Afscherming speelt een belangrijke rol bij neutronenbronnen voor zowel stralingsveiligheid als voor het minimaliseren van achtergrondgeluid bij neutronenexperimenten. Afscherming wordt regelmatig gemaakt van beton, die waterstofatomen bevat die helpen om neutronen te vertragen.

Een team van de ESS in Zweden, onder leiding van Philip Bentley, wilden zien of ze de neutronenafschermende eigenschappen van een standaardbeton konden verbeteren. Ze voegden extra waterstof toe aan het beton in de vorm van polyethyleen (PE) kralen en bevatten ook boorcarbide, een andere stof waarvan bekend is dat deze de overdracht van neutronen remt.

De betonmixing werd uitgevoerd door het Deense Technologisch Instituut in Denemarken. Ze bepaalden de beste verhoudingen die een homogene verdeling van polyethyleen door het beton produceerden en vervingen een deel van het zand in de samenstelling door B4C omdat ze vergelijkbare korrelgroottes en dichtheid hebben.

Het nieuwe PE-B4C-beton werd vervolgens vergeleken met een referentiebeton. Het had een 15% lagere massadichtheid en was iets zwakker dan de standaardsamenstelling. Afschermingsmetingen werden uitgevoerd op het beton met behulp van een Time of Flight (TOF) techniek, bekend als neutronenmarkering, aan de Universiteit van Lund in Zweden.

Het PE-B4C-beton had een verbeterde afschermingsprestatie in het MeV-neutronenenergiebereik, 40% minder neutronen doorlaten dan standaard beton. Bij lagere neutronenenergieën, verwacht wordt dat de verbetering van de afscherming nog meer uitgesproken is. Deze experimentele bevindingen kwamen goed overeen met parallel uitgevoerde Geant4-simulaties.

Activeringsstudies van de twee betonsoorten werden uitgevoerd bij MTA EK en suggereren dat het nieuwe beton op polyethyleenbasis lagere activeringswaarden heeft dan het standaardbeton.

In een aanvullend onderzoek het team onderzocht het zelfbeschermende effect van deeltjes van B4C-korrels van verschillende grootte. Dit is waar, als een B4C-korrel groot genoeg is, het buitenste gebied van de korrel zal het binnenste gebied afschermen en het ondoeltreffend maken. Vijf verschillende batches van het PE-B4C-beton werden gemengd met verschillende B4C-korrelgroottes, hoewel de totale gewichtsfractie van B4C altijd hetzelfde werd gehouden. De metingen zijn uitgevoerd met een 2 neutronenbundel bij de JEEP II-reactor van het Institute for Energy Technology in Kjeller, Noorwegen. Deze metingen werden vervolgens vergeleken met Geant4-simulaties, weer goed mee eens. Algemeen, de kleinste korrelgroottes leverden de beste afschermingsprestaties van het beton op, maar bij het kiezen van afschermingsmateriaal, er moet een evenwicht worden gevonden tussen dit en de hogere prijs en mogelijk verminderde stabiliteit van het beton naarmate de korrelgrootte kleiner wordt.

Dit nieuwe potentiële afschermingsmateriaal zou kunnen worden gebruikt als bulkafscherming bij spallatie-neutronenbronnen of in specifieke bundellijncomponenten. Het kan ook nuttig zijn in op reactoren of versneller gebaseerde neutronenfaciliteiten.