Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Выбор конструкции нейтронной мишени и методов ее
анализа. 17
Критерии выбора конструкции. 17
Конструкция нейтронной мишени. 25
Методы анализа. 2 8
Возможности программного комплекса ANSYS. 30
Тепловой анализ. 31
Использование теплового излучения. 32
Расчет режима принудительного охлаждения 34
Структурный анализ. 36
Использование контактов. 37 ГЛАВА 2. Определение термомеханических характеристик стационарного макета мишени. 40
Конструкция макета. 40
Экспериментальное оборудование. 44
Ускоритель электронов. 44
Вакуумная камера. 45
Системы диагностики и контроля. 47
2.3. Эксперименты со стационарным макетом. 50
Основные задачи экспериментов. 50
Определение распределения тока в пучке. 51
Распределение температуры в макете. 52
2.4. Численное моделирование рабочих режимов стационарного макета
мишени. 54
Физическая модель мишени. 54
Основные этапы моделирования. 57
Построение модели для анализа стационарного макета мишени. 70
Тепловой анализ. Определение теплопередачи через контакты. 71
Уточнение свойств используемых материалов. 76
Структурный анализ. 77
2.4.7. Основные результаты моделирования. 79
ГЛАВА 3. Исследование рабочих режимов вращающегося
прототипа нейтронной мишени. 80
Конструкция прототипа. 80
Численное моделирование рабочих режимов прототипа. 82
Цели анализа и модель прототипа. 82
Тепловой анализ. 87
Структурный анализ. Оценка вклада инерционных сил в общую картину напряжений в конструкции. 90
Основные результаты моделирования рабочих режимов прототипа. 91
3.3. Испытание прототипа нейтронной мишени. 91
Задачи и методы экспериментов. 91
Эксперименты с прототипом под интенсивным электронным пучком. 93
3.4. Сравнение экспериментальных данных с результатами
моделирования. 98
ГЛАВА 4. Расчет и оптимизация параметров нейтронной
мишени. 101
Критерии и параметры оптимизации. 101
Оптимизация диаметра мишени, толщины и длины пластины
конвертора. 102
Оценка напряжений в конструкции. Оптимизация скорости вращения мишени и диаметра вала. 109
Оптимизация положения пучка на пластине конвертора. 112
Основные результаты. 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 119
Приложение 1. Свойства материалов в зависимости от
температуры. 123
Список литературы. 127
Введение к работе
Исследование фундаментальных свойств материи, как на уровне атомного ядра, так и на уровне элементарных частиц, требует постоянного увеличения интенсивности пучков заряженных частиц, задействованных в экспериментах. Это, в свою очередь, приводит к необходимости разработки мишенных систем нового поколения, способных производить пучки вторичных частиц, имеющие высокую яркость. Таковыми, как правило, являются пучки нейтронов, радиоактивных ионов, антипротонов, позитронов и мю-мезонов.
Вслед за новаторскими исследованиями, проведенными в лабораториях CERN-ISOLDE [1] и CRC-Louvain-La-Neuve [2] на источниках радиоактивных ионных пучков (РРШ) первого поколения, целый ряд научных институтов приступил к разработкам источников РИЛ второго поколения (REX ISOLDE, CERN; HRIBF, Oak Ridge; RIA, USA; EURISOL, EU), способных, с одной стороны, получать интенсивности пучков на порядок выше существующих, с другой стороны, производить широкий спектр радиоактивных изотопов.
Особое внимание при этом уделяется пучкам ионов с высоким содержанием нейтронов в ядрах, получаемых при облучении специальных мишеней потоком нейтронов. Отметим лишь некоторые области, в которых применение РИЛ может внести существенный вклад в продвижение исследований.
Ядерная физика
Исследование существующих стабильных и нестабильных ядер открывает только одну из форм строения ядер. Наличие же ядер с экстремальным протон-нейтронным соотношением позволяет изучать "сверхэкзотичные" ядерные структуры, приближающиеся к чистой нейтронной материи, исследовать границы существования ядер и
б синтезировать наиболее тяжелые из существующих ядер, внести ясность в
поведение свободно ограниченных квантовых систем, получить новые типы
ядерных структур, предсказанные ядерными моделями. Существующие
модели базируются на экспериментальных знаниях о строении ядер, близких
к стабильным и являются отражением частных аспектов более общих теорий.
Построение новых обобщенных теорий ядерной структуры может
базироваться на экспериментальных данных, полученных на основе
использования установок РИП второго поколения.
Ядерная астрофизика
Некоторые из наиболее важных явлений во Вселенной могут быть изучены с помощью РИП. Такие явления, как взрывы новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды, рентгеновское и у-излучение связаны с процессами, протекающими в ядрах, а также процессами в ядрах, не существующих на Земле. С помощью установок РИП второго поколения можно получить экспериментальные данные, дающие возможность построения теории происхождения элементов, составляющих вселенную.
Проверка Стандартной Модели и фундаментальных законов сохранения
Все современные физические теории основываются на фундаментальных законах сохранения. На сегодняшний день Стандартная Модель наилучшим образом описывает элементарные частицы и их поведение. Проверка стандартной модели может быть выполнена в экспериментах с применением РИЛ с чувствительностью, повышенной по сравнению с существующими возможностями.
Другие области применения
Применение РИП открывает новые возможности для исследований и в других областях науки, таких как атомная физика и физика твердого тела, материаловедение и медицинские приложения. Каждое из этих приложений может получить уникальные возможности выбора изотопов с наиболее
подходящими временем жизни, кинетической энергией и энергией распада, химическими свойствами.
Большое внимание в настоящее время уделяется так называемому ISOL (Isotope Separator On Line) методу получения РИП. Данный метод основывается на том, что поток первичных частиц из ускорителя (ядерного реактора) направляется на толстую горячую мишень из тяжелых элементов. Пары радионуклидов, образующиеся в результате взаимодействия частиц с веществом мишени, ионизируются на горячей поверхности источника ионов. Полученные ионы разделяются по изотопам, ускоряются до необходимой энергии и транспортируются в экспериментальную зону. ISOL техника используется более тридцати лет для производства и изучения короткоживущих изотопов в различных лабораториях (Таб. В.1). Так, на установке ISOLDE в CERN РИП получают дроблением ядер материала мишени протонами с энергией 1 ГэВ. На установке OSIRIS [3] в Швеции используют тепловые нейтроны из исследовательского реактора для облучения U. В настоящее время обсуждаются и разрабатываются сразу несколько новых проектов РИП, среди которых проект SPES в Национальных Лабораториях Леньяро (LNL), Италия [4-6].
Таблица B.l. Характеристики РИП установок на основе ISOL метода.
Нейтронная мишень
Рисунок В.1. Схема установки SPES. ISCL - сверхпроводящий линейный ускоритель, ALPI - ионный линейный ускоритель, RFQ - ВЧ квадруполь, BNCT - установка для бор-нейтронной терапии.
Недавно Национальным Институтом Ядерной Физики Италии (INFN) была утверждена программа реализации первой стадии проекта под названием SPES (исследование и получение экзотических типов ядер), направленного на строительство в LNL установки РИП второго поколения на основе метода ISOL. Установка включает в себя (см. Рис. В.1) в качестве основного высокоинтенсивный 40 МэВ (150 кВт) протонный/дейтронный линейный ускоритель, и ускоритель тяжелых ионов ALPI, используемый как пост-ускоритель. Первичный пучок протонов/дейтронов производит в конверторе нейтронной мишени 10й нейтронов в секунду (внутри угла 20 в прямом направлении) с энергетическим центром в районе 14 МэВ.
Полученный таким образом поток нейтронов попадает на горячую толстую мишень из соединений 238U. Пары радионуклидов ионизируются, выводятся из мишени с энергией 20-60 кэВ и затем, после разделения по изотопам, попадают в экспериментальную зону для низкоэнергетичных экспериментов, или доускоряются до энергий 1-5 МэВ/нуклон. С помощью индуцированного нейтронами распада U может быть получен широкий спектр изотопов, включая ядра с высоким содержанием нейтронов. В отличие от процесса деления ядер под воздействием пучка протонов/дейтронов, распад, индуцированный быстрыми нейтронами, позволяет существенно увеличить отношение атомной массы продуктов деления к их атомному номеру.
Помимо энергетического распределения нейтронов, размеры нейтронной мишени являются наиболее важными параметрами, требующими всестороннего изучения с целью максимально повысить эффективность получения РИЛ. Особое внимание следует уделить термомеханическим свойствам материала конвертора, компактности геометрии мишени, надежности мишенного узла и его стоимости.
В ИЯФ СО РАН, Новосибирск, накоплен большой опыт по созданию различных конверсионных систем и источников заряженных частиц. В частности, в рамках сотрудничества ИЯФ и LNL разработан проект горячей углеродной нейтронной мишени высокой интенсивности (~1014 нейтронов в секунду), облучаемой пучком дейтронов [7], ведутся исследования в области источника радиоактивных ионов - создан макет горячего источника, проработавший в рабочих условиях без ухудшения характеристик более 100 часов [8].
Важным этапом на пути к созданию нейтронной мишени является программа исследования физических и технологических аспектов нейтронного конвертора, выполняемая в сотрудничестве ИЯФ и LNL. В качестве возможных кандидатов для изготовления конвертора рассматривались бериллий, жидкий литий, графит и графитоподобный
11 материал на основе изотопа 13С, стеклоуглерод и карбид бора. Для каждого из
этих материалов проведены исследования их свойств, определены
критические параметры конвертора мишени [9].
Конвертор на основе жидкого лития является более привлекательным с точки зрения поглощенной мощности первичного пучка, чем бериллий. Однако поток горячего жидкого лития, содержащий радиоактивные продукты, создает дополнительные трудности в реализации конвертора мишени, связанные главным образом с безопасностью эксплуатации установки и ее высокой стоимостью.
Отличительной особенностью конвертора из бериллия является самый высокий выход нейтронов [10], однако его низкая температура плавления (1278 С) не позволяет принимать первичный пучок большой мощности. Кроме того, бериллий является токсичным материалом.
Несмотря на меньший по сравнению с бериллием полный выход нейтронов, графит, изготовленный из природного углерода или изотопа 13С, является наиболее подходящим материалом для нейтронного конвертора. Действительно, как C(d,n), так и С(р,п) реакции весьма эффективны, особенно в прямом направлении, где выход нейтронов сравним с выходом нейтронов из бериллия [5] (см. Рис. В.2). Графит нетоксичен и способен выдерживать значительные тепловые нагрузки. Снятие тепловой мощности с графитового конвертора не требует проектирования сложной системы охлаждения, поскольку основная часть мощности отводится тепловым излучением с поверхности графита и рассеивается в водоохлаждаемых стенках вакуумной камеры.
В рамках сотрудничества между ИЯФ СОРАН, LNL и ВНИИТФ, Снежинск, при поддержке МНТЦ (проект № 2257) разработан проект интенсивного источника радиоактивных ионов на базе протонного ускорителя, важнейшей частью которого является нейтронная мишень с конвертором из материала на основе изотопа С. Мишень представляет
собой вращающийся металлический диск диаметром 1 м с закрепленными на нем пластинами конвертора. Конвертор облучается пучком протонов мощностью 150 кВт и поперечным размером 1 см. Основные требования, предъявляемые к мишенному узлу: - нейтронная мишень должна принимать и рассеивать большую мощность -
до 150 кВт;
нейтронная мишень должна находиться в условиях вакуума - 10"6Торр;
мишенный узел находится в зоне с большим радиационным потоком и должен быть окружен биологической защитой.
Ж 40 50
Энергия, МэВ
Рисунок В.2. Выход нейтронов (на 10й падающих протонов) в прямом
направлении (0 < а< 30) и их энергетический спектр (МэВ) при облучении
мишеней из различных изотопов протонным пучком с энергией 100 МэВ.
Расчет с помощью программы MCNPx.
Максимально возможное использование фактора увеличения интенсивности вторичного пучка приводит к предельным значениям плотности мощности, выделяющейся в мишени под действием первичных
частиц. Причем уровни этой мощности и энергии первичных частиц настолько велики, что активация всего мишенного узла делает невозможной его ремонт или утилизацию в течение длительного времени. Указанное обстоятельство требует от мишенной системы особой надежности и простоты последующей утилизации.
Вышеперечисленные факторы определяют необходимость создания специализированной системы тщательной проверки и испытаний мишенной системы как поэлементно, так и в сборе. Такие испытания не должны приводить к активации мишени, и в тоже время должны гарантировать ее работоспособность при штатной эксплуатации. Практически единственной возможностью проведения подобных термомеханических испытаний является облучение мишени мощным электронным пучком с энергией не более 10 МэВ. Важно отметить, что испытательный стенд на основе такого ускорителя необходим не только для разработки мишенных систем, но и в процессе их тестирования перед введением в эксплуатацию.
Для проведения технологических испытаний мишенных сборок, при подготовке последних к установке под интенсивный ионный пучок высокой энергии, требуется ускоритель электронов на энергию около 1 МэВ с мощностью до 200 кВт и диаметром пучка в районе 1 см. Пучок принимается мишенью в вакууме и не выводится в атмосферу. Тем не менее, система транспортировки пучка должна обеспечивать работу как с вертикальным, так и с горизонтальным пучком, и иметь систему защиты ускорителя от аварийного разрушения элементов мишени. Дополнительно, такой ускоритель должен иметь развитую систему диагностики пучка и состояния элементов мишени для уверенного прогнозирования работоспособности мишени и ее подсистем. Специальное диагностическое оборудование также необходимо для детального изучения причин отказа мишени и разрушения ее элементов. Особое внимание должно быть уделено радиационной защите подсистем ускорителя и диагностического оборудования в процессе
длительных испытаний с большой мощностью в принимаемом на мишень пучке.
Испытание всех элементов мишени и мишенной системы в целом является трудоемкой задачей, требующей значительных затрат средств и времени. Поэтому для изучения поведения системы в рабочих режимах целесообразным является проведение всестороннего моделирования, охватывающего основные физические процессы в мишени: нагрев конвертора, излучение с поверхности мишени, передача тепла в различные части конструкции, деформации и напряжения в узлах мишени под воздействием тепловых нагрузок и вследствие вращения, и т.д. Комплекс прикладных программ ANSYS [11,12], предназначенный для решения широкого спектра задач моделирования, является подходящим инструментом для анализа вышеперечисленных проблем. Моделирование, проведенное на его основе, наряду с результатами экспериментов с прототипами элементов мишени позволило бы прогнозировать поведение мишени при нагреве интенсивным протонным пучком, определять ее критические области и производить оптимизацию геометрических параметров.
Целями настоящей работы являются исследование и оптимизация схемы нейтронной мишени, включающие в себя:
построение модели мишенной системы, выбор конструкции и материалов для ее реализации;
проведение экспериментов с прототипами элементов мишени с целью изучения процессов теплопереноса в узлах мишени и уточнения расчета ее основных характеристик;
расчет тепловых и механических режимов работы мишени и оптимизация ее геометрических параметров.
В Главе 1 сформулирован общий подход к решению проблемы создания нейтронной мишени, предложена ее модель, рассмотрены основные методы и средства ее исследования, каковыми являются эксперименты и
численный анализ, рассмотрена методология использования программного комплекса ANSYS в моделировании режимов работы мишени.
Для решения поставленных задач создан вращающийся прототип мишени, на котором были отработаны основные физические, технические и технологические принципы, легшие в основу проекта интенсивного источника нейтронов. Прототип предназначен для испытаний под электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6 [13-15] с энергией 1.4 МэВ и мощностью до 50 кВт. С целью изучения механизмов теплопередачи между частями мишени был также изготовлен ее стационарный макет, который представляет собой элемент прототипа, выполненный в виде сектора металлического диска с частью конвертора, закрепленный на фланце вакуумной камеры и нагреваемый пучком электронов мощностью до 2 кВт. Система диагностики контролировала температуру в различных частях макета, что позволило получить исчерпывающую картину поля температуры и провести моделирование процессов переноса тепла в мишени. В Главе 2 описана конструкция макета, оборудование для экспериментов и методика измерения и контроля основных параметров конструкции, представлены схемы экспериментов с макетом и их основные результаты. Особое внимание уделено анализу тепловых и механических режимов работы макета, включающему:
расчет тепловых режимов работы конструкции на основе численного решения трехмерного уравнения теплопроводности с учетом теплового излучения с поверхностей макета и зависимости свойств используемых материалов от температуры;
расчет термомеханических характеристик макета на основе
численного решения уравнений упругости и термоупругости с целью
определения максимальных термомеханических напряжений конструкции.
