Рис. 1. Схема реактора ИБР-1. Рис.2 Отражатель на ИБР-2.
Усредненная мощность ИБР-2 составляет 2 МВт; мощность в импульсе - 1700 МВт. Импульсы тепловых нейтронов длительностью ~300 микросекунд испускаются с периодом в 5 герц, нейтронный поток в импульсе на поверхности модератора 5.1015 нейтронов/(см2.с). Исследовательский импульсный реактор ИБР-2 является одним из самых эффективных в мире источником для исследований на выведенных пучках нейтронов.
Нейтроны представляют собой идеальный инструмент для исследования различных веществ, высокая эффективность которого обусловлена их уникальными свойствами:
• Нейтроны электрически нейтральны, поэтому их проникающая способность значительно превышает проникающую способность электронов и даже рентгеновских лучей. Это позволяет проводить неразрушающий контроль деталей и материалов, находящихся в экстремальных условиях, например, внутри ячейки сверхвысокого давления, в высокотемпературной печи или при низкой температуре внутри криостата.
• Рентгеновское излучение рассеивается электронной оболочкой атомов, в то время как нейтроны взаимодействуют с ядрами, размер которых намного меньше размера оболочки. Следовательно, нейтроны позволяют с большей точностью определять положение атомов.
• Нейтроны обладают магнитным моментом, и это свойство делает их практически единственным инструментом для «прямого» исследования магнитной структуры вещества.
• Энергия тепловых нейтронов близка к энергии коллективных возбуждений в кристаллах, например, колебаний атомов и их магнитных моментов (фононов и магнонов), поэтому нейтроны являются уникальным инструментом для изучения межатомных взаимодействий и динамики атомов внутри вещества.
• Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами, а не с электронами оболочки атомов в отличие от рентгеновских и гамма-лучей. Это обусловливает их большую "контрастность" (чувствительность) в различении атомов близко расположенных в таблице Менделеева элементов. Особенно это относится к легким элементам (водород, кислород и др.), идентификация которых в телах, содержащих тяжелые элементы, почти невозможна рентгеновскими и гамма-методами.
Разделяют 2 вида нейтронов: быстрые нейтроны (нейтроны с энергией, большей ~100 кэв); медленные нейтроны(нейтроны с энергией до 100 кэв). В свою очередь медленные подразделяют на:
§ тепловые нейтроны (5*10-3—0,5 эв),
§ холодные нейтроны (10-7—5*10-3 эв ),
§ ультрахолодные нейтроны (0—10-7 эв),
§ резонансные нейтроны (0,5 эв — 10 кэв),
§ промежуточные нейтроны (10—100 кэв).
Тепловые нейтроны, медленные нейтроны с кинетической энергией в интервале 5*10-3—0,5 эв и длиной волны менее 4Ǻ. Они называются тепловыми,так как получаются при замедлении нейтронов до теплового равновесия с атомами замедляющей среды (термализация нейтронов). Для замедления потока нейтронов до тепловых энергий, как правило, используютсязамедлители, наполненные обычной водой.Пучок нейтронов, идущий последеления ядер, далее проходящий через замедлители, распределяетсяпо энергиям и скоростям,и описывается в соответствии с распределением Максвелла для молекул газа(рис.1).
Рисунок 1 Соответствие между энергией нейтрона E (E=mv2 /2) и его дебройлевской длиной волны λ (λ=h/mv) показано на рисунке (здесь m − масса, v − скорость нейтрона, h − постоянная Планка).
Снижение энергии быстрых нейтронов осуществляется, в так называемых, криогенных замедлителях нейтронов, которые являются «посредниками» между источником нейтронов и инструментами физических экспериментов, т.к. понижение энергии нейтронов приводит к тому, что их дебройлевская длина волны начинает значительно превышать размеры атомов и становится сравнимой с размерами гигантских молекулярных образований и наноструктур. Таким образом, замедленные, потерявшие энергию - холодные нейтроны, позволяют проводить структурные исследования сложнейших образований, начиная от биологических соединений до наночастиц.
Как элементарная частица, имеющая определенную массу, нейтрон обладает одновременно и волновыми свойствами, а значит может дифрагировать на атомах, из которых состоит изучаемое вещество.
Создание нужного спектра внешних нейтронных пучков происходит как в тепловых, так и в криогенных замедлителях (работающих при температуре замедляющего материала 20-100 К).
.
При рассеяние нейтрон постепенно теряет свою кинетическую энергию, проходя через замедлители. Нейтроны претерпевая взаимодействия с атомами замедляющего вещества имеют различные энергии, которые описываются распределением Максвелла для молекул газа.
Проблемы: выбор материала, как загрузить камеру КЗ, время работы ограничено
Цель: исследование максимально возможного времени работы криогенного замедлителя ИБР-2М на физический эксперимент.
Задачи:
-исследование принципиальной возможности загрузки камеры КЗ при помощи испытательного стенда.
-определение оптимальных параметров работы КЗ-202 на испытательном стенде (He расход, кол-во шариков в секунду, величина вакуума, P, T)
-загрузка камеры реального замедлителя в течении 7; 8,5; 9,5;10,2 суток
-определение радиационно-физических превращений в смеси рабочего материала
- изучение механизма замедления нейтронов
- выбор подходящего материала (мезитилен+ м-ксилол) [исследование вязкости облученного мезитилена]
- выбор технологии загрузки [облучение персонала, возможность непрерывной работы, уменьшение эффектов связанных с выходом H2, неограниченный ресурс работы]
- загрузка реального КЗ-202
-загрузка на стенде [определение оптимальных параметров, расчет максимальных теплопритоков к материалу]
Применение
Холодные нейтроны обладают ярко выраженными волновыми свойствами и используются в различных областях фундаментальных и прикладных исследованиях. 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 (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 атомным 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.
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, органических и биологических материалов, чувствительных к радиационному излучению [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.
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 [7, 8]. Здесь важна уникальная способность нейтрона «видеть» легкие атомы водорода на фоне тяжелых атомов. При создании топливных элементов, атомы водорода внедряются в материал-носитель, состоящий из тяжелых атомов, обычно металлов, и в последующем выводятся оттуда для выяснения изменения материала-носителя и его самого.
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.
Нейтронные методы исследования с применением холодных нейтронов являются также единственными, способными дать принципиально новую информацию для понимания функционирования живой клетки, как целого [9].
Нейтро́н — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтроны являются одной из двух главных компонент атомных ядер. Получаются в ядерных реакциях при бомбардировке различных ядер заряженными частицами или гамма-квантами большой энергии.
Разделяют 2 вида нейтронов: быстрые нейтроны (нейтроны с энергией, большей ~100 кэв); медленные нейтроны (нейтроны с энергией до 100 кэв). В свою очередь медленные подразделяют на:
§ ультрахолодные нейтроны (0—10-7 эв),
§ холодные нейтроны (10-7—5*10-3 эв ),
§ тепловые нейтроны (5*10-3—0,5 эв),
§ резонансные нейтроны (0,5 эв — 10 кэв),
§ промежуточные нейтроны (10—100 кэв).
Литературный обзор.
Тенденции развития новых уникальных возможностей для структурных исследований, ведут к использованию так называемых «шариковых» (pelletized) холодных замедлителей для высокоинтенсивных источников нейтронов, которые позволяют получать значительные потоки холодных нейтронов с большой длиной волны более 4Å. Снижение энергии быстрых нейтронов источника осуществляется в замедлителях нейтронов, которые являются «посредниками» между источником нейтронов и инструментами физических экспериментов. Создание нужного спектра внешних нейтронных пучков происходит как в тепловых, так и в криогенных замедлителях (работающих при температуре замедляющего материала 20-100 К).
Идея использования шариковых холодных замедлителей для высокоинтенсивных источников нейтронов возникла в середине 80-х гг. прошлого века [2,3]. В те времена не удалось получить обнадеживающие результаты, ввиду технических трудностей и отсутствия экспериментальных данных. Велись работы по улучшению замедлителей и вскоре возникли сложности с общим ресурсом замедлителя. Ряд проблем постоянно стоит перед создателями замедлителей холодных нейтронов: преодоление нежелательных последствий радиолиза, низкая теплопроводность материала замедлителей и радиолитический водород (приводит к разрыву камеры под давлением).
Пробел в знаниях по поводу этих аспектов был восполнен ЛНФ при ОИЯИ, руководителями проекта общеевропейского источника нейтронов ESS и проекта второй мишени источника ISIS. Были проведены обширные исследования влияния нейтронного облучения на разные материалы для холодных замедлителей.
В результате этих исследований был выбран подходящий материал - ароматический углеводород мезитилен, производный бензола с тремя группами СНз, замещающими атомы водорода (рис.1).
Рис. 1. Строение мезитилена
Иржи Натканец (ЛНФ) в результате изучения неупругого рассеяния медленных нейтронов на ароматических углеводородах предложил в качестве замедлителя использовать смесь мезитилена и m-ксилола, которая имеет аморфную структуру и дает больший выход холодных нейтронов вследствие обогащения плотности низколежащих энергетических уровней молекул.
И уже в 2006 г. начались расчетно-исследовательские и конструкторские работы по проекту камеры замедлителя. Рабочим материалом для камеры замедлителя послужила замороженная смесь мезитилена и m-ксилола в виде шариков. Главными критериями должны были выступать: геометрия, безопасность, оптимальные тепловые режимы и целесообразность использования. Работа включала в себя исследование на макете пневмотрассы транспорта рабочего материала (шариков) по трубам под действием потока газа гелия, доставку и загрузку шариков в камеру замедлителя [4]. В скором времени был создан испытательный стенд криогенного замедлителя КЗ-202 с пневмотрактом находящимся в горизонтальной плоскости (рис. 2). Стенд продемонстрировал возможность загрузки камеры замедлителя рабочим веществом потоком холодного (T<80К) газа гелия по системе трубопровода и тем самым утвердил право на существование. Испытательную модель замедлителя в настоящее время используют как рабочую, он успешно зарекомендовал себя для инструментов физических экспериментов.
Рис. 2. Испытательный стенд в экспериментальном зале ИБР – 2: 1) трубопровод отвода гелия от КГУ к криостату, 2) трубопровод подвода гелия к КГУ от криостата, 3) место расположения дозатора, 4) трубка Пито, 5) пневмотранспортный трубопровод, 6) камера-имитатор, 7) криостат с теплообменником, криогенным гелиевым насосом и криогенными вентилями
механизм замедления нейтронов
выбор подходящего материала (мезитилен+ м-ксилол)
Предложенный состав замедлителя обладает очень перспективными свойствами (большой выигрыш в потоке холодных нейтронов, аморфность, низкое газовыделение). Особое значение имеет высокая радиационная стойкость материала замедлителя, дающая надежду на возможность длительной эксплуатации без перезагрузки. Тем не менее, эту проблему нельзя считать полностью решенной, поскольку даже для ароматических углеводородов облучение до огромных доз в условиях длительной работы реактора приводит к значительным изменениям химического состава и свойств замедлителя как непосредственно за время облучения, так и во время пострадиационного разогрева при плановой замене замедлителя. Эти изменения, характер которых изучен кране мало, могут стать существенным фактором риска и обусловить ограничения срока эксплуатации.
Необходимо отметить, что имеющиеся литературные данные о радиационнохимических процессах в системах мезитилен - ксилол весьма скудны и фрагментарны, а данные о превращениях при криогенных температурах в области больших доз совершенно отсутствуют. Имеющаяся информация не позволяет судить о механизме процессов и предлагать обоснованные подходы к регулированию радиационной чувствительности и оптимизации состава замедлителя. Проблема осложняется тем, что осуществить модельные исследования с мониторингом радиационно-химических изменений в условиях, полностью имитирующих реальный реакторный эксперимент, практически невозможно, и даже частичная имитация является очень сложной и дорогостоящей задачей.
Однако следует отметить, что, несмотря на кардинальные различия в механизмах взаимодействия излучения f веществом и величинах ЛПЭ, начальные химические эффекты на качественном уровне однотипны, поскольку они в значительной мере определяются взаимодействием вторичных заряженных частиц (фотоэлектронов и протонов отдачи, соответственно) с электронной оболочкой молекул замедлителя. Таким образом, можно надеяться, что полученные результаты будут полезны для установления механизмов и выработки принципиальных подходов к регулированию радиационной чувствительности и оптимизации состава замедлителя.