Принципы формирования защиты от нейтронного излучения

Нейтронные источники создают быстрые нейтроны. Резонансные пики поглощения нейтронов сосредоточены обычно в области тепловых энергий нейтронов. Поэтому при создании эффективной защиты от нейтронов необходимо их замедлить до тепловой энергии. По этой причине нейтронная защита чаще всего формируется из нескольких слоёв материалов. В защите должен присутствовать материал, являющийся замедлителем нейтронов, и материал, являющийся поглотителем. Принципы выбора материалов были рассмотрены в лекции 5.

Простейшая защита от нейтронов, таким образом, может состоять из двух слоёв, как это показано на рисунке 21. Первым на пути нейтронного потока необходимо располагать замедлитель. В нём за счёт реакции рассеяния при многократных столкновениях нейтронов с ядрами материала будет происходить постепенное снижение энергии нейтронов. Толщина этого слоя выбирается таким образом, чтобы на выходе из него подавляющая часть нейтронов оказалась в тепловой энергетической области. Т.е. толщина этого слоя должна быть не меньше длины замедления нейтронов в данном материале. Поглощение в замедляющих материалах обычно незначительно. Замедлитель должен обладать достаточно большим сечением рассеяния, высокой замедляющей способностью. Коэффициент замедления при этом может быть невысоким – в случае высокого значения сечения поглощения.

Далее следует расположить слой поглотителя, в котором будут эффективно поглощаться ставшие тепловыми нейтроны. Материал поглотителя должен обладать высоким сечением поглощения, в первую очередь, относительно тепловых нейтронов. Толщину этого слоя определяют, исходя из допустимого уровня нейтронного потока за защитой.

Рисунок 21. Двухслойная компоновка защиты от нейтронов.

Порядок расположения слоёв при двухслойной компоновке важен. Обратное расположение, при котором нейтроны сначала попадают в поглотитель, а потом в замедлитель, может оказаться намного менее эффективной, поскольку быстрые нейтроны будут взаимодействовать с поглотителем со значительно меньшей эффективностью, а в замедлителе нейтроны, прошедшие через поглотитель, будут лишь терять энергию, без заметного поглощения.

При большем количестве слоёв их взаимное расположение практически не сказывается на эффективности защиты.

Возможно создание и гомогенной защиты от нейтронов. Например, для такой цели может использоваться раствор борной кислоты, борная сталь и другие материалы с равномерно распределённым по объёму поглотителем нейтронов. Но такая защита обычно либо более дорогостоящая, либо оказывается неприемлемой по каким-то причинам, либо менее эффективна, чем гетерогенная.

Методы расчёта защиты от нейтронов принципиально схожи с методами расчёта защиты от фотонного излучения, рассмотренными в лекции 6. Наибольшее распространение получили графические методы расчёта защиты и методы расчёта защиты по слоям ослабления.

Метод длин релаксации

В качестве слоя ослабления нейтронного излучения может выступать величина, называемая длиной релаксации L – толщина материала, ослабляющая нейтронный поток в e раз. Длина релаксации зависит от энергии нейтронов, компоновки защиты, толщины материала. Последняя зависимость определяется изменением энергии нейтрона в процессе следования внутри материала защиты. В общем виде, при неизменном по толщине защиты значении L, плотность потока нейтронов за защитой определится по формуле:

.

Лишь в некотором диапазоне значений d не наблюдается существенной зависимости L от d. В случае, когда речь идёт о потоке тепловых нейтронов за замедлителем, энергия нейтронов с возрастанием пройденного в материале пути не изменяется (нейтроны находятся в энергетическом равновесии с тепловым движением атомов среды) и зависимость L от d не проявляется. Требуемую толщину защиты в таком случае можно найти следующим образом:

,

где кратность ослабления k определяется из соотношения имеющейся без поглотителя плотности потока к допустимому значению плотности потока для тепловых нейтронов.

Для расчёта ослабления потока нейтронов с энергией выше тепловой, целесообразным является разбиение всей толщины защиты на участки, внутри которых можно считать, что L от d не зависит. Тогда плотность потока можно будет найти по следующей формуле:

.

Расчёт по этой формуле будет несколько затруднён за счёт увеличения числа вычислений, однако даст более точное значение толщины защиты.

Значения величин длин релаксации для нейтронов различных энергий в различных веществах приводятся в справочниках.