¿Cuánto hidrógeno líquido para detener la radiación de neutrones?

Tengo una nave espacial que funciona con un motor de fusión de hidrógeno eficiente, pero el motor emite una gran cantidad de peligrosa radiación de neutrones como efecto secundario, y esos neutrones no son capturados ni dirigidos fuera de la nave por su boquilla magnética. Afortunadamente, mi investigación indica que los compuestos a base de hidrógeno pueden bloquear los neutrones de manera eficiente, y el hidrógeno líquido ciertamente se basa en hidrógeno, por lo que planeo que la nave use su propio combustible de reserva como protección contra la radiación.

Pregunta: ¿Qué tan profundo debería ser un contenedor de hidrógeno líquido para detener de manera confiable la radiación de neutrones?

La fusión aneutrónica es una cosa. Sin embargo, no funciona con hidrógeno "ligero" ordinario.
@AlexP, lo consideré, pero dadas las circunstancias de la construcción de la nave, tener un reactor "puro" que funciona con hidrógeno normal se ajusta mejor a la historia. Si no me gusta la respuesta, entonces podría optar por una reacción de helio-3 a helio-3.
¿Se ha planteado qué le ocurre a la tripulación cuando tiene que utilizar la reserva de combustible? La reserva generalmente está destinada a llevarlo a un lugar seguro, no a quitarle esa seguridad exponiéndolo a la radiación.
@Christian Esa sería la última parte del combustible que se usará, después de que la nave haya descargado su carga humana (a través de los módulos de aterrizaje de colonización) y se haya rediseñado en una nave robot que establezca una minería autónoma en el cinturón de asteroides del sistema.
@TPK Gran idea.
Esto puede ser útil. nasa.gov/feature/goddard/… Afirma que la NASA ha fabricado fibras a partir de nanotubos hidrogenados, y las fibras pueden proporcionar una protección significativa. Creo que eso implicaría que no tomaría mucho, pero no estoy seguro de cómo calcular la cantidad correcta.
Bueno, creo que el reactor de fusión ITER utilizará aproximadamente un metro de litio líquido como escudo de neutrones y generador de tritio, me imagino que se necesitaría hidrógeno líquido en cantidades similares. Supongo que sería un metro o dos para lidiar con la mayor parte de los neutrones y tal vez unas pocas placas de grafito para hacer rebotar los últimos neutrones en el LH2.

Respuestas (1)

Hay tres partes en el blindaje de neutrones:

1) neutrones rápidos: los átomos de hidrógeno en agua o parafina sirven para ralentizar los neutrones. Los neutrones comparten su energía a medida que se dispersan elásticamente de los protones. Los neutrones terminan compartiendo energía por igual con los protones, "termalizados" a la energía de temperatura ambiente. No he visto un cálculo exacto para el hidrógeno líquido, pero tiene más átomos de H por metro cúbico que el agua, por lo que las tablas de protección del agua deberían ser una aproximación. La cantidad necesaria depende del flujo incidente y la fuga aceptable de neutrones rápidos, pero 3-8 m deberían cubrir una gran cantidad de rango dinámico.

2) Los neutrones térmicos siguen siendo peligrosos, por lo que debe absorberlos. El hidrógeno tiene una pequeña posibilidad de absorberlos, pero para los escudos de agua es mejor mezclar boro debido a su gran probabilidad de absorción. El boro también tiene aspectos de fusión interesantes, por lo que tal vez pueda mezclarse plausiblemente con su combustible. Pero si no, pon unos cm a modo de escudo de pared.

3) Pero también debe detener los rayos gamma de 2.2MeV de la absorción de neutrones en H. Son desagradables. Si tiene otra necesidad de protección gamma, puede combinarlos. De lo contrario, necesitará algún material de alta Z o un montón de agua. (Es importante mantener los neutrones rápidos fuera de esa agua, o debe comenzar de nuevo con el blindaje de neutrones térmicos y rayos gamma)

Puedo agregar números a esto si tienes una estimación de los neutrones por segundo.

Así que también querría algo como carburo de boro o una sustancia similar entre los tanques de hidrógeno líquido y los compartimentos de la tripulación, o incluso simplemente cubrir todo el compartimento de la tripulación. Eso suena como que funcionaría.
El carburo de boro es bueno para los neutrones, pero no es tan bueno para las gammas. Para eso, necesitas algo con núcleos más pesados. El acero y el titanio resultan ser bastante buenos, el aluminio está bien, por lo que si puede colocar sus elementos estructurales artesanales en el exterior del espacio de la tripulación, eso cubrirá parte de la necesidad.
sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/… Este enlace es un estudio en el que 1 cm de plomo detuvo la mitad de la gamma de algunos Cobolt-60, que emiten 1,3 MeV gamma. Entonces, en algún lugar del orden de un cuarto de metro, ¿suena algo razonable para el plomo?
25 cm de Pb probablemente reducirán el flujo lo suficiente (dependiendo de la cantidad de energía que necesita su reactor de fusión). Es masivo, pero Pb es bastante eficiente en masa para esto. (Si desea investigar materiales, busque la "Longitud de radiación" en unidades de g/cm2. Esa es la cantidad de gramos de material que necesita para proteger 1/cm2 lo suficiente como para reducir los rayos gamma en 1/e; para el plomo, eso es 6,37 gm: pdg.lbl.gov/2015/AtomicNuclearProperties/HTML/lead_Pb.html ) Pero el material que ya existe siempre es más eficiente que el material de protección que debe agregar.
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