В самом общем виде схема расчета защиты любой ядерной установки складывается из трех основных этапов:
- Определение выхода и энергетического распределения всех видов излучений, от которых необходимо защититься. В случае реакторов — это выход излучений из активной зоны. Для ускорителей — выход излучений из мишеней и конструкционных элементов установки. Расчетам выхода излучений посвящена вторая глава.
- Нахождение распределения потоков излучений по толщине защиты. При расчете защиты реакторов основными считают гамма- и нейтронное излучения. Прежде чем рассчитать пространственноэнергетические распределения этих излучений в бетонной защите, необходимо вычислить их ослабление в отражателе реактора и тепловой защите — воде, графите, стали или других веществах. При определении толщины защиты мощных ускорителей необходимо установить взаимопревращение видов излучений, например, в «переходном слое» защиты. Только после этого рассчитывается ослабление наиболее опасных в биологическом отношении видов излучений.
Второй этап расчета защиты наибольший по объему. Ему посвящены четыре главы настоящей монографии. Третья и четвертая главы дают общие расчетные положения, подтвержденные экспериментами на однородных материалах (железо, вода, медь и т. п.) или на простых соединениях и композициях (вода — железо, карбид бора и т. п.). Пятая и шестая главы иллюстрируют прохождение излучений непосредственно через различные типы бетонов.
- Определение допустимых уровней излучения за защитой, по которым в итоге устанавливают требуемую толщину защиты. В случае энергетических реакторов — это одна максимально допустимая доза. Для защиты исследовательских реакторов или ускорителей — это величины потоков, не мешающие экспериментальным работам. Когда проведены расчеты по второму этапу, определение топографии допустимых полей излучений нетрудоемкое дело, однако оно тесно связано с проектированием защиты с каждом отдельном случае. Некоторые сведения по допустимым уровням излучений можно найти в разд. 1.5.
Выше была рассмотрена схема расчета защиты, при этом совсем не затрагивались проблемы проектирования, которые часто ставят перед конструктором очень сложные задачи. Необходимо выяснить влияние технических требований при проектировании и расчете защиты, тем более, что они иногда идут вразрез с требованиями физики. Из последующих глав книги станет очевидно, что многие инженерные задачи нельзя решить с удовлетворительной точностью из-за неполноты знаний физики процессов взаимодействия излучений с веществом, а также вследствие сложности геометрии защиты, не позволяющей математически точно провести расчеты. В этих случаях конструктор, опираясь на свой опыт, знания и интуицию, должен выбрать наиболее эффективный приближенный метод расчета.
Остановимся более подробно на втором этапе расчета защиты, так как этому этапу расчета всегда предшествует выбор типа бетона. Кроме того, покажем схематично связь между расчетами и проектированием защиты.
Расчет пространственно-энергетических распределений излучений в защите состоит из следующих частей: а) расчета ослабления ведущей группы нейтронов — быстрых или сверхбыстрых; б) расчета ослабления и факторов накопления замедляющихся нейтронов *; в) расчета образования и ослабления вторичного излучения, например гамма-квантов при захвате медленных нейтронов; г) расчета ослабления внешнего (по отношению к бетонной защите) гамма-излучения; д) расчета распределения тепловыделений в защите.
Прежде чем приступить к детальным расчетам ослабления излучений в бетонах, необходимо сделать приближенные расчеты и оценки вариантов защиты с тем, чтобы выбрать оптимальный состав бетона. Может оказаться, в редких случаях, необходимым, чтобы защита имела меньший вес независимо от стоимости материалов. Примером может служить бетонная защита стационарных установок, расположенная на слабых грунтах или свайных основаниях. Часто требуется спроектировать наиболее дешевую защиту. Иногда же перед конструктором возникает проблема замены части защиты с тем, чтобы сделать ее более тонкой, но из более дорогостоящих материалов. Поэтому необходимо решить, приведет ли это к удобству эксплуатации, полному и гибкому использованию установки в исследовательских целях или к улучшению планировки здания и конструкций, например к уменьшению площади фундаментов.
Тщательный подход к решению вопроса об оптимальном выборе защиты может потребовать сравнения довольно большого числа вариантов бетонной защиты, которое трудно провести более точными расчетами (например, многогрупповыми). Поэтому в данной работе проанализированы приближенные способы расчета защиты и сопоставлены с точными методами. Кроме того, приведены данные, которые должны облегчить и ускорить сравнение вариантов защиты.
* В тех случаях, когда длина диффузии тепловых нейтронов L или длина замедления до тепловой энергии малы, по пункту б) определяют ослабление потоков промежуточных и тепловых нейтронов, образовавшихся в защите из быстрых. Если L или У х больше длины релаксации быстрых нейтронов, находят дополнительно ослабление в защите потоков промежуточных и тепловых нейтронов, попадающих в нее из активной зоны реактора или из тепловой защиты.
При расчетах полной толщины биологической защиты и выборе вида бетона можно пользоваться методикой, которая дает приемлемые результаты распределения излучений в последних слоях защиты. При этом подробности распределения излучений в начальном слое защиты могут не интересовать проектировщика и расчетчика. При расчете тепловыделений и выборе материала тепловой защиты, наоборот, необходимо знать распределение излучений в первых слоях бетона. В этом случае надо выбрать методику приближенных расчетов, по которой определяются более точные результаты в первых слоях защиты. Для каждого варианта сочетания биологической и тепловой защиты исследуются вопросы оптимального выбора в зависимости от требований, предъявляемых к защите.
Такие сравнительные расчеты в период эскизного проектирования защиты позволяют установить состав бетона, например, в отношении количества водорода или необходимости введения бора, выбора плотности и т. д. Все эти вопросы следует решать с учетом экономики, возможности получения материалов или способов изготовления и укладки бетонов.
