- Общие закономерности распространения нейтронов. Качественная картина прохождения нейтронов через вещество существенно зависит от того, является ли полное сечение взаимодействия нейтронов с этими веществом плавной функцией энергии или зависит от энергии сложным образом, а также от того, в какой области энергий превалирует тот или иной процесс взаимодействия нейтронов. Как было отмечено ранее (см. п. 1.3.2.4), вид зависимости 2 (Еп) и области превалирования того или иного процесса взаимодействия характерны для определенных групп материалов. Поэтому общие закономерности прохождения нейтронов через вещество целесообразно рассматривать для отдельных групп материалов.
Легкие материалы. К ним относятся материалы, составленные из элементов, расположенных в начале периодической системы элементов. Большинство из них содержит водород. Основными процессами, приводящими к ослаблению плотности потока нейтронов в этих материалах, являются упругое рассеяние нейтронов и радиационный захват нейтронов в тепловой и надтепловой областях энергий.
Два свойства водорода — относительно большие потери энергии нейтронов в каждом акте взаимодействия и быстрый рост сечения взаимодействия с уменьшением энергии нейтрона — определяют характерные особенности изменения качественного и количественного состава нейтронов при распространении их в водородсодержащем материале. Ведущей группой нейтронов, т. е. группой, определяющей пространственное распределение плотности потока нейтронов любой другой энергетической группы, является группа быстрых нейтронов. Уже на незначительном расстоянии от источника нейтронов в таких материалах устанавливается истинное пространственное равновесие между всеми энергетическими группами нейтронов. Функция распределения плотности потока Фп (г) любой энергетической группы с ростом г уменьшает свой наклон, т. е. с ростом толщины защиты энергетическое распределение нейтронов обогащается быстрыми нейтронами— спектр нейтронов с увеличением толщины защиты становится более жестким.
Вклад быстрых нейтронов в полную мощность дозы нейтронов в таких материалах составляет около 50%.
Присутствие в указанных материалах элементов с нерегулярной зависимостью а (Еп) приводит к тому, что в энергетическом распределении нейтронов наблюдаются всплески и провалы (рис. 5.2).
Если легкие материалы не содержат водорода, то и тогда описанная картина формирования спектра нейтронов и функций ослабления меняется мало.
Материалы, состоящие из элементов со средней атомной массой. Обычно к таким материалам относятся бетоны, породы и минералы, часто используемые в защите.
Р и с, 5.2. Спектры быстрых нейтронов за защитой реактора из серпентинитового бетона
Они содержат кислород, кремний, магний, алюминий и другие элементы, могут содержать и не содержать водород. Полное парциальное сечение кислорода в этих материалах составляет примерно половину полного сечения материала, и это накладывает свой отпечаток на вид функций ослабления и спектра нейтронов.
Если подобные материалы не содержат водород или содержат его в малом количестве, то функция ослабления плотности потока быстрых нейтронов — экспонента (рис. 5.3), но, ввиду того что сброс энергии нейтронов в каждом акте взаимодействия оказывается недостаточно большим, в материале возможно накопление нейтронов промежуточных энергий, и истинное равновесное состояние наступает на достаточно большом расстоянии от источника. В энергетическом распределении нейтронов наблюдаются характерные всплески и провалы, совпадающие по шкале энергий с нерегулярностями в полном сечении взаимодействия нейтронов с кислородом.
В том случае, когда рассматриваемые материалы содержат водород, поведение нейтронов в них мало отличается от поведения в легких водородсодержащих материалах.
Соотношение между вкладами в мощность дозы быстрых нейтронов и нейтронов других энергий зависит от ядерной плотности водорода в материале. Если она достаточно велика, то это соотношение близко к тому, что указано для легких материалов. При малой концентрации или отсутствии водорода основной вклад в мощность дозы вносят нейтроны с Еп <. 2 МэВ, но даже в крайнем случае этот вклад редко превышает 80—85%.
Тяжелые материалы.
Это понятие не связывают с удельной массой — к этой группе относят все материалы, для которых основным процессом взаимодействия для быстрых нейтронов является неупругое рассеяние. Поскольку этот процесс пороговый, а акт упругого рассеяния в подпороговой области энергий сопровождается слишком малой потерей энергии» то в защите из материалов этой группы с ростом ее толщины происходит накопление нейтронов промежуточных энергий. Вследствие этого в защите из тяжелых материалов спектр нейтронов постоянно смягчается и никогда не наступает пространственного равновесия между группами нейтронов разных энергий.
Проследим, как происходит замедление нейтронов в тяжелом материале. Пока энергия нейтронов остается больше энергии порога неупругого рассеяния Еп, нейтрон взаимодействует с материалом посредством неупругих рассеяний и благодаря этому быстро переходит в область, где Еп <Еп*. В этой области энергий основным процессом взаимодействия является упругое рассеяние; из-за малой потери энергии в каждом акте такого рассеяния нейтрон будет «двигаться вниз по шкале энергий» очень медленно и долго не будет попадать в область энергий, где доминирующим процессом станет радиационный захват. Более того, если при своем движении по шкале энергий нейтрон встретит минимум в сечении взаимодействия, то он может в этот минимум «упасть», т. е. долгое время существовать с энергией, соответствующей минимуму, проходя при этом большие расстояния в защите без взаимодействий.
Таким образом, в защите из тяжелого материала плотность потока быстрых нейтронов будет убывать весьма быстро (рис. 5.4), а плотность потока нейтронов с Еп < Еп* — медленно, причем с ростом толщины защиты относительная доля промежуточных нейтронов в суммарной плотности потока будет расти. Набольших толщинах могут формироваться ведущие группы нейтронов с энергиями, равными энергиям минимумов или, вернее, самого глубокого минимума в полном сечении взаимодействия нейтронов с материалом.
Естественно, что относительный вклад нейтронов промежуточных энергий в полную мощность дозы нейтронов растет с увеличением толщины защиты.
Рис. 5.3. Функция ослабления плотности потока быстрых нейтронов в защите реактора из серпентинита (засыпка)
Рис. 5.4. Функции ослабления полной мощности дозы нейтронов (/), мощности дозы промежуточных нейтронов (2), мощности дозы нейтронов с энергией 0,46 эВ— 10 кэВ (5) и мощности дозы быстрых нейтронов (4) в титале (слой титана у активной зоны водо-водяного реактора)
