СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2000 года по МПК G21K1/10 

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано для получения ультрахолодных нейтронов (УХН), а также их накопления и хранения.

Известны способы получения холодных и ультрохолодных нейтронов, описанные в работе /1/. Эти способы основаны на термолизации тепловых нейтронов в жидком водороде в режиме стационарной работы нейтронного источника и используют различные подходы в охлаждении жидкого водорода.

В одном способе, описанном в работе /1/, охлаждение жидкого водорода осуществляют газообразным гелием непосредственнно в камере, его содержащей. Способ позволяет охлаждать водород при удельных ядерных выделениях в нем до 8 Вт/ч. Увеличение выхода УХН из жидкого водорода по отношению к выходу из газообразного водорода при 300 K для этого источника составило 30 раз (фактор выигрыша).

В другом способе, описанном в работе /1/, охлаждение жидкого водорода осуществляют в контуре естественной циркуляции с теплообменником, в котором жидкий водород охлаждается газообразным гелием. Контур естественной циркуляции с жидким водородом устанавливается в ядерном реакторе. Способ позволяет охлаждать водород при удельных ядерных энерговыделениях в нем до 20 Вт/ч. В данном случае фактор выигрыша составил 60''.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения УХН, описанный в работе (2) и основанный на замедлении непрерывного реакторного потока нейтронов в низкотемпературном замедлителе (твердом дейтерии), охлаждаемом жидким гелием. Увеличение выхода УХН из твердого дейтерия по отношению к выходу из газообразного при 300 K для этого источника составило 1200 раз (фактор выигрыша). Камера располагается вне отражателя реактора в низком потоке тепловых нейтронов, чтобы гарантировать поддержание дейтерия в твердом состоянии, охлаждая его жидким гелием. Теплопроводность твердого дейтерия определяет количество теплоты, которое может быть отведено из дейтерия. Это ограничивает возможности применения способа и не позволяет разместить низкотемпературный замедлитель, охлаждаемый жидким гелием, в интенсивном стационарном потоке тепловых нейтронов и получить высокую плотность УХН.

Задачей предлагаемого способа является устранение технических трудностей, свойственных способу-прототипу, а именно, создание возможности использовать высокие потоки тепловых нейтронов. Как было указано выше, в способе-прототипе могут быть использованы только низкие потоки тепловых нейтронов (в силу того, что камера с твердым дейтерием может быть расположена в зоне умеренного радиационного нагрева, чтобы гарантировать поддержание дейтерия в твердом состоянии).

Предлагаемый способ создает возможности применять высокие импульсные потоки тепловых нейтронов, что позволяет повысить плотность ультрахолодных нейтронов и в конечном итоге расширить возможность применения способа, а также обеспечить накопление ультрахолодных нейтронов и их хранение для дальнейшего использования их по назначению.

Поставленная задача достигается в способе получения ультрахолодных нейтронов, заключающемся в том, что направляют нейтроны от их источника на замедление в низкотемпературный замедлитель, охлаждаемый жидким гелием, при этом в качестве источника нейтронов используют импульсный источник тепловых нейтронов, которые во время импульса направляют в объем низкотемпературного замедлителя, охлаждаемого жидким гелием, полученные УХН накапливают в ловушке до момента установления равенства плотностей УХН внутри низкотемпературного замедлителя и внутри ловушки, после чего импульсный источник тепловых нейтронов отключают, а объем ловушки УХН изолируют от объема низкотемпературного замедлителя, после охлаждения низкотемпературного замедлителя до исходной температуры импульс тепловых нейтронов повторяют.

Таким образом, отличие заявляемого способа от прототипа и других известных способов заключается в создании возможности применять высокие потоки тепловых нейтронов в условиях импульсного режима работы. Максимальная плотность УХН, которая может быть получена заявляемым способом, обеспечивается интенсивностью импульса тепловых нейтронов и теплоемкостью низкотемпературного замедлителя, который должен находиться при температуре жидкого гелия. Средняя нейтронная плотность УХН в способе-прототипе ограничивается теплопроводностью твердого дейтерия, используемого в качестве низкотемпературного замедлителя, т. к. теплопроводность определяет время следующего импульса, необходимое для охлаждения дейтерия до исходной температуры.

Предложен принципиально новый подход в разрешении противоречий между высоким нейтронным потоком и, как следствие, высокой тепловой нагрузкой и необходимой низкой температурой замедлителя.

На чертеже представлена схема реализации заявляемого способа.

Импульсным источником тепловых нейтронов может служить ускоритель или импульсный реактор. На импульсном ускорителе протонный пучок направляют на свинцовую (вольфрамовую мишень (1)) для получения импульсного нейтронного потока. Вода (2), которая охлаждает мишень, одновременно используется для предварительной термализации нейтронного потока. В качестве основного замедлителя нейтронов и источника УХН используется низкотемпературный замедлитель (3), который охлаждается жидким гелием (4). Для снижения тепловой нагрузки на низкотемпературный замедлитель применяется висмутовый экран (5), установленный в воде (2). Полученные УХН выходят из низкотемпературного замедлителя (3) и накапливаются в ловушке (6) до момента установления равенства плотностей УХН внутри низкотемпературного замедлителя и в ловушке. Ловушка охлаждается жидким азотом (7), а низкотемпературный замедлитель - жидким гелием. В начальный момент импульса температура низкотемпературного замедлителя приблизительно равна температуре охлаждающего жидкого гелия, в конце импульса низкотемпературный замедлитель разогревается.

После установления равенства плотностей УХН внутри низкотемпературного замедлителя и внутри ловушки импульсный источник тепловых нейтронов отключают.

Длительность нейтронного импульса такова, чтобы избежать чрезмерного нагрева низкотемпературного замедлителя, в результате чего он может потерять свои свойства замедлителя нейтронов. Поэтому дальнейшее облучение нейтронами не приводит к росту плотности УХН в ловушке, а даже наоборот снижает ее. После импульса объем низкотемпературного замедлителя изолируют от объема ловушки, чтобы исключить поглощение УХН в низкотемпературном замедлителе при хранении.

Внутренняя поверхность ловушки выполнена из материала с граничной скоростью больше скорости УХН, чтобы удерживать УХН в ловушке и сохранить высокую плотность УХН в течение длительного времени.

Повторный импульс нейтронов от источника можно подавать тогда, когда низкотемпературный замедлитель охладится до температуры жидкого гелия. УХН, накопленные в ловушке, можно отбирать из нее по мере необходимости через специальные отверстия в ней, к которым подсоединяются нейтроноводы (8). Вся система окружена биологической защитой (9).

Использование импульсного источника позволяет создать значительно большую плотность УХН в отличие от стационарного нейтронного источника. Максимальная плотность УХН, которая может быть получена заявляемым способом, определяется интенсивностью импульса и объемом низкотемпературного замедлителя и возможностями поддержания низкой температуры в данном объеме низкотемпературного замедлителя.

При использовании импульсного источника в низкотемпературный замедлитель можно подать значительно больший поток тепловых нейтронов в короткий промежуток времени, чем в случае со стационарным нейтронным источником. Интервал времени между импульсами определяется скоростью охлаждения низкотемпературного замедлителя, которая ограничивается его теплопроводностью. Главный поток тепловых нейтронов на стационарном источнике приведет к разогреву низкотемпературного замедлителя и утрате его свойств как замедлителя, что объясняется конечной величиной теплопроводности низкотемпературного замедлителя.

Для доказательства работоспособности и преимущества способа приводим расчетную оценку. Данный расчет практически применим для всех видов низкотемпературных замедлителей, охлаждаемых жидким гелием, в силу того, что сохраняются пути устранения противоречия между высоким нейтронным потоком (высокой тепловой нагрузкой) и низким уровнем температуры любого низкотемпературного замедлителя. В качестве примера рассмотрен твердый дейтерий.

Тепловыделение в дейтериевом источнике пропорционально времени наполнения ловушки УХН. Время наполнения ловушки τ_f зависит от поверхности источника, т. е. его размеров. Для простоты оценки будем считать дейтериевый источник сферический с радиусом R_s. Выберем время протонного импульса равным 2τ_f. Тепловыделение в источнике (Q = 2τ_fW_S) определяет скачок температуры твердого дейтерия (ΔT) в момент импульса из соотношения:
Q = 2τ_fW_S = CmΔT, (1)
где W_s - импульсная мощность, выделяемая в твердом дейтерии, C - теплоемкость твердого дейтерия, m - масса твердого дейтерия.

Для предварительной оценки мы принимаем, что 15% полной мощности протонного пучка выделяется в объеме холодного замедлителя, причем эта мощность очень мало зависит от его объема, начиная с объема больше 100 - 200 л. Тогда из соотношения (1) газокинетической формулы

и формулы
V_T = (4π/3)(R3t

Полагая, что R_t ³ >> R_s ³, получаем для характерных размеров дейтериевого источника формулу

Как видно из данного анализа, зависимость размеров дейтериевого источника от других параметров задачи является очень слабой из-за степени 1/5. Поэтому следует ожидать, что даже грубый анализ даст достаточно определенную оценку. Произведение Δ TC нужно рассматривать как интеграл от теплоемкости между начальной и конечной температурой твердого дейтерия за время импульса. Принимая начальную температуру равной 6 K, а конечную температуру равной 10 K и используя данные для теплоемкости, получаем для характерных размеров источника значения R_s = 0,6 м. Из полученных геометрических параметров источника определяется экспоненциальное время наполнения, которое оказывается равным 1,0 с. Отсюда длительность протонного импульса для накачки ловушки до 86% плотности УХН от максимально возможной будет равна 2,0 с.

Из-за резкой температурной зависимости теплопроводности и значительной пространственной вариации тепловыделения точное решение этой задачи является нетривиальным. Мы даем грубую оценку, используя следующую формулу:

где Δ T_max - максимально возможная разность температур, когда все тепловыделение локализовано на внутренней поверхности источника вблизи теплой мишени, Δ R - радиальная толщина твердого дейтерия, S_He - площадь поверхности, охлаждаемой гелием, - среднее значение теплопроводности твердого дейтерия, выбранной 8 Вт/К•м, W_s - средняя мощность тепловой нагрузки, равная 300 Вт. Тогда для среднего значения температуры твердого дейтерия имеем T_s = 7K.

Наконец, сделаем оценку плотности УХН в ловушке. Согласно ранее приведенной оценке, фактор выигрыша для твердодейтериевого источника при температуре 7-10 K может составить 3•10³. Тогда коэффициент, связывающий плотность УХН и поток тепловых нейтронов Ф_o /н/см²•с/, будет иметь вид:

где E_c - граничная энергия ловушки, T_R - комнатная температура 300 K, G - температурный фактор выигрыша.

Глубина выхода УХН из твердого дейтерия при низких температурах определяется длиной диффузии

L_S(n•σ_S)^-1 - длина рассеяния, n - плотность ядер дейтерия в 1 см³, σ_S - сечение некогерентного упругого рассеяния, равное 2,2 барна, L_а = (nσ_a)^-1 - длина поглощения УХН, σ_a - сумма сечения захвата УХН (σ_c) и сечения неупругого рассеяния УХН (σ_up). Рассчитанное значение длины диффузии составляет ~ 15 см при температуре 6 K. Таким образом, слой твердого дейтерия в 15 см поставляет УХН в ловушку источника. Среднее значение нейтронного потока в этом слое можно оценить как Ф_о = 8•10¹³ н/см² •с^-1 при токе протонов 1 мА. Тогда плотность УХН в ловушке источника будет составлять ρ = 2.4•10^-10 Ф_о = 2•10⁴ н/см³. Такая плотность будет на 2-3 порядка величины больше, чем на современных источниках.

Задача создания высоких плотностей УХН актуальна для научных экспериментов. В области фундаментальной физики УХН используются для измерения электрического дипольного момента, электрического заряда и времени жизни самого нейтрона, а также для изучения асимметрии нейтронного β -распада. В прикладных исследованиях УХН используются для изучения твердого тела (измерение граничных энергий, сечений рассеяния и поглощения вещества, исследование неоднородностей вещества и т.д.). Способ позволяет успешно решить эту задачу.

Способ может быть применен на импульсных ускорителях, в том числе на существующих ускорителях в PSI (Швейцария), LANSCE (США), ПИЯФ (Россия), КЕК (Япония), а также на планируемых в Европе ускорителях ESS и AUSTRON.

Литература
1. Journal of Neutron Research, vol 1., N 4, 1993, page 71-77.

2. Experimental study of a solid deuterium source of ultacold neutrons. Pis'ma Zh.

Eksp. Teor. Tiz. 62, N 10, 764-769 (25 November, 1995).

Изобретение может быть использовано для получения ультрахолодных нейтронов, а также их накопления и хранения. Способ получения ультрахолодных нейтронов (УХН) основан на замедлении нейтронов в низкотемпературном замедлителе, охлаждаемом жидким гелием. В качестве источника нейтронов используют импульсный источник (ускоритель, импульсный реактор). Полученные УХН накапливают в ловушке до момента установления равенства плотностей УХН внутри низкотемпературного замедлителя и внутри ловушки, затем импульсный источник тепловых нейтронов отключают, а объем ловушки с УХН изолируют от низкотемпературного замедлителя и после охлаждения низкотемпературного замедлителя до исходной температуры импульс тепловых нейтронов повторяют. Создается возможность использования высоких потоков тепловых нейтронов в реакторе. 1 ил.

Способ получения ультрахолодных нейтронов, заключающийся в том, что направляют нейтроны от их источника на замедление в низкотемпературный замедлитель, охлаждаемый жидким гелием, отличающийся тем, что в качестве источника нейтронов используют импульсный источник тепловых нейтронов, которые во время импульса направляют в низкотемпературный замедлитель, полученные ультрахолодные нейтроны накапливают в ловушке до момента установления равенства плотностей ультрахолодных нейтронов внутри замедлителя и ловушки, после чего импульсный источник тепловых нейтронов отключают, а объем ловушки с ультрахолодными нейтронами изолируют от замедлителя и после охлаждения замедлителя до исходной температуры импульс тепловых нейтронов повторяют.