中性子温度

熱中性子は、運動エネルギーが約 0.025 eV (約 4.0×10 ⁻²¹ Jまたは 2.4 MJ/kg、したがって速度は 2.19 km/s) の自由中性子であり、これは 290 K (17 °C または 62 °F) の温度で最も可能性の高い速度に対応するエネルギーであり、この温度でのMaxwell–Boltzmann 分布のモード、E _peak = k T です。  

この温度の媒質（中性子減速材）中で原子核との衝突（散乱）を何度も繰り返した後、吸収されなかった中性子は、このエネルギーレベル付近に達する。

熱中性子は、特定の核種に対して、高速中性子とは異なる、場合によってははるかに大きな有効中性子吸収断面積を持つため、原子核に吸収されやすく、結果として、その化学元素のより重く、しばしば不安定な同位体を生成する。この現象は中性子放射化と呼ばれる。

熱外中性子とは、室温での熱エネルギー（すなわち0.025 eV）を超えるエネルギーを持つ中性子のことである。文脈によっては、これは高速中性子までのすべてのエネルギーを含む場合がある（例えば^{[ 6 ] [ 7 ]}を参照）。

これには、ピッチャーキャッチャー形状での加速された陽子の変換によって生成される中性子が含まれます^{[ 8 ]}

冷中性子は、液体重水素などの非常に低温の物質中で平衡状態にある熱中性子です。このような冷中性子源は、研究炉や核破砕中性子源の減速材に配置されます。冷中性子は、中性子散乱実験に特に有用です。 ^{[ 9 ]}

超低温中性子は、固体重水素^{[ 10 ]}や超流動ヘリウム^{[ 11 ]}など、数ケルビン程度の低温で中性子吸収断面積の小さい物質中で低温中性子を非弾性散乱させることによって生成される。別の生成方法としては、ドップラーシフトを利用した低温中性子の機械的減速がある^{[ 12 ] [ 13 ] 。}

超低温中性子はあらゆる入射角で反射します。これは、その運動量が物質の光学的ポテンシャルに匹敵するためです。この効果を利用してボトルに貯蔵し、寿命、中性子の電気双極子モーメントなどの基本的な特性を研究します^{[ 5 ] [ 14 ]}。低速中性子の使用における主な制限は、低フラックスと効率的な光学デバイスの欠如（CNおよびVCNの場合）です。この欠点を補うために、効率的な中性子光学コンポーネントが開発され、最適化されています。^{[ 15 ]}

高速中性子とは、運動エネルギーが1 MeV (100 T J / kg) に近い自由中性子であり、速度は14,000 km / s以上です。低エネルギーの熱中性子や、宇宙線や加速器で生成される高エネルギー中性子と区別するために、高速中性子と呼ばれています。高速中性子は、以下の核反応によって生成されます。   

• 核分裂： ²³⁵の熱核分裂ウランは平均エネルギー2  MeV（200  TJ/kg、すなわち20,000  km/s）のニュートロンを生成する^{[ 16 ]}。これは「高速」ニュートロンに分類される。しかし、これらのニュートロンのエネルギー分布は、おおよそ右に歪んだワット分布に従う。${\displaystyle N(E)\propto \exp(-aE)\sinh({\sqrt {bE}})}$^{核分裂中性子のエネルギー範囲は0～約17 MeV、[ 16]中央値は1.6 MeV、[19]最頻値は0.75 MeVである。[} 16 ^]核分裂中性子^{のかなりの}割合は、1 ^MeVの基準でも「高速^{」とはみなされ}ない。    
• 自発核分裂は、一部の重核種における放射性崩壊の様式である。例としては、プルトニウム240やカリホルニウム252などが挙げられる。
• 核融合：重水素と三重水素の融合により、14.1  MeV（1400 TJ/kg、 すなわち52,000  km/s、光速の17.3%）の中性子が生成され、ウラン238やその他の非核分裂性アクチニドを容易に核分裂させることができます。
• 中性子放出は、原子核内に過剰な中性子が十分に存在し、1つまたは複数の中性子の分離エネルギーが負になる場合（つまり、過剰な中性子が原子核から「滴り落ちる」場合）に起こります。このような不安定な原子核は、多くの場合1秒以内に崩壊します。

定常状態の原子炉では、高速中性子は通常望ましくありません。なぜなら、ほとんどの核分裂性燃料は熱中性子との反応率が高いからです。高速中性子は、減速と呼ばれるプロセスによって急速に熱中性子に変換できます。これは、原子核や他の中性子など、（一般的に）動きが遅く、したがって温度が低い粒子との多数の衝突によって行われます。これらの衝突は、通常、他の粒子を加速させ、中性子を減速させて散乱させます。理想的には、このプロセスには室温の中性子減速材が使用されます。原子炉では、中性子の減速には通常、重水、軽水、または黒鉛が使用されます。

高速中性子は、運動エネルギーレベルが に近い自由中性子です。1 MeV  (1.6 × 10 ⁻¹³ J  )、したがって速度は～14,000 km  /s (光速の約 5%)。これらは、低エネルギーの熱中性子や、宇宙シャワーや加速器で生成される高エネルギー中性子と区別するために、核分裂エネルギー中性子または高速中性子と呼ばれます。高速中性子は、核分裂などの核プロセスによって生成されます。上記のように、核分裂で生成される中性子は、 0 ～ 14 MeV の運動エネルギーのMaxwell-Boltzmann 分布を持ち、平均エネルギーは 2 MeV ( ²³⁵ U 核分裂中性子の場合)、モードはわずか 0.75 MeV です。これは、それらの半分以上が高速とはみなされないことを意味し (したがって、²³⁸ U や²³² Thなどの増殖性物質で核分裂を開始させる可能性はほとんどありません)。

高速中性子は、減速と呼ばれるプロセスによって熱中性子に変換することができます。これは中性子減速材を用いて行われます。原子炉では、一般的に重水、軽水、または黒鉛が中性子の減速材として使用されます。

重水素-三重水素（D-T ）核融合は、運動エネルギー14.1 MeV、光速の17%の速度で移動する、最も高エネルギーの中性子を生成する核融合反応です。D-T核融合は、最も容易に点火できる核融合反応でもあり、重水素と三重水素の原子核の運動エネルギーが、生成される14.1 MeVのわずか千分の一程度であっても、ほぼピークに近い反応速度に達します。  

14.1  MeV の中性子は、核分裂中性子の約 10 倍のエネルギーを持ち、核分裂しない重原子核の核分裂にも非常に効果的です。これらの高エネルギー核分裂は、低エネルギー中性子による核分裂よりも平均して多くの中性子を生成します。そのため、提案されているトカマク型原子炉などの D-T 核融合中性子源は、超ウラン廃棄物の核変換に役立ちます。14.1 MeV の中性子は、原子核から中性子をはじき出す ことによっても中性子を生成することができます。

一方、これらの非常に高エネルギーの中性子は、核分裂や核破砕を引き起こさずに単に捕獲される可能性は低い。こうした理由から、核兵器の設計では、より多くの核分裂を引き起こすために、D-T核融合14.1  MeV中性子が広く利用されている。核融合中性子は、劣化ウラン（ウラン238）などの通常は核分裂しない物質でも核分裂を引き起こすことができ、これらの物質は熱核兵器のジャケットに使用されてきた。核融合中性子は、原子炉級プルトニウムなど、一次核分裂爆弾にするには不向きまたは困難な物質でも核分裂を引き起こすことができる。この物理的事実により、通常の非兵器級物質が、特定の核拡散に関する議論や条約において懸念事項となる。

他の核融合反応では、はるかにエネルギーの低い中性子が生成されます。D–D核融合では、半分の確率で2.45  MeVの中性子とヘリウム3が生成され、残りの半分の確率でトリチウムと陽子が生成されますが、中性子は生成されません。D– ^3He核融合では、中性子は生成されません。

核分裂エネルギーを持つ中性子のうち、減速はしているもののまだ熱エネルギーに達していないものを、熱外中性子と呼ぶ。

捕獲反応と核分裂反応の両方の断面積は、熱外エネルギー領域の特定のエネルギーで複数の共鳴ピークを示すことが多い。これらのピークは、中性子の大部分がこの領域まで減速する前に吸収される高速中性子炉や、熱外中性子が主に減速材核と相互作用し、核分裂性または増殖性アクチニド核種とはほとんど相互作用しない減速度の高い熱中性子炉では、重要性が低い。しかし、熱外中性子と重金属核との相互作用が多い部分減速炉では、反応度の一時的な変化が生じる可能性が高く、原子炉制御がより困難になる可能性がある。

プルトニウム239などのほとんどの核燃料では、捕獲反応と核分裂反応の比率も悪く（核分裂を伴わない捕獲反応が多い）、これらの燃料を使用する熱外スペクトル原子炉は望ましくない。なぜなら、捕獲反応は捕獲された1個の中性子を無駄にするだけでなく、通常は熱中性子や熱外中性子では核分裂しない核種を生成するが、高速中性子では核分裂するからである。例外はトリウムサイクルのウラン233で、これはすべての中性子エネルギーで良好な捕獲核分裂比を示す。

高エネルギー中性子は核分裂エネルギー中性子よりもはるかにエネルギーが高く、粒子加速器による二次粒子として、または大気中の宇宙線から生成されます。これらの高エネルギー中性子は電離作用が非常に高く、 X線や陽子よりもはるかに細胞死を引き起こす可能性が高いです。^{[ 20 ] [ 21 ]}