Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Введение: задачи нейтринных экспериментов на ядерных реакторах 5
1.1. Введение 5
1.2. Изучение процессов, индуцируемых реакторными антинейтрино 9
1.3. Нейтринные осцилляции (Осцилляции Понтекорво) II
1.4. Нейтринная диагностика внутриреакторных процессов 18
1.5. Особенности постановки нейтринных экспериментов
на ядерных реакторах 20
1.6. Содержание работы и ее новизна 21
1.7. Основные положения, выносящиеся на защиту 27
Глава 2. Излучение ядерного реактора . 28
2.1. Способы определения спектра Ve 28
2.2. Расчет спектра антинейтрино 28
2.3. Работа БДТС 30
2.4. О расчетных работах 1978 - 82 гг 36
2.5. Основные результаты расчетных работ 36
2.6. Точность относительных результатов. Связь между спектрами антинейтрино и электронов . 39
2.7. Спектр антинейтрино от реактора АЭС 47
2.8. Некоторые выводы 50
2.9. Измерение спектров В -частиц на установке "Диск" 51
2.10. Обсуждение результатов эксперимента 61
2.11. Время установления стационарного спектра 67
2.12. Поиски жесткого J5 -излучения осколков деления 68
2.13. Излучают ли осколки деления нейтрино? 70
2.14. Заключение 73
Глава 3. Обратный J3 -распад 76
3.1. Общие вопросы 76
3.2. Взаимодействие антинейтрино с протоном 77
3.3. Определение О, о учетом изменения состава активной зоны 80
3.4. Эксперимент Рейнеса и Незрика (1966 г.) 89
3.5. Дополнительная информация 100
3.6. Эксперименты группы Р. Мессбауэра 101
Глава 4. Нейтринная лаборатория на АЭС 108
4.1. Требования к лаборатории 108
4.2. Краткое описание помещений лаборатории 109
4.3. Величина потока антинейтрино 115
4.4. Экспериментальные возможности лаборатории 119
Глава 5. Детектор НД-і и его лабораторные испытания . 121
5.1. Выбор типа детектора 121
5.2. Конструкция детектора 124
5.3. Основные требования к ЖС 129
5.4. Методика измерения сцинтилляционнои эффективности и прозрачности растворов
5.5. Выбор компонент ЖС 135
5.6. Электронная система регистрации 145
5.7. Лабораторные испытания НД-І. Настройка детектора 150
5.8. Энергетическая калибровка детектора 153
5.9. Расчет эффективности регистрации НД-І 159
5.10. Эффективность^регистрации НД-1. Контрольные эксперименты 163
Глава 6. Эксперименты по обратншу j6 - распаду на РАЭС 174
6.1. Порядок измерений 174
6.2. Фон случайных совпадений 178
6.3. Работа системы активной защиты 182
6.4. "Предварительный опыт" 183
6.5. "Основной опыт" jCs-J
6.6. Результаты экспериментов. Определение о, . 194
6.7. Результаты экспериментов. Нейтринные осцилляции 198
6.8. Результаты экспериментов. Нейтринная диагностика . 201
6.9. Результаты экспериментов. Детектор БД-1 205
Глава 7. Заключение 207
Литература
- Нейтринные осцилляции (Осцилляции Понтекорво)
- Точность относительных результатов. Связь между спектрами антинейтрино и электронов
- Определение О, о учетом изменения состава активной зоны
- Методика измерения сцинтилляционнои эффективности и прозрачности растворов
Введение к работе
В настоящее время нейтрино служит как объектом, так и своеобразным инструментом исследования в физике атомного ядра, элементарных частиц, астрофизике. Для экспериментов используют (и предполагают использовать) самые разные источники этих частиц:
- искусственные: ядерные реакторы, ускорители высоких энергий, ыезонные фабрики и т.п. ;
- естественные: потоки нейтрино от Солнца, космических объектов и т.п.
Наиболее "традиционная" область нейтринной физики - эксперименты на ядерных реакторах. В таких экспериментах около тридцати лет назад Ф. Рейнесу, К. Коуэну и их сотрудникам удалось впервые наблюдать взаимодействие нейтрино с веществом [і]-.-После этого гипотетическая частица В. Паули обрела все права "истинной" частицы.
Нейтринные осцилляции (Осцилляции Понтекорво)
Антинейтрино можно регистрировать по реакции в водородосодержащем жидком или пластическом оцинтилляторе. В этом случае измеряется число и спектр \ е . Для определения энерговыработки можно использовать более простой детектор, регистрирующий антинейтрино по нейтронам реакции (I) с помощью газовых счетчиков, пронизывающих водородосодержащии материал.
В детектвре с полезным объемом около I м3 органического материала на расстоянии — 15 м от центра активной зоны реактора ВВЭР-440 полное число событий превысит 10 шт/сутки. При достаточной эффективности регистрации это позволит достичь статистической точности около I % за несколько суток.
Влияние эффектов, которые могли бы нарушить линейную зависимость (9) и систематических погрешностей мы обсудим ниже.
Возможность непосредственного определения динамики накопления плутония-239 может основываться на том обстоятельстве, что спектры Ve от осколков деления плутония-239 и урана-235 и, следовательно, позитронов реакции (I) существенно отличаются. В этом случае спектр Є будет деформироваться с течением кампании реактора.
Йпервые гипотеза oi отличии спектров ium высказана в работе [23] на основе довольно грубых оценок. Впоследствии наши расчеты и эксперименты подтвердили ее и позволили получить более полную информацию о спектрах U и 239 Ри . Мы подробно рассмотрим их во 2-ой главе настоящей работы.
Вопросы, связанные с постановкой нейтринных экспериментов на реакторах были подробно рассмотрены в работе II . Остановимся на основной их трудности - соотношении между эффектом и фоном.
В детекторе с чувствительным объемом I м3 при потоке /z = = (2 5)«І0Х ЧЇ/СМ «с число взаимодействий антинейтрино составляет тысячи штук в сутки, и эффект, казалось бы, достаточно велик. Однако характерное значение величины К$ р - ре» - -А —fi для обычного детектора такого объема составляет 1Ъ 10 Эффект можно было бы попытаться выделить, если достаточно часто чередовать его измерения с измерениями фона, а такой возможности при работе на промышленных аппаратах не представляется. Непрерывная работа реактора длится месяцами, и достижимая стабильность аппаратуры позволяет количественно измерить эффект, если значение / эр —0,1 или больше.
Для этого, во-первых, прибегают к всевозможным способам защиты от фона и, во-вторых, стараются максимально использовать специфические особенности продуктов нейтринной реакции. Поэтому наша работа по подготовке и проведению нейтринных экспериментов на АЭС включала как создание специальной низкофоновой лаборатории, так и создание низкофонового детектора антинейтрино Органического вещества.
Для советской физики нейтринные исследования на ядерных реакторах представляют собой новое и перспективное направление. При этом впервые речь идет не только о решении фундаментальных проблем, но и о практическом применении нейтрино.
Основное содержание диссертации состоит в обосновании этого направления. Оно опирается на наши расчетные и экспериментальные работы, на подготовку, проведение и результаты нейтринных экспериментов на реакторе Ровенской АЭС.
Ниже излагается краткое содержание отдельных глав и отмечается то новое, что было внесено автором в рассматриваемые проблемы.
Во ВВЕДЕНИИ рассмотрены общие задачи нейтринных экспериментов на реакторах и их актуальность, необходимость перехода от качественных экспериментов к количественным. Согласно разработанной программе исследований, в первую очередь должен быть осуществлен опыт по обратному бета-распаду на протоне: -Ое + р - П +е. (I) Он позволяет: - измерить одну из фундаментальных величин ядерной физики -- сечение процесса (I); - получить экспериментальный спектр антинейтрино от ядерного реактора; - осуществить поиск оспилляций Понтекорво; - обосновать предложенный нами метод нейтринной диагностики внутриреакторных процессов.
Точность относительных результатов. Связь между спектрами антинейтрино и электронов
Если при энергиях Ve 1,5 4- 2 МэВ отклонения результатов лежат в пределах - 5 % от среднего значения, то с ростом энергии они увеличиваются и при Ег, с=- 6 МэВ составляют уже ± 15 %.
Разброс результатов, полученных разными авторами, дает представление о погрешностях метода. Их первый источник - неопределенность в величинах куглулятивных выходов осколков. Она особенно сказывается для ядер, далеких от области fi -стабильности, которые дают вклад, в основном, в жесткую часть спектра V e .
Надо сказать, что со временем данные о у(Е,Л) пополняются и уточняются. Это иллюстрирует разница между спектрами БЖ и К-80. Схемы распада ядер в названных работах при Е- 6 МэВ практике чески совпадают. Почти все различие можно отнести за счет того, что к 1980 году появились новые значения кумулятивных выходов для ряда ядер. Сейчас неопределенность в значениях У (г, А) может привести к расхождению в 4 % при расчетах спектра антинейтрино в области Eg 7 МэВ365 . Это касается деления урана-235. Для других делящихся ядер накоплен меньший материал о выходах осколков, и расхождения, соответственно, могут быть большими.
Второй источник ошибок - незнание точной величины энергий jg -переходов. Согласно Вогелга и др. [42] , это заметно ( — 5 %) сказывается на спектре только при Z p 6 МэВ, т.е. в области, Мн исключили также из рассмотрения работу Диккенса [43 J , поскольку она подвергалась обоснованной критике ряда авторов. Ео нашим оценкам, сделанным путем вариации выходов, измеренных с низкой точностью. которая сама вносит менее 10 % вклада в сечение процесса (pffije .
Наиболее существенное влияние, как это и было показано БДК , оказывает различие схем распада, принимаемых для "неизвестных" ядер. Это видно из сравнения работ #G -80 [34] и М-82 [35]. Как пишут авторы, смягчение спектра произошло из-за того, что за прошедшие годы были получены новые данные по схемам распада. Сейчас, по оценкам Авиньона и Мора, оставшняся неопределенность составляет 15 $ 20 % для Е й 6 МэВ и возрастает до 60 % при Е = 10 МэВ. Это находится в согласии с нашими оценками.
Из сказанного очевидно, что ошибки расчетов уменьшаются по мере накопления и уточнения исходных данных. Сейчас же критерием их правильности может считаться метод сравнения экспериментальных и расчетных спектров электронов.
Точность относительных результатов. Связь между спектрами антинейтрино и электронов Остановимся теперь на вопросе о точности относительных результатов расчетов. Проблема впервые затронутая БДК и более подробно проанализирована в ряде наших работ [зэ] , [40] , [53 54] .
Как было в них показано, эти относительные результаты (напри мер, отношение дифференциальных спектров U. (tj= A/fyi,c) во много раз менее чувствительно к выбору исходных данных, в частности, схем распадов "неизвестных" ядер, чем сами спектры ( А и A/f).
Это видно из рис. 7, где приведена зависимость ОС Ґ?) от энергии по данным последних работ. Вплоть до энергии антинейтрино 6 МэВ разброс точек не превышает 7 %, тогда как сами спектры отличаются при энергиях 5 6 МэВ почти на 30 % (рис. 6).
Как уже говорилось, в работах К-80 и 1 -81 были рассчи таны спектры V& для 238/ (деление быстрыми нейтронами) и Рц (деление тепловыми нейтронами). Данных о выходах осколков при делении этих ядер меньше, и их точность хуже, чем для Лои/ 9 Поэтому возможные ошибки расчетов, соответственно, больше. Расхождения в спектрах К-80 и V-8I для 23S/" в области энергий Ег, =3 6 МэВ лежат в полосе от 20 до 40 %.
В то же время отношения Ш( } а Л/ (Е) (к о) и Q»fej а Л/f (Е) ( 1 -81) N%} (Е) (К-80) ( /V fCE) (K-8I) различаются для этих энергий в пределах 10 % (см. рис. 8а). Аналогичные результаты получаются в случае антинейтринного спектра Рц (см. рис. 86).
Лучшая точность относительных данных позволяет избежать больших ошибок при расчетах изменения спектра антинейтрино от реактора по мере накопления в его активной зоне плутония-239 и других делящихся изотопов. Мы подробнее остановимся на этом в следующем разделе. Второй вывод из перечисленных работ касается связи между спектрами антинейтрино и электронов. В работе БДК было предложено проверять точность расчетов Nr()совпадением измеренных и рассчитанных спектров электронов. Однако, можно установить и прямую связь
Определение О, о учетом изменения состава активной зоны
В этом случае спектр реакторных антинейтрино формируется не только U , но и образующимися во время работы аппарата Рц Ри и осколками деления JJT . Для сравнения экспериментальных данных с предсказаниями теории и друг с другом необходимо связать число зарегистрированных в детекторе событий /Vy л с .
В разделе 1.4. первой главы было приведено уравнение ,- сечение взаимодействия \)е (p,ft) , усредненное по спектру Л/ и рассчитанное на один акт деления; Д- коэффициент, зависящий от условий конкретного эксперимента и учитывающий геометрию расположения детектора, его чувствительность, объем, эффективность регистрации и т.п. ; - средняя энергия, выделяющаяся при делении ; ]// - средняя мощность аппарата за время .
Если в реакторе меняется состав делящихся веществ в активной зоне, связь между А/ р » Юг и U/ будет выглядеть следую Є - средняя энергия, выделяющаяся при одном делении; она равна: oL - как и в формуле (12), число делений с. -го изотопа по отношению к полному числу делений; С. - средняя энергия, выделяющаяся при делении с-го изотопа; /? - эффективный квадрат расстояния между центром активной зоны и детектором. - поток "делений" на детектор. Л/р- число протонов в детекторе; F - эффективность регистрации детектором процесса (I). Вопрос, принципиально важный как для нейтринной диагностики (определение энерговыработки), так и для измерения сечения (су в реакторном спектре Ve состоит в том, насколько точно можно оценить величины Е и К2 , меняющиеся в процессе работы аппарата35 .
Значения oL , входящие в выражение (24) для различных периодов работы реактора ВВЭР-440, уже приводились в таблице 5. Относительная их точность составляет (10 15) %, Величину с: можно представить как сумму
Первый член - средняя энергия, реализуемая в процессе деления. Она складывается из кинетической энергии осколков деления; энергии, уносимой нейтронами деления; мгновенными гамма-квантами: гамма-квантами, сопровождающими В -распад; энергии J5 -частиц.
Второй член - : связан с энергией, выделяющейся в материалах реактора при захвате ими части нейтронов деления.
К настоящему времени накоплено достаточно много данных об энергии, реализуемой в процессе деления тяжелых ядер. Мы использо s) 0 возможности измерения & будет сказано в следующей главе. Пока будем считать геометрию точечной. вали для расчетов рекомендованные значения, приведенные в справочнике [47] (см. таблицу II) .
Значения Еп можно определить, если знать баланс поглощения нейтронов в реакторе. Мы уже приводили результаты расчетов такого баланса (см. раздел 2.7.). Он учитывает поглощение нейтронов в воде, оболочках ТВЭЛ ов (цирконий), боре, в продуктах деления, реакцию (Яу) на делящихся веществах и т.п.
Если усреднить эти данные по разным периодам работы реактора вплоть до конца 2-ой компании, то для Вп получается значение (7,5 - 1,5) МэВ (ошибка определяется разбросом величин Єп для разных периодов работы и ошибками расчета).
Методика измерения сцинтилляционнои эффективности и прозрачности растворов
До последнего времени в Советском Союзе существовали два научных центра, в которых проводились нейтринные эксперименты: Институт физики высоких энергий (Серпухов), где на протонном синхротроне изучаются взаимодействия мюонных нейтрино высоких энергий, и Нейтринная обсерватория Института ядерных исследований (Баксан), занимающаяся исследованиями космических нейтрино.
С вводом в строй Нейтринной лаборатории ИАЭ им. И.В. Курчатова на Ровенской АЭС открылись возможности проведения фундаментальных и прикладных исследований с помощью Ve низких энергий [85 - 87] .
Техническое задание на ее сооружение было разработано в ИАЭ в 1974-75 гг. Задачи, сформулированные в нем, сводились к следующему: создать удобное для работы помещение с максимально возможным потоком ъ антинейтрино от реактора и минимальным фоном.
Согласно первому требованию (максимальному jfy ), следовало стремиться расположить экспериментальный зал как можно ближе к центру активной зоны реактора. В то же время, в экспериментах с \ е уменьшение фона нейтронов и у-квантов, излучаемых работающим реактором, требует, помимо биологической, сооружения, сложной дополнительной защиты. Если предположить, что в помещении, где проводится нейтринный эксперимент, доза облучения быстрыми нейтронами ( - I МэВ) для обслуживающего персонала в 100 раз меньше предельно допустимой, т.е. составляет 0,05 бэр/год, то произведение сечения взаимодействия этих нейтронов с водородом (= h/o на их поток ft, все еще в 10 - 10 раз превышает &р jv , несмотря на значительный поток антинейтрино. Эти несколько порядков преимущества и должны быть компенсированы дополнительной защитой.
В техническом задании предлагалось несколько вариантов, как разумным образом совместить эти требования и одновременно не вносить существенных изменений в конструкцию стандартного блока АЭС.
Из предыдущих глав ясно, что одним из важнейших составляющих фона является фон, связанный с космическим излучением. Если его мягкая компонента ( J3 -частицы, J -кванты) поглощается в относительно небольших толщинах пассивной защиты (10 15 см свинца), то для поглощения ядерно-активных частиц - нуклонной компоненты -необходима защита толщиной в 10 15 м водного эквивалента. Это было предусмотрено в задании.
Предлагались и меры по подавлению фона естественной радиоактивности, а также защиты от проникновения в лабораторию внешних загрязнений.
На основе технического задания Уральским отделением Института тепло-энерго-проект был создан рабочий проект. Весь период проектирования, строительства, окончательной отделки и ввода в строй помещений лаборатории сотрудники нашей группы курировали эти работы и принимали в них непосредственное участие.
Акт о вводе в эксплуатацию нейтринной лаборатории Института атомной энергии им. И.В. Курчатова на Ровенской АЭС был утвержден руководством станции и дирекцией ИАЭ осенью 1982 года.
Краткое описание помещений лаборатории Основные помещения лаборатории расположены на глубине ІЗ м под землей (см. рис. 28). Непосредственно под реактором ВВЭР-440 второго блока РАЭС находится экспериментальный зал (I) размерами 6,7 х 6,7 х 3,4 м. К нему примыкают помещения для электронной аппаратуры (2). Длинный подземный коридор (3) ведет к лестнице и 1 - Экспериментальный зал 2 - Помещение для электронной аппаратуры 3 - Коридор, ведущий к лифту Ill лифту, которые соединяют лабораторию с санпропускником, находящимся на поверхности земли в здании АЭС.
Кроме этих помещений в состав лаборатории входят: физико--химическая лаборатория (отметка + 5,4), комната для инженеров и научных сотрудников (отметка +15), вентиляционный центр, кладовые и т.п. Рассмотрим ряд конструктивных особенностей помещений лаборатории, обеспечивающих возможность проведения в ней нейтринных экспериментов. Экспериментальный зал (площадь - 45 м ).
На рис. 29 изображен вертикальный разрез части станции, сделанный по оси реактора. Центр активной зоны (I) расположен на высоте + 6,02 м. Под бетонной плитой фундамента реактора (толщина 0,7 м, р = 2,3 т/м3) и над экспериментальным залом помещен слой тяжелого бетона (3) толщиной 2,64 м, р = 4,6 т/м3 Такой же бетон частично закрывает и стенки зала. Он предохраняет детекторы от быстрых нейтронов, рождающихся в активной зоне, и одновременно ослабляет космическое излучение. Общий объем тяжелого бетона составляет г 500 м3, обычного «=800 м3. Эффективная толщина всего слоя бетона превышает ІЗ м водного эквивалента.
Дополнительной защитой от космических частиц служат сами конструктивные элементы реактора и перекрытия здания, в котором он расположен. Нуклонная компонента космического излучения полностью поглощается в такой защите. Уменьшается и интенсивность мюонной компоненты. Проведенные измерения показали, что поток мюонов в экспериментальном зале в 6-7 раз меньше, чем на поверхности земли. Отсюда можно оценить общую толщину материалов над залом: она «г 30 м водного эквивалента.
