Лекция 11. Защита от протяженных источников. Захватное излучение реактора

В большинстве объемных радиоактивных источников происходит процесс поглощения и рассеяния фотонов материала самого источника. Этот процесс существенно изменяет функционал поля излучения как внутри, так и за пределами источника. Рассмотрим один из приближенных способов учета рассеянного фотонного излучения в материале источника и защиты, называемый метод лучевого анализа.

Суть метода состоит в том, что источник гамма-излучения представляют суперпозицией точечных источников, рассматривают один из таких точечных источников и анализируют ослабление плотности потока или мощности дозы гамма-излучения вдоль луча, соединяющего источник с точкой наблюдения, рис. 12.

Рис. 12. Схема лучевого анализа при расчете защиты от объемного источника излучения.

Рассмотрим объемный источник гамма-излучения с равномерно распределенной удельной активностью q. Энергетический спектр гамма-квантов может быть линейчатым или сплошным. Разбивая спектр на группы, для плотности потока гамма-квантов с энергией E_i запишем выражение

(4.25)

где — нормировочный множитель, зависящий от вида источника (его спектра) и системы единиц; и — линейные коэффициенты ослабления гамма-квантов с энергией Е_i в материале источника и защиты соответственно; и — числовые факторы накопления рассеянного излучения в источнике и защите соответственно.

Если источник прозрачен для собственных гамма-квантов, то соответствующие сомножители в формуле (4.25) опускают. Если толщина защиты больше (2 – 3) μd, то вкладом рассеянного гамма-излучения в источнике можно пренебречь и формула (4.25) упрощается

(4.26)

.

Полную плотность потока гамма-квантов с энергией E_i в точке А определяют интегрированием по всему объему источника. Проводя аналогичные расчеты для всех групп гамма-излучения, можно определить мощность дозы гамма-излучения за защитой

(4.27)

.

Отметим, что выражение (4.26) можно сразу написать для мощности дозы, если известны дозовые факторы накопления для материалов защиты и источника. Если защита многослойная, то формула (4.26) принципиально не меняет своего вида, но для описания накопления рассеянного гамма-излучения вдоль луча r_и+r_з используют формулу (4.24). В принципе формулой (4.24) следует пользоваться и в случае, показанном на рис.12, так как источник отделен от точки А двухслойной защитой: 1-ый слой толщиной r_и, а второй — r_з. при интегрировании выражения (4.26) факторы накопления удобно представить в виде (4.19).

Захватное гамма-излучение в защите образуется в результате (n,γ)-реакций, а сама защита становится источником гамма-квантов. Оно может вносить заметный вклад в суммарную мощность дозы за защитой реактора. Известно, что мощность дозы гамма-излучения за защитой реактора из бетона определяется именно захватным гамма-излучением.

Количество захватных гамма-квантов с энергией E_j, образующихся в объеме dV определяется соотношением

(4.28)

,

где — плотность потока нейтронов, вызвавших (n,γ)-реакцию в объеме dV; — сечение (макроскопическое) реакции (n,γ) на ядрах i ‑ го элемента материала защиты; — выход гамма-квантов с энергией E_j в (n,γ)-реакции на ядрах i -го элемента.

Расчет функционалов поля (дозы или плотности потока) за защитой выполняют в групповом приближении (по отношению к энергии захватных гамма-квантов) отдельно для каждого элемента, входящего в состав материала защиты. Мощность дозы захватного гамма-излучения с энергией E_j, образовавшихся на ядрах i - го элемента за защитой, определяется выражением

(4.29)

где r — расстояние от элемента объема dV до точки наблюдения; V — объем защиты.

Сечение радиационного захвата Σ_nγ с увеличением энергии нейтронов резко убывает, поэтому в (4.29) энергетическую зависимость можно исключить и рассматривать образование захватного гамма-излучения только благодаря поглощению тепловых нейтронов. Соотношение (4.29) тогда можно переписать так

(4.30)

где Ф_Т — плотность потока тепловых нейтронов в точке с координатой r. Вычислив мощность дозы в выражении (4.30) для всех n-групп гамма-квантов и всех К — элементов, входящих в состав защиты, полную мощность дозы захватного гамма-излучения за защитой (в точке наблюдения А), находят из соотношения

(4.31)

.

Обычно задача о нахождении мощности дозы захватного гамма-излучения за защитой решается с помощью ЭВМ. Известны даже программы для решения рассмотренной задачи ГАМА-3, и др