ГЕНЕРАТОР УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2000 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к области ядерной физики, более конкретно к источникам нейтронов для ядерных исследований.

Известны источники нейтронов, предназначенные для генерации холодных и ультрахолодных нейтронов и содержащие водород или дейтерий в жидком виде, размещенные в области отражателя тяжеловодных исследовательских реакторов. В таких устройствах нейтроны замедляются в материале низкотемпературного замедлителя до энергий 10^-8 - 10^-4 эВ. Затем через тонкое окно (тонкую мембрану) или набор окон холодные нейтроны попадают в вакуумный нейтроновод, по которому транспортируются в экспериментальный зал и разводятся на экспериментальные установки. Наиболее эффективными являются решения, реализованные в Институте Лауэ-Ланжевена (ИЛЛ) в Гренобле (Франция) на дейтерии в качестве криогенного замедлителя (1) и в Петербургском Институте Ядерной Физики (ПИЯФ) на водороде в качестве криогенного конвертора нейтронов (2).

Известно устройство для эффективного накопления ультрахолодных нейтронов (УХН), содержащее стеночную ловушку ультрахолодных нейтронов, заполненную сверхтекучим гелием (3), снабженную средствами поддержания рабочей температуры и вакуума, а также средствами вывода ультрахолодных нейтронов. В этом устройстве гелий облучается холодными нейтронами с длиной волны около 10 А, например от источника на жидком дейтерии при температуре 20 К. За счет эффекта возбуждения в сверхтекучем гелии однофононных осцилляций энергия нейтронов быстро уменьшается. Нейтроны, перешедшие в область ультрахолодных (скорость до 8 м/с в зависимости от граничной скорости, определяемой материалом стенки ловушки), накапливаются в ловушке за счет отражения от внутренней поверхности. Показано, что плотность УХН, полученных таким образом, превышает плотность УХН в спектре нейтронов с температурой 20 К (спектр теплового равновесия) на несколько порядков (4). Таким образом, реализуется эффект сверхтеплового ("superthermal") накопления нейтронов. Накопление возможно при тщательной очистке гелия 4 от примеси гелия-3. Если время хранения нейтронов в ловушке достаточно велико (более 100 секунд), то за счет фактора накопления пространственная плотность нейтронов возрастает по сравнению с проточным режимом. Если ловушка имеет затвор, то накопленные нейтроны можно периодически выпускать в премыкающие экспериментальное устройство или детектор нейтронов. В другом варианте эксперименты проводятся непосредственно в ловушке в среде сверхтекучего гелия с регистрацией электронов или протонов от распада нейтронов.

Все указанные устройства предназначены для высокопоточных реакторов и выведенных пучков холодных и ультрахолодных нейтронов. Для более перспективных в отношении ядерной безопасности подкритических систем ограниченной мощности (100-200 кВт) с гораздо меньшим потоком тепловых нейтронов (≈10¹¹ - 10¹³ н/(см²• с) указанные технические решения неприменимы или малоэффективны.

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является упомянутое выше устройство сверхтеплового накопителя (3). Недостатком (с точки зрения использования в подкритических системах с низким и средним потоком - до 10¹³ н/(см²• с)) является отсутствие элементов конструкции, позволяющих использовать ловушку, наполненную сверхтекучим гелием, непосредственно в экспериментальном канале вблизи активной зоны размножителя нейтронов.

Техническим результатом заявленного решения является реализация эффективного источника ультрахолодных нейтронов на подкритическом размножителе нейтронов малой мощности. Количественно эффективность может быть оценена с помощью параметра "качества", равного отношению плотности УХН, достигаемого в ловушке источника, к мощности активной зоны базовой установки. Таким образом, целью предлагаемого устройства является повышение "качества" источника ультрахолодных нейтронов. Технический результат достигается тем, что в качестве источника тепловых нейтронов используют подкритический умножитель нейтронов (который может являться бланкетом мишени электроядерной установки) с тяжеловодным отражателем. В отражателе устанавливают вакуумированный канал большого диаметра d(d∈[D/3÷D], где D - диаметр активной зоны, численно равный 500-600 мм для топлива в виде высокообогащенного урана). В нижней части канала размещают ловушку в тонкой оболочке из твердого дейтерия, примыкающей к сосуду через вакуумный зазор и охваченный тонкостенным теплоотражающим экраном при температуре около 20 К. Экран, в свою очередь, охвачен цилиндрическим слоем радиационного фильтра с толщиной до 100 мм из тяжелого металла с малым сечением поглощения нейтронов, например висмута, погруженным в ванну, через которую циркулирует криоагент при температуре жидкого азота (жидкий азот, гелий). Цилиндрические стенки ванны также служат теплоотражающими экранами. Ловушка изнутри покрыта тонким слоем материала с высокой граничной скоростью отражения ультрахолодных нейтронов (УХН).

При заполнении сверхтекучим гелием ловушка является преобразователем холодных нейтронов с длиной волны около 10 А в ультрахолодные нейтроны. За счет отражения от стенок ловушки УХН удерживаются внутри и накапливаются. Ловушка в верхней своей части имеет алюминиевую мембрану, отделяющую ловушку от нейтроновода, на входе которого установлен нейтронный клапан. Выход нейтроновода примыкает к экспериментальному устройству или детектору, также погруженному внутрь большого канала. Пространство между кожухом канала и стенками нейтроновода с экспериментальным устройством используется для размещения трубопроводов подачи и отвода криоагентов, устройств рекуперации и для откачки паров гелия. Система, объединяющая мембрану для выпуска нейтронов, нейтронный клапан и собственно нейтроновод, является в данном случае примером средств вывода нейтронов из ловушки.

Размещение ловушки с жидким гелием в твердой дейтериевой оболочке внутри теплоотражающих экранов и радиационного фильтра в виде цилиндрического слоя висмута, охлаждаемого до температуры жидкого азота, позволяет решить проблему снижения теплопритока к жидкому гелию. Это происходит благодаря снижению потоков быстрых нейтронов и гамма-квантов за счет рассеяния. Кроме того, имеет место увеличение количества холодных нейтронов, которые свободно фильтруются через висмут (эффект поликристаллического фильтра для нейтронов с длиной волны, превышающей граничную длину волны для брэгговского рассеяния) и дополнительно рождаются на оболочке из твердого дейтерия, которая играет роль дополнительного конвертора тепловых нейтронов в холодные. Малая мощность подкритического размножителя (см, таблицу 1 с параметрами размножителя) и сравнительно небольшие потоки быстрых нейтронов и гамма-квантов позволяют указанным выше набором элементов обеспечить эффективное подавление тепловыделения от этих видов излучения.

Численное моделирование процессов переноса излучения (компьютерная программа MCNP-4B) показывает, что суммарное тепловыделение в ловушке объемом 10 л и стенках ловушки, выполненных из алюминия толщиной 1 мм, не превосходит 1 Вт. Можно показать, что такой уровень тепловыделения позволяет обеспечить температуру около 1 К методом откачки паров гелия с использованием холода паров для предварительного охлаждения жидкого гелия, поступающего от внешнего источника (рекуперация). При температуре 1К гелий является преимущественно сверхтекучим. Следовательно, реализуется эффект сверхтеплового накопления. Результирующая плотность ультрахолодных нейтронов в ловушке составит более 1000 н/см³ или более 10⁷ УХН на весь объем ловушки. Такое количество нейтронов можно использовать для прецизионных экспериментов по изучению, например, бета-распада нейтронов или для различных экспериментов по изучению конденсированного состояния вещества.

Таким образом, в совокупность признаков входят не только признаки, относящиеся к ловушке и ее непосредственному окружению, но и признаки, характеризующие экспериментальный канал, тип отражателя, параметры активной зоны. В результате совокупного действия всех признаков, обеспечивающих размещение ловушки со сверхтекучим гелием вблизи активной зоны, получение и использование УХН непосредственно в экспериментальном канале, достигается высокое "качество" устройства (отношение плотности УХН к мощности активной зоны).

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематически показан вертикальный разрез генератора ультрахолодных нейтронов.

Генератор ультрахолодных нейтронов содержит ловушку 1 (с внутренним покрытием из материала с положительной амплитудой рассеяния нейтронов) с жидким гелием 2 при температуре, близкой к 1 К, помещенный в оболочку 3 из твердого дейтерия. Оболочка может быть реализована в виде тонкостенного сосуда, по форме подобного колбе с двойными стенками, между которыми заливается жидкий дейтерий. При понижении температуры дейтерий отвердевает (устройства для залива и охлаждения дейтерия не показаны). Стенки колбы могут быть выполнены из алюминиевого сплава или бериллия. Оболочка с ловушкой охвачена теплоотражающим экраном 4, отражающим лучистый внешний поток, и трубным радиационным фильтром 5, изготовленным из тяжелого материала с малым сечением захвата нейтронов (висмут), радиационный фильтр погружен в ванну 6, через которую циркулирует жидкий криоагент 7, например жидкий азот. Все перечисленные компоненты размещены в вакуумированном канале 8, к сосуду с гелием примыкает нейтроновод 9, отделенный от сосуда мембраной 10 и нейтронным клапаном 11. В пространстве между нейтроноводом и каналом размещены трубопроводы 12 для подачи в рабочие полости криоагентов и откачки их паров. Канал помещен в тяжеловодный отражатель нейтронов 13 вблизи активной зоны 14 подкритического размножителя 15.

Генератор ультрахолодных нейтронов работает следующим образом. Быстрые нейтроны от внешнего источника, например мишени, на которую падает пучок ускоренных протонов, замедляются в подкритическом размножителе 15 и инициируют цепную реакцию деления ядер топлива (например, обогащенного урана), образующего активную зону 14. Нейтроны деления замедляются в тяжелой воде отражателя 13 и формируют в отражателе пространственное распределение тепловых нейтронов с широким максимумом на некотором расстоянии от активной зоны. Криоагенты подаются по трубопроводам 12. Быстрые нейтроны, тепловые нейтроны и гамма-кванты деления ядер облучают цилиндрический радиационный фильтр 5, охлаждаемый в ванне 6 до температуры жидкого азота. При облучении происходят процессы рассеяния и поглощения гамма-квантов, рассеяния быстрых и тепловых нейтронов, фильтрации холодных нейтронов сквозь висмут. Оболочка из твердого дейтерия дополнительно конвертирует нейтроны из области тепловых энергий в холодную область. В результате экранировки и фильтрации жидкий гелий 2 в ловушке 1 облучается потоком преимущественно холодных нейтронов с длиной волны более 8 ангстрем. Суммарное тепловыделение в объеме ловушки 1 не превышает 1 Вт, что позволяет за счет откачки паров охладить жидкий гелий до температуры 0,95 - 1,05 К и добиться состояния сверхтекучести. В этом состоянии гелия происходит эффективный процесс взаимодействия холодных нейтронов с молекулярной структурой жидкости, приводящий к возбуждению однофононных колебаний.

Таким образом, энергия нейтронов эффективно отбирается и распределяется по объему сверхтекучей жидкости, и нейтроны переходят в ультрахолодную область энергий. Процесс обратной передачи энергии сильно подавлен за счет быстрого распределения энергии возбуждений по объему гелия и откачки паров гелия, что поддерживает его температуру. Образовавшиеся ультрахолодные нейтроны (УХН) свободно мигрируют в объеме ловушки, отражаясь от специально обработанной внутренней поверхности. Время τ хранения УХН в такой ловушке может составить порядка 100 с и более, что достаточно для накопления нейтронов в ловушке и достижения плотности p, описываемой формулой
p = 3×10^-11τ×F_therm(н/см³),
где F_therm - плотность потока тепловых нейтронов в канале. Результате расчетов приведены в табл. 1, откуда следует, что в объеме 10 л можно накопить до 10⁷ УХН в цикле. Накопленные нейтроны могут быть выпущены в нейтроновод 9 при открытии клапана 11 через мембрану 10.

Литература.

1. Par P. Ageron, J.M. Astruc, H. Geipel, J. Verdier La source de neutros froids du reacteur a haut flux. B.I.S.T. Commussariat a I'Energie Atomique N 166 Janvier 1972.

2. I.S. Altarev, et. al. A Liqurd hydrogen source of ultra-cold neutrons Physics Letters, vol. 80A, n. 5, 6, 22 Dec. 1980, p. 413-416.

3. R. Golub, et. al. Operation of a Superthermal Ultra-Cold Neutron Source and the Storage of Ultra-Cold Neutrons in Superfluin Helium. Zeitschrift fur Physik B (Condensed Matter), 51. 187-193 (1983).

4. R. Golub, J. M. Pendlebury The interaction of ultra-cold neutrons (UCN) with liquid helium and a superthermal UCN source. Physics Letters, vol. 62A, # 5, p. 337.

Использование: в области экспериментальной ядерной физики для создания высокоэффективного источника ультрахолодных нейтронов (УХН) на подкритическом размножителе малой мощности в условиях невысоких потоков тепловых нейтронов с высоким значением качества источника (отношение плотности потока (УХН) к мощности). Сущность изобретения: генератор включает ловушку, заполненную сверхтекучим гелием, помещенную в оболочку, выполненную из твердого дейтерия. Ловушка с оболочкой окружены теплоотражающим экраном и цилиндрическим слоем радиационного фильтра, выполненного из висмута и размещенного в ванне. Ловушка в оболочке с экраном и фильтром погружены в большой экспериментальный канал, размещенный в тяжеловодном отражателе. 1 ил., 1 табл.

Генератор ультрахолодных нейтронов, содержащий ловушку ультрахолодных нейтронов, заполненную сверхтекучим гелием, устройства для поддержания рабочей температуры и вакуума, средства вывода ультрахолодных нейтронов из ловушки, отличающийся тем, что ловушка ультрахолодных нейтронов помещена в оболочку, выполненную из твердого дейтерия, ловушка с оболочкой охвачены теплоотражающим экраном и цилиндрическим слоем радиационного фильтра, выполненного из висмута и размещенного в ванне, причем ловушка в оболочке с экраном и фильтром погружены в канал, размещенный в тяжеловодном отражателе подкритического размножителя нейтронов.