Бетон в защите ядерных установок - Прохождение сверхбыстрых нейтронов через бетоны

Глава 5
ПРОХОЖДЕНИЕ НЕЙТРОНОВ ЧЕРЕЗ БЕТОНЫ
5.1 ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕРХБЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ
Сверхбыстрые нейтроны характеризуются энергией от 20 Мэе до сотен гигаэлектронвольт [4]. Исследования защитных свойств бетонов в потоке сверхбыстрых нейтронов начались в 1946 г., когда был пущен синхроциклотрон Калифорнийского университета (США) [2]. Результаты исследований и геометрия опыта показаны на рис. 5.1. На этом ускорителе после его реконструкции были проведены измерения ослабления нейтронов в бетоне при энергии протонов 350 Мэв [3].
На синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна, СССР) проводились эксперименты по ослаблению сверхбыстрых нейтронов в бетонах.
Таблица 5.1
Величина для различных спектров нейтронов, см *

* В таблице приведены округленные значения; точные значения и Экспериментальные ошибки даны в указанных работах.
** Указана энергия дейтронов.
*** Энергия указана предположительно.
**** Бетоны исследованы авторами настоящей книги.

Измерения были выполнены в условиях «плохой геометрии» (площадь поглотителя 2 X 2 м) пороговыми детекторами, указанными в табл. 4.5. Полученные величины длины релаксации сверхбыстрых нейтронов приведены в табл. 5.1, а составы бетонов и их плотность можно найти в работах [4, 5].

В 1965 г. авторами было измерено ослабление нейтронов различных энергетических групп на специальной установке, имитирующей гематитовый бетон плотностью около 3500 кг/м3 с различным содержанием воды в единице объема.
Исследования проводили при тех же энергиях протонов, падающих на бериллиевую мишень, как и в работе [5].
Установка представляла собой бак с водой, в который помещали сухие плиты из бетона плотностью 3480 кг/м3. Поскольку бетонные плиты не должны содержать воду, в качестве вяжущего при их изготовлении использовали жидкое стекло вместо портланд-цемента. Плиты нагревали до температуры 120°С, при которой этот тип бетона практически теряет всю влагу, а затем покрывали водонепроницаемым слоем.
При подборе состава бетона на жидком стекле проводили сравнение его химического состава с химическим составом гематитового бетона (табл. 5.2).
Соответствие составов регулировалось специальными добавками. Концентрацию водорода в бетоно-водной смеси изменяли, увеличивая расстояния между бетонными плитами.
На рис. 5.2 показано ослабление потоков нейтронов при Ер = 350 Мэе. Аналогичные кривые были получены и для других энергий. В табл. 5.3 даны экспериментальные значения, а также расчетные величины для Ер — 660 Мэе, полученные как 1/Στеη. Сечения выведения рассчитывали по химическому составу среды и микроскопическим сечениям неупругого взаимодействия (табл. 4.1).

Сравнение химических составов гематитового бетона на портланд-цементе и жидком стекле

Технологический состав бетонов, кг/мЗ: I — гематит крупный 2080, гематит мелкий 1070, портланд-цемент 360, вода 190; II —гематит крупный 2120, гематит мелкий 1090, известняк 214, жидкое стекло 280, кремнефтористый натрий 25 (количество воды в жидком стекле 179 кг).
Таблица 5.3
Экспериментальные значения λ для бетоно-водной среды, см

Из сравнения результатов табл. 5.2, расчетов Στеη для других энергий и обобщения данных прежних работ [1, 5] оказалось,
что формулу (4.8) нужно уточнить следующим образом:
(5.1)
где к — коэффициент, зависящий от энергии нейтронов. Ниже приводятся значения к для различных энергий Ер:

Эксперименты с бетоно-водной смесью показали, что для сверхбыстрых нейтронов практически не зависит от концентрации водорода в бетоне. При расчетах следует принимать только в зависимости от плотности бетонов, тем более что колебания количества водорода в реальных бетонах значительно меньше, чем в данных исследованиях.

Изучение защитных свойств бетонов при энергиях нейтронов в несколько гигаэлектронвольт по существу было проведено только для обычного и баритового бетонов.
В работе сообщаются данные об ослаблении потока нейтронов, получающихся на мишени, бомбардируемой протонами с энергией 6,3 Гэв.
Ослабление потоков нейтронов в обычном бетоне измерено под разными углами по отношению к направлению протонного пучка в месте расположения мишени на различных расстояниях от нее. Результаты измерений приведены на рис. 5.8.
В работе [7 ] описан эксперимент по гашению протонного пучка в защите из земли, обычного и баритового бетонов. Средняя энергия спектра заряженных частиц (в основном протонов), падающих на защиту, равна ~24 Гэв. В падающем пучке было также некоторое количество нейтральных частиц. В качестве детектора использовали ядерные фотоэмульсии; регистрировались звезды с числом лучей не менее двух. Было проведено два эксперимента на пучке с размерами 24 X 8 см (на половине интенсивности) и на пучке с размерами 1,8 X 6,2 см. Кривые ослабления плотности звездообразования приведены на рис. 5.4. Длина релаксации после переходных слоев для широкого и узкого пучка соответственно равна 1450 + 100 и 1450 +-150 кг 1мг. Приведенные значения длины релаксации не соответствуют какой-либо стандартной геометрии, однако их можно использовать при практических расчетах (см. табл. 5.1).
Сравнивая результаты работ [2, 4, 7, 8] между собой, а также с исследованиями ослабления сверхбыстрых нейтронов в других материалах (см. разд. 4.2), можно заключить, что законы ослабления потоков нейтронов высоких энергий в материалах находятся в следующем соотношении:
(5.2) если

(5.3)
где- сечение неупругого взаимодействия нуклонов

высокой энергии с ядрами материалов, м2/кг.

Из выражений (5.2) и (5.3) видно, что толщину защиты по нейтронам с энергией более 20 Мэв удобно выражать в единицах (1/Σίη), где Σίη — сечение для нейтронов с энергией выше 100 Мэв.