Введение к работе
'Актуальность темы. Последние успехи достигнутые в нояб
ре 1991 года на оксфордской установке "Джет", где полугена
пиковая мощность термоядерной реакции равная 2 мегаваттам на
Д-Т плазме, свидетельствует о том, что термоядерные исследо
вания входят в новую фазу. Так как W% энергии плазмы уноси
тся нейтронами с анергией 14 МзВ и попадает в бланкег, то
проблема его создания становиться в настоящее время актуальной.
Расчет бланкетов опирается на .методи, которые достаточно хо
рошо разработаны в физике ядерных реакторов. Однако, наличие
в спектре нейтронов реакции Т (el.nJjjHe жесткой компоненты от
крывает новые каналы реакций, такие как (п,2п) и неупругого
рассеяния и значительно повышает роль анизотропии рассеяния
нейтронов. Поэтому использование даже известных вычислитель
ных методов при расчете бланкетов имеет свои особенности и
требует экспериментального- обоснования своей применимости.
Если разрабатывается новая методика расчета бланкетов, то ее
апробация на результатах экспериментов становится одним из
необходимых элементов подтверждающих ее работоспособсность.
Поэтому верификация программных комплексов с оцененными яде
рными данными является актуальной проблемой, так как в нас
тоящее время рассматриваются возможности практической реа
лизации проектов термоядерных реакторов. Ввиду этого вста
ет проблема постановки интегральных экспериментов типа ,
6e.v\cKw\aiK., которые явились бы основой для проведения
верификационных исследований. Несмотря на то, что уже про
водилось достаточно большое количество экспериментальных
работ с нейтронами с энергией 14 МэВ, в настоящее время в
налей стране и за.рубежом не существует комплексов экспе
риментов, необходимых для верификации программ расчета бла
нкетов различных концепций. Для постановки таких экспери
ментов требуется разработка новых экспериментальных мето
дов и аппаратурных средств, работающих совместно с нейтрон
ным генератором, который чаще всего используется для этих
целей в качестве источника нейтронов. Поэтому разработка
методического, программного, метрологического и техничес
кого обеспечения, расширяющего область применения нейтрон
ных генераторов, является важной задачей, .решение которой
обеспечивает научное направление создание комплексов
веі»сКмагк экспериментов по измерению ключевых функционалов нейтронных полей на моделях бланкетов сложной структуры и различных. Концепций, результаты которых необходимы для верификаций программ расчета бланкетов термоядерных реакторов.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложен и практически реализован комплекс вепсіїматк
экспериментов на моделях бланкетов сложной структуры, связан
ный общим методическим, метрологическим, аппаратурным и про
граммным обеспечением, результаты которого предназначены для
верификации программ расчета бланкетов ТЯР. В качестве моде
лей бланкетов были выбраны модели отвечающие концепции опыт
ных термоядерных реакторов (ОТР),. как наиболее близкие к пра
ктической реализации. По свой концептуальной направленности,
взаимосогласованности измеренных функционалов нейтронных по
лей и созданного для его реализации методического и аппарату
рного обеспечения комплекс вепсКмачк экспериментов аналогов
не имеет. В комплекс установок входили:
однородная графитовая сборка,
графитовая сборка с полым цилиіщрическим каналом,
композиционная сборка, соответствующая концепции "чистого" бланкета со свинцовым размножителем.нейтронов,
композиционная сборка, соответствующая концепции гибридного бланкета с урановим размножителем нейтронов,
-. сочетание модели бланкета с урановым размножителем нейтронов со свинцовым отражателем нейтронов, имитирующим внутренний бланкет.
2. Создано методическое обеспечение, которое позволило .
провести массовые измерения функционалов нейтронных полей в
плоской геометрии установок с погрешностями, удовлетворяющими
требованиям вепсКмагк экспериментов при выходе нейтронов ней
тронного генератора*^-10 н/с. В методическийкомплекс входили:
- методика измерении абсолютній, нормированных скоростей
ядерных реакций,
- эффективный метод определения скорости реакции образо-
нания трития на различных изотопах лития в литийсодержаїцих
, зонах моделей, облучаемых нейтронами,
методика подбора ядерних реакций, моделирующих,наработку трития на различных изотопах лития,
метод аттестации содержания делящихся нуклидов в об-
разцах из делимых нуклидов, обладающих гетерогенной структурой,
- методика оптимизации временных и геометрических пара
метров установок аттестации количества делящегося нуклида, с '
целью получения наименьшей погрешности его определения в об
разцах гетерогенной структуры.
3. Покапано, что результаты вепсЬмаїк экспериментов,
кроме своего основного назначения, могут быть использованы
для получения физических параметров материалов бланкетов и
процессов переноса нейтронов в сложных системах, облучаемых
нейтронами Т (<=!,п )рНе реакции. В результате проведенных рас
четных и экспериментальных исследований били получены:
повышение степени информативности интегральных экспериментов на основе восстановления "термоядерних" спектров нейтронов по результатам измерения скоростей ядерных реакций. Проведен анализ погрешностей получения дифференциального и интегрального спектров, групповых потоков, монолинии нейтронов источника и параметров эффективных сечений и порогов ядерних реакций. Показано, что. дифференциальные характеристики можно использовать дли физического анализа процессов переноса нейтронов, а интегральные - как вепсКмагк результаты. Доказана возможность моделирования физических процессов, таких как наработка трития на изотопе Li по результатам восстановления спектров,
влияние полого цилиндрического канала в графитовой сборке на спектральные характеристики нейтронного поля,
влияние свинцового и уранового размножителей нейтронов на величину, скорости образования '.'рития в сложной системе литийсодержащих зон с применением прямой и модельной реакций,
лримерение методики разностей нормированных скоростей реакций для повышения информативности детекторов при исследовании характеристик нейтронов вторичного спектра.
влияние свинцового отражателя нейтронов, имитирующего внутренний бланкет на функционалы модели бланкета с урановым размножителем.
4. Показано, что вследствие сильной пространственной
эволюции спектров "термоядерных" нейтронов анализ поведения
совокупности абсолютных и относительных величин расчетных и
экспериментальных результатов может указать наиболее вероят-
ную причину их расхождения. Примером может служить обнаружен
ное завышение сечение реакций АН* (*\,"2п) в области энергий
нейтронов 14-15 МэВ в файле данных, основанном на библиотеке
ENDF/B-УІ. -
Практическая ценность.
Практическая ценность работы заключается в следующем: . I. Получены результаты ичмерения функционалов нейтронных полей в комплексе вєцсіімагк экспериментов, которые могут быть использованы для верификации программ расчета бланкетов ТЯР. Все результаты представляют собой абсолютные величины, нормированные на одно ядро детектора и один нейтрон источника. Были измерены следующие величины:
- скорости пороговых детекторов по следующим реакциям:
"^M),""^/)' "*«С*,р). "At(.«f?). "7Аас«>).
скорости ядерных реакций деления изотопов: U ., SU* гЪ9Рм, "*-ТК ,li7>J> ,li8U
скорости ядерных реакций захвата и размножения нейтронов («, г»\ ) на изотопе118U , .
скорости ядерных реакций 1л О».*) и ^("і^'с^У, определяющих наработку трития, а также ** i4*,)j) и *5С(и,«Л
их моделирующие.
2. Разработанный метод определения скорости реакции образования трития в литийсодержащих средах моделей бланкетов,
облучаемых нейтронами можно использовать в модельных бланке-тах в.епскматк экспериментах при сравнительно небольших
-10 н/с выходах нейтронов нейтронного генератора, а таїссе в дозиметрических целях. Метод защитен авторским свидетельством.
3. Предложенний критерий нахождения реакций, моделирующий наработку трития на различных изотопах лития, основанный на постоянстве отношений продуктов прямой и модельной реакций, позволил провести анализ возможных модельных реакций из результатов проведенных экспериментов и выявить наилучшие из них с точки зрения наибольшего приближения к прямьм реакциям и"выигрыша во времени проведения эксперимента, находящегося в пределах от пяти до ста,раз.
4. Созданная в стандарте ІШШ{ система измерения абсолют-
ных, нормированных скоростей ядерных реакций позволила практически реализовать большой объем экспериментальных работ и получить результаты массовых измерений на уровне, требований удовлетворяющих условиям вепсЬматк экспериментов при больших градиентах нейтронных полей и их малой плотности. Такал возможность значительно снижает требования ч величине выхода нейтронов нейтронного генератора, трудоемкость экспериментов и их стоимость.
5. На основе метода измерения количества делящихся нук-.
лидов в образцах гетерогенной структуры, заїцищенного двумя
авторскими свидетельствами, била создана новая технология и
макет промышленной установки входного контроля содержания iiSU в ТВС реактора ВВЭР-440.
6. Создана лаборатория "Нейтронный генератор" на методи
ческой," аппаратурной, программной и технической базе которо'Й
возможна реализация программ научно-исследовательских работ
в области физики ядерных и термоядерных реакторов. На ВДНХ СССР макет лаборатории "Нейтронній генератор" и экспериментальных установок был удоотоен серебряной медали.
Использование и внедрение результатов работы.
1. Результаты измерений функционалов нейтронных полей,
полученных в комплексе вег>сКмагк экспериментов были исполь
зованы при верификации и сравнении с расчетами по следующим
программам:
" В1АМК" - созданной в ИАЭ им.И.В.Курчатова для обо- снования нейтронно-физической части национальных проектов ТЯР,. ' '
"BRAND " - созданной в ЗШ г.Обнинска,
"GERA", "КАСКДЦ-І" и комплекса "KIB" - созданных в МИФИ дляпроведения вариантных расчетов бланкетов и защиты ТЯР.
2. Результаты разработки системы измерения абсолютных,
нормированных скоростей ядерных реакций переданы для внедре
ния в ЭНИН им.Кржижановского и использовались в настоящей
работе.
- 3. Разработанный метод измерения скорости реакции образования тригля в лигийсодоржащих зонах моделей бланкетов внедрен в МИФИ при получении экспериментальных результатов в настоящей работе, а также использован для определения радиа-
ционной обстановки в объекте "Укрытие" Чернобыльской АХ (протокол измерения по х/д 88-3-4П передан в НТЦ ГАЭН СССР).
-
Рекомендованная в качестве моделирующей наработку трития на изотопе * Li ядерная реакция 219 Рц. была использована в исследованиях эффективности свинцового и уранового размножителей нейтронов.
-
Лаборатория "Нейтронный генератор" и весь разработанный комплекс обеспечения экспериментальных работ' использовался в течение ряда лет для проведения научно-исследовательских работ различных направлений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 3& печатных работах,, трех авторских свидетельс-тваХі 37і научно-технических отчетах, в число которых входят доклады на XIX Международном симпозиуме по ядерной физике в Гауссиге, Германия, Международных конференциях Physe>t-90 в Марселе и ENC 90 в Лионе, Франция ив Чарлестоне, США. Кроме этого, отдельные части работы докладывались и представлялись на Всесоюзних конференциях в Ленинграде и Протвино, на 5-ом Всесоюзном семинаре по проблемам физики реакторов, Москва, 2-ом Советско-китайском семинаре по проблемам гибридных ТЯР в Москве и. обсуждались на семинарах в Радиевом институте в Ленинграде, ИАЭ им.Курчатова, Мангыш-лакском энергокомбинате, ЭНИН им.Кржижановского и научных конференциях МИШ.
Личный вклад автора. Все работы проводились под научным руководством автора и при его непосредственном участии во всех экспериментах.
' Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух частей, в которые входят шесть глав и заключения. Общий объем составляет 380 страниц, включая Пв рисунков и 80 таблиц. Библиография состоит из 136 ссылок.
Результаты работы позволяют сформулировать следующие положения, которые выносятся на защиту:
I. Результаты измеренных в комплексе вепсЬмачк экспериментов в плоской геометрии установок пространственных распределений абсолютных, нормированных функционалов нейтронных полей, характеризующих их спектральные характериСт тики, наработку трития на различных изотопах лития, про-
цессы размножения и захвата нейтронов в урановой зоне модели ТЯР, пригодные для верификации программ расчета бланкетов.
2. Результаты анализа экспериментальных данных, куда
входят:
определение влияния полого цилиндрического-канала в графитовой сборке на прохождение нейтронов различных энергетических групп,
определение влияния свинцового и уранового размножителей нейтронов в моделях бланкетов сложной структуры на спектральные характеристики нейтронных полей и на абсолютные величины скоростей реакций, ч-
определение сравнительной эффективности образования Трития в сложной гритийзоспроизводящей зоне со свинцовым и урановым размножителями нейтронов. Показано, что урановый размножитель эффективнее свинцового в 1,92 раза,
определение масштабов влияния свинцового'размножителя нейтронов, имитирующзго внутренний бланкет на спектральные характеристики нейтронного поля и скорость образования трития в модели бланкета с урановым размножителем,
- возможность определения наиболее вероятной причины
расхождения экспериментальных и расчетных значений скорос
тей ядерных реакций исходя из анализа совокупности прост
ранственных распределений их абсолютных и относительных
.величин, примером которой, может служить обнаруженное завышение значения сечения реакции SH TLn (п,2*\) в файле данных на основе бибпиотеки ENT)F-/b-vi .
3. Результаты расчетных и экспериментальных исследо- .
ваний восстановления "термоядерных" спектров нейтронов,
повышающие степень информативности интегральных экспери
ментов на нейтронных генераторах. К ним относятся:
- анализ погрешностей восстановления дифференциаль
ных и интегральных спектров, ионолинии нейтронов источ
ника, групповых потоков нейтронов, эффективных сечений
И ЭНерГетИЧеСКИХ ПОрОГОВ ЯДерНИХ реаКЦИЙ, КОТОрые ПОЗВО7
лярт использовать восстановленные величины для анализа физических процессов в бланкетах и сравнения с результатами расчетов,
- определение энергетической области существования
4 единых эффективных параметров пороговьа реакций для широкого
набора спектров нейтронов в установках с "термоядернш"спек-
тром, '
эффективные параметры и их погрешности для 21 пороговой реакции,
возможность определения скорости образования трития на изотопе 7 Li, из результатов восстановления спектров нейтронов,
4. Метод определения скорости образования трития на
различных изотопах лития, который можно использовать при по
становке вепскмагк экспериментов на моделях бланкетов слож
ной структуры в плоской геометрии установок с применением
нейтронных генераторов, имеющих средний выход нейтронов
~2-Ю10 н/с.
-
Критерий определения и выбор ядерных реакций, моделирующих наработку трития на различных изотопах лития.
-
Разработка'методического я& аппаратурного обеспечения массовых измерений абсолютных* .нормированных .скоростей ядерных реакций в моделях <бланкеаю,в .сложной структуры ,в плоской геометрии установок іцри среднем выходе нейтронов нейтронного генератора .на уровне 2-10 н/с.
-
Метод определения содержания делящихся нуклидов в ' образцах гетерогенной структуры с использованием импульсного нейтронного источника.
-
Оптимизационная .методика получения временных и геометрических параметров установок входного контроля ТВС
ядерных реакторов, дающая .наименьшую погрешность определения количества делящихся .нуклидов.
9. Технология не,раарушающего контроля содержания U
в ТВС реактора ВВЭР-440..
