Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 8, стр. 1094-1097

ВВЕДЕНИЕ

При разработке системы радиационной защиты и замедлителя нейтронов для Pu-Be-источника нейтронов необходимо знать его спектр. Экспериментальные спектры таких источников приводятся во многих работах (см. [1, 2]) и всегда несколько отличаются друг от друга. Источники имеют непрерывный нейтронный спектр от примерно 1 кэВ до 10.5 МэВ, нейтроны излучаются в 4π-геометрии, а присутствие вокруг измерительной аппаратуры, контейнера, мебели, строительных конструкций (стен, перекрытий) существенно искажает спектр. Выходом из такой ситуации является времяпролетная методика, которая позволяет регистрировать нейтроны селективно, как по энергиям, так и по направлению, но в нашем распоряжении такой аппаратуры не было.

Поток нейтронов от радиоактивного источника зависит от энергии первичных альфа-частиц, количества примесей, размера зерен диоксида плутония и других технологических факторов. Моделирование Pu-Be-источника было выполнено в [3] в соответствии с заводской спецификацией. Для расчетов использовалась программа PhiTs версии 3.10 [4]. PhiTs – это программный пакет для моделирования переноса заряженных частиц, нейтронов, гамма-квантов и тяжелых ионов методом Монте-Карло. Ядро пакета использует код NMTC/JAM. Характер расчетного спектра, так же зависит от размера зерен диоксида плутония (рис. 1). В данной работе ставилось две задачи. Во-первых, тестирование кода PhiTs, который еще не очень хорошо известен в России. Вторая цель заключалась в определении экспериментального спектра источника Pu-Be и утверждении предыдущего расчета. Расчетным путем была обнаружена зависимость количества частиц, регистрируемых детектором, от концентрации бора в поглотителе. Это обсуждается ниже в части 3.

Рис. 1.

Нейтронный спектр из работы [3]. Сплошная линия – зерна диоксида плутония размером 5.6 мкм, линия с точками – зерна диоксида плутония размером 5.0 мкм.

1. ЭКСПЕРИМЕНТ

1.2. Измерения

Было проведено несколько экспериментов с различными конфигурациями термолизаторов. Опишем некоторые из них. Мы использовали С‑образные элементы сборной защиты с маркировкой С3 и С0, борированный полиэтиленовый лист. С3 содержит 3.5% бора, С0 не содержит бора. Из блоков С0 и С3 было смонтировано два блока 300 × 300 × 80 мм, размещенных на месте стандартной крышки контейнера.

В данной работе мы рассмотрим следующую геометрическую конфигурацию:

1) детектор находится на пяти различных расстояниях от крышки С0;

2) детектор находится на расстоянии 92 мм от крышки С3;

3) между крышкой С3 и детектором помещен блок из С0;

4) крышка отсутствует;

5) борированный полиэтиленовый лист помещают между термолизатором и детектором.

Рис. 2.

Экспериментальная установка. 1 – термолизатор, 2 – контейнер, 3 – источник, 4 – счетчик СНМ-50, 5 – предусилитель, 6 – низковольтное питание, 7 – высоковольтное питание, 8 – цифровой счетчик, 9 – спектрометрический усилитель.

Мы записали амплитудные спектры для всех измерений. Время экспозиции было одинаковым во всех экспериментах, мы контролировали скорость счета до и после измерений. Резких сдвигов в скорости счета мы не наблюдали. Все амплитудные спектры, полученные в результате, были идентичны и отличались только амплитудой, форма спектров не менялась. Для определения фона мы помещали полиэтиленовые листы между источником и детектором до тех пор, пока скорость счета не перестала меняться. Соответствующее число мы приняли в качестве фона. Поскольку единственным значимым параметром измерений оставалась скорость счета, мы повторили некоторые эксперименты с цифровым счетчиком (без анализатора импульсов).

2. ВЫЧИСЛЕНИЯ

Окончательно расчет производился в системе кода PhiTs версии 3.10. Была описана геометрия соответствующего экспериментального стенда. Вычитая значение фона из экспериментальных данных, мы учитывали рассеяние в бетоне стен и на мебели.

Мы поместили в модели цилиндр с размерами, соответствующими размерам счетчика СНМ-50, заполнив его газами, и произвели расчет. Затем убрали его и повторили расчеты еще раз. Мы предположили, что при определенных условиях (неизменном стартовом случайном числе) разность между количествами нейтронов, выходящих из системы во втором и первом случае, равна числу нейтронов, зарегистрированных детектором. Способ, предложенный в руководстве программного пакета, несколько иной, чем мы использовали, но наш путь кажется авторам более “физичным”. Полученное число делится на эффективность детектора и умножается на коэффициент F, где F – поправочный коэффициент, учитывающий разность отсчетов АЦП и цифрового счетчика. Для расчета эффективности детектора были использованы данные из [3] и другие результаты¹¹. Полную эффективность можно разделить на два фактора. Первый фактор зависит от поперечного сечения реакции ³He + n, а второй – от эффективности регистрации событий в газе. Полная эффективность регистрации тепловых нейтронов составляет 59% [3]. Из [5] мы знаем, что два СНМ-50, стоящих на нейтронном тепловом пучке один за другим, дают соотношение интенсивности 85 : 15. Таким образом, мы должны умножить вычисленные данные на 0.72 (приблизительно).

Поскольку спектр из работы [3] очень сложный, он был упрощен до двадцати групп, получаемых путем усреднения.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В эксперименте мы использовали борные и кадмиевые фильтры, чтобы изменять форму амплитудных спектров, но это не удалось. Поэтому мы отказались от сравнения амплитудных спектров пропорционального счетчика и расчетного распределения энергии, а использовали только общую скорость счета импульсов после различных фильтров и замедлителей. Результаты приведены в табл. 1.

Так же были произведены измерения с использованием позиционно-чувствительного ³He-наполненного детектора производства ПИЯФ (60 × 60 см), как с целью поверки PHiTs, так и в рамках подготовки детектора к запуску реактора ПИК. В этих измерениях не удалось добиться контрастного 2-D изображения, которое можно было бы однозначно сравнивать с расчетом (из-за сильного рассеяния нейтронов в помещении и нестабильной работы детектора), хотя качественно результаты моделирования соответствовали наблюдаемым изображениям.

Можно сделать следующие выводы:

а) соответствие расчета эксперименту удовлетворительное для программ такого типа;

б) данная экспериментальная установка не подходит для подтверждения распределения энергии из [3].

Полученные расчеты качественно описывают эксперимент, но не удалось получить хорошего количественного согласия. Одна из причин заключается в составе материалов, который в точности не известен и может содержать некоторое количество поглотителя нейтронов, не учтенного в модели. Тем не менее, некоторые данные табл. 1 дают основания для более тщательно исследования соответствия используемого в пакете сечения поглощения бора и экспериментальных результатов.

В ходе расчетов, связанных с моделированием эксперимента, было обнаружено, что число нейтронов, покинувших систему, в зависимости от концентрации бора имеет насыщение, и мы решили это проверить отдельным расчетом. Результаты приведены в табл. 2. Мы можем видеть максимальное поглощение при содержании бора в полиэтилене на уровне 2–4%. Далее число нейтронов, покидающих систему, увеличивается при увеличении концентрации бора, т.е. поглощение уменьшается (за счет нейтронов высоких энергий). Выяснить, имеет ли это физическую причину, или это особенность программного пакета, можно при помощи эксперимента с детектором, позволяющим регистрировать быстрые нейтроны, либо в эксперименте на синхроциклотроне (установка ГНЕЙС), где есть временная отметка начала измерений, и можно использовать времяпролетную методику.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы: а) использован достаточно надежный способ моделирования детектора; б) совпадение результатов данного эксперимента и расчетов зависит только от средневзвешенной энергии нейтронов, а не от распределения их по энергиям; в) для подтверждения спектра Pu-Be-источника необходим детектор быстрых нейтронов, и такой эксперимент планируется; г) концентрация бора в защите имеет значение, близкое к оптимальному.

Авторы выражают благодарность за помощь в работе с программным пакетом PhiTs: сотруднику ПИЯФ М.С. Онегину и доктору Т. Фуруте.