Введение к работе
Актуальность работы.
Импульсные источники нейтронов на основе сильноточных ускорителей протонов средних энергий (0.5 - 1.6 ГэВ) становятся одними из важнейших инструментов исследования вещества: конденсированных сред («80% времени работы ускорителей), ядерной физики («15-20%) и работ прикладного характера («2-5%). Основное преимущество нейтронных источников такого типа состоит в следующем:
ядерная безопасность;
широкий спектр нейтронов от холодных до нескольких сотен МэВ;
использование в экспериментах время-пролетной методики и изменение временных и частотных характеристик в широких пределах;
возможность использования ускорителя для широкого круга задач и проведение нескольких разноплановых научных программ одновременно; .
сравнительно длительный срок работы мишеней и т.д.
В настоящее время в мире работают несколько нейтронных источников на основе протонных ускорителей, составляющих основу национальных и региональных научных центров (КЕК - Япония, LANL, ANL - США, RAL - Англия, PSI - Швейцария, TRIUMF - Канада). Завершается сооружение нейтронного источника Московской мезонной фабрики. Причем такие установки, как IPNS ANL и ISIS RAL изначально создавались в основном, как нейтронные центры.
Начата разработка нейтронных источников нового поколения LPSS LANL - США, KEKS-2 - Япония, ASTRN - Австрия, а также ESS -Западная Европа и OKNL - США с мощностью пучка до 5 Мвт.
Потребность в новых высокоинтенсивных источниках обусловлена прежде всего задачами физики твердого тела, молекулярной физики, химии и биологии, переходом к изучению процессов в динамике, а, следовательно, получением больших объемов физической информации за короткий промежуток времени.
Выбор материалов мишени и ее конструктивные особенности зависят в первую очередь от плотности потока протонов, падающего на мишень, т.е. от средней интенсивности протонного пучка и энергии протонов. При большой плотности тепловыделения временные параметры пучка (частота следования импульсов протонов и их длительность) влияют на стойкость материалов по отношению к динамическим нагрузкам (тепловой удар). Мишени, используемые для производста нейтронов, и материалы можно условно разделить на четыре класса:
размножающие на основе 235U, 239Pu, 233U, 237Np, усиливающие первичные (spallation) нейтроны, образовавшиеся в подкритической сборке за счет цепной ядерной реакции;
делящиеся (на основе обедненного или природного урана), обладающие большой делимостью под действием быстрых («1-100 МэВ) нейтронов и каскадных протонов;
материалы с большой плотностью и атомным весом типа вольфрама, тантала, свинца (в твердом состоянии) и сплавы на их основе;
жидкометаллические (Hg, эвтектика Pb-Bi, расплавленный РЬ).
Подобная классификация в какой-то мере отражает тенденции, связанные с ростом мощности протонных ускорителей и плотностью тепловыделений в материалах мишени, и, кроме того, эффективность самих материалов (число нейтронов, образовавшихся в протяженной мишени в расчете на один первичный протон и их линейную плотность вдоль направления распространения протонного пучка). Рост плотности тепловыделений в материалах мишеней требует все большей фрагментации активной зоны с целью создания каналов охлаждения. Это увеличивает доли конструкционных материалов и теплоносителя, резко снижает средний атомный вес и плотность мишени, что уменьшает эффективность использования делящихся материалов в отсутствии умножения, либо приводит к отказу от их использования и переходу на такие материалы, как сплавы вольфрама и тантал, обладающие по сравнению с ураном в два раза более низким выходом нейтронов. Дальнейшее увеличение плотности тепловыделений, термомеханических напряжений и динамических нагрузок приводит к идее вращающихся мишеней и жидкометаллическим системам. Кроме того, имеются ограничения, связанные с совместимостью материалов и их физическими свойствами. К настоящему моменту обозначились две тенденции развития импульсных источников нейтронов: а) увеличение интенсивности протонного пучка - создание ускорителей нового поколения с энергией 1 МВт (PSI, KENS-2), 5 МВт (ORSIS, ESS) с вращающимися или жидкометаллическими мишенями, б) повышение светосилы и ресурса мишеней действующих ускорителей, т.е. использование делящихся материалов (сплавы на основе природного и обедненного урана) и размножающих мишеней при ограниченной интенсивности протонного пучка (ММФ, ISIS, IPNS, KENS-1). Анализ
последнего направления применительно к нейтронному источнику Московской мезонной фабрики сделан в диссертации.
Основная цель работы состоит в исследовании, оптимизации и определении условий, обеспечивающих долговременную работу вольфрамовых мишеней, мишеней на основе природного урана и размножающих мишеней.
Научная новизна данной работы заключается в том, что проведены систематические исследования по физико-техническому обоснованию и оптимизации импульсных источников нейтронов на основе силицидов урана, двуокиси плутония для целей нейтронной спектрометрии, а также редкоимпульсного бустера для облучения протяженных объектов. Рассмотрены вопросы, связанные с оптимизацией нейтронного выхода и обеспечением совместимости материалов при создании и эксплуатации вольфрамовых мишеней. Сделан вывод о том, что выход нейтронов из реальной урановой мишени на основе силицидов урана увеличится в 1.35-1.4 раза по сравнению с вольфрамовой мишенью. Поэтому, из-за сравнительно небольшого возрастания эффективности мишень на основе природного урана можно рассматривать как этап на пути к созданию размножающей мишени.
Практическая ценность работы состоит в использовании полученных результатов при разработке различных вариантов нейтронных мишеней и созданием комплекса нейтронных источников Московской мезонной фабрики в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИЯИ РАН по теме: "Разработка, создание и пуск в опытную эксплуатацию импульсного источника нейтронов для физических исследований".
Апробация работы.
Полученные в диссертации результаты докладывались на научных семинарах ИЛИ РАН, ЛНФ ОИЯИ, НЦ Курчатовский институт, Всесоюзных и Международных конференциях: International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS)-ll, KEK, Jap, 1990; ICANS-12, RAL, UK, 1993; ICANS - 13, PSI, Switzerland, 1995; Intern. Conf. Nuclear Data for Science and Tecluiology, 13-17 May 1991; Intern. Conference on Neutron Scattering in the Nineties, 14-18 January 1985 и др.
По теме диссертации автором опубликовано в соавторстве - 24 работы, в том числе 5 статей, 9 докладов в трудах Международных конференций и рабочих совещаний, 6 препринтов, получено 5 авторских свидетельств об изобретениях. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации.
