2) легкие металлы
3) оргстекло
4) бор, кадмий (+)
Для защиты от медленных, или тепловых, нейтронов применяют материалы с большим сечением радиационного захвата нейтронов — прежде всего бор и кадмий. Ядра 10B и 113Cd эффективно поглощают нейтроны низкой энергии, переводя их энергию в продукты ядерной реакции. При захвате бором образуются альфа-частица и ядро лития; при захвате кадмием возникают гамма-кванты, поэтому конструкция защиты при необходимости дополняется слоем материала, ослабляющего вторичное гамма-излучение.
Физическая эффективность экрана определяется макроскопическим сечением поглощения: чем оно выше, тем быстрее ослабляется поток нейтронов при прохождении заданной толщины материала. Бор обычно вводят в полимерные композиции, резину, стекло или бетон; кадмий используют в виде листов и покрытий. В практической нейтронной защите часто применяют многослойную схему: водородсодержащий материал замедляет быстрые нейтроны, а борсодержащий слой поглощает уже тепловой компонент.
Свинец и природный уран преимущественно применяются для ослабления фотонного излучения и не являются оптимальными поглотителями медленных нейтронов. Органическое стекло благодаря содержанию водорода хорошо замедляет быстрые нейтроны, но само по себе недостаточно эффективно для экранирования потока уже медленных нейтронов. Поэтому правильный выбор бора и кадмия основан на различии между замедлением нейтронов и их ядерным поглощением.
| Материал | Основной механизм взаимодействия | Роль в нейтронной защите | Ключевое ограничение |
|---|---|---|---|
| Бор | Реакция поглощения, особенно с участием изотопа 10B | Высокоэффективное поглощение тепловых нейтронов; применяется в борсодержащих полимерах, стекле и бетоне | При захвате возможна генерация вторичного гамма-излучения, требующая дополнительного экранирования |
| Кадмий | Большое сечение радиационного захвата тепловых нейтронов, главным образом за счёт 113Cd | Эффективные листовые и поверхностные экраны для потоков медленных нейтронов | Токсичность материала и образование вторичного гамма-излучения |
| Водородсодержащие материалы | Упругое рассеяние и потеря энергии нейтроном при столкновениях с ядрами водорода | Замедление быстрых нейтронов; основа комбинированных экранов | Недостаточное поглощение уже тепловых нейтронов без добавления бора или другого поглотителя |
| Органическое стекло | Преимущественно замедление быстрых нейтронов за счёт водорода | Компонент защиты от быстрых нейтронов | Не обеспечивает эффективного самостоятельного поглощения медленных нейтронов |
| Свинец | Поглощение и рассеяние фотонов | Ослабление гамма-излучения, в том числе вторичного | Низкая эффективность как основного поглотителя тепловых нейтронов |
| Природный уран | Взаимодействие с нейтронами и фотонами в тяжёлом ядерном материале | Не используется как стандартный экран для медленных нейтронов | Радиационная опасность, масса и отсутствие преимуществ перед специализированными поглотителями |
При проектировании защиты учитывают энергию нейтронов, спектр излучения, интенсивность потока, толщину экрана и допустимую дозу для персонала. Для смешанного спектра наиболее рациональна комбинация замедлителя и поглотителя: например, водородсодержащая основа с добавлением бора. После нейтронного захвата обязательно оценивают вклад вторичного гамма-излучения. Контроль эффективности проводят по ослаблению нейтронного потока и эквивалентной дозы за экраном.