ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 21-25
УДК 537.9
ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОСЛАБЛЕНИЯ ФОТОННОГО И НЕЙТРОННОГО ПУЧКОВ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ
ЧЕРЕЗ ГИДРИД ТИТАНА
© 2015 г. В. И. Павленко1, *, О. Д. Едаменко1, Н. И. Черкашина1, **, О. В. Куприева1, А. В. Носков2
белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
308012 Белгород, Россия 2Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
308015 Белгород, Россия *Е-таП: kafnx@intbel.ru, **Е-шаИ: natalipv13@mail.ru Поступила в редакцию 22.10.2014 г.
В работе представлены расчеты коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучков при прохождении через поверхность гидрида титана ТШ1.8. Дана оценка основных характеристик радиационной защиты при прохождении излучения в исследуемых материалах: ослабление плотности потока нейтронов (0.1 < Е < 5 МэВ) и гамма-излучения (0.5 < Е < 20 МэВ), ослабление мощности дозы нейтронного и гамма-излучения. Доказана высокая радиационная стойкость композита к фотонному и нейтронному излучению.
Ключевые слова: гидрид титана, нейтронный и протонный пучки, коэффициент ослабления. БО1: 10.7868/80207352815060190
ВВЕДЕНИЕ
Гидриды многих переходных металлов представляют теоретический и практический интерес благодаря возможности их использования во многих отраслях промышленности, включая атомную энергетику. Особое внимание уделяется гидриду титана с повышенным содержанием водорода, применяемого для поглощения нейтронных потоков в ядерной энергетике в качестве замедлителя в регулирующих стержнях ядерного реактора на быстрых нейтронах, а также в качестве наполнителя для защиты от радиоактивного излучения [1].
В Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова под руководством проф. В.И. Павленко разработаны основные методы и принципы создания материалов авиационно-космического назначения [2—5], а использование гидрида титана для радиационно-защитных композитов позволит создать новые материалы с улучшенными характеристиками.
В настоящей работе представлены результаты расчетов коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучка при прохождении через поверхностный слой гидрида титана ТШ18, который обладает необходимыми свойствами для использования его в качестве замедлителя в регулирующих стержнях ядерного реактора на быстрых нейтронах.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРИДА ТИТАНА
Для заполнения пустот и зазоров между изделиями радиационно-защитного назначения при монтаже используется материал в виде крошки гидрида титана (КГТ). Будучи хорошим заполнителем, крошка имеет существенный недостаток. В ее составе присутствует до 5% мелкой пылевидной фракции (менее 0.2 мм), которая является пожаро- и взрывоопасной, а также служит основным источником выделения водорода при высоких рабочих температурах эксплуатации. Кроме того, при транспортировке, затаривании и изготовлении смеси количество мелкой фракции может увеличиваться. Разработанная ОАО "ВНИИНМ" по техническому задания ОАО "НИКИЭТ" опытно-промышленная технология получения гидрида титана в виде сферических гранул (дроби) диаметром ~0.2—2.5 мм (материал ДГТ) позволяет исключить этот недостаток и упростить процесс монтажа защиты. Дробь гидрида титана может использоваться как заполнитель для безусадочной смеси, как компонент заливочного материала для заполнения конструкций защиты сложной конфигурации и для изготовления блоков.
Проведенные исследования показали, что гидрид титана в виде дроби более прочен, не имеет микротрещин, не растрескивается в процессе работы, не образует мелкой взрывоопасной фракции. Для расчета коэффициентов ослабления фо-
ц, 1/см 1.0
0.8
0.6
0.4
0.1
TiHi.8
ц
" \ Mphot 1 ----- 1 1
0
0.1 0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 Е, МэВ
равными р х = 3.663 —з, рн = 0.137 —3 см см
известно, что в рассматриваемом диапазоне энергии гамма-квантов ослабление пучка может происходить вследствие фотоэффекта, эффекта Комптона и эффекта образования электронно-позитронных пар. Для расчета воспользуемся классическими представлениями [6]. Выражение, описывающее сечения процесса фотоэффекта на атоме, имеет следующий вид:
phot
= 4nre2 а4 Z 5Gf (E),
G,
_ (2 + 0
,7/2
3/2
f4 + (1 + X (1)
^ 3 s + 2
X I 1 -
phot(E) _ -»2 ^ - + 2
1 ln f 1 + sWs(2 + s)
2(s + 1)V s(2 + s) [1 + s - Vs(2 + s),
E r 2
где s =-2, E — энергия гамма-квантов, mec =
mec
e
= 0.511 МэВ — энергия покоя электрона, re = 2
mec
= 2.8 х 10-13'
см — классическии радиус электрона,
1
а =--постоянная тонкой структуры. Иссле-
137
дуемый композиционный материал состоит из атомов двух сортов — XI и Н. Используя (1), запишем коэффициент ослабления потока гамма-квантов за счет фотоэффекта:
М- phot = 4nre2« 4 Na
f
Z 5
Z Ti
P ^ + Ph Z5 Л
V ATi AH у
Gphot (EE). (2)
Выражение, описывающее сечения процесса комптоновского рассеяния гамма-кванта на электроне, имеет следующий вид:
Рис. 1. Вклад коэффициентов ослабления гамма-квантов в суммарный коэффициент ослабления.
тонного и нейтронного пучка в работе модельным материалом служила дробь гидрида титана Х1Н18 плотностью 3.8 г/см3.
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОСЛАБЛЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассмотрим процессы прохождения гамма-квантов энергии в диапазоне (0.5 < Е < 20 МэВ) через полученный полимерный композит Х1Н18 с
плотностью р = 3.8 —. Плотности титана и во-см3
дорода в рассматриваемом композите принимали
Хорошо
стс = 2nre х 1 + sf2(1 + б) _ ln(1 + 2s)
. s2 11 + 2s s
ln (1 + 2s) _ 1 + 3s
2s
(3)
+
(1 + 2 б)2
Запишем коэффициент ослабления потока гамма-квантов, проходящих через гидрид титана:
И с = Na | PTi ZTi + Ph zh k .
ATi
(4)
Выражение, описывающее сечения процесса образования электронно-позитронных пар при
энергии гамма-квантов в области 2тес2 < Е <
< 137тес г2имеет следующий вид:
a p = re aZ(Z + 1)
28 ln (2s)- 218 .9 27.
(5)
Коэффициент ослабления потока гамма-квантов за счет эффекта образования электронно-пози-тронных пар в исследуемом композитном материале при рассматриваемых энергиях имеет следующий вид:
И p = ¿aNa Ы ZTi (ZTi + 1) + Ph ^ ZhZH + 1)1 >
UT AH J (6)
28 ln (2s) - 218 _ 9 27 _
Суммарный коэффициент ослабления гамма-квантов в композите состоит из суммы коэффициентов ослабления от каждого процесса:
И = И phot + ^с + И p. (7)
На рис. 1—3 представлены кривые, полученные по формулам (2), (4), (6) и (7), которые демонстрируют зависимость коэффициентов ослабле-
ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОСЛАБЛЕНИЯ
23
ц, 1/см
Е, МэВ
Рис. 2. Суммарный коэффициент ослабления равен коэффициенту ослабления за счет комптоновского рассеяния.
ц, 1/см
Е, МэВ
Рис. 3. Вклад коэффициента ослабления за счет образования электронно-позитронных пар.
ния гамма-квантов от их энергии. На рисунках показан вклад коэффициента ослабления каждого процесса в суммарный коэффициент ослабления. Видно, что при интересующих нас значениях энергии гамма-квантов в интервале 0.2 < Е <12 МэВ основной вклад в ослабление пучка дает эффект Комптона, при Е > 12 МэВ — эффект образования электронно-позитронных пар.
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ
Рассчитаем зависимость коэффициента ослабления плотности потока нейтронов в исследуемом композите ТШ18 при энергии нейтронов 0.1 < Е < 5 МэВ. Такие нейтроны называют быстрыми, и их вклад в полное сечение взаимодействия нейтрона с ядрами определяется процессами упругого потенциального рассеяния и неупругого рассеяния. Упругое потенциальное рассеяние представляется как отражение падающей нейтронной волны от потенциальной ямы, возникающей за счет ядерного взаимодействия нейтрона с ядром. Сечение потенциального рассеяния для рассматриваемой энергетической области быстрых нейтронов примерно равно геометрическому сечению ядра, ^ ПЯ2. При неупругом рассеянии нейтронов часть его кинетической энергии передается ядру в виде энергии возбуждения. Необходимо отметить, что сечение неупругого рассеяния в рассматриваемой нами области энергии нейтронов становится заметным при Е ~ 1.5 МэВ. Начиная с энергии Е ~ ~ 3 МэВ у средних и тяжелых ядер сечение возрастает до значений порядка геометрического сече-
ния ядра ст81 ~ пЯ2, это составляет несколько барн. При росте энергии сечение неупругого рассеяния немного колеблется около пЯ2.
Смоделируем зависимость коэффициента ослабления потока быстрых нейтронов, проходящих через рассматриваемый композитный материал. На рис. 4 представлены кривые, описывающие полные сечения взаимодействия нейтрона с атомами водорода и титана при различных энергиях. Кривые построены при аппроксимации
Рис. 4. Полные сечения взаимодействия нейтрона с атомами водорода и титана.
ц, 1/см 1.0
5
Е, МэВ
Рис. 5. Линейный коэффициент ослабления потока нейтронов в исследуемом композите. Вклад каждого вещества в суммарный коэффициент ослабления.
TiHi
0.1
45
Е, МэВ
Рис. 6. Зависимость длины свободного пробега нейтронов между столкновениями от его энергии.
экспериментальных данных [7, 8]. Для исследуемого композита гидрида титана линейный коэффициент ослабления потока нейтронов имеет следующий вид:
И „ = N |PTi Стт +PH ан |.
(8)
Используя сечения, представленные на рис. 4, построим по формуле (8) кривые, описывающие зависимость коэффициента ослабления потока нейтронов проходящего через гидрид титана. Из рис. 5 следует, что, несмотря на низкую плотность водорода в исследуемом композите (3.61%), вклад в коэффициент ослабления потока нейтронов водорода подавляющий. Это связано с большой концентрацией водорода, а также с тем, что большая кинетическая энергия передается менее легким ядрам, чем тяжелым.
На рис. 6 приведена кривая, демонстрирующая зависимость длины свободного пробега нейтронов между столкновениями X п = — от энергии
И п
нейтронов в исследуемом композите.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе представлены расчеты коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучка при прохождении через поверхность гидрида титана ТШ18. Дана оценка основных характеристик радиационной защиты при прохождении излучения в исследуемых материалах (ослабление плотности потока нейтронов, 0.1 < Е < 5 МэВ; ослабление плотности потока гамма-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.