотоп хімічного елемента. Ця подія називається активацією нейтронів.

Епітеплові Епітеплові нейтрони — це нейтрони з енергією, що перевищує теплову енергію за кімнатної температури (тобто приблизно 0,025 еВ). Залежно від контексту, цей термін може охоплювати широкий діапазон енергій аж до області швидких нейтронів (наприклад, уW. C. Feldman et al., Fluxes of Fast and Epithermal Neutrons from Lunar Prospector: Evidence for Water Ice at the Lunar Poles.Science281,1496-1500(1998).DOI:10.1126/science.281.5382.1496Mirfayzi, S.R., Yogo, A., Lan, Z. et al. Proof-of-principle experiment for laser-driven cold neutron source. Sci Rep 10, 20157 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-77086-y).

Це включає нейтрони, що утворюються в результаті перетворення прискорених протонів у геометрії глечика-уловлювачаAkifumi YOGO, Developments of Laser-Driven Neutron Source based on «Pitcher-Catcher» Method, The Review of Laser Engineering, 2018, Volume 46, Issue 10, Pages 582-, Released on J-STAGE December 18, 2020. https://doi.org/10.2184/lsj.46.10_582

Холодні (повільні) нейтрони

Холодні нейтрони — це теплові нейтрони, які були врівноважені в дуже холодній речовині, такій як рідкий дейтерій. Таке холодне джерело розміщується в сповільнювачі дослідницького реактора або джерелі розщеплення. Холодні нейтрони особливо цінні для експериментів з розсіювання нейтронів.

Ультрахолодні нейтрони утворюються шляхом непружного розсіювання холодних нейтронів у речовинах з низьким поперечним перерізом поглинання нейтронів за температури кількох кельвінів, таких як твердий дейтерій або надплинний гелій. Альтернативним методом отримання є механічне уповільнення холодних нейтронів з використанням доплерівського зсуву.

Ультрахолодні нейтрони відбиваються за будь-яких кутів падіння. Це пояснюється тим, що їхній імпульс є порівнянним з оптичним потенціалом матеріалів. Цей ефект використовують для утримання ультрахолодних нейтронів у спеціальних «пляшках» та дослідження їхніх фундаментальних властивостей, зокрема часу життя, електричного дипольного моменту нейтрона тощо.

Основними обмеженнями використання повільних нейтронів є низька інтенсивність потоку та відсутність ефективних нейтронно-оптичних пристроїв (особливо для холодних нейтронів (CN) і дуже холодних нейтронів (VCN)). Для подолання цього обмеження розробляються та вдосконалюються високоефективні нейтронно-оптичні компоненти.

Швидкі Швидкі нейтрони — це вільні нейтрони з кінетичною енергією, близькою до 1 М еВ (100 ТДж / кг), отже, швидкість 14 000 км/с або вище. Їх називають швидкими нейтронами, щоб відрізнити від теплових нейтронів нижчої енергії та нейтронів високої енергії, що утворюються в космічних зливах або прискорювачах. Швидкі нейтрони утворюються в результаті ядерних процесів:

Ядерний поділ: тепловий поділ виробляє нейтрони із середньою енергією 2 МеВ (200 ТДж/кг, тобто 20 000 км/с), що кваліфікується як «швидкий». Однак енергетичний спектр цих нейтронів приблизно відповідає розподілу Ватта з правою скошеністю , з діапазоном від 0 до приблизно 17 МеВ, медіана 1,6 МеВ, та мода 0,75 МеВ. Значна частина нейтронів поділу не кваліфікується як «швидкі» навіть за 1 Критерій МеВ. Спонтанний поділ є одним із видів радіоактивного розпаду деяких важких нуклідів. Прикладами є плутоній-240 та каліфорній-252. Ядерний синтез: синтез дейтерію — тритію утворює нейтрони 14,1 МеВ (1400 ТДж/кг, тобто 52 000 км/с, 17,3 % швидкості світла), що може легко розщеплювати уран-238 та інші неділильні актиноїди. Випромінювання нейтронів відбувається в ситуаціях, коли ядро містить достатньо надлишкових нейтронів, що енергія розділення одного або кількох нейтронів стає негативною (тобто надлишкові нейтрони «витікають» з ядра). Нестабільні ядра такого типу часто розпадаються менш ніж за одну секунду.

Швидкі нейтрони зазвичай є небажаними у стаціонарних ядерних реакторах, оскільки більшість матеріалів, що діляться, мають значно вищу ймовірність взаємодії з тепловими нейтронами. Швидкі нейтрони можуть швидко перетворюватися на теплові внаслідок процесу, відомого як сповільнення нейтронів. Це відбувається через численні зіткнення з частинками, які зазвичай рухаються повільніше та мають нижчу температуру, зокрема з атомними ядрами або іншими нейтронами. Під час таких зіткнень частина енергії нейтрона передається іншій частинці, унаслідок чого нейтрон втрачає кінетичну енергію, сповільнюється та змінює напрямок руху. Для ефективного сповільнення зазвичай використовують нейтронний сповільнювач, що перебуває при кімнатній температурі. У реакторах для сповільнення нейтронів зазвичай використовується важка вода, легка вода або графіт.

Енергія поділу нейтронів Швидкий нейтрон — це вільний нейтрон з кінетичною енергією, близькою до ( ), отже, швидкість ~ (~ 5% швидкості світла). Їх називають нейтронами енергії поділу або швидкими нейтронами, щоб відрізнити їх від теплових нейтронів нижчої енергії та нейтронів високої енергії, що утворюються в космічних зливах або прискорювачах. Швидкі нейтрони утворюються в результаті ядерних процесів, таких як ядерний поділ.

Нейтрони, що утворюються в результаті поділу, як зазначалося вище, мають розподіл Максвелла-Больцмана кінетичних енергій від 0 до ~14 МеВ, середню енергію 2 МеВ (для нейтронів поділу 235U) та моду лише 0,75 МеВ, що означає, що більше ніж половина з них не кваліфікуються як швидкі (і тому майже не мають шансів ініціювати поділ у родючих матеріалах, таких як 238U та 232Th).

Швидкі нейтрони можна перетворити на теплові нейтрони за допомогою процесу, який називається сповільненням. Це робиться за допомогою нейтронного сповільнювача. У реакторах для сповільнення нейтронів зазвичай використовується важка вода, легка вода або графіт.

Термоядерні нейтрони

D–T (дейтерій-тритій) синтез — це реакція синтезу, яка виробляє нейтрони з найбільшою енергією, з 14,1 МеВ кінетичної енергії та рухається зі швидкістю 17 % від швидкості світла. D–T синтез також є найлегшою реакцією синтезу для запалювання, досягаючи майже пікових швидкостей, навіть коли ядра дейтерію та тритію мають лише тисячну частину кінетичної енергії 14,1 МеВ, які будуть вироблені.

Нейтрони з енергією 14.1 МеВ мають приблизно в 10 разів більшу енергію, ніж нейтрони поділу, і вони дуже ефективні для поділу навіть важких ядер, що не діляться. Ці високоенергетичні поділу також виробляють в середньому більше нейтронів, ніж поділу нейтронами нижчої енергії. Джерела нейтронів D–T синтезу, такі як запропоновані енергетичні реактори токамак, тому корисні для трансмутації трансуранових відходів. Нейтрони з енергією 14.1 МеВ також можуть утворювати нейтрони, вибиваючи їх з ядер.

З іншого боку, ці нейтрони дуже високої енергії мають меншу ймовірність простого захоплення, не викликаючи поділу чи розшарування. З цих причин у розробці ядерної зброї широко використовується D–T синтез 14.1 МеВ-нейтронів для більшого поділу. Термоядерні нейтрони здатні викликати поділ у звичайних неділяних матеріалах, таких як збіднений уран (уран-238), і ці матеріали використовувалися в оболонках термоядерної зброї. Термоядерні нейтрони також можуть викликати поділ у речовинах, які непридатні або важко перетворюються на первинні ділові бомби, таких як плутоній реакторного класу. Цей фізичний факт, таким чином, змушує звичайні матеріали, не призначені для використання у збройових цілях, викликати занепокоєння в деяких дискусіях та договорах щодо розповсюдження ядерної зброї.

Інші реакції синтезу утворюють набагато менш енергійні нейтрони. D–D-синтез утворює нейтрони з енергією 2.45 МеВ та гелій-3 у половині випадків, а решту часу — тритій та протон, але не нейтрон. Реакція синтезу D–3He не утворює нейтрон.

Нейтрони середньої енергії

Нейтрон з енергією поділу, який сповільнився, але ще не досяг теплових енергій, називається епітепловим нейтроном.

Поперечні перерізи як реакцій захоплення, так і реакцій поділу часто мають кілька резонансних піків при певних енергіях в епітепловому діапазоні енергій. Вони мають менше значення в реакторі на швидких нейтронах, де більшість нейтронів поглинаються, перш ніж сповільнитися до цього діапазону, або в добре сповільненому тепловому реакторі, де епітелові нейтрони взаємодіють переважно з ядрами-сповільнювачами, а не з діловими або відроджувальними актиноїдними нуклідами. Але в частково сповільненому реакторі з більшою кількістю взаємодій епітеплових нейтронів з ядрами важких металів існує більша ймовірність для тимчасових змін реактивності, які можуть ускладнити керування реактором.