WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

«Взаимодействие нейтронов с веществом Все источники нейтронного излучения испускают быстрые нейтроны, которые, взаимодействуя с ...»

ТЕМА 2.6 МАТЕРИАЛЫ ЗАЩИТЫ И ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ

ТОЛЩИНЫ ЗАЩИТЫ ОТ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Взаимодействие нейтронов с веществом

Все источники нейтронного излучения испускают быстрые нейтроны,

которые, взаимодействуя с ядрами поглощающей среды, испытывают

упругое и неупругое рассеяние. Вероятность того или иного процессов

различна и зависит от энергии нейтронов и вещества, через которое

проходят нейтроны.

Наиболее значимый вид взаимодействия быстрых нейтронов с энергией выше 0,5 МэВ – упругое столкновение с ядрами, при этом на более легких ядрах нейтроны теряют большую энергию. К таким материалам относятся водородосодержащие вещества (вода, тяжелая вода, парафин, полиэтилен, пластмассы и др.).

Наряду с упругим рассеянием нейтроны с энергией свыше 0,5 МэВ испытывают и неупругое рассеяние, причем для быстрых нейтронов с энергией выше 10 МэВ неупругое рассеяние становится столь же вероятным, как и упругое. При неупругих столкновениях ядра поглотителя переходят в возбужденное состояние и, возвращаясь в основное состояние, испускают гамма-кванты или -частицы.

В результате упругого и неупругого рассеяния быстрые нейтроны замедляются до тепловых. Тепловые нейтроны диффундируют через поглотитель, пока не выйдут за его пределы или не будут захвачены ядрами поглотителя по реакции (n, ). Поэтому защита от нейтронов одновременно должна обеспечить и защиту от гамма-излучения. Значит, защита от нейтронов должна быть многокомпонентной.

Под действием нейтронного излучения многие материалы активизируются и становятся радиоактивными. Поэтому при выборе защитных материалов предпочтение следует отдавать материалам с малым сечением активации.

Характеристика защитных материалов При выборе материалов защиты определяющими факторами являются защитные и механические свойства материалов, их стоимость, масса и объем. Под защитными свойствами материалов понимают их замедляющую и поглощающую способность к активации под действием ИИ; под механическими – механическую прочность, способность сохранять размеры; под химическими – стойкость к ИИ, к химическим реагентам, огнестойкость, нетоксичность.

Для замедления быстрых нейтронов до тепловых применяют вещества с малым атомным номером Z. Наиболее эффективными материалами являются водородосодержащие вещества: вода, тяжелая вода, бетон, парафин, полиэтилен, различные пластмассы. После того как быстрые нейтроны замедлились, они могут быть поглощены. Для этой цели применяют материалы с большим сечением поглощения a – бор и материалы с добавками бора: борные стали, бораль, борный графит, карбид бора, борированная вода и бетон.

Поглощение нейтронов может сопровождаться захватным гамма излучением, поэтому при выборе материала для поглощения тепловых нейтронов надо отдавать предпочтение таким, которые дают наименьшее захватное излучение.

Приведем краткую характеристику отдельных защитных материалов.

Вода – наиболее распространенный и допустимый материал, который используется для замедления быстрых нейтронов и как защитный материал. На атомах водорода нейтроны эффективно замедляются и превращаются в тепловые. При поглощении тепловых нейтронов в воде возникает захватное гамма-излучение с энергией E = 2,23 МэВ.

Применение борированной воды резко снижает захватное гаммаизлучение. В борированной воде атомы бора легко поглощают тепловые нейтроны, а захватное гамма-излучение обладает меньшей энергией (E = 0,5 МэВ).





Бетон является хорошим замедлителем и поглотителем быстрых нейтронов, интенсивно поглощает гамма-излучение. В состав бетона входят цемент, песок и гравий. Цемент состоит в основном из окислов различных элементов (Са, Si, Аl, Fе), содержит легкие элементы. Для получения бетона с наибольшей плотностью в него добавляют наполнители: лимонитовые, боритовые руды, железный скрап.

Концентрация бетонной защиты может быть монолитной (для больших реакторов) и состоять из отдельных блоков. Как правило, бетон применяют в стационарных защитных устройствах.

Свинец является одним из наиболее распространенных материалов для защиты от гамма-излучения. Его используют в качестве защитного материала при изготовлении контейнеров, блочных защитных экранов, коллиматоров и защитных устройств, когда необходима их компактность и малая масса. К недостаткам свинца как защитного материала следует отнести его малую механическую прочность и низкую температуру плавления (tпл = 327 °С).

Железо, сталь различных сортов являются основными материалами для изготовления корпусов реакторов, различных коммуникаций, арматуры для защиты из других материалов. Как защита от нейтронного излучения сталь более эффективна, чем свинец. К недостаткам железа следует отнести его способность активизироваться под действием тепловых нейтронов с образованием радионуклида Fe, излучающего гамма-кванты с энергиями 1,1 и 1,29 МэВ. При поглощении тепловых нейтронов образуется захватное гамма-излучение с энергией гаммаквантов 7,5 МэВ. Для снижения захватного излучения в сталь вводят добавки бора (борные стали). Для снижения наведенной гамма-активности при проектировании защиты используют сталь с наименьшим содержанием в ней марганца, тантала, кобальта и других примесей, способных легко активизироваться под действием тепловых нейтронов. Из стали изготавливаются боксы, укрытия, шкафы, контейнеры и другое оборудование для защиты от гамма-излучения.

Кадмий хорошо поглощает нейтроны с энергией меньше 0,5 МэВ, но при этом возникает захватное гамма-излучение с энергией гамма-квантов до 7,5 МэВ. Несмотря на то, что листовой кадмий толщиной 0,1 см снижает плотность потока тепловых нейтронов примерно в 109 раз, это делает его малопригодным для защиты от тепловых нейтронов. Кадмий не обладает достаточно хорошими механическими свойствами. Температура плавления кадмия tпл = 32 °С, что также ограничивает его применение.

Чаще применяется сплав кадмия со свинцом, обладающий лучшими механическими свойствами и неплохими защитными свойствами от нейтронного и гамма-излучений.

Органические соединения – парафин, полиэтилен, пластмасса, фторопласты. Они содержат в своем составе большое количество водорода и поэтому хорошо замедляют быстрые нейтроны. Органические материалы хорошо обрабатываются механически. Защитные устройства из них можно отливать любой формы. В качестве защитных материалов органические материалы можно использовать в условиях сравнительно невысоких температур, так как при высоких температурах они размягчаются и изменяют свои размеры. Для полиэтилена температура размягчения около 115°. Для уменьшения захватного гамма-излучения в органические материалы добавляют различные соединения бора (карбид бора, борную кислоту и т. п.).

Вторичное гамма-излучение в защитах Под вторичным понимается ионизирующее излучение, возникающее в результате взаимодействия первичного излучения с рассматриваемой средой. Одним из наиболее проникающих видов вторичного излучения является вторичное гамма-излучение в защите, сопровождающее захват и неупругое рассеяние нейтронов на ядрах изотопов конструкционных, строительных материалов и материалов биологической защиты.

Высокие потоки нейтронов в защитах ядерно-технических установок могут создавать высокую плотность источников вторичного гаммаизлучения. Поэтому в ряде случаев радиационная обстановка за защитой ядерно-технических установок целиком определяется вторичным гаммаизлучением.

Задача определения поля вторичного гамма-излучения в среде сводится к интегрированию вкладов в поле излучения в данной точке детектирования, обусловленных вторичными фотонами, образующимися в актах взаимодействия с нейтронами во всем объеме защиты.

Отметим некоторые важные закономерности формирования вторичного гамма-излучения в средах:

1.В легких средах отношение Hmax H n растет с ростом толщины max среды d, проходит при некотором d0 через 1 и с дальнейшим ростом d становится больше 1. Величина d0 для нейтронов спектра деления при измерении дозовых характеристик равняется 36 см для воды, 50 см для водорода, 67 см для гидрида лития, 54 см для борированной воды с массовой долей бора 1 %.

2.Для тяжелых веществ Hmax H n с толщиной защиты d изменяется max слабо (значительно слабее, чем в легких средах).

3.Отношение Hmax H n как функция толщины защиты практически max не зависит от углового распределения нейтронов на входе в защиту для широкого класса азимутально-симметричных угловых распределений излучения источников нейтронов.

4.Гамма-излучение, сопровождающее неупругое рассеяние нейтронов на ядрах, обычно вносит значительный вклад в характеристики поля вторичного гамма-излучения, когда на входе в среду имеется жесткий спектр нейтронов.

5.Задание спектра гамма-излучения, генерируемого при радиационном захвате, не зависящем от энергии захватываемых нейтронов, может приводить к погрешностям зависимости Hmax H n от d max до 30-40 %.

6.К существенным погрешностям расчетов может приводить неучет вклада в поле вторичного гамма-излучения различных изотопов примесей с большими сечениями захвата, особенно для материалов, имеющих, подобно свинцу, небольшие сечения радиационного захвата.

7.Наилучшими с точки зрения минимума выхода вторичного гаммаизлучения являются среды, состоящие из смеси легких и тяжелых веществ.

8.Для снижения выхода захватного гамма-излучения можно использовать гомогенное или гетерогенное борирование среды.

–  –  –

Значения s и a приводятся в справочниках в барнах: 1 барн = 10–24 cм2 (геометрическое поперечное сечение ядер также порядка 10–24 cм2).

Приведем значение s и a для некоторых материалов в табл. 2.6.1.

Таблица 2.6.

1 Микроскопические сечения рассеяния и поглощения для тепловых нейтронов

–  –  –

счет поглощения нейтронов средой пользуются макроскопическим сечением поглощения a.

Если упругим или неупругим рассеиванием нельзя пренебречь, то при расчетах пользуются полным макроскопическим сечением.

Нетрудно определить слой половинного ослабления нейтронов:

–  –  –

Зная слой половинного ослабления и рассчитав число слоев n по кратности ослабления, можно найти требуемую толщину защиты d:

(2.6.8) Величина называется средней длиной свободного пробега

–  –  –

Метод длин релаксации В практической работе, особенно на ранних стадиях проектирования защиты от нейтронов, часто используют упрощенные методы расчета прохождения нейтронов через защиту. Это метод сечения выведения и метод длин релаксации. Оба этих метода предназначены для определения пространственного распределения функции ослабления плотности потока быстрых нейтронов.

Рассмотрим метод длин релаксации.

Ослабление плотности потока нейтронов в широком пучке может быть описано соотношением (2.6.9), где вместо длины пробега l используется длина релаксации L, которая характеризует толщину вещества, экспоненциальную зависимость ослабления нейтронов в среде для широких пучков нейтронов. Т.е. длина релаксации L — это толщина вещества, ослабляющая интенсивность нейтронного излучения в е раз.

Длина релаксации определяется для отдельных участков защиты, в пределах которых ослабление нейтронов может быть описано экспоненциальной зависимостью с постоянным значением L. В таких случаях плотность потока нейтронов можно определить по формуле m di 0ехр, (2.6.10) i 1 Li где di — толщина защиты i-го участка, для которого длину релаксации можно принять постоянной; m — число участков, на которые разбита толщина защиты.

Длина релаксации зависит от материала защиты и первоначального энергетического спектра нейтронов. В таблицах 2.6.3-2.6.4 приведены эмпирические данные по о длинам релаксации для различных источников нейтронов.

Таблица 2.6.

3 Длина релаксации (г/см2) нейтронов точечных изотропных моноэнергетических источников и (, n)-источников для различных материалов

–  –  –

Окончательно, плотность потока нейтронов на расстоянии R от изотропного точечного источника быстрых нейтронов, прошедших слой защиты толщиной d, определяется соотношением

–  –  –

где q — интенсивность нейтронов, испускаемых источником; f — коэффициент, характеризующий отклонение от экспоненциальной формы кривой ослабления на близком расстоянии (2–3 длины релаксации) от источника(см. табл. 2.6.5); L — длина релаксации.

Таблица 2.6.

5 Коэффициент отклонения от экспоненциального закона ослабления нейтронов с энергией Еn 1,5 МэВ на близком расстоянии от источника

–  –  –

Метод сечений выведения Точный расчет толстостенной защиты от быстрых нейтронов требует сложных вычислений. На практике широкое распространение получил полуэмпирический метод «сечения выведения», с помощью которого можно определить ослабление быстрых нейтронов в гетерогенной защите, включающей водородосодержащие материалы, например, металловодной защите.

Все процессы, приводящие к поглощению нейтронов, учитываются в сечении выведения: упругое и неупругое рассеяние, а также поглощение нейтронов. Сечение выведения определяется расчетным или экспериментальным путем.

Для оценки сечения выведения Sвыв можно воспользоваться приближенной формулой, (2.6.12) где полн — полное сечение; расс — сечение упругого рассеяния нейтронов; — средний косинус угла рассеяния нейтронов.

Экспериментально найдено, что для нейтронов с энергией 8 МэВ выв (0,6 0,7) полн. При изотропном рассеянии нейтронов в среде выв = полн.

В зависимости от способа введения вещества в защиту различают сечения выведения для гетерогенных сред (слой вещества вводится в водородсодержащую среду вблизи источника) и сечения выведения для гомогенных сред (вещество равномерно распределяется в водородсодержащем материале). Сечения выведения, измеренные в гомогенных средах (табл. 2.6.6), могут быть использованы для расчета мощности дозы нейтронов в гетерогенных средах. Различие в сечениях для всех элементов не более 5–10 %.

Таблица 2.6.

6 Сечения выведения для гомогенных сред (Е 1 МэВ)

–  –  –

где — мощность дозы быстрых нейтронов на расстоянии R от источника нейтронов при наличии пластины из тяжелого материала толщиной d; — мощность дозы быстрых нейтронов в чистом водородсодержащем материале толщиной (R – d) в отсутствие пластины;

выв — сечение выведения для тяжелого материала толщиной d.

Если известна плотность потока, падающего на защиту толщиной d, от плоского мононаправленного источника нейтронов 0, то плотность потока нейтронов на расстоянии R от источника нейтронов будет равна

–  –  –

где H 2O — макроскопическое сечение взаимодействия нейтронов с водой.

Закон ослабления мощности дозы нейтронов гомогенной смесью водорода с тяжелыми компонентами при массовой доле водорода в смеси не менее 0,3 % можно записать в виде

–  –  –

где — мощность дозы нейтронов на расстоянии R от источника в гомогенной смеси; — мощность дозы нейтронов на расстоянии R от источника в чистом водороде; выв,i — микроскопическое сечение выведения i-го компонента; ni — концентрация ядер (число ядер i-го компонента в единице объема смеси); R — расстояние между источником нейтронов и точкой, в которой измеряется мощность дозы.

Для гомогенных сред плотность потока нейтронов на расстоянии R от плоского мононаправленного источника нейтронов равна

–  –  –

где H 2O и выв — микроскопические сечения взаимодействия нейтронов с водой и тяжелым компонентом соответственно; nH 2O и n — количество




Похожие работы:

«Рекомендації з реалізації Плану дій з BEPS (мінімальні стандарти) ЗМІСТ Абревіатури та акроніми Передмова ПРО BEPS ПРОГРАМА РОЗШИРЕНОГО СПІВРОБІТНИЦТВА НАД BEPS/МІНІМАЛЬНИМИ СТАНДАРТАМИ ЗАХІД 5 Більш ефективна боротьба зі шкідливими податковими практиками, зважаючи на прозорість та сутність ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ ПОДАЛЬШІ КРОКИ ДЛЯ УКРАЇНИ...»

«Аутопсия кампании Хиллари: как победил Трамп Политтехнологический анализ выборов президента США 10 мифов о причинах победы Трампа МИФ №1 Социологи полностью провалились со своими прогнозами На самом деле: Хиллари Клинтон получила на 2,8 млн голосов б...»

«1069 / RM / 06.0 / A / 1 / RU / P / Перевод Утверждено Приказом Генерального директора AGEPI № 131 от 21.10.2003 ПОЛОЖЕНИЕ о применении Закона № 588/1995 о товарных знаках и наименованиях мест происхождения товаров (в части, касающейся наименований мест происхождения товаров) 21 1069 / R...»

«ГЛАВА 5 ВНУТРИ ПОКУПАЮЩЕГО МОЗГА Стоимость пяти часов работы мозга — около пенни, меньше пяти центов в день. Какой высокий КПД! Рид Монтагью, "Почему стоит выбрать эту книгу?"1 Ваш мозг, отлаженный за миллионы лет эволюции, быстро и чаще всего эффективно реагирует практически в любой ситуации. Для этого ему нужно н...»

«ПАРАЗИТОЛОГИЯ,26, 6, 19 9 2 УДК 576.895.421:616.831-002 © 1992 РАЗЛИЧИЯ В ДИСТАНТНОЙ ПЕРЕДАЧЕ ВИРУСА КЛЕЩЕВОГО ЭНЦЕФАЛИТА ИКСОДОВЫМИ КЛЕЩАМИ ДВУХ ПОДСЕМЕЙСТВ А.Н. Алексеев, С.П. Чунихин В эксперимента...»

«Г Вологодская губерния АЛФАВИТНЫЕ СПИСКИ НИЖНИХ ЧИНОВ, ПОГИБШИХ, РАНЕНЫХ И ПРОПАВШИХ БЕЗ ВЕСТИ В 1Ю МИРОВУЮ ВОЙНУ 19141918 Г.Г. звание фамилия имя отчество вероисп сем/пол уезд волость, нас/пункт причина выб...»

«Я с природой Руководство для правительств и городов, собирающихся отметить Всемирный день окружающей среды 5 июня 2017 года CC BY NC CIFOR Вступление Всемирный день окружающей среды является главным днем, провозгл...»

«УДК 622.411.023.623:539.3 Докт. техн. наук С.И. Скипочка, Н.Т. Бобро (ИГТМ НАН Украины) РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАСШТАБНОГО ЭФФЕКТА ПРОЧНОСТИ УГЛЕЙ Наведені результати експериментальних досліджень та визначені коефіцієнти ма...»

«Добро пожаловать в каталог русскоязычных книг издательства Rozekruis Pers! МЕЖДУНАРОДНАЯ ШКОЛА ЗОЛОТОГО РОЗЕНКРЕЙЦА Введение в учение Розенкрейца LECTORIUM ROSICRUCIANUM Бесплатно скачать книги в электронном виде вы можете на сайте http://www.rosycross.ru/literature/ Международн...»

«Стандартизация и сертификация компьютерной грамотности и ИКТ-компетентности работников образования Якушина Е.В. К.п.н, с.н.с. лаборатории ТСО и Медиаобразования ИСМО РАО http://www.mediaeducation.ru координатор проекта "Цифровое образование" http://digital-edu.ru wm45@yandex.ru Современные условия рынка труда в сфере инфор...»








 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.