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中性子線(ちゅうせいしせん、Neutron beam)とは中性子の粒子線のこと。

中性子は電荷を持たないが、スピンを持つので、中性子線は、これを使った結晶構造解析、特に磁気構造の解析に有用である。

中性子線を物質に当てると、中性子は物質内の原子の原子核と衝突を繰り返すうちにエネルギーを失って行く。やがて、周りの原子(分子)の熱運動と熱平衡状態に達し、その熱運動と同程度のエネルギー状態(k_BT程度、k_Bはボルツマン定数、Tは絶対温度)となる。この状態になった中性子のことを、熱中性子と言う。常温での値(=k_BTでT = 300Kとして)は、およそ0.025eVである。

熱中性子はウラン235等の核燃料との核分裂反応の断面積が非常に大きく、効率的に核分裂連鎖反応を起こすことができるため、原子炉の多くは熱中性子による核分裂連鎖反応を利用している(このような原子炉を「熱中性子炉」という。)が、熱中性子は核分裂生成物の崩壊によって生成されるキセノン(Xe)に吸収されやすいことから、熱中性子炉は、一旦、運転を停止するとXeが十分崩壊するまでの間、再起動不能になる場合がある。この現象はキセノンオーバーライドとして知られている。このように原子炉制御において熱中性子の吸収能力に優れる物質は「毒物質」と呼ばれている。

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