9.3 Нейтронные свойства горных пород

Нейтрон — электрически нейтральная ядерная частица с массой (Мп = 1,0086654×10²⁴ г), примерно в 1836 раз большей массы электрона (позитрона) и приблизительно равной массе протона (ядра водорода). Так как он представляет собой нестабильную ядерную частицу, то распадается с Т_1/2~16,83 мин на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии 0,78×10^-13 Дж.

Нейтроны не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и не отталкиваются кулоновским полем ядра, что обусловливает их высокую проникающую способность.

По величине энергии различают следующие типы нейтронов: холодные — 10^-21 Дж; тепловые — 25×10^-21 Дж; медленные — 5×10^-20 Дж; надтепловые — 0,3-5×10^-18 Дж, резонансные — 10^-17 Дж, промежуточные (0,5—2)×10^-14 Дж и быстрые — 2×10^-14—2×10^-12 Дж.

Нейтроны, получаемые при помощи нейтронных источников, распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с ядрами ее химических элементов. При этом наиболее существенными процессами являются рассеяние и поглощение (захват).

Рассеяние нейтронов может быть упругим и неупругим. Сущность этого процесса состоит в изменении направления движения и уменьшении кинетической энергии нейтронов при их столкновении с ядрами элементов входящих в состав горной породы. При упругом рассеянии происходит перераспределение энергии между налетевшим нейтроном и неподвижным ядром в соответствии с их массами и углом рассеяния по принципу соударения упругих шаров. При этом внутреннее состояние ядра и кинетическая энергия системы «нейтрон—ядро» остаются неизменными.

Величина потери энергии нейтроном зависит от характера его столкновения с ядром и массы последнего. Максимальная потеря происходит при центральном столкновении ( ), когда масса ядра равна или соизмерима с массой нейтрона. Так, при центральном соударении последнего с ядром водорода (А= 1) нейтрон может потерять всю свою энергию в одном акте. Следовательно, водород является аномальным замедлителем нейтронов.

При неупругом рассеянии нейтрон сначала захватывается, а затем выбрасывается ядром, но уже с меньшей энергией и под некоторым углом к направлению начального движения. Ядро же, захватившее и потерявшее нейтрон, остается на некоторое время в возбужденном состоянии и затем возвращается в основное, испуская -квант высокой энергии (гамма-излучение неупругого рассеяния).

Быстрые нейтроны, распространяясь в окружающей среде, в процессе неупругого и упругого рассеяний сравнительно быстро (за 10^-4—10^-5 с) теряют свою энергию (до 25×10^-21 Дж) , скорость (замедление до скорости 2200 м/с) и превращаются в тепловые. Последние, с течением времени поглощаются ядрами элементов с испусканием гамма-квантов. Перемещение тепловых нейтронов до их поглощения называется процессом диффузии тепловых нейтронов.

В процессе диффузии, тепловые нейтроны поглощаются ядрами элементов вследствие реакции радиационного захвата с образованием на первой стадии составных ядер, которые затем (через 10^-12— 10^-24 с) переходят в основное состояние с испусканием -квантов.

Распределение нейтронов в среде (породах), т.е. плотность нейтронов на различном расстоянии от источника, зависит от нейтронных свойств этих пород, в основном связанных с их химическим составом. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием. Чем оно выше, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника (повышенные свойства горной породы поглощения и замедления нейтронов).

Вероятность той или иной реакции взаимодействия нейтрона с веществом количественно характеризуется нейтронным эффективным сечением.

Эффективные сечения процессов рассеяния и захвата, относящиеся к одному ядру, называют микроскопическими ядерными сечениями рассеяния _р. и захвата _з.

Эффективные сечения рассеяния и захвата, относящиеся к единице объема вещества (породы) называют соответственно макроскопическим сечением рассеяния .и захвата .

Для вещества, состоящего из разных химических элементов :

где - плотность горной породы, числе Авогадро, - содержание в процентах i элемента в горной породе, А_i – атомная масса i элемента в горной породе, ( )

микроскопические ядерные сечения рассеяния ( захвата) i элемента в горной породе.

Свойства пород замедлять нейтроны на практике оцениваются комплексными параметрами — макроскопической замедляющей способностью пород и коэффициентом замедления.

Первый параметр равен произведению макроскопического сечения рассеяния на среднюю логарифмическую потерю энергии при одном соударении. Последняя определяется из соотношения :

(9.7),

где Е₁ и Е₂ — энергии нейтрона до и после соударения.

Коэффициент замедления представляет собой отношение замедляющей способности породы к ее макроскопическому сечению захвата .

В процессе замедления нейтрон совершает сложный путь, состоящий из отдельных прямолинейных участков, представляющих собой отрезки его пути между последовательными соударениями с ядрами элементов среды. Эти отрезки имеют различную длину и направление, и определяют траекторию нейтрона от источника до точки замедления, т. е. места, где он становится тепловым.

Расстояние, на которое смещается нейтрон в процессе замедления, оценивается средним квадратом r смещения по прямой и длиной замедления L₃, связанных между собой соотношением:

(9.8).

Длина замедления L₃ характеризует интенсивность замедления нейтронов и зависит в основном от содержания в породах водорода и величины пористости. Время с момента излучения нейтрона (Е_n0 =2×10^-14 - 2×10^-15 Дж) до момента его превращения в тепловой (Е_nt=25×10^-21 Дж) называется временем замедления, которое рассчитывается по формуле:

) (9.9),

где, Е_n0 и Е_nТ — соответственно начальная и тепловая энергии нейтронов; М — абсолютная масса нейтрона (1,667×10^-24 г); l_cр.р.= 1/ — средняя длина свободного пробега нейтрона до замедления.

Нейтроны, достигшие теплового состояния, в процессе их диффузии в конечном счете поглощаются (захватываются) элементами с высоким эффективным сечением захвата. Поглощающие свойства пород характеризуются временем жизни теплового нейтрона , длиной диффузии L_д, и коэффициентом D диффузии.

Под временем жизни теплового нейтрона понимается время существования нейтрона в породе с момента его превращения в тепловой до момента его захвата ядром и определяется по формуле:

(9.10),

где v_Г — скорость тепловых нейтронов (2200 м/с); = средняя длина свободного пробега нейтрона до захвата.

Длина диффузии характеризует среднюю длину пути нейтрона от точки, где он стал тепловым, до точки захвата:

(9.11),

где — средний квадрат расстояния по прямой от точки замедления нейтрона до точки его захвата ядром. Отсюда коэффициент диффузии:

(9.12)

Интенсивность поглощения тепловых нейтронов зависит от содержания в породах элементов с высоким эффективным сечением захвата, основным из которых в осадочных породах является хлор.

Существуют связь между величиной и коэффициентами пористости, глинистости, водонасыщения горной породы, которая выражается уравнением [11]:

(9.13),

где , , , соответственно времена жизни тепловых нейтронов в скелете породы, глине, воде, нефти (газе), - доля объёма пласта, заполненная флюидом; - объём глинистого минерала на единицу объёма пласта; - коэффициент водонасыщения.

Для D^-1 в пласте справедливо аналогичное выражение, с заменой на D^-1 .

Замедляющая и поглощающая способности горных пород определяют пространственное распределение нейтронов на различных стадиях их взаимодействия с породами.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение естественной радиоактивности?

2. Перечислите основные виды радиоактивного излучения.

3. Как количественно оценить радиоактивность горных пород?

4. С наличием, каких химических элементов связана естественная радиоактивность горных пород?

5. Какие типы осадочных горных пород обладают наибольшей радиоактивностью?

6. На какие группы подразделяются осадочные горные породы по степени радиоактивности?

7. Перечислите основные процессы взаимодействия γ-излучения с веществом.

9. Опишите основные процессы взаимодействия нейтронов с веществом.