Abschirmung gegen Neutronenstrahlung

Beim Strahlenschutz gibt es drei Möglichkeiten, Menschen vor identifizierten Strahlenquellen zu schützen:

• Aufenthalt. Die Höhe der Strahlenexposition hängt direkt (linear) von der Zeit ab, die Menschen in der Nähe der Strahlungsquelle verbringen. Die Dosis kann durch Begrenzung der Expositionszeit reduziert werden .
• Abstand. Die Höhe der Strahlenexposition hängt von dem Abstand von der Strahlung ab. Ähnlich wie bei einer Hitze von einem Feuer ist die Intensität der Wärmestrahlung hoch, wenn Sie zu nahe sind, und Sie können sich verbrennen. Wenn Sie in der richtigen Entfernung sind, können Sie dort problemlos standhalten und es ist außerdem bequem. Wenn Sie zu weit von der Wärmequelle entfernt sind, kann Sie auch die Unzulänglichkeit der Wärme verletzen. Diese Analogie kann in gewissem Sinne auch auf Strahlung von Strahlungsquellen angewendet werden.
• Abschirmung. Wenn die Quelle zu intensiv ist und Zeit oder Entfernung keinen ausreichenden Strahlenschutz bieten, muss die Abschirmung verwendet werden. Strahlenschutz besteht normalerweise aus Barrieren aus Blei, Beton oder Wasser. Es gibt viele verschiedene Materialien, die zur Strahlenabschirmung verwendet werden können, aber es gibt viele verschiedene Situationen beim Strahlenschutz. Dies hängt stark von der Art der abzuschirmenden Strahlung, ihrer Energie und vielen anderen Parametern ab. Zum Beispiel kann sogar abgereichertes Uran als guter Schutz vor Gammastrahlung verwendet werden, andererseits ist Uran eine absolut ungeeignete Abschirmung von Neutronenstrahlung.

Prinzipien der Neutronenabschirmung

Die besten Materialien zur Abschirmung von Neutronen müssen in der Lage sein:

• Verlangsamen Sie Neutronen  (das gleiche Prinzip wie die Neutronenmoderation ). Der erste Punkt kann nur durch Material erfüllt werden, das leichte Atome (z. B. Wasserstoffatome) wie Wasser, Polyethylen und Beton enthält. Der Kern eines Wasserstoffkerns enthält nur ein Proton. Da ein Proton und ein Neutron nahezu identische Massen haben , streut ein Neutronauf einem Wasserstoffkern kann einen großen Teil seiner Energie abgeben (sogar die gesamte kinetische Energie eines Neutrons kann nach einer Kollision auf ein Proton übertragen werden). Dies ähnelt einem Billard. Da eine Spielkugel und eine andere Billardkugel identische Massen haben, kann die Spielkugel, die auf eine andere Kugel trifft, zum Anhalten gebracht werden, und die andere Kugel beginnt sich mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen. Wenn andererseits ein Tischtennisball gegen eine Bowlingkugel geworfen wird (Neutron gegen schweren Kern), prallt der Tischtennisball mit sehr geringer Geschwindigkeitsänderung ab, nur mit einer Richtungsänderung. Daher ist Blei für die Blockierung der Neutronenstrahlung ziemlich unwirksam, da Neutronen ungeladen sind und einfach durch dichte Materialien gelangen können.

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  Absorbiere dieses langsame Neutron. Thermische Neutronen kann leicht durch Einfang in Materialien mit hoher absorbiert wird Neutroneneinfang Querschnitt (tausende Barns) wie Bor , Lithium oder Cadmium . Im Allgemeinen reicht nur eine dünne Schicht eines solchen Absorbers aus, um thermische Neutronen abzuschirmen. Wasserstoff (in Form von Wasser), mit dem Neutronen verlangsamt werden können, hat einen Absorptionsquerschnitt von 0,3 Scheunen. Dies ist nicht ausreichend, aber diese Unzulänglichkeit kann durch eine ausreichende Dicke des Wasserschutzes ausgeglichen werden.

• Abschirmung die begleitende Strahlung ab . Im Falle eines Cadmiumschildes geht die Absorption von Neutronen mit einer starken Emission von Gammastrahlen einher . Daher ist eine zusätzliche Abschirmung erforderlich , um die Gammastrahlen abzuschwächen . Dieses Phänomen existiert für Lithium praktisch nicht und ist für Bor als Neutronenabsorptionsmaterial viel weniger wichtig. Aus diesem Grund werden borhaltige Materialien häufig in Neutronenschilden verwendet. Darüber hinaus ist Bor (in Form von Borsäure) in Wasser gut löslich, was diese Kombination zu einem sehr wirksamen Neutronenschild macht.

Wasser als Neutronenabschirmung

Wasser ist aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts und der Verfügbarkeit eine wirksame und übliche Neutronenabschirmung . Aufgrund der geringen Atomzahl von Wasserstoff und Sauerstoff ist Wasser jedoch kein akzeptabler Schutz gegen die Gammastrahlen. Andererseits kann dieser Nachteil (geringe Dichte) in einigen Fällen durch eine hohe Dicke des Wasserschildes ausgeglichen werden. Im Fall von Neutronen moderiert Wasser Neutronen perfekt, aber bei Absorption von Neutronen durch Wasserstoffkern werden sekundäre Gammastrahlen mit der hohen Energie erzeugt. Diese Gammastrahlen dringen stark in die Materie ein und können daher die Anforderungen an die Dicke des Wasserschilds erhöhen. Zugabe einer Borsäure kann bei diesem Problem helfen (Neutronenabsorption an Borkernen ohne starke Gamma-Emission), führt jedoch zu weiteren Problemen bei der Korrosion von Baumaterialien.

Beton als Neutronenabschirmung

Die in vielen Bereichen der Nuklearwissenschaft und -technik am häufigsten verwendete Neutronenabschirmung ist die Abschirmung aus Beton. Beton ist ebenfalls wasserstoffhaltiges Material, hat jedoch im Gegensatz zu Wasser eine höhere Dichte ( geeignet für die sekundäre Gamma-Abschirmung ) und benötigt keine Wartung. Da Beton eine Mischung aus verschiedenen Materialien ist, ist seine Zusammensetzung nicht konstant. Wenn man Beton als Neutronenschutzmaterial bezeichnet, sollte das in seiner Zusammensetzung verwendete Material korrekt angegeben werden. Im Allgemeinen wird Beton in „normalen“ Beton und „schweren“ Beton unterteilt. Schwerer Beton verwendet schwere natürliche Zuschlagstoffewie Baryte (Bariumsulfat) oder Magnetit oder hergestellte Aggregate wie Eisen, Stahlkugeln, Stahlstempel oder andere Additive. Aufgrund dieser Zusätze hat schwerer Beton eine höhere Dichte als gewöhnlicher Beton (~ 2300 kg / m ³ ). Sehr schwerer Beton kann mit Eisenzusätzen eine Dichte von bis zu 5.900 kg / m ³ oder mit Bleizusätzen eine Dichte von bis zu 8900 kg / m ^{3 erreichen} . Schwerer Beton bietet einen sehr wirksamen Schutz gegen Neutronen.