Основные теоретические сведения

 

Замедляющей средой или замедлителем является материал, предназначенный для снижения энергии нейтронов без заметного их поглощения. Необходимость применения таких материалов в ядерной технике связано с тем, что процесс деления в основном вызывается нейтронами с энергией меньше 1 эВ. Одним из основных требований, предъявляемых к материалам замедлителя, является низкое значение сечения поглощения нейтронов, однако, полностью исключить процесс поглощения ядрами замедлителя нельзя. Cвязано это с тем, что при малых значениях микроскопического сечения поглощения замедлителя его концентрация и занимаемый объем в активной зоне реактора большой.

В ядерной технике замедляющие среды используются в качестве материала отражателя. Распределение плотности потока быстрых и тепловых нейтронов в активной зоне и отражателе представлено на рисунке 3.1.

 

Рис. 3.1. Распределение плотности потока быстрых и тепловых нейтронов

в активной зоне и отражателе

 

Материал отражателя имеет низкое значение сечения поглощения тепловых нейтронов и высокую замедляющую способность, что приводит к резкому снижению плотности потока быстрых нейтронов (за счет процесса замедления) и всплеску потока тепловых нейтронов. Дальнейшее снижение потока тепловых нейтронов обусловлено процессами поглощения и утечкой нейтронов через внешнюю поверхность отражателя.

Геометрический фактор ослабления плотностей тока и потока нейтронов. Рассмотрим случай №1, когда в вакууме находится точечный источник тепловых нейтронов и определим характер зависимости плотности потока нейтронов (Ф, см^-2∙с^-1) с расстоянием. Точечным считается источник тогда, когда его характерный размер много меньше расстояния от источника излучения до детектора. В данном случае, отсутствуют процессы поглощения и замедления нейтронов, поэтому баланс нейтронов будет выглядеть следующим образом:

, (3.1)

т. е. выход нейтронного источника (S, c^-1) равен числу нейтронов, пересекающих поверхность сферы () любого радиуса (r, см) в единицу времени (рис. 3.2).

Из соотношения (3.1) видно, что плотность потока нейтронов спадает пропорционально квадрату расстояния от источника излучения до детектора:

. (3.2)

 

Рис. 3.2. Баланс нейтронов для точечного источника тепловых нейтронов в отсутствие поглощения в среде

 

Необходимо отметить, что при расчетный результат не имеет физического смысла, это вызвано «точечным приближением», в котором рассматривается источник. В действительности источник имеет определенные размеры. Поэтому, либо систему отсчета расстояния необходимо вести от центра источника излучения , либо значение плотности потока нейтронов при принимается равным выходу нейтронного источника в единицах измерения плотности потока нейтронов, т. е.

. (3.3)

Определим значение плотности тока тепловых нейтронов, вектор которого направлен в сторону меньшей плотности нейтронов и равен алгебраической сумме числа нейтронов, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную выбранному направлению.

Материальный фактор ослабления плотностей тока и потока нейтронов. Рассмотрим случай №2, когда на сильно поглощающую среду () падает плоско параллельный поток тепловых нейтронов (рис. 3.3). В данном случае, отсутствует только процесс замедления, а снижение значения плотности потока нейтронов происходит за счет поглощения нейтронов. В дифференциальной форме закон ослабления плотности потока нейтронов запишется в виде:

, (3.4)

где , – микро- (см²) и макроскопическое (см^-1) сечение поглощения среды, соответственно; N – концентрация ядер среды, см^-3.

 

Рис. 3.3. Геометрия падения плоско параллельного потока нейтронов

на вещество

 

Решением дифференциального уравнения (3.4) будет:

, (3.5)

где Ф ₀ – значение плотности потока нейтронов в точке ; – средняя длина свободного пробега нейтрона до поглощения.

Учет геометрического и материального факторов приводит к обобщенному закону ослабления плотности потока нейтронов:

. (3.6)

Соотношение (3.6) позволяет по экспериментально измеренному распределению потока нейтронов определить значение макроскопического сечения или среднюю длину свободного пробега нейтрона до поглощения. Необходимо отметить, что оба представленных случая рассматривают:

– поток нейтронов, который в процессе взаимодействия не изменяет своего направления. Однако в блоке замедлителя преимущественно протекает процесс рассеяния и, следовательно, наблюдается диффузионный поток нейтронов;

– бесконечную среду и не учитывают утечку нейтронов через поверхность блока замедлителя;

– источник тепловых нейтронов и не учитывают процесс замедления нейтронов до энергии теплового равновесия со средой.