К.т.н. Круглова А.Н.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

ЭЛЕМЕНТНЫЕ СОСТАВЫ

РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В последние десятилетия одной из самых перспективных отраслей промышленности является атомная энергетика. В связи с этим все большую актуальность приобретают вопросы разработки современных радиационно-защитных материалов. Нейтронное и g-излучение имеют наибольшую проникающую способность среди всех видов ионизирующих излучений и представляют основную опасность для персонала и оборудования. Поэтому защитные материалы и сооружения проектируются обычно исходя из требований заданного ослабления именно этих излучений. Защитные свойства материала по отношению к g-нейтронному излучению в основном определяются элементным составом. Носителями функциональных свойств радиационно-защитного материала являются: по отношению к g‑излучению – элементы с атомными номерами не менее 47 (как правило, железо или свинец), по отношению к потоку тепловых нейтронов – ряд элементов с атомными номерами 10...20, по отношению к потоку быстрых нейтронов – лёгкие элементы (водород, литий, углерод); для элементов с большими атомными номерами при замедлении нейтронов возрастает роль неупругих процессов. Как видим, эффективность радиационно-защитных материалов определяется сочетанием лёгких, средних и тяжёлых элементов. Проникающая способность g-квантов возрастает вместе с увеличением их энергии. Гамма-излучение с энергиями фотонов 0,01...5 МэВ образуется при радиоактивном распаде ядер. При распаде элементарных частиц возникает g‑излучение с энергией до 70 МэВ. При прохождении быстрых электронов через вещество и при торможении их в кулоновском поле ядер энергия g-лучей достигает нескольких десятков ГэВ. Энергия g-квантов и нейтронов передаётся атомам и молекулам вещества и частично переходит во внутреннюю энергию или затрачивается на возбуждение и ионизацию. При взаимодействии g‑квантов с веществом могут происходить: когерентное рассеяние, фотораспад ядер, флуоресценция и др. Главными процессами, способствующими снижению интенсивности и уменьшению энергии g-квантов, являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон‑позитронных пар. Процесс образования пар как процесс поглощения g-лучей наиболее интенсивно протекает в тяжёлых элементах (свинец), и почти не происходит в материалах из элементов с малыми атомными номерами. В частности, фотон с энергией 3 МэВ теряет на образовании пар в алюминии несколько процентов энергии, в то время как в свинце на этот процесс расходуется около половины энергии. Величина, характеризующая ослабление g-излучения за счёт образования электрон‑позитронных пар при прохождении слоя вещества единичной толщины, называется линейным коэффициентом ослабления от эффекта образования пар. Этот коэффициент возрастает с увеличением энергии излучения и пропорционален квадрату атомного номера элемента в28. Общий коэффициент линейного ослабления g-излучения является суммой линейных коэффициентов ослабления в результате фотоэффекта, эффекта Комптона и эффекта образования электрон‑позитронных пар.

Замедление и поглощение нейтронов различных энергий включает несколько процессов. Захват нейтронов ядрами поглотителя в большинстве случаев сопровождается g-излучением, которое в свою очередь должно быть поглощено или значительно ослаблено материалом защиты. В случае быстрых нейтронов (нейтронов высоких энергий) их замедление – снижение средней энергии – осуществляется элементами, обладающими способностью неупругого рассеяния. К числу таких элементов относятся, в частности, барий и железо. Взаимодействие нейтрона с ядром тяжёлого элемента сопровождается захватом нейтрона, переходом ядра в возбуждённое состояние с последующим испусканием g-кванта и нейтрона с кинетической энергией, меньшей первоначальной на величину энергии g-кванта. В средах, состоящих из атомов тяжёлых элементов, быстрые нейтроны замедляются до энергий 0,1...0,4 MэВ, после чего или поглощаются ядрами, или покидают среду ни86. Замедление нейтронов средних энергий осуществляется лёгкими элементами. Хорошими замедлителями являются водород, углерод и содержащие их вещества: вода, графит, карбид бора. В конструкциях защиты от нейтронного излучения также употребляются металлы с малыми атомными номерами: натрий, алюминий, бериллий Бр1, Бр2. Важная роль в конструкциях защиты принадлежит материалам, содержащим водород. Это является следствием того, что только при столкновении с протоном нейтрон может потерять практически всю кинетическую энергию. Водород не только замедляет, но и захватывает медленные нейтроны. Поэтому наличие водорода в материале, предназначенном для защиты от нейтронного излучения, является весьма желательным. Водород входит в состав большинства биологических защит в виде воды, полиэтилена, гидридов металлов. Углерод обладает несколько худшими защитными свойствами по сравнению с водородом. Материалы на основе графита обычно применяют в том случае, когда необходимо обеспечить работу защитной конструкции в условиях высоких температур. В аналогичных ситуациях используют также более термостойкий материал – карбид бора. Применение борсодержащих материалов способствует захвату медленных (тепловых) нейтронов; эффективное ослабление потока тепловых нейтронов достигается также материалами, содержащими литий и кадмий. Недостатком указанных материалов является высокая стоимость. Способность вещества замедлять нейтроны определяется произведением макроскопического сечения рассеяния SiS и средней логарифмической потерей энергии нейтронов в одном столкновении

,

(1)

где DE – потеря энергии нейтрона в одном столкновении; E – энергия нейтрона до столкновения. Для водорода x = 1, для тяжёлых элементов

,

(2)

где A – атомный номер элемента. Произведение xSiS характеризует изменение энергии нейтрона в единице объёма и носит название замедляющей способности вещества.

Величина, характеризующая способность вещества поглощать тепловые нейтроны, называется макроскопическим сечением поглощения тепловых нейтронов . Для характеристики как замедляющих способностей вещества, так и способности поглощать тепловые нейтроны, служит параметр, называемый коэффициентом замедления нейтронов

.

(3)

Значения замедляющей способности и коэффициента замедления для некоторых веществ приведены в табл. 0.1.

Таблица 0.1

Замедляющая способность и коэффициент замедления некоторых веществ

Вещество

, м-1

Вода

135

61

Полиэтилен

161

61

Тяжёлая вода

18,8

4300

Бериллий

15,4

135

Графит

6,4

235

Литий

1,72

–

Натрий

0,095

0,076

Цирконий

1,37

1,73

Железо

3,3

1,5

Уран

0,33

0,009

Под действием g-квантов и нейтронов в защитных материалах может возникать наведённая радиоактивность. Поэтому количество элементов, образующих долгоживущие нуклиды – кобальт, марганец, медь, мышьяк, натрий, никель, сурьма, хром, цинк– желательно минимизировать.