Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов

      Комментарии к записи Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов отключены

Строгое решение задачи расчета защиты от нейтронов возможно лишь с помощью решения уравнения переноса нейтронов. Процессы взаимодействия нейтронов с веществом достаточно сложны, и перенос нейтронов обычно моделируется математически методом статистических испытаний с помощью специального программного обеспечения ЭВМ. Однако возможны и приближенные оценки защиты от нейтронов. К таким упрощенным методам расчета защиты относится метод сечений выведения.

Метод сечений выведения был разработан для расчета дозы быстрых нейтронов в водородсодержащей среде, перед которой помещен слой (или слои) тяжелых материалов. Методика сечения выведения основана на том, что в большинстве водородсодержащих сред при выполнении определенных условий (накладываемых на толщину водородсодержащей среды) влияние других вводимых в защиту материалов можно учесть множителем типа Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов , где Sвыв — сечение выведения, t — толщина вводимого материала. Простейший пример применения концепции сечения выведения для гетерогенной защиты показан на рис. 2.6.

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов

В соответствии с обозначениями рис. 2.6 можно записать

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов , (2.8)

где Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов — мощность поглощенной дозы быстрых нейтронов, обусловленной нейтронами источника с энергией en в точке детектирования Д, Гр/с; q(en) — выход быстрых нейтронов с энергией e n из источника, нейтр./с; L — длина релаксации нейтронов[18] в слое водородсодержащей защиты толщиной (z — t), м; f1(en), f2(en) — поправочные эмпирические коэффициенты, учитывающие нарушение экспоненциального закона ослабления за счет изменения спектрального состава нейтронов в защите для слоя тяжелого материала (f1(en)) и для водородсодержащего (f2(en)); z — расстояние от источника нейтронов до детектора, см; t – толщина пластины тяжелого материала, см; Sвыв — макроскопическое сечение выведения нейтронов для тяжелого материала, 1/см; dD — коэффициент, связывающий плотность потока быстрых нейтронов с энергией en, рожденных в источнике, с поглощенной дозой D на больших глубинах в водородсодержащем поглотителе.

В случае источника нейтронов деления f1(en) » 1 и f2(en) » 1, тогда вместо выражения (2.8) можно записать

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов , (2.9)

где Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов — мощность поглощенной дозы быстрых нейтронов в чистом водородсодержащем материале толщиной (z — t) в отсутствие тяжелого материала.

Физический смысл сечения выведения состоит в том, что процессы взаимодействия нейтронов с ядрами тяжелых элементов, помещенных в водородсодержащую среду (неупругое рассеяние, сопровождающееся большим сбросом энергии, и упругое рассеяние, кроме рассеяния нейтронов на малые углы), можно рассматривать как поглощение нейтронов. Такое представление прохождения нейтронов через защиту вполне справедливо. Основные процессы, происходящие при взаимодействии быстрых нейтронов с атомами тяжелого вещества, – упругое и неупругое рассеяние. Если произойдет упругое рассеяние на большой или средний угол, нейтрон может вообще выйти из поглотителя либо испытать многократные столкновения до попадания в водородсодержащую среду. Таким образом, в любом случае, кроме рассеяния на малые углы (при упругом рассеянии), нейтрон попадает в водородсодержащую среду с такой энергией, при которой наиболее вероятной реакцией является поглощение нейтрона (сечение поглощения на водороде s ~ Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов ). Чем больше толщина водородсодержащей защиты, тем менее вероятно, что нейтроны, претерпевшие взаимодействие в тяжелом веществе, достигнут детектора (это объясняет требование определенной толщины водородсодержащей защиты). Другими словами, любое взаимодействие нейтрона с атомами тяжелого вещества (кроме рассеяния на малые углы) «выводит» нейтроны из пучка, вследствие чего они не могут быть зарегистрированы детектором.

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов Физический смысл минимальной толщины водородсодержащей защиты заключается в следующем: это минимальное расстояние в водородсодержащем веществе, начиная с которого детектор перестает чувствовать изменяющее спектральное распределение нейтронов действие пластины. На рисунке 2.7 представлена зависимость микроскопического сечения выведения sвыв от толщины водородсодержащей среды (z — t). Как видно из рис. 2.7, сечение выведения меняется с изменением расстояния (z — t) и, только начиная с некоторой точки в водородсодержащем материале, sвыв становится постоянным. Расстояние, начиная с которого сечение выведения не зависит от толщины водородсодержащей защиты, обозначается Rmin; оно зависит от энергии нейтронов, материала пластины и эффективного порога детектирования. Так, для источника нейтронов деления, регистрируемых детектором, имеющим порог 302 кэВ, для железа Rmin » 30 см, для свинца Rmin » 40 см.

Из формулы (2.9) можно определить численное значение сечения выведения

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов , (2.10)

т.е при экспериментальном определении Sвыв необходимо измерить поглощенную дозу быстрых нейтронов в водородсодержащей среде в отсутствие слоя тяжелого вещества, а потом повторить измерения, установив перед водородсодержащей защитой слой материала, для которого определяется Sвыв.

На достаточно больших расстояниях измерение доз или мощностей доз затруднено вследствие малой чувствительности дозиметров, хотя концепция сечения выведения предполагает, что измеряются именно дозы или мощности дозы. В этом случае о величинах мощностей доз быстрых нейтронов судят по измерениям плотностей потоков тепловых нейтронов j(z – t) и j(z, t), регистрируемых в этих же точках. Такое представление возможно, т.к. кривая зависимости плотности потока j тепловых нейтронов от расстояния до источника с большой точностью параллельна кривой мощности дозы быстрых нейтронов, особенно на больших расстояниях от источника, т.е., при толщине водородсодержащей защиты, большей Rmin, устанавливается практически равновесное спектральное распределение нейтронов и, следовательно, постоянный дозовый состав нейтронов. В этом случае вместо формулы (2.10) имеем

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов . (2.11)

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Целью работы является

— измерение плотностей потоков j нейтронов разных энергетических групп с последующей оценкой мощности эффективной дозы Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов ;

— определение мощности эквивалента дозы нейтронов Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов прямым измерением;

— определение сечения выведения Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов нейтронов в железе (в гетерогенной защите железо-оргстекло) по мощности эквивалента дозы нейтронов и плотности потока тепловых нейтронов.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.8.

В работе используется источник спонтанного деления 252Cf, спектр быстрых нейтронов которого соответствует формуле (2.1). Пучок быстрых нейтронов формируется с помощью конического коллиматора.

Измерения плотностей потока тепловых jт.н, быстрых и промежуточных jб+п нейтронов и мощности эквивалента дозы Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов проводятся с помощью универсального сцинтилляционного радиометра МКС-01, состоящего из блока детектирования тепловых нейтронов, измерительного пульта, двух сферических замедлителей (внутреннего и внешнего).

Метод сечений выведения в расчете защиты от нейтронов

Блок детектирования тепловых нейтронов служит для измерения плотности потока тепловых нейтронов. В качестве детектора использован неорганический сцинтиллятор из ZnS(Ag) в смеси с борной кислотой. Работа детектора основана на реакции нейтронов с ядрами бора 10B(n,a)7Li. Испускаемые альфа-частицы и ядра отдачи вызывают в сернистом цинке сцинтилляции.

Блок детектирования быстрых и промежуточных нейтронов состоит из замедлителя, который называется внутренним (шар из полиэтилена диаметром 152 мм, помещенный в кадмиевый чехол), и того же сцинтилляционного детектора. При измерении плотности потока быстрых и промежуточных нейтронов тепловые нейтроны из первичного потока нейтронов поглощаются в кадмиевом чехле, а быстрые и промежуточные — замедляются до тепловых энергий и регистрируются детектором.

Блок измерения мощности эквивалента дозы получается при помещении блока детектирования быстрых и промежуточных нейтронов в дополнительный сферический замедлитель (внешний) диаметром 240 мм.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Дополнительные материалы:

Анализ фермы. Метод сечений


Похожие статьи: