Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Явление мюонного катализа и газовые системы для его экспериментального исследования 20
1.1. Явление мюонного катализа (МК) 20
1.2. Механизм резонансного образования мезомолекул 21
1.3. Системы газового обеспечения и мишени для изучения процессов мк в тритийсодержащих смесях 24
1.3.1. Объединённый институт ядерных исследований 25
1.3.2. Лос Аламосская мезонная фабрика (Los Alamos Meson Physics Facility, LAMPF) 29
1.3.3. Швейцарский институт ядерных исследований им. Пауля Шеррера (PaulScherrer Institute, PSI) 32
1.3.4. Санкт-Петербургский институт ядерной физики, ПИЯФ 36
1.3.5. Группа Нагамине 38
ГЛАВА 2. Разработка и создание комплекса подготовки газовой смеси (КПГС) 44
2.1. Конструктивное построение КПГС 44
2.2. Основные функциональные элементы и работа КПГС 46
2.2.1. Источники давления 46
2.2.2. Очистка рабочей смеси от примесей 49
2.2.3. Подготовка смеси и подача ее в мишень 51
2.2.4. Анализ молекулярного состава смеси 52
2.2.5. Утилизация смеси 53
2.2.6. Вакуумная система 54
2.2.7. Электрообеспечение и контроль параметров комплекса 54
2.2.8. Система автоматизированного контроля и управления КПГС 55
2.2.9. Вентиляционная система 61
2.2.10. Радиационная безопасность 68
ГЛАВА 3. Разработка и создание мишеней высокого давления 70
3.1. Разработка тритиевой мишени высокого давления 70
3.1. 1. Ампула 74
3.1.2. Ресурсные испытания 82
3.1.3. Оценка прочностной надёжности 86
3.1.4. Экспериментальные исследования эффективности вакуумируемого водородного барьера 87
3.1.5. Система охлаждения 90
3.1.6. Система нагрева 94
3 1 .7. Система радиационной безопасности 98
3.1.8. Система контроля эксплуатационных параметров мишени 98
3.2. Разработка деитериевои мишени высокого давления (ДМВД) 99
3.2.1. Конструкция ДМВД 100
3.2.2. Система газового обеспечения 102
3.2.3. Система охлаждения 104
3.2.4. Система нагрева 104
3.2.5. С истема контроля и управлен ия 104
3.2.6. Функционирование ДМВД 106
3.2.7. Результаты эксплуатации 107
3.3. Разработка тритиевой мишени сверхвысокого давления 107
ГЛАВА 4. Исследования влияния изотопов водорода на служебные характеристики конструкционных материалов (КМ) 111
4.1. Исследования водородной стойкости КМ 114
4.2. Разработка оборудования и методики для ускоренного 121 накопления 3Не в КМ
4.2.1. Расчетно-экспериментальное обоснование методики ускоренного накопления JHe в КМ 121
4.2.2. Насыщение образцов КМ 3Не 125
4.2.3. Разработка и создание оборудования и методики анализа содержания 3Не в 126 КМ
4.2.4. Детритизация образцов 127
4.3. Исследование проницаемости км изотопами водорода (ИВ) 131
ГЛАВА 5. Создание источников высокого давления изотопов водорода на основе гидрида ванадия 143
5.1. Материалы, оборудование и методы проведения исследований 144
5.1.1. Материалы 144
5.1.2. Используемые установки и оборудование 145
5.1.3. Методика проведения экспериментов 148
5.2. Исследование зависимости равновесных давлений десорбции протия и дейтерия от температуры 151
5.3. Термодесорбционные источники ив на основе гидрида ванадия 159
ГЛАВА 6. Исследования мк в плотных смесях ив 163
6.1. Аппаратура и методика эксперимента 164
6.1.1. Экспериментальный метод 164
6.1.2. Схема эксперимента 165
6.1.3. Процедура проведения экспериментов 168
6.2. Результаты исследований мк в плотных смесях ИВ 169
6.2.1. Результаты исследований МК в двойной D/T смеси 171
6.2.2. Результаты исследований МК в тройных H/D/T смесях 174
6.2.3. Результаты исследований МК в дейтерии при температурах выше 400К 176
Заключение 180
Литература 184
- Системы газового обеспечения и мишени для изучения процессов мк в тритийсодержащих смесях
- Подготовка смеси и подача ее в мишень
- Разработка деитериевои мишени высокого давления (ДМВД)
- Расчетно-экспериментальное обоснование методики ускоренного накопления JHe в КМ
Введение к работе
Мюоны были впервые обнаружены в космических лучах в 1936-37г.г. К. Андерсоном и С. Неддермейер. Теоретически мюонный катализ ядерных реакций синтеза (МК) был предсказан Чарльзом Франком более 55 лет тому назад в 1947 году [1], после открытия Ч. Латтесом, Дж. Оккиалнни и С. Пауэллом в 1947г. я-мезона и его распада на мюон и нейтрино: ті±->(і± + v^. Франк рассматривал реакцию синтез ядер водорода и дейтерия для их естественной концентрации в природе (0.015% дейтерия в водороде). Он предсказал перехват мюона более тяжелым изотопом, образование мюонных молекул и изотопный обмен мюоном между протнем и дейтерием в цепочке МК: \і -> рц -» dp. -> pdu -> 3Не + ц' + 5.4МэВ. Год спустя в 1948г. А.Д. Сахаров показал, что после образования ddu-молекулы мгновенно происходит ядерная реакция, и предложил использовать МК для производства энергии и нейтронов [2]. В 1954г. ЯЛ>. Зельдович [3] впервые оценил скорость ядерной реакции в ddu-молекуле, которая оказалась на много порядков величины выше, чем скорость распада мюона. И только в 1956г. Л. Альварес [4], обрабатывая картинку, полученную на большой жидкодейтериевой пузырьковой камере в эксперименте с пучками К-мезонов с большой примесью мюонов, неожиданно увидел несколько событий МК в цепочке реакций р." —> pp.-» dp.—» pdu—> Не + р.". Это открытие вызвало большой энтузиазм среди физиков. Работы по исследованию процессов МК были развёрнуты по всему миру: в США (L. Lederman, J.G.Fetkovich, J.H.Doede и др.), в Великобритании (Ashmore и др.), в России (группа В.П. Джелепова). Однако первые экспериментальные результаты, полученные Д.Г. Фетковичем [5] и Д.Х. Додом [б], показали, что скорость образования ddp-молекулы очень мала (7-Ю с" ), а, соответственно, цепочки МК очень коротки. Этот результат значительно уменьшил интерес к изучаемому явлению тех физиков, которые хотели получить от МК мгновенное прикладное использование для получения "чистой ядерной" энергии.
Следующие пять лет (19б2-67г.г.) работы в этой области продолжали лишь две группы: в Дубне группа В.П.Джелепова и Болонье (Италия) группа Э. Заваттини. И именно в это время в экспериментах с газовыми мишенями высокого давления в Дубне было открыто новое явление - явление резонансного образования молекулы ddp. [7]. Оказалось, что скорость образования ddp. -молекул зависит от температуры, в частности, при температуре 380К она на порядок величины больше, чем в жидком дейтерии. Было трудно понять, каким образом ядерные процессы могут зависеть от
такого макроскопического параметра, как температура. Ведь в масштабе энергий изменение температуры на такую величину приводит к пренебрежительно малым (—0.03 эВ) изменениям кинетической энергии dp-атома, в то время, как полная ЗЕїергия связанного состояния dp-атома равна 2500 эВ, а ddp-молекулы 325 эВ,
Объяснение этому явлению было предложено Е.А. Весманом [8], работавшим в это время в Дубне под руководством С. С. Герштейна. Основная идея заключалась в том, что нейтральный dp-атом проникает в молекулу дейтерия и прилипает к одному из её ядер, образуя новый мезомолекулярный комплекс согласно реакции du-+D2-»[(dd|i)d2e]v, энергия связи которого равна сумме энергии связи ddp-молекулы
ddp dfi dd^s dp
n и кинетической энергии налетающего dp-атома о : ЛЕ=^и +о . За счёт энергии налетающего dp-атома, которая зависит от температуры как е=3/2кТ и происходит резонансная подстройка условий резонанса при образовании ddp-молекулы. Весмап показал, что энергия связи ddp-молекулы должна быть порядка 2эВ. Позже Л.И.Пономарев и его коллеги провели теоретические расчеты трехчастичной системы с кулоновским взаимодействием [9], в которых они впервые получили энергию
слабо связанного состояния ddp - молекулы, равную п =1,96эВ, Это позволило с хорошей точностью описать экспериментальные данные, полученные группой ВЛ. Джелепова [7]. Окрыленные этим успехом, в 1977г. они оценили энергию слабо связанного возбужденного состояния dtp-молекулы, которая оказалась равной всего лишь О.бЗэВ. Расчеты также показали, что количество циклов МК в смеси дейтерия и трития, инициируемое одним мюоном, равно —100. Для проверки этого результата в Дубне всего за год была создана методика и оборудование для проведения экспериментов в дейтерий-тритневых смесях, и уже в 1978г. была измерена скорость образования dtp - молекулы Х^ »10 с" [10], которая оказалась в полном соответствии с предсказаниями теоретиков. Кроме того, в этой работе были измерены такие важные параметры цикла МК как: скорость изотопного обмена (dp+t-»tp+d) - Л<ц =(2.9±0.4)* 10s с"1 и коэффициент прилипания мюона к Не - cos~0.6%.
Появление этих результатов вызвало новую волну экспериментальных и теоретических исследований процессов МК практически на всех установках, способных получать мезоны: LAMPF (США), PSI (Швейцария), ПИЯФ (Россия), КЕК (Япония), TR1UMF (Канада), RAL (Великобритания) и ряде других. В 1982г были начаты эксперименты в Лос - Аламоской Национальной Лаборатории с дейтерий - тритиевыми
мишенями высокого давления, в которых были получены рекордные выходы нейтронов (150+20) на один мюон [11], В PSI (Виллиген, Швейцария) с участием ІМЕР (Вена), LLNL (Ливермор) и LBL (Беркли) проводились исследования МК в жидких дейтерий -тритиевых смесях [12, 13]. В Гатчине группой А.А. Воробьева в 1983г. была создана оригинальная ионизационная камера высокого давления (~10МПа), на которой впоследствии были выполнены прецизионные измерения параметров МК [14]. Однако эти результаты давались не лёгкой ценой. Созданные установки бьши направлены на получения "быстрого" результата и не отвечали в полной степени все возрастающим требованиям радиационной безопасности. Позже об условиях радиационной безопасности работ на этих установках говорилось: "... не наблюдалось значительного облучения персонала тритием" [15]. Полученные результаты не позволяли использовать МК для прямого получения энергии (для положительного энергетического выхода необходимо не менее 300 актов синтеза на один мюон). Это сказалось и на проведении дальнейших исследований МК и к концу 80-х их интенсивность снова значительно уменьшилась.
Тем не менее, эти результаты уже давали возможность практического использования МК в мюонно каталитическом гибридном реакторе (МКГР) [16, 17] и интенсивном источнике монохроматичних нейтронов с энергией 14 МэВ (МК ИИН) [18].
К сожалению, работы в О ИЛИ в это время бьши приостановлены до 1985г. из-за остановки фазотрона на реконструкцию. После запуска фазотрона ЛЯП ОИЯИ понадобилось ещё два года, чтобы создать оборудование, разработать методику и провести измерения процессов МК в дейтерии и смесях протия - дейтерия при давлениях до 150МПа и диапазоне температур 20-ЗООК [19-22]. Эксперименты с тритием не проводились из-за отсутствия надёжного оборудования, позволяющего работать с тритием в условиях, специально не приспособленных для таких работ.
В 1992г. была выполнена теоретическая работа [23], предсказывающая новые особенности МК в тройной смеси. Оказалось, что скорость резонансного образования dtp, - молекулы в тройной H/D/T смеси в несколько раз выше, чем в бинарной D/T смеси.
Для подтверждения этих теоретических предсказаний и нахождения оптимальных условий протекания МК в смеси H/D/T, потребовалось проведение систематических исследований процессов МК в широком факторном пространстве температур, давлений и концентраций ИВ в исследуемых смесях.
Полученные, результаты исследований МК могут быть использованы и широко используются в таких областях фундаментальных исследований как: атомная физика, молекулярная физика, ядерная физика, физика слабых взаимодействий и квантовая электродинамика. Основной проблемой, без решения которой невозможно было осуществить эти работы, была проблема создания радиационно-безопасного оборудования для работ с тритием в низкофоновой лаборатории фазотрона ЛЯП ОКЯИ, решение которой является актуальной задачей, имеющей важное научное значение.
В связи с вышеизложенным, основной целью диссертационной работы является создание радиационно-безопасного оборудования для работ с тритием, при проведении систематических экспериментальных исследований процессов МК в широком диапазоне концентраций смесей ИВ с плотностью 0.2 < р <> 1.4, в диапазоне температур 20-800К.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
разработка методов и аппаратуры получения высокого давления ИВ, включая тритий, при обеспечении чистоты газа на уровне не менее 10'7об. долей по примесям с Z>4 и радиационной безопасности;
создание методики подготовки смеси заданного изотопного и молекулярного состава и аппаратуры для ее анализа;
создание конструкций мишеней, обеспечивающих, с одной стороны, минимальное экранирование j^-пучка и продуктов ядерных реакций, а с другой - радиационную безопасность и высокую надежность;
выбор конструкционных материалов, удовлетворяющих требованиям высокой стойкости к воздействию ИВ, включая тритий, обладающих хорошей технологичностью, свариваемостью и низкими параметрами водородо проницаемости;
создание методик и оборудования для проведения исследований влияния трития на эксплуатационные характеристики конструкционных материалов;
выбор защитных покрытий для предотвращения диффузионных утечек трития в окружающую среду;
разработка системы контроля и управления установкой и ее элементами;
создания системы радиационного мониторинга в газовых коммуникациях технологического оборудования и рабочей зоне.
Достижение поставленных целей осуществлялось с использованием следующих методических и технологических приемов:
использование металлогидридных систем для хранения, транспортирования, получения давления и утилизации ИВ;
использование металлогидридных систем и диффузионных палладиевых фильтров для очистки смесей ИВ и получения молекулярного равновесного состояния;
применение радиохроматографической методики для анализа молекулярного и изотопного состава смесей ИВ;
использование водродостойких КМ;
использование имеющейся и создание новой экспериментальной базы РФЯЦ-ВНИИЭФ для проведения: исследований по выбору КМ, исследования систем "металл — ИВ" при высоких давлениях, ускоренной наработки Не в матрице КМ и определения его объемного содержания, прочностной и функциональной отработки элементов комплекса, ресурсных испытаний;
применение современного программного обеспечения и использование современной элементной базы для создания систем контроля и управления комплексом.
Научная новизна работы
Разработан и создан радиационно-безопасный комплекс подготовки газовой смеси для обеспечения экспериментов по МК, позволяющий проводить работы с тритием в количествах до 10 кКи в условиях открытых лабораторий, обеспечивающий подготовку смеси заданного изотопного состава, анализ молекулярного и изотопного состава смеси, очистку смеси до уровня не хуже 10*7 об. долей по примесям с Z > 4, подачу её в мишень и утилизацию после завершения работ.
Впервые в сосудах высокого давления, применяемых для работы с тритийсодержащими газами высокого давления, применена конструкция в виде автофритированного сосуда с двойным рубежом защиты от несанкционированного проникновения трития в атмосферу. Новизна технических решений, заложенных в конструкцию, подтверждена Патентом РФ.
В мишенях для исследования процессов МК применена система сжижения ИВ прокачкой охладителя (жидкого водорода) через полость между наружным и внутренним корпусом автоскрепленного сосуда. Новизна технических решений подтверждена Патентом РФ.
Для получения высокой плотности ИВ при исследованиях процессов МК применен метод накопления жидких ИВ в ампуле под высоким давлением, получаемым от ванадиевого генератора. Новизна технических решений подтверждена Патентом РФ.
Получены новые результаты по длительной прочности сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений при воздействии водорода высокого давления до 150МПа в диапазоне температур до 700С.
Впервые получены параметры водородопроницаемости как сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений, так и сплава с защитным покрытием из нитрида титана в диапазоне температур до 800С. Найдено, что при температуре 400-500С для покрытия из нитрида титана существует излом кривой проницаемости, связанный, по-видимому, с изменением механизма транспорта водорода через это покрытие.
Для исследовании влияния трития на служебные свойства КМ, применяемых для работы с высоким давлением трития, разработаны новые методики и оборудование, позволяющие проводить ускоренное накопления и определение объемного содержания радиогенного гелия в матрице КМ.
Впервые для систем "ванадий - ИВ" получена диаграмма состояния в координатах давление - температура - концентрация (Р-Т-С) в диапазоне давлений до 500МПа.
Впервые получены зависимость параметров цикла МК в тройной H/D/T смеси ИВ в диапазоне температур 20-800К и плотностей до 0.9 от плотности жидкого водорода и широком диапазоне изменений концентрации ИВ в смеси.
Получены новые значения параметров цикла МК в двойной D/T смеси в диапазоне температур 20-800К и плотностей до 1.3 от плотности жидкого водорода и широком диапазоне изменений концентрации ИВ в смеси.
Впервые получены экспериментальные значения параметров цикла МК для дейтерия в диапазоне температур 400-800К при высоких плотностях дейтерия.
Результаты, полученные в данной работе, позволили создать новое направление -разработка систем для проведения радиационно-безопасных работ с тритийсодержащими веществами при выполнении исследований в области фундаментальной и прикладной физики.
Практическая ценность работы
Разработано и создано оборудование для проведения исследований мюонного катализа ядерных реакций синтеза в смесях ИВ, на котором проведены и продолжают проводиться систематические экспериментальные исследования процессов МК в смесях ИВ в широком диапазоне плотностей, температур и концентраций ИВ.
Разработаны и созданы источники давления ИВ на основе металлогидридов, которые в настоящее время применяются в исследованиях: процессов МК (ЛЯП ОИЯИ); нейтронно -избыточных систем на границе нейтронной стабильности (ЛЯР ОИЯИ); систем "металлогидрид - ИВ", воздействия трития на физико-механические свойства КМ, в измерениях уравнения состояния дейтерия в области мегабарных давлений (РФЯЦ-ВНИИЭФ) и в ряде других экспериментальных работ.
Разработан и создан радиохроматограф для определения молекулярного и изотопного состава смеси ИВ при исследованиях процессов МК и при проведении ряда работ по тематике РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Разработано, создано и прошло метрологическую аттестацию отраслевой лабораторией измерительной техники дозиметрическое оборудование для определения объемной активности трития в газовых средах.
Разработанная система контроля и управления комплексом широко используется при проведении различных экспериментальных исследований в ЛЯП и ЛЯР ОИЯИ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, СПбГУТ и ряде других организаций.
Результаты исследований параметров МК, полученные в настоящей работе, используются в атомной физике, ядерной физике, физике слабых взаимодействий и квантовой электродинамике, а также при расчете конструктивной схемы интенсивного источника нейтронов на базе мюонного катализа.
Положения и результаты, выносимые на защиту
Разработка и создание комплекса оборудования, включающего в себя; комплекс подготовки газовой смеси, семейство тритиевых и дейтериевых мишеней высокого давления и источники изотопов водорода высокого давления на базе дигидридной фазы ванадия для проведения исследований процессов МК в смесях ИВ.
Результаты исследований физико-механических свойств сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений в условиях длительного воздействия водорода высокого
давления в диапазоне температур 300-ЮООК и параметров водородопроницаемости, как для данного сплава и его сварных соединений, так и для сплава с защитным покрытием из нитрида титана.
Разработка метода и оборудования для проведения ускоренного накопления радиогенного гелия и определения его объёмного содержания в матрице КМ,
Диаграмма состояния систем "ванадий - ИВ" в координатах давление - температура - концентрация (Р-Т-С) в диапазоне давлений до 500МПа.
Результаты экспериментов по измерению параметров МК в смесях ИВ при высоких плотностях и различных концентрациях.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и включает в себя 193 страницы, 101 рисунок, 11 таблиц и 171 наименование цитируемой литературы.
В первой главе представлено описание процессов МК в смесях ИВ, определены критические параметры процесса МК. Далее представлен обзор и анализ экспериментальных установок и мишеней для работ с ИВ, Особое внимание обращено на установки, работающие с тритием. В заключении показана необходимость создания нового радиационно-безопасного оборудования для работ с тритием на фазотроне ЛЯП
оияи.
Во второй главе описан комплекс подготовки газовой смеси: подход к созданию оборудования для работы с тритием в условиях открытых лабораторий, состав и конструкторская реализация комплекса. Приведено описание основных функциональных узлов и систем комплекса: палладиевые фильтры; источники ИВ; анализ молекулярного и изотного состава смеси; система автоматизированного контроля и управления; система радиационного контроля; меры радиационной безопасности.
В третьей главе приводится описание конструкций мишеней высокого давления, их конструктивные решения и исполнение составных частей и систем. Также в этом разделе приведены результаты прочностных исследований, ресурсных испытаний и тепловых расчетов мишеней.
В четвертой главе представлены исследования влияния ИВ на служебные характеристики КМ. Описана методика исследования прочности КМ в условиях воздействия трития. Приведены методика и оборудование для ускоренного создания высокой концентрации радиогенного гелия в матрице КМ. Приведены результаты ускоренной наработки Не в образцах КМ, использующихся для создания элементов
комплекса и работающих при повышенных давлениях трития. Приведены результаты исследований характеристик длительной прочности сплава ХН40МДТЮ-ИД (ЭП543-ИД) в среде водорода и параметры ВП этого сплава. Описаны результаты исследований ВП сплава ЭП543-ИД и его сварных соединений, исследований по выбору защитного покрытия из нитрида титана.
В пятой главе изложены методика, оборудование и результаты исследований системы "ванадий - ИВ" при высоких давлениях. Приведены параметры диаграммы "давление - температура - концентрация" (Р-Т-С) в диапазоне давлений до ЗООМПа. Описана конструкция ванадиевого металлогидридного генератора для создания давления ИВ, включая тритий, вплоть до 500МПа и система контроля и управления рабочими параметрами генератора.
В шестой главе изложены результаты исследований процессов МК в плотных D/T и H/D/T смесях, а также в дейтерии при температурах 400 - 800К. Приведены параметры экспериментов, полученные зависимости скорости цикла от температуры, плотности и концентрации ИВ в смесях.
В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертации,
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на семинарах в Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийском научно -исследовательском институте экспериментальной физики (Сэров), Лаборатории ядерных проблем им, В.П, Джелепова Объединенного института ядерных исследований (Дубна), в Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва), в Координационном центре по проблемам мюонного катализа и экзотических квантовых систем (Москва), в Научно - исследовательском институте физики при С.-Петербургском Университете (Санкт-Петербург), на ПО "Маяк", а также на Международной конференции по мюонному катализу U.CF95, Дубна 1995; 7-ой Международной конференции по материалам для реакторов синтеза, Обнинск, 1995; Международном рабочем совещании по мюонному катализу: интенсивному источнику нейтронов и его приложениям, Фраскати (Италия), 1996; Международном рабочем совещании по технологии микросфер, микрокапсул и лазерных мишеней, Москва, 1997; Международной конференции по экзотическим атомам, молекулам и мюонному катализу, Мойте Верита (Швейцария), 1998; Международном семинаре "Потенциал российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях. PRI1T-99", Саров, 1999; 6-ой и 7-ой Международной конференции "Водородное материаловедение и
химия гидридов металлов", Кацивели, 1999 и Алушта 2001; Первом международном семинаре "Безопасность и экономика водородного транспорта. IFSSEHT-2000" Саров, 2000; Международном симпозиуме "Научные исследования с использованием трития и связанная с этим техника", Вако (Япония), 2000; 9 Международное рабочее совещание "Рециклинг водорода в материалах, контактирующих с плазмой в реакторах синтеза", Аргон, (США), 2000; Международном семинаре "Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM-01", Саров, 2001; Международной конференции "Мюонный катализ и связанные экзотические атомы. ^iCF 01", Шимода (Япония), 2001; 51-м Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Саров, 2001; 6-ой Международной конференции по тритиевой науке и технологии, Цукуба (Япония), 2001,
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 работ, в том числе 23 в журналах: Hyperfine Interactions - 7, Journal of the Moscow Physical Society - 4, ПТЭ - 2, Journal of Nuclear Materials - I, International Journal of Hydrogen Energy - 1, Fusion Science and Technology - 2, Материаловедение - 3, Вопросы атомной науки и техники -2, Известия РАН. Серия физическая - 1. Две работы опубликованы в трудах РФЯЦ-ВНИИЭФ. Получено 4 патента РФ.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. AA.Yukhimchuk, V.N.Lobanov. - Tritium handling. Hyperfine Interactions 101/102 (1996)
661-668.
2. AA.Yukhimchuk, V.KGaevoy, Study of hydrogen isotope pemieation through some
construction materials. - Journal of Nuclear Materials 233-237(1996) 1193-1197;
Исследование проницаемости изотопов водорода через некоторые конструкционные
материалы. В сб. Твёрдые фазы, содержащие изотопы водорода. Саров: РФЯЦ-
ВНИИЭФ, 1999,81-89.
AA.Yukhimchuk. Technological aspects in the experiments on the muon catalyzed fusion and pCF based INS. - Proceedings of workshop on ц-catalyzed fusion: intense neutron source and its applications. ENEA В 301 N 00010 (1996) 57-69.
АА.Юхимчук, А.Н.Голубков, Б.НТеняев. и др. Стенд для исследования сорбционных свойств поглотителей водорода. - Патент РФ 9650 U1, Бюл. "Изобретения", 1999, №4, 16.04.99.
ААЛОхимчук, Д.Л.Дгмин, В.Г.Зинов и др. Способ получения изотопов водорода высокой плотности. - Патент РФ №2163837 С2. Бюл. "Изобретения", 2001, №7 10.03.2001.
А-А.Юхимчук, В.И.Тихонов, С.КГришечкин и др. Сосуд для хранения изотопов водорода. - Патент РФ №2136064, Бюл. "Изобретения", 1999, №24, 27.08.99.
A,A.Yukhimchuk and V.N.Lobanov. The approach to the design of high-pressure tritium facilities. - Journal of the Moscow Physical Society, V9, N4, 1999, pp269-280.
В.Г. Кпевцов, B.H. Лобанов, Ю.А. Хабаров, АЛ. Юхимчук. Диффузионная очистка изотопов водорода палладиевыми фильтрами. Материаловедение, 5 (2002) 53-56.
N.S.Ganchuk, A.N.Golubkov,..., A.A.Yukhimchuk. Calculation and methods for experimental evalution of molecular composition in a mix three hydrogen isotopes. - Journal of the Moscow Physical Society, V9, №4, 1999, pp281-288; Calculation of the equilibrium composition and time of establishing equilibrium in the mixture of three hydrogen isotopes. -Hyperfme Interactions 119(1999)357-360.
A.N.Golubkov and A.A.Yukhimchuk. Sources of high-pressure isotope gases. Journal of the Moscow Physical Society, V9, №3,1999, pp223-230.
A.V.Bazunov, I.E.Boitsov, S.K.Grishechkin, ... and A.A.Yukhimchuk. Physical and mechanical properties of structural materials. - Journal of the Moscow Physical Society 9(1999)237-244.
АА.Юхимчун, В.А.Апасов, Ю.И.Виноградов и др. Комплекс газового обеспечения экспериментов по мюонному катализу ядерных реакций синтеза. - Препринт РФЯЦ-ВНИИЭФ, 64-98. Саров, 1998. 28с; ПТЭ, 1999, №6, с.17-23; Hyperfme Interactions 119(1999)341-344.
13. В.В.Перевозчиков, АЛ.Юхимчук, И.С.Ганнук и др. Тритиевая мишень высокого
давления. - Препринт ОИЯИ Д15-98-107. Дубна, 1998. Юс; ПТЭ, 1999, №1, с.28-33;
Hyperfme Interactions 118(1999)353-355.
, 14. Yu.P.Averin, D.KBalin,..,, A.A.Yukhimchuk et.al Novel method for the MCF study in dense D/T mixture. First experimental results. - Hyperfme Interactions 118(1999)111-119. Preprint JINR El 5-98-337.
Yu.P.Averin. D.V.Balin...., A.A.Yukhimchuk et.al First measurements of dtn cycle characteristics in liquid H/D/T mixture. Hyperfme Interactions 118(1999)121-125. - Preprint JINR. E15-98-340.
V.R.Bom, L.N.Bradbury,..., A.A.Yukhimchuk et.al. Temperature and density dependence of ц-catalysis cycling rate in dense D/T and H/D/T gas mixtures. - Hyperfine Interactions 118(1999)103-109; Preprint JINR El 5-98-339.
17. А.А.Юхимчук, В.Н.Лобанов, А.И.Веденеев. Тритиевые технологии в
фундаментальной науке, - Сборник докладов Международной конференции "Потенциал
Российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях PRITT99", Саров 17-21 мая 1999г. 44-51; В сб. Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, вып.2, 2001, с.6-15.
A.N.Golubkov, A.A.Yukhimchuk. High-pressure hydrogen isotope sources based on vanadium hydride. - International RIKEN Conference. Muon catalyzed fusion and related exotic atoms. April 22-26, 2001. Shimoda, Japan, p, 5-7; VII International Conference "Hydrogen Materials Science and Chemistry of Metal Hydrides", September 16-22, 2001, Alushta, Crimea, Ukraine, p.298-301.
А.Н.Гопубков, С.К.Гришечкин, А.А.Юхимчук, В.Н.Лобанов. Источники изотопов водорода высокого давления на основе гидрида ванадия. - Сборник докладов Международной конференции "Потенциал Российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях PR1TT99", Саров, 17-21 мая 1999г, 120-123.
В.В.Перевозчиков, А.А,Юххтчук, Н.С.Гаичук и др. Тритиевые мишени высокого давления для исследования процессов мюонного катализа, - Сборник докладов Международной конференции "Потенциал Российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях PRITT99", Саров 17-21 мая 1999г, 114-120; В сб. Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, вып.2, 2001, с. 16-23.
И.Л.Малков, С.В.Златоустовскж, В.Г.Клевцов, ..., АА.Юхимчук. Метод создания повышенной концентрации трития в конструкционных материалах. - Сборник докладов Международной конференции "Потенциал Российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях PRITT99", Саров 17-21 мая 1999г, 39-42.
И.Л.Малков, ВТ. Клевцов, А.А.Юхимчук, Применение метода "тритиевого трюка" для ускоренного накопления гелия-3 в конструкционных материалах. Материаловедение, 5 (2002) 34-37; Creation of Не high concentration in structural materials. - The 9 International Advanced Research Workshop. Hydrogen isotope recycling at plasma-facing materials in fusion reactors, September 20-22, 2000. Argonne National Laboratory, USA.
АА.Юхимчук, Тихонов В.И., Демин Д.Л. и др. Способ получения высокой плотности изотопов водорода. - Патент РФ №2174043, Бюл. "Изобретения", 2001, №27, 27.09.01.
A.N.Golubkov, A.A.Yukhimchuk. Equilibrium pressures of protium and deuterium over vanadium dihydride phase. - VI International conference "Hydrogen materials science & chemistry of metal hydrides" Katsiveli, Crimea, Ukraine, September 2-8, 1999, Proceedings, p.146.
25. A.N.Golubkov, S.K.Grishechkin, A.A.Yukhimchuk. Facility for study interaction processes
between hydrogen isotopes and solid body at about SOOMPa. - VI International conference
"Hydrogen materials science & chemistry of metal hydrides" Katsiveli, Crimea, Ukraine,
September 2-8, 1999, Proceedings, p.257; System for investigation of hydrogen isotopes -
solid body interaction at 500MPa. - International journal of Hydrogen Energy 26(2001)465-
468.
D.L.Demin, V.V.FUchenkov,..., A.A.Yukhimchuk et.al. The investigation of the dependence of the parameters of muon catalyzed fusion on the protium concentration in triple H/D/T mixture at high temperature and density. - Сообщение ОИЯИ, г.Дубна. El 5-2000-156.
D.L.Demin, V.V.FUchenkov,..., A.A.Yukhimchuk et.al. The investigation of the parameters of muon catalyzed fusion in double D/T mixture at high temperature and density, -Сообщение ОИЯИ, r. Дубна. El5-2000-157.
28. АЛ.Юхимчук, Р.И.Илькаев, В.Н.Лобанов. Изотопы водорода в научных программах
РФЯЦ-ВНИИЭФ. - Материаловедение, 2 (2002) 35-42.
29. С.К.Гришечкин, И.Е.Бойцов,..., А.А.Юхимчук. Разработка сосудов высокого
давления изотопов водорода. - Международный семинар "Взаимодействие изотопов
водорода с конструкционными материалами", Саров, 2-6 апреля 2001. Тезисы докладов,
с.115.
V.R.Bom, J.N.Bradbury,..., A.A.Yukhimchuk et al. Investigation of the parameters of muon catalyzed fusion in double D/T mixture at high temperature and density. - Abstracts of the International RIKEN Conference. Muon catalyzed fusion and related exotic atoms. April 22-26, 2001. Shimoda, Japan, p. 3-3.
Yu.P.Averin. V.R.Bom,..., A,A.Yukhimchuk et al. Experimental results on the muon catalyzed dt fusion in H/D/T mixture. - Abstracts of the International RIKEN Conference. Muon catalyzed fusion and related exotic atoms. April 22-26, 2001. Shimoda, Japan, p. 3-8.
Bom V.R., Dentin D.L.,..., A.A,Yukhimchuk et al. Measurement of the temperature dependence of the ddu-molecule formation rate in dense deuterium at temperatures 80-S00K. - Abstracts of the International RIKEN Conference. Muon catalyzed fusion and related exotic atoms. April 22-26, 2001. Shimoda, Japan, p. 4-4.
33. R.I.IVkaev, V .N.Lobanov, A .A.Yukhimchuk. Tritium technologies developed by RFNC-
VNIIEF for basic science. - Abstracts of the International RIKEN Conference. Muon
catalyzed fusion and related exotic atoms. April 22-26, 2001. Shimoda, Japan, p. 5-3; Fusion
Science and Technology, Vol.41, No.3, Part 2 (2002)368-372; Тритиевые технологии,
развиваемые в РФ.ЯЦ-ВНИИЭФ для задач фундаментальной науки. - Вопросы атомной науки техники, 1/2 (2002) 191-196.
34. V.V.Perevozchikov, AA.Yukhimchuk, Yu./.Vinogradov et al. Deuterium high pressure
target. Abstracts of the International RIKEN Conference. Muon catalyzed fusion and related
exotic atoms. April 22-26, 2001. Shitnoda, Japan, p. 5-8; Дейтериевая мишень высокого
давления. - Препринт ОИЯИ DI3-2001-118; Вопросы атомной науки техники, 1/2 (2002)
177-182.
35. A.A.Yukhimchuk. Tritium activities in Russia. Fusion Science and Technology, Vol.41,
No.3, Part 2 (2002)334-338.
Системы газового обеспечения и мишени для изучения процессов мк в тритийсодержащих смесях
К началу этой работы (1995г.) исследования МК в D/T смесях проводились или уже были завершены в следующих научных центрах: 1978-79г.г. - В.Г. Зинов и др. (ЛЯП ОИЯИ, г.Дубна, Россия) — первые измерения процессов МК в D/T смеси при Т=93-613К и давлениях до 6,6МПа, С(=0.8-8%; ф=0.0241ЛГО. lOV1; Xdl№+t (ц+а)= (2.9 ±0.4)-10V [10]. 1982-89г.г. - S. Jones et al. (LAMPF, Лос Ал амос, США) C,=40%; ф=0.7 LHD, T=400; Xdl 5-108c"1; Xdt= (2.8 ±03)Л0 сА[26]. Ct=30%; ф=1.2 LHD, жидкая D/T смесь. Nc=150±20; температурная зависимость a)s d Л%-Н).3% при ф=0.13-ь1.3 LHD [27]. 19Sl-95r.r. - А.А. Воробьев и др. (Ш1ЯФ, г.Гатчина, Россия) - прецизионные измерения ddjj,- и pdu- синтеза с использованием ионизационной камеры высокого (18МПа) давления ИВ: кіііХ=(2.76±0М)-Ю6с1; cod 0.1267+0.004); соотношение R между каналами ( Не + п) и (t+p) - R= 1.39+0.04 (при ЗООК); Хрй1Х (равное. H/D)=(2.3±0.5)-106c 1; Xpdil (не равное. H/D)=(3.5±0.5)-10V . Измерение параметров МК при низких (до 2%) концентрациях трития: dl=(2.8±0.2)-10V1 [53]; =(1.5±0.01)-10VI, V(HD)=(1.3±0.15)-1 OV1 и cos (0.45+0.05)% [54]. 1983-95г.г. - W. Breunlich, C. Petitjean et al. (PSI, Виллиген, Швейцария) - измерения в жидких и твёрдых D/T смесях, Ct=40%; ф=1.2, dt =[(3.26±0.4) (3.73+0.5)]-108 1; Xdt = (2.8 ±0.5)-10V; 10 (0.45+0.05)% [12]. С,=40%; ф=1.45; Т=12; Nc=124±10 [28]. ws«(0.59±0.07)% при ф=0Л7 LHD [29]. 1980-95г.г. - К. Nagamine et al. (UTMSL/KEK) - прямое измерение потерь мюона в цикле МК при регистрации у-излучения от захвата мюона гелием: ю5Ц0.34±0.13)%[64] 1996г.-н.в. . к. Nagamine et al. (RIK.EN/RAL) - измерение параметров цикла МК в твёрдых и жидких смесях ИВ при давлении ниже 1 атм [62-66], Изучение uSR[66]. Наиболее полный обзор работ по созданию систем газового обеспечения и мишеней для исследований процессов МК приведен в работе В.А. Столупина [30]. Ниже приводится описание использовавшихся и разработанных систем и мишеней с привязкой их к организации, в которых проводились исследования МК. Сразу же, после предсказаний теоретиков [9] о резонансном образовании dtp. -молекулы, в ОР1ЯИ для проверки этого предположения В.П. Джелеповым быяа организована группа В.Г. Зинова, которая за год разработала соответствующее оборудование для работ с тритием и провела первые исследования в D/T смеси. Принципиальная схема системы газового обеспечения этих экспериментов приведена па рис. 1.8. [31]. Она состоит из: системы высоковакуумной откачки; газовой мишени и балластного объема (БО); системы очистки дейтерия; источника трития; системы эвакуации D/T смеси из мишени и БО (в случае аварийной ситуации или разгерметизации мишени).
В качестве источника трития (ИТ) использовался тритид титана ТіТг, размещённый внутри ампулы ИТ с объемом 100см , выполненной из нержавеющей стали. Вакуумирование системы осуществлялось паромасляными диффузионными и форвакуумними насосами, оборудованными азотными вымораживающими ловушками (ВЛ). Газовая мишень, рассчитанная на рабочее давление 5.5МПа и работу в диапазоне температур 78-670К, представляет собой сосуд из нержавеющей стали 0130, длиной 250, толщиной стенки Змм и объёмом 3.25л. Нагрев мишени осуществлялся электрической спиралью, а охлаждение - парами азота. Элементы нагрева и охлаждения располагались па внешней поверхности мишени. Для обеспечения радиационной безопасности, мишень располагалась внутри балластного объема БО (-130л), отвакуумированного до остаточного давления 10"2Торр. Предполагалось, что в случае полной разгерметизации мишени давление внутри БО должно быть ниже атмосферного. Для поддержания вакуума в БО к нему были подсоединены два цеолитовых адсорбера ЛН работающих при температуре жидкого азота. Кроме того, к БО были подсоединены два титановых адсорбера ТА, обеспечивающих поглощение ИВ в случае разгерметизации мишени. Заполнение мишени осуществлялось следующим образом. При температуре 800С тритий выделялся из ИТ и подавался в предварительно отвакуумированную мишень при давлениях 240-4 SOTopp, затем в мишень из баллона Б через систему азотных цеолитовых ловушек ЦЯ подавался дейтерий. Контроль концентрации трития в смеси осуществлялся волюмометрическим образом при подготовке смеси и, кроме того, по окончанию работы путем пробоотбора смеси из мишени на ампулы А с последующим анализом радиометрическим методом. Для защиты персонала система газообеспечения размещалась в двух вытяжных шкафах ВШ. С использованием данного оборудования были проведены первые исследования МК в D/T смеси при концентрациях трития до 8%. Полученные значения скоростей Xd lOV1 и Xdt= (2.9 ±0.4)-108с" [10], хорошо согласовались с теоретическими расчетами [9]. После этой работы, фазотрон ЛЯП ОИЯИ был остановлен на реконструкцию и в период 1979-85 г.г. экспериментальных работ по исследованию МК не проводилось. Однако, в это время интенсивно велись работы по созданию новых мишеней и систем газового обеспечения для работ с тритием. Были созданы жидкотритиевая мишень [32], а на её базе жидкотритиевая мишень с вариацией температуры в диапазоне 20.6-г40К [33] и система газового обеспечения [34] для работы с этими мишенями при количествах трития 85кКи. На рис Л .9. приведена схема жидкотритиевой мишени с вариацией температуры [33].
Объём ампулы мишени 1 равен 34см , максимально возможное количество трития в мишени - 85кКи. Для обеспечения радиационной безопасности работ мишень оборудована различными устройствами, включая предохранительные клапаны и двойные рубежи защиты, В качестве хладагента использовался жидкий водород, расположенный в емкости ВБ2 объемом 8.5л. Температура мишени варьировалась с одной стороны, за счет выделения тепла от распада трития, а с другой - за счет теплообмена между ампулой 1 мишени и трубкой 4, заполненной жидким водородом. Для этого расстояние между ампулой 1 и трубкой 4 варьировалось путем перемещения последней внутри емкости ВБ1, Кроме того, для изменения теплообмена между трубкой 4 и ампулой 1 емкость ВБЇ заполнялась газообразным водородом, давления которого могло меняться. Для работы при температурах до 1050К и давлениях ЮОМПа был разработан ампул ьный блок тритиевой мишени высокого давления [35] (рис. 1.10.). Корпус ампульного блока 1 выполнен из высокопрочного никелевого сплава ЭИ698, а вставка 2 -из сплава ЭИ437Б. Между корпусом 1 и вставкой 2 размещена ампула 3 толщиной 0.4мм, выполненная из золота и предназначенная для предотвращения диффузионных утечек трития в атмосферу. Для работ с тритием была разработана система газового обеспечения, принципиальная схема которой приведена на рис. ТЇТ2, размещенный внутри ампул ТІ и Т2 из нержавеющей стали объёмом 100см3. Откачка радиогенного гелия, образовавшегося вследствие распада трития, осуществляется насосами Н, DP, VP, оборудованными азотными ловушками. Выделение трития из источника осуществляется при температурах выше ЮООК. Выделяемый газ имеет содержание примесей не менее lppm [36], так как титан активно адсорбирует и затем химически связывает различные примеси, включая кислород, азот, окислы углерода и другие. В отличие от предыдущей системы [31], разработанная система обладала дополнительными функциональными возможностями и возможностями с точки зрения обеспечения радиационной безопасности. Она была оборудована волюмометрической
Подготовка смеси и подача ее в мишень
Подготовка смеси производится путём измерения количества определенного изотопа водорода волюмометрическим методом в калиброванном мерном объеме CV1 (рис.2.2.) с помощью датчика "Сапфир" с пределом измерений до ШПа с последующей адсорбцией газа ураиовьш смесевым генератором BS4. Таким же образом отмеряются следующие два изотопа смеси. Ёмкость CV1 имеет три калиброванных объема 1990см3, 432см и 70см . Такой набор емкостей удобен для подготовки смеси любого изотопного состава. После накопления компонентов смеси в источнике BS4 может производиться её гомогенизация. Для этого смесь из BS4, путем его нагрева выделяется на ёмкость CV1, а затем поглощается обратно при охлаждения источника. Подача смеси в мишень может производиться двумя способами. Непосредственно из BS4 через палладиевый фильтр F3 в мишень (так осуществлялась заправка ЖТМ). При этом измерение количества подаваемой в мишень смеси проводилось по падению давления на генераторе BS4 и измерением с помощью мерных ёмкостей самой мишени [71]. Заполнением мерной ёмкости CV1 из генератора BS4, а затем подачей мерного количества газа из ёмкости CVI через палладиевый фильтр F3 в мишень. Таким образом осуществлялась заправка ТМВД [72, 73]. Как в первом, так и во втором случае напуск смеси осуществляется в мишень, находящуюся при температуре 20К. 2.2.4. Анализ молекулярного состава смеси Анализ молекулярного состава смеси осуществляется специально разработанным для этой цели газовым радиохроматографом, состоящим из детектора теплопроводности (катарометра) и малогабаритной ионизационной камеры [81]. Разделение изотопов водорода производится на хроматографической колонке длиной Зм, содержащей гранулы А120з, покрытые Бе(ОН)з. Колонка работает при температуре жидкого азота. В качестве газа-носителя используется неон. Расход газа носителя составляет -100 см3/мин. Суммарное время анализа не превышает ЗОмин. Для повышения точности измерений и чувствительности к тритийсодержа-щим молекулам в качестве независимого метода используется ионизационная камера объёмом 5 см3 и фоновым током 10" А.
Кроме того, ионизационная камера позволяет измерять абсолютное количество трития в анализируемой смеси и его распределение между изотопными молекулами НТ, DT и Тг, что дает возможность проводить независимую калибровку прибора. Принципиальная газовая схема газового радиохроматографа приведена на рис.2.8, а её общий вид в составе установки ТРИТОН на рис. 2.9. Выбранное в процессе разработки радиохроматографа сочетание его конструктивных элементом и режимов работы, позволяет получать хорошее разрешение всех шести пиков от изотопных молекул (рис. 2.10.), а также гелия (при его наличии). Точность измерений молекулярного состава составляет ±0.5% отн. Утилизация отработанной смеси осуществляется, в основном, её абсорбцией на урановые ловушки BS5 и BS6 с еём костью по водороду 200л каждая. При этом ловушки могут работать или как гидридные насосы-геттеры, или в "прокачном" режиме. В последнем случае отработанная смесь изотопов водорода прокачивается через активированный уран одной либо обеих ловушек с помощью форвакуумного насоса NJ1. Изотопы водорода поглощаются ураном, однако различные газообразные примеси, содержащие следы трития, все же проходят через урановые ловушки. С этой целью выхлоп насоса NJ1, так же как и насоса NJ3 осуществляется на отвакуумированный ресивер CV3 ёмкостью 1м3. После заполнения ресивера до давления 3 00-400 мм рт.ст. с помощью установки газоочистки осуществляется очистка накопленного газа от следов трития. Принцип очистки основан на каталитическом окислении ИВ до воды палладиевым катализатором при температуре 500 С и улавливании этой воды с помощью цеолитового сорбента. Контроль за качеством очистки осуществляется с помощью ионизационной камеры ИК2. После снижение активности трития в очищаемом газе до допустимых норм, очищенный газ выбрасывается в вентиляционную трубу с помощью форвакуумного насоса NJ2. При этом процесс выброса контролируется установкой раннего предупреждения выбросов. В случае превышения допустимых норм автоматически закрывается выходной ВЄЕІТИЛЬ VE1 и выключается насос NJ2, а газовая смесь с выбросных коммуникаций отправляется в установку газоочистки на дополнительную очистку. Установка газоочистки позволяет также проводить очистку бокса от следов трития. В процессе работы максимальная концентрация трития в ресивере составляла 2-10 Ки/л, Очистка ресивера до уровня 2-Ю"6Ки/л осуществлялась за время 5-6 часов. Вакуумная откачка коммуникаций и емкостей установки осуществляется: тремя форвакуумными насосами NJ1 и NJ2 (типа АВЗ-20) и NJ3 (типа 2НВР-5ДМ, позже заменён на безмасляный насос типа Scroll, фирмы EDWARDS); диффузионным насосом ND и магииторазрядным насосом NM (типа НОРД-0,25). Откачка технологического оборудования (бокса, ловушек BS5 и BS6, ёмкостей CV1 и CV2 при наличии в них больших количеств рабочего газа, выходной магистрали хроматографа) производилась насосом NJ1. Вакуумирование основных функциональных коммуникаций до форвакуума производилось с помощью насоса NJ3 через азотную ловушку BL, а до более высокого вакуума - с помощью магниторазрядного насоса NM. Диффузионный насос ND в работе практически не использовался.
Корпус насоса 2НВР-5ДМ подвергается дополнительной доработке с целью обеспечения его герметизации, Электропитание всех энергопотребляющих элементов комплекса и контроль за их состоянием (температура, давление, состояние вентилей и клапанов) осуществляется от электрического пульта. Конструктивно пульт выполнен на базе двух стоек "Вишня". В его состав включена мнемосхема, отражающая текущее состояние вентилей и клапанов. Пульт обеспечивает блокирование более 20 технологических операций, которые, в случае ошибочных действий оперативного персонала, могут привести к аварийным ситуациям. Например, в случае превышения либо давления, либо температуры на источниках типа BS или ТМВД производится отключение электропитания их нагревательных элементов; при определенных состояниях вентилей блокируется возможность включения насосов, электронагревателей и т.п. Первоначально всё управление электрическими элементами КПҐС осуществлялось с этого пульта. В функции автоматизированной системы контроля, которая существовала параллельно, входило лишь дублирование работы электрического пульта в плане обеспечения контроля за состоянием комплекса. Она обеспечивала: контроль состояния вентилей и клапанов комплекса; контроль температур и давлений в узлах комплекса; анализ состава газовой смеси; контроль параметров ТМВД; дозиметрический контроль; ведение протокола эксперимента; математическую обработку данных. Эта система была разработана и реализована на базе модульной аппаратуры в КАМАК-стандарте и измерительной аппаратуры, оснащенной GRIB-интерфейсом. В качестве управляющей ЭВМ системы используется персональная ЭВМ типа IBM PC 486DX2/66. КАМАК-аппаратура системы установлена в одном крейте, обмен данными между управляющей ЭВМ и КАМАК-аппаратурой обеспечивается крейт-контроллером типа ПКК-4. Система контроля КПГС включала подсистемы контроля её технологических параметров и параметров МВД, контроля молекулярного состава газовой смеси и дозиметрического контроля. В последующем автоматизированная система контроля развивалась, к ней перешли функции управления рядом параметров КПГС. Ниже приведено описание этой системы по состоянию на 2002г. В составе системы автоматизированного контроля и управления (СКУ) [81], как объекта контроля и управления, можно выделить следующие основные подсистемы: подсистема контроля и управления элементами КПГС; подсистема радиационного контроля; подсистема мишени (ТМВД [72], ДМВД [74], ЖТМ [71]); подсистема анализа молекулярного состава газовой смеси. Учитывая необходимость наблюдения за большим количеством технологических и физических параметров, необходимость одновременной работы со всеми подсистемами комплекса, а также для удобства работы оперативного персонала, обслуживающего КПГС, СКУ конструктивно выполнена в виде трёх подсистем (рис.2.11.),
Разработка деитериевои мишени высокого давления (ДМВД)
Ранее при проведении систематических исследований МК в D2 высокой плотности область температур 400-800К осталась неизученной [92-94], Данные о скорости образования молекул ddu необходимы при анализе результатов экспериментов в двойной D/T и тройной H/D/T смеси, где извлечение скоростей элементарных процессов Х производится с учётом расчётной величины скорости образования мезомолекулы Х в D2. Экспериментальные данные о значениях Х имеются только в диапазоне температур до 400 К [92-94]. Для прямых измерений XddH в диапазоне температур 80-800К была создана дейте-риевая мишень высокого давления (ДМВД) [74], которая удовлетворяет следующим техническим требованиям: рабочее давление-до 150МПа; диапазон эксплуатационных температур-(80-800)К; компремирование рабочей смеси-прямое или криогенное; ресурс работы-не менее 400 часов при предельных условиях эксплуатации; прочностная надёжность-R 0,9t5) при уровне доверительной вероятности 0,95. В отличии от ТМВД [72], являющейся частью КПГС [68], ДМВД (рис.3.17.) представляет собой комплекс устройств, который обеспечивает её полное автономное функционирование, а именно: а) генерирование диффузионно-чистого D2 из термодесорбционных металлогидридных источников BS1, BS2 на основе ванадия и урана, соответственно; б) охлаждение, нагрев и поддержание заданной температуры ампулы мишени в диапазоне (8О-800)К; в) заполнение ампулы дейтерием при температуре 80-300К. В отличие от ТМВД, ампула и охладитель ДМВД конструктивно объединены в единый узел — мишенный блок (рис. 3.18.). Это позволило сократить габариты мишени в вертикальном направлении. При применении в качестве хладагента жидкого гелия возможна её эксплуатация при температурах от 20 до 800К. Конструкция ампулы ДМВД аналогична устройству этого элемента в ТМВД, различие заключается лишь в габаритах и оформлении нижней части, В качестве материала основных силовых элементов ампулы используется, как и в ТМВД, водородостойкий сплав ХН40МДТЮ — ИД.
Несущая способность ампулы, по результатам её прочностных исследований, составляет 260МПа, что подтверждает её требуемую прочностную надёжность (R 2: 0.9 при уровне доверительной вероятности 0.95). Охладитель представляет собой проточный криостат, состоящий из корпуса 2 и вкладыша 3. Эти элементы изготовлены из меди и герметично соединены между собой сваркой, В верхней и нижней части боковой поверхности А вкладыша выполнены кольцевые прямоугольные пазы Б и В, соединяющиеся между собой через винтовые канавки Г. Во вкладыше имеется специальная полость Д, которая заполняется газом (азот, метан или углекислота) и служит конденсационным термометром. К корпусу вкладыша 3 приварены штуцеры 4 и 5, обеспечивающие соединение охладителя с внешними магистралями подачи и эвакуации хладагента. Для более равномерного распределения температуры по корпусу ампулы и эффективной теплопередачи нижняя часть корпуса охладителя выполнена в виде цилиндриче ской обечайки с толщиной стенки 1.5 мм, которая установлена на поверхности ампулы Е с гарантированным натягом и зафиксирована к ней равномерно распределенными сварными швами. На рис. 3.17. показаны основные элементы ДМВД, обеспечивающие её безопасную эксплуатацию при высоких давлениях и температурах рабочего газа. Мишенный блок МБ расположен в вакуумном кожухе КЖ, внутренняя полость которого вакуумируется наружной системой откачки. Стенки кожуха имеют минимальную толщину в зоне прохождения мюошюго пучка для минимизации количества металла на пути вылета электронов распада. Давление во внутренней полости кожуха контролируется измерителем ПР. Для защиты обслуживающего персонала в случае разрушения арматуры высокого давления на верхней части кожуха установлен колпак К. Под колпаком расположены вентили высокого давления V9 и V10 с ручным управлением, тензометрический датчик давления ДДЗ и газовая магистраль высокого давления ГМ1 для подачи и эвакуации рабочего газа. Вентили V9 и VI0 предназначены для отсечки внутреннего объёма ампулы после за полнения её рабочим газом. Управление этими вентилями выведено за наружную поверхность колпака К. Нагрев ампулы до требуемого уровня температур обеспечивается нагревателем Н, расположенным на корпусе мишенного блока МБ, заключенного в набор шестислойных радиационных теплоотражающих экранов ТЭ. Применение экранов снижает требуемую мощность нагревателя в стационарных условиях, обеспечивает достаточно равномерное распределение температуры по корпусу ампулы и препятствует нагреву внешней поверхности кожуха КЖ выше 70 С. Система газового обеспечения предназначена для подачи D2 в ампулу мишенного блока при давлениях до 150МПа и его эвакуации после проведения эксперимента. Кроме того, она позволяет проводить измерения количества рабочего газа, находившегося в ампуле. Система состоит из источников BS1 и BS2, диффузионного фильтра Ф [79], манометров Ml и М2, мерных ёмкостей Е1 и Е2, датчиков давления ДД1 и ДД2, термопар ТІ и Т2, газовых магистралей и вентилей. Она выполнена в виде отдельного блока БЛ.
Внутренняя конструкция блока - ферма, на которой установлены все указанные элементы. Снаружи ферма облицована защитными панелями. Газовые магистрали ГМ1 и ГМ2 на участке между этим блоком БЛ и колпаком К заключены в защитную оболочку, выполненную из металлической трубы. В ДМВД использованы источники D2 на основе гидридов урана и ванадия. Источники имеют сходную конструкцию и отличаются только применяемым рабочим вещест-" вом-носителем газа. Более подробно конструкция источника и принципы его работы приведены в главе 5 настоящей работы. Источник на основе урана позволяет выделить при нагреве более 99% содержащегося в нем V 2 , а при охлаждении до комнатной температуры остаточное давление в ампуле мишени будет « 3,5-1 О 4 Па (равновесное давление D2 над гидридом урана) [95, 96]. Поэтому с помощью источника на основе урана можно осуществлять практически полную эвакуацию D2 из магистралей и из ампулы мишени после проведения опыта. Этот же источник может бьиь использован для поглощения D2 , диффундирующего сквозь степку С ампулы мишенного блока (рис.3.18,) в процессе нагрева мишени. Таким образом, может быть осуществлен полностью замкнутый по Ог цикл проведения опытов. Однако источник на основе урана не пригоден для создания высоких давлений, требующихся для заполнения ампулы. Из-за значительного снижения при высоких температурах прочностных характеристик консгрукционньк сталей, использованных при изготовлении источника BS2, область его нагрева ограничена величиной ю 970К. При этой температуре он может создать давление не более да 7,5МПа. Дальнейшее повышение давления в ампуле возможно за счет её нагрева, при условии, что она заполнялась охлажденной до криогенных температур, или путем использования другого источника - на основе ванадия (BSI). Гидрид ванадия считается одним из наиболее удобных носителей водорода для создания источников высокого давления [97-99], Он имеет самое большое из всех гидридов металлов значение объёмного удельного содержания газа - 8,5-10"2 моль Нэ/см3 гидрида, а также высокие значения равновесного давления изотопов водорода над гидридом при сравнительно низких
Расчетно-экспериментальное обоснование методики ускоренного накопления JHe в КМ
При выдержке образцов из исследуемых КМ в газообразном тритии при постоянных температуре и давлении через определённый промежуток времени, зависящий от температуры, структуры КМ и размера образца, достигается предел насыщения КМ тритием. При этом содержание 3Не в KM (Sne), образовавшегося в результате р-распада трития, зависит от концентрации растворенного трития и времени выдержки и описывается выражением: где So - константа растворимости трития, Hs - теплота растворения, Т - абсолютная температура, R - газовая постоянная, Р - давление трития, X - постоянная распада, для трития =1,791-10-9 1. t - время выдержки КМ в тритии. Из этого выражения следует, что одним из реальных путей накопления в КМ радиогенного гелия за сравнительно короткий период времени является выдержка исследуемого материала в среде газообразного трития при высоких температурах и давлениях. Так, например, при накоплении в КМ гелия при температуре 900К и давлении трития 50МПа время выдержки по сравнению с нормальными условиями, т.е. Т=273К и Р=0,1МПа, сокращается в -104 раза. На рис. 4.5. и 4.6. представлены зависимости содержания гелия в жаропрочном аустенитном сплаве на никелевой основе температуре в диапазоне 600-900К, рассчитанные по выражению (I). Значения So и Hs взяты из работы [83] с поправкой на величину изотопного эффекта, определяемую как , где: тт - атомный вес трития, то - атомный вес дейтерия. Приведённые зависимости показьгеают влияние основных параметров процесса выдержки (температура, давление и время выдержки) на концентрацию гелия в КМ. Повышение температуры выдержки является наиболее эффективным путем сокращения времени накопления требуемого количества гелия. Так, повышение температуры тритирования при постоянном давлении 50МПа с 600 до 900К приводит к сокращению времени выдержки примерно в 4 раза. Однако, по крайне мере, три причины препятствуют повышению температуры тритирования выше определённых значений: - во-первых, с повышением температуры резко возрастает диффузия трития через стенки контейнера, в котором происходит насыщение образцов.
В результате снижается давление трития в контейнере, что существенно увеличивает время и осложняет проведение экспериментов из-за необходимости частых дозаправок контейнера тритием; - во-вторых, при нагреве выше определённых температур в КМ происходят структурные изменения; - в-третьих, максимальная температура применения большинства исследуемых КМ ограничена 900К. Кроме того, при более высоких температурах трудно выбрать КМ для контейнера, который бы обеспечил безопасные условия работы в течение длительного времени воздействия трития. Диффузия трития через стенки контейнера в процессе выдержки приводит к уменьшению его количества и, следовательно, снижению давления внутри контейнера. Изменение давления внутри контейнера от времени выдержки при постоянной температуре описывается выражением: где Ро - первоначальное давление трития в контейнере, р=3,2-10 2-ехр(-16970/R) см/(см-атм с) - коэффициент проницаемости тритием сплава ХН40МДТЮ-ИД (пересчёт данных для дейтерия [83]), P(t) - давление трития в контейнере в процессе выдержки, Т - температура вьщержки, S - площадь поверхности контейнера, р - плотность трития при нормальных условиях, t - время выдержки, V -свободный объём контейнера, ц - молекулярный вес трития, h - толщина стенки контейнера. На рис.4,7. приведены результаты численного решения выражения (2) для контейнера, который был использован при проведении тритирования КМ (Ро=50МПа). Снижение давления тритирования наиболее сильно происходит при высоких температурах и поэтому для поддержания постоянной концентрации трития в КМ при выдержке необходимо периодически дозаправлять контейнер тритием. При ускоренном насыщении КМ гелием путем вьщержки материалов в тритии при высоких давлениях и температурах важное практическое значение имеет время достижения в КМ предельной концентрации трития, так как оно должно быть небольшим по сравнению с временем выдержки. Как показывают экспериментальные данные, приведённые в работе [119], время достижения предела насыщения КМ изотопами водорода зависит от температуры, состава и структуры КМ, размера образца и практически не зависит от давления газа. В работе [119] временная зависимость средней концентрации диффундирующего вещества S в цилиндре радиуса г при наличии на поверхности источника с концентрацией ST описывается следующим выражением: где а„ - п-й корень уравнения Jo(an-r)=0 (Jo - бесселева функция первого рода, нулевого порядка), D - коэффициент диффузии, t - время. Таким образом, зная коэффициент диффузии трития в КМ, можно оценить время достижения в цилиндрическом образце концентрации трития, близкой к предельной. На S рис.4.S. приведены зависимости относительной концентрации трития (—) в образце с диаметром цилиндрической части 03мм из сплава ХН40МДТЮ-ИД от времени выдержки. Согласно описанной выше методике на комплексе для подготовки газовой смеси [115] было проведено насыщение гелием - 3 образцов из стали 12Х18Н10Т и сплава ХН40МДТЮ-ИД. Образцы 03мм тип IV, № 9 ГОСТ 1497-84 выдерживались в специально разработанном контейнере, представляющем собой радиациошш-безопасный автоскрепленный двухслойный сосуд высокого давления с вакуумированным водородным барьером [78], при давлении трития 50МПа и температуре -873К в течение 700 и 1400часов. В результате выдержки образцов в течение 700 часов содержание 3Не в стали 12Х18Н10Т и сплаве ХН40МДТЮ-ИД, оцененное расчётным образом, составляет 120-200аррт. Разброс значений содержания 3Не в КМ обусловлен нестабильностью условий выдержки образцов в тритии из-за градиента температуры внутри контейнера и снижения давления в контейнере в результате диффузии трития. Вследствие диффузии газа из контейнера с образцами и в связи с необходимостью его дозаправки тритием процесс выдержки состоял из нескольких циклов, в промежутках между которыми контейнер с образцами охлаждался до комнатной температуры. Образование гелия в образцах происходит не только при их выдержке при высокой температуре, когда в материале достигается высокая концентрация трития, но и после охлаждения до начала нового цикла тритирования или процесса дегазации.
В этом случае, согласно предположениям авторов работ [102, 103], при быстром охлаждении до комнатной температуры из-за низкой диффузии газа в материале в течение достаточно большого времени сохраняется пересыщенный раствор трития. За время перерывов между циклами (суммарная длительность которых равняется 5800часов) в КМ могло образоваться 400аррт гелия. Таким образом, в процессе тритирования, с учетом времени технологических перерывов, расчётная величина содержания Не в КМ может составлять 460-500аррт. Как мы видим, существует довольно большая (120-500аррт) неопределённость в оценке количества 3Не в образцах КМ после их тритирования. С другой стороны, как было показано выше, содержание уже 30 аррт Не в матрице КМ может привести к существенным изменениям их механических характеристик. Все это потребовало создания оборудования и методики количественного определения Не в КМ. Для количественного определения содержания 3Не в КМ нами было разработано соответствующее оборудование и методика. Для этого была проведена техническая модернизация газового анализатора «Eltra» [120], позволяющего определять содержания Нг и Ог в металлах. Суть метода заключается в плавлении образца КМ при температуре 3 000 С в токе газа носителя с последующим анализом содержания газов, выделившихся в результате плавления. Анализ газов осуществляется детектором по теплопроводности. Модернизированная установка дооснащена блоком каталитического окисления ИВ, ионизационной камерой и системой калибровки по исследуемому газу (в нашем
