2. Защита от нейтронов.

Строгое решение задачи расчета защиты от нейтронов возможно лишь с помощью последовательного решения уравнений переноса нейтронов.

Тепловые и медленные нейтроны в основном захватываются ядрами вещества. Нейтроны с энергией до 0,5 МэВ теряют энергию в результате упругих соударений с ядрами. При этом максимальная потеря энергии будет при столкновении нейтронов с ядрами атомов водорода, так как массы нейтрона и ядра водорода (протона) примерно равны.

Нейтроны с энергией более 0,5 МэВ, кроме упругих соударений, могут испытывать и неупругие, при которых ядро возбуждается и затем энергия возбуждения выделяется в виде гамма-излучения или другого вида излучений.

В результате процессов захвата и рассеяния нейтронов в веществе происходит ослабление интенсивности нейтронного излучения, которое можно считать подобным ослаблению гамма-излучения. Поэтому во многих случаях для расчета защиты от нейтронов можно воспользоваться экспоненциальным законом ослабления, метод "длин релаксации" для оценки плотности потока нейтронов конкретной энергетической группы за защитой, чаще всего однородной.

Для оценки пространственного распределения плотности потока (мощности дозы) нейтронов некоторой энергетической группы можно использовать схему как на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Коллимированный пучок нейтронного

излучения при прохождении через тонкий

поглотитель: 1, 2 - рассеянное излучение;

3 - прямое излучение; 4 - поглотитель

В первом приближении ослабление потока нейтронов можно представить следующим соотношением

F_i = F_io · exp (Σ·d),

где F_i - плотность потока нейтронов в точке детектирования за защитой толщиной d;

F_io - плотность потока нейтронов в этой же точке без защиты;

d - толщина поглотителя, см;

Σ - полное макроскопическое сечение поглотителя, см^-1.

Макроскопическое сечение определяется как сечение всех ядер, находящихся в 1 см³ материала поглотителя, т.е.

Σ = σ·n,

где n - количество атомов в 1см³ материала поглотителя;

σ - полное макроскопическое сечение взаимодействия нейтрона с ядром, которое состоит из микроскопического сечения рассеяния σ_s и микроскопического сечения поглощения σ_а.

Количество атомов в 1см³ определяется как

где ρ - плотность вещества, г/см³;

A - атомный вес;

6,023 · 10²³ - число Авогадро.

Тогда полное макроскопическое сечение можно определить по формуле

.

Процессы ослабления быстрых нейтронов в толстых слоях защиты чрезвычайно сложны. Угловое и спектральное распределение быстрых нейтронов в защите зависит от толщины, а также от замедляющих и поглощающих свойств среды.

Для расчета защиты, которая состоит из воды и других сред, разработана теория выведения быстрых нейтронов.

Эта теория основана на следующих физических явлениях: - быстрые нейтроны, претерпев неупругое рассеяние на тяжелых ядрах, эффективно замедляются при последующих столкновениях с ядрами водорода, т.к.

• с уменьшением энергии нейтрона растет сечение рассеяния водорода;

• в результате упругих и неупругих столкновений нейтронов с ядрами изменяется направление движения нейтронов. Проходимый путь нейтрона увеличивается и, следовательно, растет вероятность его поглощения.

Таким образом, физический смысл сечения выведения состоит в том, что процессы взаимодействия нейтронов с ядрами тяжелых элементов, помещенных в водородосодержащую среду (неупругое рассеяние и упругое рассеяние, кроме рассеяния нейтронов на малые углы), рассматривается как поглощение нейтронов. Такое представление прохождения нейтронов через защиту вполне справедливо, если вспомнить, что сечение взаимодействия нейтронов с ядрами водорода увеличивается с уменьшением энергии нейтронов, а также имеет место большой сброс энергии нейтронов при рассеянии на водороде. В результате, при рассеянии резко уменьшается вероятность того, что нейтрон достигнет точки детектирования.

Практически упругое рассеяние на средних и тяжелых ядрах для E_n = 5…10 МэВ с увеличением энергии становится преимущественно рассеянием нейтронов в направлении вперед.

^{В этом случае истинное макроскопическое сечение выведения Σ}_выв. ^{можно рассматривать как полное макроскопическое сечение за вычетом сечения рассеяния, соответствующего угловому распределению вперед.}

Σ_выв. = Σ_полн. - Σ_расс.·cosτ_ср,

где Σ_полн и Σ_расс. - полное рассеяние и сечение упругого рассеяния нейтронов;

cosτ_ср - средний косинус угла рассеяния.

Установлено, что cosτ_ср не зависит от энергии нейтронов и равен 0,45 для водорода и 0,6 для всех других элементов. Экспериментально найдено, что для нейтронов с энергией E_n = 8 МэВ Σ_выв. = (0,6 - 0,7)Σ_полн. Сечения выведения определены экспериментально (табл. 13.3).

Для расчета защиты, которая состоит из воды (содержание водорода по числу атомов не менее 20 %) и других материалов, например, железа и свинца, можно применять теорию выведения.

При этом эффекты ослабления потока нейтронов водой и другими компонентами защиты должны быть разделены (рис. 13.4).

Таблица 13.3