Номер 5, страница 246 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Что применяется в системе биологической защиты от потока нейтронов и $\gamma$-излучения, возникающих в реакторе?

Система биологической защиты ядерного реактора предназначена для ослабления интенсивности ионизирующих излучений до уровня, безопасного для персонала и окружающей среды. В реакторе основными видами проникающего излучения являются нейтроны и гамма-кванты ($\gamma$-кванты). Поскольку механизмы их взаимодействия с веществом различны, для эффективной защиты используют комбинацию материалов, образующих многослойный барьер.

Защита от потока нейтронов

Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому для их ослабления используется двухступенчатый процесс: замедление и поглощение.

• Замедление: Быстрые нейтроны наиболее эффективно теряют энергию при упругих столкновениях с легкими ядрами, в первую очередь с ядрами водорода (протонами). Поэтому в качестве замедлителей применяют водородосодержащие материалы: воду ($H_2O$), тяжелую воду ($D_2O$), бетон (содержит химически связанную воду), полиэтилен, графит.
• Поглощение: После замедления до тепловых энергий нейтроны эффективно поглощаются ядрами некоторых элементов, имеющих большое сечение радиационного захвата. Для этого в состав защиты вводят бор (часто в виде карбида бора $B_4C$ или в составе бетона) или кадмий ($Cd$). При захвате нейтрона ядром бора происходит реакция ${}^{10}B + n \rightarrow {}^7Li + \alpha$. Эта реакция выгодна тем, что в ней не образуются высокоэнергетические гамма-кванты, в отличие от реакции захвата нейтрона многими другими материалами (например, кадмием или железом).

Защита от $\gamma$-излучения

Гамма-излучение (поток высокоэнергетических фотонов) хорошо поглощается материалами с большим атомным номером (Z) и высокой плотностью. Основные процессы взаимодействия — фотоэлектрическое поглощение и образование электрон-позитронных пар, вероятность которых растет с увеличением Z. В качестве защиты от $\gamma$-квантов используют:

• Тяжелые металлы: свинец ($Pb$), сталь, чугун, вольфрам ($W$).
• Тяжелый бетон: бетон, в котором в качестве заполнителя используются материалы высокой плотности, например, барит, гематит или стальная дробь.

Комбинированная (композитная) защита

На практике биологическая защита является многослойной конструкцией, где материалы расположены в оптимальной последовательности. Типичная защита стационарного реактора — это толстая стена из специального железобетона, который является универсальным и экономически выгодным решением. Он сочетает в себе:

• Воду в своем составе (цементный камень) для замедления нейтронов.
• Легкие и средние ядра (Si, O, Ca) для дальнейшего ослабления излучения.
• Тяжелые заполнители (при необходимости) для поглощения $\gamma$-квантов.
• Добавки бора для поглощения тепловых нейтронов.
• Стальную арматуру, которая также вносит вклад в ослабление $\gamma$-излучения.

Таким образом, защита представляет собой гетерогенную среду, где слои воды, бетона и стали чередуются для эффективного ослабления как потока нейтронов, так и первичного и вторичного (возникающего при захвате нейтронов) $\gamma$-излучения.

Ответ: В системе биологической защиты от потока нейтронов и $\gamma$-излучения применяются многослойные композитные барьеры. Для защиты от нейтронов используются водородосодержащие материалы (вода, бетон) для их замедления и материалы с большим сечением поглощения (бор, кадмий) для захвата. Для защиты от $\gamma$-излучения применяются материалы с высокой плотностью и большим атомным номером (свинец, сталь, тяжелый бетон). Чаще всего в стационарных реакторах используется толстый слой воды и/или специального железобетона, который эффективно ослабляет оба вида излучения.