3432 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПРОХОЖДЕНИЯ НЕЙТРОНОВ В ВЕЩЕСТВЕ

Цель работы: изучение процесса распространения нейтронов в веществе и возможностей защиты от нейтронного излучения.

 

Элементы теории

 

При делении тяжелых ядер наряду с радиоактивным излучением часто появляются быстрые нейтроны. Например, после захвата ядром  нейтрона ядро делится, и в результате деления высвобождаются 2-3 нейтрона. Поток нейтронов – это проникающее излучение. Если a- и b-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами через дальнодействующее электромагнитное поле, то нейтроны могут взаимодействовать лишь с ядрами через короткодействующее ядерное (сильное) взаимодействие. А так как ядра занимают в объеме атома ничтожно малый объем, приникающая способность нейтронов оказывается весьма значительной.

Опасность a-, b- и g-излучений для человека связана с ионизацией атомов и молекул, нарушающей связи между ними. Нейтроны же действуют опосредованно: при попадании в некоторые ядра нейтроны захватываются, при этом образуются изотопы, как правило, радиоактивные, с небольшим периодом полураспада, т.е. появляются источники излучения, действующие внутри организма. Понятно поэтому, что защита реакторов и других радиоактивных источников должна предусматривать и защиту от потока нейтронов.

Основным понятием, характеризующим взаимодействие свободного нейтрона с ядрами данного вещества, является эффективное сечение взаимодействия. При взаимодействии с ядром нейтрон может упруго рассеяться или поглотиться ядром. Вероятность этих процессов зависит как от вида ядра, так и от энергии нейтрона. Под эффективным сечением процесса взаимодействия понимается площадь в сечении ядра и окружающего его пространства, при попадании в которую нейтрона происходит взаимодействие. Конечно, все процессы в микромире носят квантовый, статистический характер, поэтому значения эффективного сечения представляют собой статистические средние значения. Величины эффективных сечений в ядерной физике принято измерять в барнах. 1 барн = 10-24 см2.

Ядерная энергетика имеет дело с нейтронами, энергия которых находится в диапазоне от 0,025 эВ до 10 МэВ. Условно нейтроны с энергией больше 1 МэВ называют быстрыми, а с энергией меньше 1 кэВ – медленными. Энергия 0,025 эВ соответствует энергии теплового движения при температуре Т=300 К, поэтому нейтроны с такой энергией называют тепловыми.

Упругое рассеяние происходит при различных энергиях нейтронов, и этот процесс играет важную роль при замедлении быстрых нейтронов, образующихся в ядерных реакциях. Хорошими замедлителями являются вещества, у которых сечение поглощения (захвата) мало. Это гелий, углерод, бериллий, тяжелая вода.

При упругом столкновении с ядром с массовым числом А нейтрон теряет в среднем энергию , где Е0 – энергия нейтрона до столкновения, а параметр .

К примеру, при столкновении с ядром углерода нейтрон теряет в среднем 20 % энергии. В твердых и жидких средах быстрые нейтроны замедляются до тепловых энергий на расстояниях порядка десятков сантиметров. Под сечением рассеяния при столкновении понимается сечение, при попадании в которое нейтрон отражается назад.

Точный расчет процесса замедления очень труден, т.к. траектория нейтрона непредсказуема. Математическое описание этого процесса приводит к сложному интеграло-дифференциальному уравнению. В то же время процесс блуждания нейтронов сравнительно легко моделируется на компьютере.

Поглощение нейтронов. Рассмотрим процесс прохождения нейтронов через слой вещества. Пусть толщина слоя dx, сечение поглощения s, тогда в слое площадью S число ядер будет nSdx, где n – концентрация атомов вещества. Вероятность поглощения в этом слое будет равна отношению , следовательно, изменение числа нейтронов при прохождении этого слоя будет

,

знак «минус» показывает, что число нейтронов уменьшается.

Если на слой толщиной х попадают N0 нейтронов, то интегрирование этого выражения показывает, что число прошедших нейтронов будет определяться выражением

.

Если наряду с поглощением имеют место процессы рассеяния, взаимодействие определяется полным эффективным сечением взаимодействия:

,

где sr – сечение рассеяния, sр – сечение поглощения.

Коэффициент отражения нейтронов от толстого слоя вещества называется нейтронным альбедо данного вещества. К примеру, альбедо обычной воды равно 0,8, т.е. вода отражает 80 % падающих на ее поверхность нейтронов. Вещества с высоким коэффициентом отражения (например, бериллий) применяются в различных ядерных устройствах.

Средняя длина пробега нейтронов от столкновения до столкновения определяется выражением , т.е. зависит от концентрации атомов и эффективного сечения взаимодействия нейтронов с ядрами.

 



 
развить силу воли. знает какой будет расстановка сил. стоянки обозначенных знаком