Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по источникам холодных нейтронов 15
1.1. Определение холодных нейтронов и их градация 15
1.2. Исторический обзор источников холодных нейтронов 16
1.3. Замедлитель 24
1.4. Водородные и дейтериевые источники ХН 27
1.5. Эволюция источников ультрахолодных нейтронов 32
1.6. Расчет термализации и фактора выигрыша (Gain-фактор) 33
1.7. Радиационный нагрев и теплопритоки 37
1.8. Способ отвода тепла 38
1.9. Материал камеры источника 42
1.10. Вопросы безопасности 46
Глава 2. Решение задачи создания универсального источника ХН и УХН в центре активной зоны реактора ВВР-М 47
2.1. Определение исходных данных для проектирования жидководородного источника 48
2.2. Выбор оптимальных размеров замедлителя 52
2.3. Решение теплофизической задачи охлаждения замедлителя в активной зоне реактора 53
2.4. Конструкция источника с контуром естественной циркуляции жидкого водорода 68
2.4.1. Водная полость 68
2.4.2. Внутриреакторная сборка 69
2.4.2.1. Контур естественной циркуляции жидкого водорода 69
2.4.2.2. Нейтроновод УХН 73
2.4.2.3. Поляризующий нейтроновод холодных нейтронов 75
2.4.3. Криогенное обеспечение 77
Глава 3. Экспериментальные результаты 78
3.1.1. Определение интенсивности, фактора выигрыша и спектров ХН и УХН в зависимости от температуры 78
3.1.2. Тепловая нагрузка на источник 83
3.1.3. Исследование влияние жидководородного источника на реактивность реактора 91
3.1.4. Определение равновесной концентрации смеси водорода и дейтерия под облучением 97
3.1.5. Содержание примесей кислорода и азотав водороде 104
3.1.6. Исследование и оптимизация криогенной установки при работе с
источником 104
3.1.6.1. Испытания турбодетандеров новой конструкции 104
Глава 4. Создание источников холодных нейтронов для зарубежных нейтронных исследовательских центров 109
4.1. Создание источника холодных нейтронов для реактора ВВР-СМ, KFKI (Венгрия) 109
4.1.1. Фактор выигрыша 110
4.1.2. Тепловыделения и нейтронные потоки в месте установки источника холодных нейтронов 112
4.1.3. Решение теплофизической задачи охлаждения замедлителя 113
4.1.4. Состав комплекса ИХН 118
4.1.5. Экспериментальные характеристики ИХН 125
4.2. Создание источника холодных нейтронов для реактора OPAL ANSTO (Австралия) 129
4.2.1. Краткая характеристика реактора OPAL 129
4.2.2. Основные требования, предъявляемые к ИХН реактора OPAL 130
4.2.3. Решение задачи создания ИХН для реактора OPAL 131
4.2.3.1. Фактор выигрыша, оптимальный объем замедлителя, нейтронные спектры для различных моделей источника 132
4.2.3.2. Тепловая нагрузка и выбор места расположения источника в баке отражателя реактора 136
4.2.3.3. Способ охлаждения замедлителя и тепловые характеристики 139
4.2.3.4. Основные параметры источника на реакторе OPAL 143
4.2.4. Экспериментальные характеристики ИХН 144
4.2.4.1. Тепловая нагрузка 144
4.2.4.2. Нейтронные потоки и спектры 149
Заключение 154
Литература 158
- Расчет термализации и фактора выигрыша (Gain-фактор)
- Решение теплофизической задачи охлаждения замедлителя в активной зоне реактора
- Определение интенсивности, фактора выигрыша и спектров ХН и УХН в зависимости от температуры
- Фактор выигрыша, оптимальный объем замедлителя, нейтронные спектры для различных моделей источника
Введение к работе
Актуальность работы. На протяжении последних пяти десятилетий наблюдается большой интерес к холодным нейтронам (ХН) - это нейтроны с
П Ч
энергиями от 10" до 5-10" эВ. Объясняется это тем, что они обладают ярко выраженными волновыми свойствами и являются уникальным инструментом в различных областях фундаментальных и прикладных исследованиях.
к 4 5-10"10
Например, длина волны де Бройля нейтрона Л(см) = -у =—.
ртпТп д/ГСэВ)
становится сравнимой с размером атома (-10" см) уже при энергии нейтрона Тп - 0,02 эВ (-237 К). Нейтронные волны в веществе могут испытывать дифракцию, преломление, отражение (даже полное), могут поляризоваться. В отличие от рентгеновских лучей, которые испытывают рассеяние на электронах, нейтроны рассеиваются на ядрах. Поэтому дифракция холодных нейтронов дает информацию не об электронной, а непосредственно о ядерной, т.е. атомно-молекулярной структуре вещества.
Особенно возрос интерес в последние годы к холодным нейтронам в связи с изучением наноструктур. Новые технологии требуют создания новых материалов, а также понимания их характеристик на микро- и наноскопическом уровнях. Структуры материалов становятся все сложнее, приближаясь к атомных размерам. Это относится к материалам и их комбинациям из всех классов - от металлов, полупроводников и керамик, до органических и биологических. Поэтому для того, чтобы управлять подобными сложными системами, необходимо, вначале детально изучить их химическую, электронную и магнитную структуры. Для этого и используются нейтроны с малыми энергиями [1,2].
Холодные нейтроны могут проникать сквозь материалы, не оставляя следа и не разрушая исследуемые системы. Нейтроны с малыми энергиями дают детальную микроскопическую картину атомных процессов изучаемого материала. Холодные нейтроны являются особенно «подходящими» для анализа магнитных наноструктур [3], органических [4, 5] и биологических материалов, чувствительных к радиационному излучению.
Изучение структурно-динамических свойств наноструктурированных материалов является одной из важнейших фундаментальных задач современной физики конденсированного состояния и непосредственно связано с разнообразными применениями новых материалов [6].
Холодные нейтроны имеют длину волны сравнимую с межатомными межмолекулярными расстояниями и энергию такого же порядка величины, как и энергия движения атомов, они являются практически идеальными частицами, пропускаемые через материал при изучении. Кроме этого, через неупругое рассеяние холодных нейтронов можно исследовать такие эффекты как законы дисперсии фононов в кристаллах, термодиффузию атомов в жидкостях и газах, изменение плотности в точках фазового перехода и взаимосвязь элементарных магнитных моментов в магнитных материалах [7, 8,9].
Дифракция холодных нейтронов позволяет производить кристаллографические исследования сплавов и соединений с близкими атомными номерами, когда рентгенографические исследования оказываются бессильными.
Что касается водородной энергетики, то для этой темы нейтронные методы исследования просто незаменимы [10, 11]. Здесь важна уникальная способность нейтрона «видеть» легкие атомы водорода на фоне тяжелых атомов. Именно такая ситуация имеет место при создании топливных элементов, когда атомы водорода внедряются в материал-носитель, состоящий из тяжелых атомов, обычно металлов, как в резервуар для хранения и последующего выведения оттуда, где именно в материале-носителе находятся атомы водорода, что с ними происходит при том или ином воздействии на материал-носитель и как он сам изменяется - на все эти и другие вопросы могут дать ответ нейтронные исследования.
По той же причине нейтронные исследования исключительно важны для тестирования лекарственных препаратов. С помощью таких исследований можно понять, почему лекарственные препараты с абсолютно одинаковым химическим составом молекул различаются своим действием. Оказывается, небольшое изменение пространственного расположения маленькой группы атомов, входящей в молекулу, приводит к радикальному изменению свойств препарата. Получаемая информация служит для улучшения технологии производства препаратов и для создания новых лекарственных средств.
Нейтронные методы исследования с применением холодных нейтронов являются также единственными, способными дать принципиально новую информацию для понимания функционирования живой клетки, как целого [12, 13].
Развитие исследований наноматериалов на холодных нейтронных пучках отвечает актуальному направлению нанохимии. В странах объединенной Европы уже более десятилетия действует программа по нанохимии "COST study on Nanochemistry in Europe", которая охватывает широкий спектр задач в области физики, химии, биологии и молекулярных технологий.
Этот далеко не полный перечень применения холодных нейтронов показывает разнообразие растущих направлений нанохимии и физики. Внедрение современных методов исследований в этих областях науки стимулирует развитие высоких технологий.
В то же время нейтроны интересны как объект научного исследования и сами по себе. В частности, представляют большой научный интерес эксперименты по поиску электрического дипольного момента нейтрона (ЭДМ), по поиску нейтрон-антинейтронных осцилляций, по измерению времени жизни нейтрона и т.д.
Эксперимент по поиску электрического дипольного момент (ЭДМ) нейтрона связан с проверкой инвариантности процессов взаимодействия элементарных частиц по отношению к обращению времени [14, 15]. Этой фундаментальной проблеме посвящено уже более 50 лет экспериментальных поисков ЭДМ нейтрона, в результате которых точность эксперимента была увеличена в сотни миллионов раз. Обнаружение ЭДМ нейтрона на уровне
—27
10 е-см могло бы быть косвенным подтверждением существования суперсимметричных частиц. И наоборот, отсутствие ЭДМ нейтрона на уровне 10 е-см может рассматриваться как косвенное указание на отсутствие суперсимметричных частиц. Такой эксперимент рассматривается как важнейшее дополнение к усилиям в поиске суперсимметричных частиц на современных ускорителях-коллайдерах.
Эксперимент по поиску нейтрон-антинейтронных осцилляций, может быть осуществлен при получении плотности ультрахолодных нейтронов
л л о
10-10" н/см . Этот
эксперимент связан с нарушением барионного числа. Закон сохранения барионного числа является исключительно важным, он обеспечивает стабильность материи [16]. Вместе с тем, нарушение этих двух законов — временной инвариантности и барионного числа — удовлетворяют условиям создания дисбаланса между материей и антиматерией в экстремальных условиях первых секунд после Большого взрыва. Постановка указанных выше экспериментов имеет целью прояснить вопросы о механизме возникновения Вселенной.
Эксперименты по измерению времени жизни нейтрона с точностью 0,1 с методом хранения ультрахолодных нейтронов в гравитационной и магнитной ловушках [17] важны для проверки модели нуклеосинтеза при формировании Вселенной. Наконец, прецизионные эксперименты по времени жизни нейтрона и асимметрии распада имеют принципиальное значение для проверки Стандартной Модели элементарных частиц.
Для столь «тонких» экспериментов требуются нейтроны с очень малой энергией, так называемые ультрахолодные нейтроны.
Поскольку доля очень холодных нейтронов в тепловом спектре реактора при комнатной температуре мала [18], то «выход» ультрахолодных нейтронов при таком подходе заведомо ограничен. Это обстоятельство вызывает определенные трудности по получению очень холодных нейтронов и ультрахолодных нейтронов и существенно ограничивает точность экспериментов с ними. Интенсивность холодных нейтронных пучков такого типа давно уже не удовлетворяет физиков-экспериментаторов.
Для того чтобы увеличить интенсивность холодных нейтронов, очевидным методом является понижение температуры части замедлителя, из которого нейтронные пучки выходят. Понижение температуры замедлителя, например до 20 К. позволяет сместить максимум максвелловского спектра в область энергий ниже 5 мэВ и тем самым повысить интенсивность холодных нейтронов и соответственно увеличить выход ультрахолодных нейтронов. Современные высокоэффективные источники холодных и ультрахолодных нейтронов являются физическими приборами коллективного пользования, и их применение позволяет существенно повысить статистическую точность и сократить время эксперимента на физических установках.
Актуальность и своевременность разработок высокоинтенсивных источников холодных нейтронов на современном технологическом уровне, видна из перечисленных выше потребностей в интенсивных пучках холодных и ультрахолодных нейтронов, как в России, так и за рубежом.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является увеличение интенсивности потока холодных и ультрахолодных нейтронов на стационарных реакторах ВВР-М (Гатчина, ПИЯФ), ВВР-СМ (KFKI Венгрия), OPAL (ANSTO Австралия) за счет создания и использования высокоэффективных источников ХН и УХН на основе водорода и дейтерия.
При создании эффективного источника холодных нейтронов основной задачей является размещение камеры с замедлителем при низких температурах в максимуме или как можно ближе к максимуму потока тепловых нейтронов. Так, на реакторе ВВР-М таким местом является центр активной зоны реактора, на реакторе OPAL, ANSTO (Австралия), тяжеловодный отражатель реактора с максимальной приближенностью к активной зоне реактора, а на реакторе ВВР-СМ, KFKI (Венгрия), специально созданный горизонтальный тангенциальный канал, окруженный бериллиевым отражателем. Такое размещение источников привносит в их создание чрезвычайно серьезные проблемы, связанные с экстремальным радиационным нагревом, как в самом замедлителе, так и в материале камеры источника. Это в свою очередь требует создания эффективных систем отвода тепла для поддержания замедлителя при низких температурах в жидком состоянии. Кроме этого, создание эффективного источника охватывает широкий спектр задач связанных с оптимизационными нейтронно- физическими расчетами и исследованиями как-то: нейтронной светимости источника, оптимальных толщин замедлителя и формы камеры, фактора выигрыша, тепловыделений, влияния источника на реактивность реактора, влияния облучения на замедлитель и конструкционные материалы. Актуальной задачей также является проведение полномасштабных теплофизических исследований систем охлаждения источника и проведение тестовых проверок инженерно-физических решений.
Научная новизна работы. Впервые на реакторе ВВР-М средней мощности были получены рекордные значения по интенсивности и плотности потока пучка поляризованных холодных нейтронов. Эти параметры в 3-5 раз превосходили характеристики наилучшего пучка поляризованных холодных нейтронов гренобльского высокопоточного реактора. Плотность потока ультрахолодных нейтронов данного источника уступает приблизительно в 5 раз новому каналу ультрахолодных нейтронов из жидкодейтериевого замедлителя на высокопоточном реакторе в Гренобле.
Впервые разработана и апробирована методика расчета контура естественной циркуляции жидкого водорода и дейтерия. Определены предельные возможности по отводу тепла в такой системе. Исследованы тепловые характеристики работы контура естественной циркуляции.
Впервые на основе разработанной методики создан способ охлаждения и поддержания замедлителя при низких температурах с использованием контура естественной циркуляции жидкого водорода (однофазный термосифон).
Впервые проведены исследования смеси водорода с дейтерием под облучением, определен их равновесный состав и константа равновесия.
С помощью разработанной компенсационной методики проведены исследования по измерению суммарных и удельных тепловыделений в замедлителе и конструкционном материале источника.
Изучено влияние жидкого водорода, дейтерия и их смесей, а также процесса конденсации замедлителя в контуре естественной циркуляции (термосифоне) на реактивность реактора.
На основе полномасштабных тепло-гидравлических испытаний моделей источников определены предельные возможности отвода тепла в системах непосредственного охлаждения замедлителя в камере и с использованием вертикального термосифона.
Практическая значимость работы. Впервые в мировой практике на реакторе средней мощности создан универсальный источник холодных и ультрахолодных нейтронов с высокими нейтронными характеристиками. Это достигнуто благодаря максимальному использованию возможностей реактора (размещению источника в центре зоны, что стало возможным за счет высокоэффективной системы охлаждения жидкого водорода), а также благодаря многощелевой фокусирующей нейтроноводной системе, которая одновременно поляризует пучок холодных нейтронов. Достигнутые нейтронные характеристики на данном источнике позволили в области фундаментальной физики получить наиболее точную оценку возможного
ОС 1
ЭДМ нейтрона йп= (+2,6 ± 4,0 ± 1,6) 10 " е-м.( ), экспериментально измерить время жизни нейтрона, которое составило тп =(888,4 ±3,1 ±1,1) с, и получить значение коэффициента корреляции между направлением вылета электрона и спином распадающегося нейтрона — А =-0,1131 ± 0,0014, что соответствует значению X = — -1,249 ± 0,008 ().
Опыт, накопленный в процессе создания источника холодных нейтронов на реакторе ВВР-М и полученные экспериментальные данные, могут быть широко использованы при создании источника холодных нейтронов мирового класса в других нейтронных центрах. Практическая значимость работы по созданию источника холодных нейтронов в зарубежных национальных нейтронных центрах также изложена в приложении.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы (151 наименование).
В главе 1 (обзор литературы) выполнен подробный обзор источников холодных нейтронов за последние 50 лет. Рассмотрены различные подходы в создании источников холодных нейтронов на различных реакторах и ускорителях. Рассмотрены и проанализированы основные аспекты и критерии создания высокоинтенсивных источников холодных нейтронов на стационарных реакторах. Представлен график развития источников ультрахолодных нейтронов. Показано, что в настоящее время расчетные модели рассеяния нейтронов и мощные программы МС1МР, МСи и др. позволяют проводить оптимизационные расчеты источника холодных нейтронов на основе водорода или дейтерия с высокой точностью. Эти расчеты позволяют определять эффективность того или другого замедлителя в рамках поставленной задачи, оптимизировать его эффективную толщину, а так же геометрию и форму источника с учетом места расположения источника холодных нейтронов в реакторе. Рассмотрены различные методы отвода тепла с анализом их достоинств и недостатков. Проанализирована применимость различных конструкционных материалов, используемых при создании источника холодных нейтронов. Рассмотрены основные подходы к вопросам безопасности источника холодных нейтронов на реакторе.
Расчет термализации и фактора выигрыша (Gain-фактор)
Актуальность и своевременность разработок высокоинтенсивных источников холодных нейтронов на современном технологическом уровне, видна из перечисленных выше потребностей в интенсивных пучках холодных и ультрахолодных нейтронов, как в России, так и за рубежом.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является увеличение интенсивности потока холодных и ультрахолодных нейтронов на стационарных реакторах ВВР-М (Гатчина, ПИЯФ), ВВР-СМ (KFKI Венгрия), OPAL (ANSTO Австралия) за счет создания и использования высокоэффективных источников ХН и УХН на основе водорода и дейтерия.
При создании эффективного источника холодных нейтронов основной задачей является размещение камеры с замедлителем при низких температурах в максимуме или как можно ближе к максимуму потока тепловых нейтронов. Так, на реакторе ВВР-М таким местом является центр активной зоны реактора, на реакторе OPAL, ANSTO (Австралия), тяжеловодный отражатель реактора с максимальной приближенностью к активной зоне реактора, а на реакторе ВВР-СМ, KFKI (Венгрия), специально созданный горизонтальный тангенциальный канал, окруженный бериллиевым отражателем. Такое размещение источников привносит в их создание чрезвычайно серьезные проблемы, связанные с экстремальным радиационным нагревом, как в самом замедлителе, так и в материале камеры источника. Это в свою очередь требует создания эффективных систем отвода тепла для поддержания замедлителя при низких температурах в жидком состоянии. Кроме этого, создание эффективного источника охватывает широкий спектр задач связанных с оптимизационными нейтронно- физическими расчетами и исследованиями как-то: нейтронной светимости источника, оптимальных толщин замедлителя и формы камеры, фактора выигрыша, тепловыделений, влияния источника на реактивность реактора, влияния облучения на замедлитель и конструкционные материалы. Актуальной задачей также является проведение полномасштабных теплофизических исследований систем охлаждения источника и проведение тестовых проверок инженерно-физических решений.
Научная новизна работы. Впервые на реакторе ВВР-М средней мощности были получены рекордные значения по интенсивности и плотности потока пучка поляризованных холодных нейтронов. Эти параметры в 3-5 раз превосходили характеристики наилучшего пучка поляризованных холодных нейтронов гренобльского высокопоточного реактора. Плотность потока ультрахолодных нейтронов данного источника уступает приблизительно в 5 раз новому каналу ультрахолодных нейтронов из жидкодейтериевого замедлителя на высокопоточном реакторе в Гренобле.
Впервые разработана и апробирована методика расчета контура естественной циркуляции жидкого водорода и дейтерия. Определены предельные возможности по отводу тепла в такой системе. Исследованы тепловые характеристики работы контура естественной циркуляции.
Впервые на основе разработанной методики создан способ охлаждения и поддержания замедлителя при низких температурах с использованием контура естественной циркуляции жидкого водорода (однофазный термосифон). Впервые проведены исследования смеси водорода с дейтерием под облучением, определен их равновесный состав и константа равновесия. С помощью разработанной компенсационной методики проведены исследования по измерению суммарных и удельных тепловыделений в замедлителе и конструкционном материале источника. Изучено влияние жидкого водорода, дейтерия и их смесей, а также процесса конденсации замедлителя в контуре естественной циркуляции (термосифоне) на реактивность реактора. На основе полномасштабных тепло-гидравлических испытаний моделей источников определены предельные возможности отвода тепла в системах непосредственного охлаждения замедлителя в камере и с использованием вертикального термосифона. Практическая значимость работы. Впервые в мировой практике на реакторе средней мощности создан универсальный источник холодных и ультрахолодных нейтронов с высокими нейтронными характеристиками. Это достигнуто благодаря максимальному использованию возможностей реактора (размещению источника в центре зоны, что стало возможным за счет высокоэффективной системы охлаждения жидкого водорода), а также благодаря многощелевой фокусирующей нейтроноводной системе, которая одновременно поляризует пучок холодных нейтронов. Достигнутые нейтронные характеристики на данном источнике позволили в области фундаментальной физики получить наиболее точную оценку возможного ЭДМ нейтрона йп= (+2,6 ± 4,0 ± 1,6) 10 " е-м.( ), экспериментально измерить время жизни нейтрона, которое составило тп =(888,4 ±3,1 ±1,1) с, и получить значение коэффициента корреляции между направлением вылета электрона и спином распадающегося нейтрона — А =-0,1131 ± 0,0014, что соответствует значению X = — -1,249 ± 0,008 ( ). Опыт, накопленный в процессе создания источника холодных нейтронов на реакторе ВВР-М и полученные экспериментальные данные, могут быть широко использованы при создании источника холодных нейтронов мирового класса в других нейтронных центрах. Практическая значимость работы по созданию источника холодных нейтронов в зарубежных национальных нейтронных центрах также изложена в приложении.
Решение теплофизической задачи охлаждения замедлителя в активной зоне реактора
Предел текучести циркониевых сплавов наиболее чувствительная характеристика материала под облучением. Например, у полностью рекристаллизованного циркалоя-2 при температуре 100 С предел текучести достаточно быстро достигает насыщения при флюенсе 3-10 н/см (Е 1 МэВ). Предел прочности увеличивается на 60-65% и пластичность снижается на 35-40% при температуре облучения 20С [108].
Облучение циркониевого сплава Zr - 2,5% Nb при 50-80 С до флюенса 1,8-1021 н/см2 показало увеличение предела текучести с 250-410 МПа до 450-650 МПа после облучения. Предел прочности при этом увеличился с 300-550 МПа до 450-750 МПа. Широкий разброс в механических свойствах образцов циркониевых сплавов в значительной степени объясняется различием в первоначальной обработке и структурном состоянии исходного сплава. Относительное удлинение образцов снизилось в 2—3 раза с 20—35% до 6-12% после облучения.
Следует отметить, что при облучении при высоких температурах циркониевые сплавы снижают свою пластичность значительно, хотя и не становятся абсолютно хрупкими.
К сожалению, в литературе практически отсутствует информация о свойствах конструкционных материалов под совместным воздействием облучения и низких температур. Тем не менее, многолетний опыт эксплуатации источников на различных реакторах показывает высокую надежность источников, использующих алюминиевые сплавы в качестве конструкционных материалов. Что касается циркониевых сплавов, они могут быть так же надежно использованы для создания вакуумных контейнеров (оболочек источника). Применение циркониевых сплавов для камер ИХН в качестве конструкционных материалов вполне оправдано, но при этом конструирование и изготовление камеры должно проводиться, более взвешено, с дополнительными исследованиями и обоснованиями, как исходного материала, так и сварных соединений.
Основные задачи по обеспечению безопасности ИХН на реакторе с использованием водорода, можно сформулировать следующим образом[109]: 1) Источник холодных нейтронов должен конструироваться таким образом, чтобы вероятность его отказа, воздействующего на реактор или персонал, была меньше чем Ю-6 в год. 2) Эксплуатационные связи между источником холодных нейтронов и реактором должны быть минимальными, т.е. источник должен быть максимально независимым экспериментальным устройством и не снижать уровень безопасности реактора. Количество событий, происходящих на технологических системах источника по которым реактор останавливается должен быть ограничен. 3) Национальные стандарты и правила по обращению с водородом должны использоваться в качестве руководящих документов при конструировании и эксплуатации источников. Исходя из поставленных задач, по обеспечению безопасности источника холодных нейтронов на реакторе формируются соответствующие конкретные требования по ядерной, радиационной и водородной безопасности предъявляемых к конструкции источника и его системам. Литературный обзор по созданию и эксплуатации криогенных источников (генераторов) холодных нейтронов, как в России, так и за рубежом, позволяет сформулировать основные критерии, которым должны удовлетворять подобные устройства: 1) Высокая величина генерации холодных нейтронов с единицы объема источника. 2) Стабильность параметров генерации ХН И УХН в процессе работы источника. 3) Надежность и независимость работы технологических систем источника от реактора. 4) Безопасность: ядерная, радиационная и водородная. 5) Полная автоматизация комплекса источника холодных нейтронов. 6) Экологичность. 7) Экономичность, как сооружения источника, так и его эксплуатации. Очевидно, что при проектировании источника холодных нейтронов необходимо найти разумный компромисс между этими критериями. С середины 70-х годов на реакторе ВВР-М начались работы по созданию источников холодных и ультрахолодных нейтронов. Эти работы существенно расширили возможности реактора, как инструмента для проведения фундаментальных и прикладных исследований. Холодный бериллиевый источник был первым опытом создания холодного нейтронного источника на реакторе ВВР-М [110]. Источник размещался в водной полости в центре активной зоны реактора. Поток тепловых нейтронов в месте установки источника 1014 н/см2 с. Удельные радиационные тепловыделения в материале источника —1,3 Вт/г. Охлаждение 400 г бериллия до 20-30 К производилось гелиевым рефрижератором с холо- допроизводительностью 500 Вт на температурном уровне 15 К. Следующим, принципиально новым шагом в создании холодных источников явилось использование жидкого водорода в качестве замедлителя [111]. При условии, если объем замедлителя не очень велик и радиационный нагрев не высокий наиболее простым способом отвода тепла является охлаждение замедлителя непосредственно в камере холодным гелием. Жидководородный источник небольших размеров был размещен в бериллиевом отражателе реактора, канале В-13, в потоке тепловых нейтронов 6 -1013н/ см2с. Для снижения тепловой нагрузки на источник перед каналом в активной зоне реактора устанавливались свинцовые вытеснители (экраны). Удельные тепловыделения в конструкционных материалах камеры 0,3 Вт/г и в водороде 8-9 Вт/г. Камера содержала 150 см3 жидкого водорода, и полная тепловая нагрузка на источник не превышала 300 Вт. Источник эксплуатировался с 1980 по 1985 год.
Определение интенсивности, фактора выигрыша и спектров ХН и УХН в зависимости от температуры
Выемка в камере источника способствует увеличению выхода ультрахолодных нейтронов, так как УХНы образуются в тонком слое жидкого водорода, прилегающем к поверхности выемки камеры, обращенной в сторону нейтроновода, и выгодно максимально понизить среднюю энергию нейтронов, падающих из геометрии 4тг в этот слой. Объем камеры 890 мл. Камера изготовлена из листа циркониевого сплава с толщиной стенки 0,5 мм и размещается в центре активной зоны реактора ВВР-М. Вес камеры составляет 300 г и вес гелиевого кожуха -344 г. Конденсатор-теплообменник предназначен для конденсации водорода в процессе заполнения контура и для охлаждения жидкого водорода при его циркуляции в термосифоне. Основу его составляет 31 трубка с внутренним диаметром 8 мм, расположенные в шахматном порядке с шагом 1,3 см, внутри которых движется водород, а гелий обтекает их снаружи. Конструкция теплообменника выбрана таким образом, чтобы обеспечить необходимый теплосъем с водорода при минимальном гидравлическом сопротивлении, как в контуре водорода, так и в гелиевом тракте. Высота конденсатора-теплообменника равна 1,3 м. Площадь теплообмена 1,4 м . Соединительные трубы выбраны с минимальным диаметром равным 30 мм, позволяющим отводить тепло 2100 Вт в водороде. При этом гидравлическое сопротивление таково, что обеспечивает необходимый расход водорода. В пределах активной зоны трубопроводы диаметром 27 мм и толщиной стенки 0,5 мм выполнены из циркония, а на высоте 250 мм от зоны через переходники «нержавеющая сталь-цирконий» они переходят на нержавеющие трубы с внутренним диаметром 32 мм и толщиной стенки 0,5 мм. В рассматриваемом проекте весь жидководородный контур охвачен оболочкой, в которой циркулирует газообразный гелий. Это повышает безопасность применения жидкого водорода и позволяет эффективно охлаждать стенки водородного контура, в которых имеется значительное тепловыделение. Гелий в контуре движется в том же направлении, что и водород. Зазоры между водородными и гелиевыми трубами выбраны из условия, что перепад давления в петле не должен превышать 1атм, что в 2 раза выше, чем допускается на установке КГУ-4000/20. Выше отметки 1,3 м от центра активной зоны труба с восходящим потоком водорода окружена тонкостенной трубкой, а в образовавшемся зазоре создана застойная зона гелия. Это значительно снижает теплосъем с восходящего потока водорода, что благоприятно сказывается на циркуляции водорода в контуре. Весь контур размещен в вакуумной оболочке с рабочим давлением 10-4 -10-6 мм рт.ст.
При работе источника изменение давления может составить: в водородном объеме контура от 0 до 3 атм, в гелиевом объеме от 0 до 2,5 атм. Таким образом, перепад давления на водородной оболочке может быть от -2,5 атм до +3 атм. Для обеспечения необходимой прочности и устойчивости формы жидководородная и гелиевые оболочки камеры были упрочнены гофрами. Предварительный прочностной расчет и гидравлические испытания показали удовлетворительные прочностные характеристики конструкции. Внутренне давление во время испытаний 5,3 атм, наружное - 2,6 атм. При этом остаточные деформации не наблюдались. Конструкция наружного вакуумного чехла камеры отличается от конструкции внутренних оболочек камеры. Основные требования к нему: он должен выдерживать давление 30 атм и достаточно хорошо пропускать ХН и УХН в направлении зеркального канала. Выполнен он в виде цилиндра с цилиндрическими же торцевыми поверхностями из циркониевого сплава. Толщина стенок 3 мм. Сверху цилиндра для усиления наварена пластина, в которой напротив выемки в водородной камере имеется прямоугольное окно (150x50 мм), закрытое мембраной толщиной 0,9 мм. Модель вакуумного чехла в натуральную величину была испытана гидростатическим давлением 52 атм. Течей обнаружено не было. По периметру окна приварен переходник «цирконий - нержавеющая сталь» с промежуточными слоями из ниобия и меди . Он необходим для того, чтобы герметично соединить циркониевый камеру источника с зеркальным нейтроноводом из нержавеющей стали. Данный переходник не несет никаких силовых нагрузок и должен обеспечить лишь герметичность конструкции.
Наружные габаритные размеры источника в горизонтальной плоскости составляют 102х 254 мм2. Источник размещается в центре водной полости реактора. По условиям эксплуатации переходники на водородных и гелиевых трубах должны выдерживать многократную температурную качку в интервале температур от 14 К до 60С, а переходники на вакуумных трубах - давление 30 атм. Образцы переходников были подвергнуты термоциклированию посредством поочередного опускания в жидкий азот (78 К) и горячую воду 60С. Количество циклов - 510. При проверке на вакуум течи не обнаружено. Затем переходники нагружались внутренним давлением 40 атм и затем вновь проверялись на вакуум. Течи не обнаружены. Нейтроноводная система источника состоит из вертикальных нейтроноводов УХН и поляризующего ХН.
Нейтроновод имеет сечение 140 x60 мм2 на наклонном и радиусном (Я = 1 м) участках и разделяется на два нейтроновода сечением по 70x60 мм2 на выходе. Нейтроновод также покрыт изотопным сплавом с граничной скоростью отражения 7,8 м/с. В месте разделения нейтроноводов УХН расположена подвижная зеркальная пластина-стрелка, позволяющая направлять очень холодные нейтроны только в один из нейтроноводов. Это увеличивает поток очень холодных нейтронов (15-20 м/с) в одном из нейтроноводов в 1,5 раза, эффект для УХН составляет не более 15%. На конце каждой из нейтроноводных секций УХН расположены шиберные системы, обеспечивающие три режима работы:
Фактор выигрыша, оптимальный объем замедлителя, нейтронные спектры для различных моделей источника
Равновероятностному распределению изотопов водорода отвечает величина Кни= 4,0. Как видно из приведенных данных, при понижении температуры равновесие сдвигается в сторону разложения и, наоборот, с повышением температуры в сторону образования молекулы НБ. Однако скорость этой реакции в отсутствии катализаторов при температуре жидкого водорода мала, так что возможно выделение из смеси термодинамически неустойчивого жидкого НБ, ведущего себя в этих условиях в смеси с молекулами водорода и дейтерия как независимый компонент. Разложение НБ можно осуществить в присутствии катализаторов даже при низких температурах, однако, при этом возникает необходимость дополнительного расхода холода для отвода тепла реакции. На практике разложение НО, необходимого для получения концентрированного дейтерия, проводят на катализаторах при положительной температуре.
К сожалению, отсутствуют экспериментальные данные по равновесному состоянию для трехкомпонентной смеси Н2, НБ, Б2 в жидкой фазе в зависимости от концентрации компонентов, которые необходимы для определения состава трехкомпонентной смеси в жидкой фазе. Такие данные для трехкомпонентной смеси в твердой фазе приводятся в литературе[126].
При работе источника периодически производился анализ замедлителя на содержание примесей кислорода и азота, изотопного состава, а так же орто- пара модификаций водорода. Анализ замедлителя на изотопный состав проводился с помощью хроматографа ЛХМ-8МД, хроматографическая колонка которого была заполнена окисью алюминия с нанесенной на нее окисью железа. В качестве детектора хроматографа использовался катарометр. Газ носитель - неон — подавался из стандартного баллона. Сигналы катарометра регистрировались с помощью электронного потенциометра КСП-4. Площадь хроматографичес- ких пиков определялась интегратором И-02 с точностью не хуже 0,5%. Относительный коэффициент чувствительности катарометра по Б2 (либо НО) относительно Н2 определены экспериментально и составили к =1,690, кно -1,329. Такая методика анализа позволяла определить концентрацию стабильных изотопов водорода в смеси с точностью 1,5 %. Для определения примесей кислорода и азота в замедлителе использовался хроматограф с колонкой, заполненной цеолитом ЫаА и использовался газ носитель гелий. Проба на анализ отбиралась в специальный контейнер, как из ресивера, так и из трубопровода, соединяющий ресивер с источником. Из трубопровода проба отбиралась всегда сразу же после испарения замедлителя из источника. Используя данные анализа трехкомпонентной смеси при хранении в контейнере для отбора проб, изготовленном из нержавеющей стали можно оценить в первом приближении константу скорости образования молекулы НБ. Содержание НО в смеси при первом анализе х0 = 38,4%. Содержание НО в смеси после хранения в течение 62 часов х0 = 37,5%. Используя уравнение = гДе — константа скорости и г - время конверсии смеси, час. Полученная константа скорости образования молекулы НБ в газовой среде при температуре окружающей среды около 298 К весьма мала к = 1,0 10 3ч которая на порядок меньше константы скорости превращения водорода из орто- в пара-состояние в жидкости.
При периодическом анализе смеси из ресивера после испарения замедлителя и сбросе его в ресивер было обнаружено значительное увеличение количества КО в смеси, указывающие на более высокие скорости образования молекулы НБ.
Состав трехкомпонентной смеси в ресивере после многократных испарений из источника, после работы на мощности реактора, следующий: 21,7(0,5)% - Н2, 43,0(1,4)% -НБи 35,3(1,37)% - Б2 и атомарный состав при этом 43,2% -Ни 56,8% - Б. По атомарному составу смесь не изменилась от первоначальной смеси водорода и дейтерия, заправленной в ресивер. В основном происходила «накачка» НБ в ресивере при сбросе 6 литров жидкой смеси из источника.
Кроме этого производился отбор пробы смеси на анализ из трубопровода, соединяющего источник с ресивером, непосредственно после испарения замедлителя из источника. Анализ состава смеси был произведен более 10 раз, который показал, что состав смеси практически не меняется и процентное соотношение компонентов в ней, следующее: 5,34(0,21)% - Н2, 37,67(1,39)% - НО и 56,99(1,37)% - Б2, атомарный состав при этом 24,18(1,30)% -Ни 75,82(3,34)% - Б. Содержание атомарного водорода в жидкой фазе замедлителя меньше, чем в газовой фазе исходной смеси в 1,8 раза. Источник работает продолжительное время с температурой в верхней точке термосифона 22 К. Концентрация атомарного водорода в трехкомпо- нентной смеси практически соответствует в пределах ошибки концентрации водорода в жидкой фазе бинарной смеси системы водород — дейтерий при температуре 22 К.
Таким образом, атомарный состав водорода в трех компонентной смеси в жидкости можно оценивать по коэффициенту равновесия фаз бинарной смеси системы водород - дейтерий.
