transport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 1. wstęp
Transkrypt
transport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 1. wstęp
BIULETYN I N F O R M A C Y J N Y INSTYTUTU TECHNIKI POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ CIEPLNEJ 1980 Nr 57 Janusz Adamski Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej TRANSPORT NEUTRONÓW I FOTONÓW G A M M A W POWIETRZU W pracy poddano a n a l i z i e t r a n s p o r t neutronów i fotonów gamma w p o w i e t r z u w u j ę c i u jednowymiarowym. Uwzględniono t r z y r o d z a j e ź r ó d ł a promieniowania jądrowego. Przeanalizow, d l w Ł p o c h ł o n i ę t e w f u n k c j i o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a , ^ k o n a n o porównanie wyników o b l i c z e ń własnych przy pomocy Programu AKIS1 z wynikami o b l i c z e ń otrzymanymi przez k i l k u autorów. 1. WSTĘP W b a d a n i a c h nad skutkami wybuchów jądrowych, termojądro- wych i pocisków neutronowych r o z p a t r u j e s i ę zazwyczaj t r z y r o d z a j e ź r ó d e ł promieniowania jądrowego: a ) ź r ó d ł o rozszczepieniowe [i], b ) ź r ó d ł o termojądrowe [ i ] » c ) ź r ó d ł o neutronów monoenergetycznych 14 MeV. Otrzymywane w wyniku badań numerycznych r o z k ł a d y energet y c z n e s t r u m i e n i neutronów i fotonów gamma w p o w i e t r z u r ó ż n i ą s i ę , gdyż a u t o r z y s t o s u j ą odmienne b i b l i o t e k i danych jądrowych i różne widma energetyczne ź r ó d e ł . W konsekwencji dotyczy t o również podawanych dawek p o c h ł o n i ę t y c h w f u n k c j i odległości od ź r ó d ł a . N i e z a l e ż n i e jednak od r ó ż n i c i l o ś c i o w y c h występuj ą pewne prawidłowości spotykane prawie u w s z y s t k i c h autorów, co Zdaniem a u t o r a j e s t godne omówienia. J.Adamski 20 2. WIDMA ENERGETYCZNE STRUMIENIA NEUTRONÓW WYTWARZANE PRZEZ RÓŻNE TYPY ŹRÓDEŁ Pierwszym elementem niepewności podczas wyznaczania r o z k ł a d u energetycznego s t r u m i e n i a neutronów w p o w i e t r z u jest dosyć dowolne przyjmowanie k s z t a ł t u widma neutronów ź r ó d ł a , gdyż b r a k j e s t wiarygodnych danych co do c h a r a k t e r u samego ź r ó d ł a . W przypadku a n a l i z y wybuchu jądrowego z a k ł a d a s i ę zazwyczaj, i ż j e s t t o widmo odpowiadające widmu r o z s z c z e p i e n i o - wemu w r e a k t o r a c h jądrowych. Większość autorów opracowań s t o s u j e widmo podane w r a p o r c i e ORNL 4464 pokazane na r y s . 1 , z a w i e r a j ą c e s i ę w p r ż e d z i a l e od około MeV do k i l k u MeV. Dla wybuchu termojądrowego ś r e d n i e j mocy z a k ł a d a s i ę zaz w y c z a j , i ż widmo neutronów pierwotnych s k ł a d a s i ę z około 83% neutronów r o z s z c z e p i e n i o w y c h i około 17% neutronów pręd- k i c h w p r z e d z i a l e e n e r g i i od 12 do 16 MeV. Skład procentowy może u l e g a ć zmianie w z a l e ż n o ś c i od mocy wybuchu i konstrukcji bomby. Ha r y s . 1 pokazano przyjmowane n a j c z ę ś c i e j widmo neutronów ź r ó d ł a termojądrowego [ i ] . Podczas o b l i c z e ń stosowano wył ą c z n i e widma energetyczne zamieszczone w r a p o r c i e 0RNL-4464 Wybór b i b l i o t e k i przekrojów czynnych oraz metody o b l i c z e ń stanowi d r u g i e ź r ó d ł o niepewności w ocenie r o z k ł a d u energetycznego s t r u m i e n i a neutronów w p o w i e t r z u . Podczas o b l i c z e ń k o r z y s t a n o z b i b l i o t e k i danych jądrowych CASK IV d l a 22 grup e n e r g i i neutronów i 18 grup e n e r g i i fotonów gamma. Do o b l i c z e ń r o z k ł a d u energetycznego s t r u m i e n i a neutronów i fotonów gamma w p o w i e t r z u wykorzystano jednowymiarowy pro- gram ANISN [ б ] . Wyniki o b l i c z e ń porównano z danymi publikowanymi w l i t e r a t u r z e przez k i l k u autorów. Na r y s . 2 pofezano widmo energetyczne s t r u m i e n i a nów, pochodzące od t r z e c h rodzajów ź r ó d e ł neutronów, przez Suchoruczkina [V], Sandmeiera [4] i neutrouzyskane Karсhera [3] d l a r ó ż n y c h o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a . J a k widać na o d l e g ł o ś c i około 5 300 m od ź r ó d ł a neutronów do e n e r g i i około 10 eV przeważa s t r u m i e ń neutronów pochodzący od ź r ó d ł a termojądrowego, dla 21 iüiranaport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 1 1 -1 S [M«V - · S ] 10 10 \ 10 r~1 ι 10 EjMev] 10 -1 'l 2 3 • źródło źródło 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 rozszczepieniowe termojądrowe R y s . 1 . Widmo neutronów eonów źżrróóddłłai rozszczepieniowego i t e r moudro•*' " według * ттОт L * J wego ORNb-4464 e n e r g i i powyżej 10 5 eV zaczyna przeważać strumień pochodzący od ź r ó d ł a 14 MeV. W o d l e g ł o ś c i około 1800 n od ź r ó d ł a w całym zakresie e n e r g i i przeważa strumień neutronów pochodzący od ź r ó d ł a 14 MeV. Neutrony pochodzące ze ź r ó d ł a 14 MeV muszą przebyć pewną drogę w powietrzu by ulec spowolnieniu, stąd u d z i a ł neutronów o n i e w i e l k i e j e n e r g i i w s t r u m i e n i u w p o b l i ż u 22 J.Adamski Rys.2. Widmo neutronów w powietrzu d l a różnych o d l e g ł o ś c i źródła od iüiranaport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 23 ź r ó d ł a j e s t mniejszy od u d z i a ł u wnoszonego przez ź r ó d ł o termojądrowe i rozszczepieniowe, które e m i t u j ą neutrony o różnych energiach.2 o4jrR -0n/E/ [βν"*·3"1/1 neutron źródła] 106 JO7 Ε [ev] Rys.3. Widmo neutronów w powietrzu d l a różnych odległości od ź r ó d ł a . Według Strakera [1] ORNb-4464. Neutrony pochodzące ze ź r ó d ł a 14 MeV i termojądrowego. Porównanie wyników obliczeń programem ANISN z wynikami podanymi przez Strakera w raporcie ORNL 4464 Na r y s . 3 i r y s . 4 przedstawiono wyniki obliczeń przy pomocy programu ANISN i wyniki o b l i c z e ń uzyskane przez Strakera 24 J.Adamski [ 1 ] . Porównano widmo energetyczne strumienia neutronów d l a t r z e c h różnych o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a termojądrowego i ź r ó d ł a 14 MeV. Do o b l i c z e ń p r z y j ę t o widmo neutronów ź r ó d ł a termoją- iüiranaport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 25 drowego z r a p o r t u ORNb-4464. Jak widać uzyskano dobrą zgodność wyników w stosunku do o b l i c z e ń Strakera. Obliczenia przeprowadzono w p r z y b l i ż e n i u P-3 d l a S^g, 140 s t r e f , współczynniku o d b i c i a 0 , 5 i mieszaniny t l e n u z azotem. Dla trzech o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a 500 m, 1000 m i 2000 m występuje wyraźne maksimum strumienia neutronów leżące w zakresie e n e r g i i od 5·10^ do 1 0 5 eV. Występuje również podana uprzednio prawidłowość, i ż w p o b l i ż u ź r ó d ł a , w zakresie niższych, e n e r g i i , przeważają neutrony pochodzące od ź r ó d ł a termojądrowego, Niemnie w o d l e g ł o ś c i większej a n i ż e l i 500 m przeważa wyraźnie strumień pochodzący od ź r ó d ł a 14 MeV i t o d l a całego zakresu e n e r g i i neutronów. 3. OCENA WIELKOŚCI DAWEK POCHŁONIĘTYCH I DAWEK BIOLOGICZNYCH Dawki pochłonięte wyznacza s i ę z z a l e ż n o ś c i D(r) = Ν SDi( i =1 N r G > = i > i =1 gdzie: 0^(E) - strumień neutronów w grupie i - t e j w odległości od ź r ó d ł a » r Gj^ - współczynnik przeliczeniowy dawki p o c h ł o n i ę t e j d l a grupy i - t e j , D.j_(r) - dawka p o c h ł o n i ę t a w odległości r w grupie i - t e j . Dáwka p o c h ł o n i ę t a w o d l e g ł o ś c i r od ź r ó d ł a j e s t sumą dawek grupowych» Podobnie dawkę b i o l o g i c z n ą w o d l e g ł o ś c i г od ź r ó d ł a wyznacza s i ę z z a l e ż n o ś c i B D (r) = л · gdzie N Σ Di(r> i=1 QPŁ oznacza współczynnik przeliczeniowy dawki b i o l o g i c z n e j w grupie i - t e j J.Adamski 26 Dokładność wyznaczania dawek zależy zatem od dokładności z j a k ą jesteśmy w stanie wyznaczyć strumień neutronów w dan e j grupie e n e r g i i oraz od p r z y j ę t y c h współczynników przeliczeniowych dawek. W t a b l i c y 1 zestawiono współczynniki przeliczeniowe dawek d l a 22 grup e n e r g i i neutronów stosowane przez Hendersona [δ] i AtucLer-Snydera [7], a na r y s . 5 pokazano zmianę dawek w f u n k c j i e n e r g i i . W o b l i c z e n i a c h dawek skorzyGj/Е/ [rad. n"1 .cm -2 ] E[ev] OF. 12 10 8 6 *| J l E[eV] 1 10 100 10" 10* 10 10 10 8 10 Hys.5. Wartości współczynników przeliczeniowych dawki G i i QF. w f u n k c j i e n e r g i i . 7/edług Auxiera - Snydera [7] d l a 22 grup e n e r g i i neutronów iüiranaport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 27 Tablica 1 Wartości współczynników przeliczeniowych, dawki oraz współczynników QF d l a neutronów Nr grupy neutronów Μ Henderson [8] 1 2 15,00 +6 12,20 +6 3 4 10,00 +6 8,18 +6 6,36+6 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Współczynnik prze l i c ze niowy dawki Lrad.n - ' 1 . cm~2J Górny zakres e nergii 4,96 4,06 3,01 2,46 +6 +6 +6 +6 2,35 1,83 1,11 5,50 1,11 +6 +6 +6 +5 +5 3,35+3 17 18 "" 5,83 +2 1,01 +2 2,90 +1 19 20 21 22 1,07 +1 3,06 1,12 0,414 5,46 -9 5,13 4,48 4,61 4,44 I -9 -9 -9 -9 4,13 -9 4,01 -9 3,39 -9 3,15 -9 3,09 -9 2,64 -9 1,97 -9 1,12 -9 I QF AusLer-Snyder [7] 7,61 -9 6,68 -9 6,0 6,16 -9 6,5 6,6 6,8 5,87 -9 5,56 -9 5,15 4,55 4,03 3,83 -9 -9 -9 -9 3,74 -9 3,52 -9 2,92 -9 1,47 -9 5,21 -10 2,29 -10 0,00 4,95 -10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5,57 5,96 6,21 6,34 6,30 6,07 5,31 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 6,3 7,0 7,4 7,9 8,6 9,0 9,7 10,5 10,1 8,3 ^,з 2,0 2,4 2,1 2,4 2,6 2,8 3,0 stano ze współczynników przeliczeniowych, podanych przez Auxier-Snydera,coI pozwala porównać wyniki własnych obliczeń z wynikami podanymi przez Strakera [5]» Ná r y s . 6 podano wyniki uzyskane przez Strakera dla dwóch rodzajów ź r ó d e ł . Jak widać dawki pochodzące od ź r ó d ł a 14 MeV J.Adamski 28 są wyższe w całym zakresie o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a w porównaniu z dawkami pochodzącymi od ź r ó d ł a rozszczepieniowego. Dotyczy t o dawek pochodzących od neutronów, j a k i fotonów gamma. 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 32ОД R[m] Bys.6. Zależność dawki p o c h ł o n i ę t e j od o d l e g ł o ś c i d l a neutronów i fotonów gamma. Źródło rozszczepieniowe i ź r ó d ł o 14 MeV. Ośrodek nieskończony powietrze. ?/edług Strakera [5] Obserwuje s i ę również następną prawidłowość. W przypadku źród ł a 14 MeV do o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a około 1600 m przeważa dawka pochodząca od neutronów, natomiast w dalszych o d l e g ł o ś c i a c h od ź r ó d ł a przeważa dawka pochodząca od fotonów gamma. W przypadku ź r ó d ł a rozszczepieniowego obserwuje s i ę t ę samą prawidłowość, z tym że o d l e g ł o ś ć , na k t ó r e j zaczyna przeważać dawka od fotonów gamma wynosi około 2300 m. iüiranaport neutronów i fotonów gamma w powietrzu 29 Bys.7. Zależność dawki p o c h ł o n i ę t e j od odległości dla neutronow. Program AMISN, P-3, S-16, IM-140, albedo-0,5, (0 + N) 29 J.Adamski Í D x 4 * R 2 [rad.cm 2 na 1 neutron źródła] Rys.8. Zależność dawki p o c h ł o n i ę t e j d l a neutronów i promienio^ wania gamma, ź r ó d ł o 14-MeV 'Transport neutronów 1 fotonów gamma w powietrzu 31 Na r y s . 7 pokazano wyniki własnych obliczeń dawki pochłon i ę t e j d l a trzech rodzajów ź r ó d e ł . Przedstawiono dawki poc h ł o n i ę t e w f u n k c j i odległości od ź r ó d ł a pochodzące od neutronów. Jak widać uzyskano dobrą zgodność wyników w porównaniu do wyników uzyskanych przez Strakera. Na r y s . 8 porównano d l a przypadku ź r ó d ł a 14 MeY wyniki własnych o b l i c z e ń z wynikami otrzymanymi przez Strakera. Jak widać wyniki są porównywalne i t o zarówno d l a przypadku dawki ppchodzącej od neutronów j a k i fotonów gamma. 2" 4 d®/«7 rem .cm f O n / r / [ r a d . n - 1 .crrf2.s-1] 10 • 10 Β '· ·· / 10" o STo-^s O O^ o I V, ł ^ źródło termojądrowe Karcher [з] —л 10 źródło rozszczep' eniowe Sandme •er W biotogiczna -у davv kú i*'···.. 10 v r • • i f Y \ -9 10 Υ Ν 10-10 V N 4 c*· \ *'··<*' ^ Л . . \ daw ka v \ л\ \ \ \% \ л \\ -11 10 10-12г 4 pochliśnięta . V ''•ř . \ Ś Jl-J 400 r m 800 Rys.9. Zależność dawki p o c h ł o n i ę t e j i dawki b i o l o g i c z n e j ' o d l e g ł o ś c i . Według [3] i Μ od 32 J.Adamski Ha r y s . 9 przedstawiono dawki p o c h ł o n i ę t e i dawki b i o l o g i c z ne otrzymane przez Karchera i Sandmeiera d l a ź r ó d ł a termojądrowego i ź r ó d ł a rozszczepieniowego. Widać wyraźne r ó ż n i c e w w i e l k o ś c i a c h dawek w porównaniu do wyników Strakera i własnych o b l i c z e ń . Głównym powodem niezgodności j e s t stosowanie przez t y c h autorów p r z e s t a r z a ł y c h b i b l i o t e k danych jądrowych oraz trochę innych widm ź r ó d e ł neutronów. Bys.10. Dawka pochodząca od neutronów wysyłanych przez ź r ó d ł o o e n e r g i i 14 Me? umieszczone na różnych wysokościach. Według J.U.Pace. 0НЖЪ-Ш-4841, s i e r p i e ń 1975 r o k [7] Wielkość dawki zależy w wyraźny sposób od wysokości umieszc z e n i a ź r ó d ł a nad powierzchnią z i e m i . Z b a d a ń prowadzonych między innymi przez J.U.Pace [7] wynika, i ż w zakresie o d l e g ł o ś c i Transport neutronów i fotonów jgamraa w powietrza 33 od ź r ó d ł a do około 550 m największą dawkę otrzymuje s i ę d l a ź r ó d ł a umieszczonego n a j n i ż e j , a dla o d l e g ł o ś c i większych od 550 m największą dawkę uzyskuje s i ę d l a przypadku ź r ó d ł a umie. szczonego na wysokości około 300 m. Wyniki uzyskane przez J.U.Pace przedstawiono na rysunku 10. Należy dodać, i ż w c e l u u ł a t w i e n i a a n a l i z y wyników ujednol i c o n o skalę o d l e g ł o ś c i oraz skalę e n e r g i i . Wszystkie dawki odniesiono^do ź r ó d ł a emitującego jeden neutron i przemnożono p r z e z 43rR . Wszędzie tam, gdzie z a c h o d z i ł a konieczność dokonano niezbędnych p r z e l i c z e ń wyników zamieszczonych w l i t e r a turze. 4. WNIOSKI Porównanie wyników badań numerycznych, prowadzonych w różnych ośrodkach, pozwala na sformułowanie pewnych wniosków. W zakresie o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a neutronów >do około 500 m przeważa strumień pochodzący od ź r ó d ł a rozszczepieniowego, natomiast na dalszych odległościach strumień pochodzący od ź r ó d ł a termojądrowego i ź r ó d ł a monoenergetycznego neutronów o energ i i 14 MeV. Wyznaczanie dawek w f u n k c j i o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a neutronów obarczone j e s t trudnym do oszacowania błędem, gdyż zależy od p r z y j ę t y c h współczynników przeliczeniowych dawek, które podawane są r ó ż n i e przez szereg autorów. A n a l i z a wyników badań numeiycznych uzyskanych w szeregu ośrodkach upoważnia do mniemania, i ż n a j b a r d z i e j pesymistyczne wyniki otrzymuje s i ę d l a przypadku monoenergetycznego ź r ó d ł a neutronów o e n e r g i i 14 MeV. O z n a c z a n i e dawek b i o l o g i c z n y c h ma charakter o b l i c z e ń szacunkowych. Stosowane współczynniki przeliczeniowe dawki biol o g i c z n e j QF S ą s ł a b ą f u n k c j ą e n e r g i i i stąd na wykresie krzywe obrazujące zmianę dawki b i o l o g i c z n e j w funkcji- o d l e g ł o ś c i od ź r ó d ł a p o s i a d a j ą t a k i sam charakter j a k krzywe dawki pochłonięt e j . Wystarczy zat-sm t e o s t a t n i e mnożyć na p z y k ł a d przez 8 i p r z y j ą ć stąd wielkość dawki b i o l o g i c z n e j . J.Adamski 34 7/ielkość dawki z a l e ż y w sposób wyraźny od wysokości umieszczenia ź r ó d ł a nad p o w i e r z c h n i ą z i e m i w z a k r e s i e odle- g ł o ś c i od ź r ó d ł a do około 550 m. Tíyniki w s z y s t k i c h o b l i c z e ń z a l e ż ą w i s t o t n y sposób od stosowanych b i b l i o t e k danych jądrowych i getycznych ź r ó d e ł od p r z y j ę t y c h widm ener- neutronów. Niezwykle cenna byłaby doświadczalna w e r y f i k a c j a badań numerycznych na p r z y k ł a d przy pomocy ź r ó d ł a monoenergetycznych' neutronów o e n e r g i i 14 MeV. BIBLIOGRAFIA [i] S t г а к e r E.A., G r i t z n e r M. L . : Neutron and Secondary Gamma-Hay I r a n s p a r t i n I n f i n i t e Homogenous A i r . ORNL-4464, 196y. Γ2Ι S u c h o r u с ż к i η A.K. K . u c h t i e w i c z W.I., T r u b n i k o w A . I . í Zawisimost ugłowogo raspredxe l e n i a ot wremieni d l a impulsnogo i s t o с z n i k a gamma i z ł u c z e n i a . R a d i a c o n n a j a bezopastność i z a s z c z i t a A . E . S . Atomizdat 1975. Γ3Ί К a r c h e r A.H.s Neutron Air-Transport Data f o r t h e Design of P r o t e c t i v e S t r u c t u r e s . N . S . E . pp 367 do 487. 1967. Γ4Ι S a n d m e i e r H . A . : Electromagnetic P i l s c e and L J E x p l o s i o n . N . S . E . V o l . 48, p p . 343 do 355. 1972. Γ 5 ] S t r a k e r Ε.A.s The E f f e c t o f the Ground on t h e Steady-State and Time-Dependent Transport o f Neutrons and Secondary Gamma Rays i n the Atmosphere. N . S . E . V o l . 46 p p . 334 do 355. 1971. [б] ANISN-W. M u l t i g r o u p one Dimensional D i s c r e t e Q r d i n a t e s Transport Code w i t h A n i s o t r o p i e S c a t e r i n g . ORNL-CCC-255. Γ7Ι Ρ а c e J . V . i i n n i s Neutron and Secondary Gamma-Ray Transport C a l c u l a t i o n s f o r 14 MeV aqd F i s s i o n Neutron Sources i n Air-Over Ground and Air-Oęrer Seawater Geomet r i e s . ORNL-TM-4841. August 1975. Γδΐ S t г а к e r I . A . s I n v e s t i g a t i o n o f Adewuacy of N i t r o g e n Cross S e c t i o n Sets Comparison of Neutron Secondary GammaRay Transport C a l c u l a t i o n s w i t h I n t e g r a l ' Experiments. ÜRSL-TM-3768. August 1972. \ę\ P r o v e η z a η о Т . G . : ^ f e a s i b i l i t y Study: I n t e n s e 14 MeV Neutron Source f o r Operation Henre. CEX-65.01. May 1y6b. ÍEransport neutronów i fotonów gfamma w powietrza ТРАНСПОРТ НЕЙТРОНОВ И ГАММА - ФОТОНОВ В ВОЗДУХЕ К ρ а ι к о β с о д е р ж а н и е "В работе приводятся результаты одномерного анализа транспорта нейтронов и гамма-фотонов в воздухе. Рассматриваются три различные типы источников ядерного излучения. Проводится анализ поглощенной дозы в зависимости от расстояния от источников излучения. Проводится сравнение полученных автором результатов вычислений, осуществленных при использовании программы AUTSNi» о результатами вычислений, полученных другими авторами. THE TRANSPORT OF NEUTRONS AND GAMMA-RAYS IN THE AIR S u m m a r y Obe t r a n s p o r t o f neutrons and gamma rays i n the i n f i n i t e Homogenous a i r has been i n v e s t i g a t e d . Por the c a l c u l a t i o n s has been used the Multigroup One Dimensional Discrete Qrdinates ^transport Code AHISN-W. The c a l c u l a t i o n s has been performed f o r three types of neutrons sources. OPhe neutrons and gamma rays doses i n the a i r has been analyzed, and comparison t o the others authors r e s u l t s has been g i v e n . Bękopis dostarczono w grudniu I98O г .