Разработка и создание комплекса для исследования мюонного катализа ядерных реакций синтеза в плотных смесях изотопов водорода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЯВЛЕНИЕ МЮОННОГО КАТАЛИЗА И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ

ДЛЯ ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ЯВЛЕНИЕ МЮОННОГО КАТАЛИЗА (МК)

1.2. МЕХАНИЗМ РЕЗОНАНСНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МЕЗОМОЛЕКУЛ

1.3. СИСТЕМЫ ГАЗОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И МИШЕНИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ МК В ТРИТИЙСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЯХ

1.3.1. Объединённый институт ядерных исследований

1.3.2. Лос Аламосская мезонная фабрика (Los Alamos Meson Physics Facility, 29 LAMPF)

1.3.3. Швейцарский институт ядерных исследований им. Пауля Шеррера (Paul 32 Scherrer Institute, PSI)

1.3.4. Санкт-Петербургский институт ядерной физики, ПИЯФ

1.3.5. Группа Нагамине

1.4. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА ПОДГОТОВКИ 44 ГАЗОВОЙ СМЕСИ (КПГС)

2.1. КОНСТРУКТИВНОЕ ПОСТРОЕНИЕ КПГС

2.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И РАБОТА КПГС

2.2.1. Источники давления

2.2.2. Очистка рабочей смеси от примесей

2.2.3. Подготовка смеси и подача ее в мишень

2.2.4. Анализ молекулярного состава смеси

2.2.5. Утилизация смеси

2.2.6. Вакуумная система

2.2.7. Электрообеспечение и контроль параметров комплекса

2.2.8. Система автоматизированного контроля и управления КПГС

2.2.9. Вентиляционная система

2.2.10. Радиационная безопасность

2.3. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ МИШЕНЕЙ ВЫСОКОГО

ДАВЛЕНИЯ

3.1. РАЗРАБОТКА ТРИТИЕВОЙ МИШЕНИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

3.1.1. Ампула

3.1.2. Ресурсные испытания

3.1.3. Оценка прочностной надёжности

3.1.4. Экспериментальные исследования эффективности вакуумируемого 87 водородного барьера

3.1.5. Система охлаждения

3.1.6. Система нагрева

3.1.7. Система радиационной безопасности

3.1.8. Система контроля эксплуатационных параметров мишени

3.2. РАЗРАБОТКА ДЕЙТЕРИЕВОЙ МИШЕНИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ДМВД)

3.2.1. Конструкция ДМВД

3.2.2. Система газового обеспечения

3.2.3. Система охлаждения

3.2.4. Система нагрева

3.2.5. Система контроля и управления

3.2.6. Функционирование ДМВД

3.2.7. Результаты эксплуатации

3.3. РАЗРАБОТКА ТРИТИЕВОЙ МИШЕНИ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

3.4. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА НА 111 СЛУЖЕБНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (КМ)

4.1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОРОДНОЙ СТОЙКОСТИ КМ

4.2. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ДЛЯ УСКОРЕННОГО 121 НАКОПЛЕНИЯ 3Не в КМ

4.2.1. Расчетно-экспериментальное обоснование методики ускоренного накопления 121 3Не в КМ

4.2.2. Насыщение образцов КМ 3Не

4.2.3. Разработка и создание оборудования и методики анализа содержания 3Не в 126 КМ

4.2.4. Детритизация образцов

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ КМ ИЗОТОПАМИ ВОДОРОДА (ИВ) 131 4.4. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 143 ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ГИДРИДА ВАНАДИЯ

5.1. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ 144 ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1.1. Материалы

5.1.2. Используемые установки и оборудование

5.1.3. Методика проведения экспериментов

5.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РАВНОВЕСНЫХ ДАВЛЕНИЙ

• ДЕСОРБЦИИ ПРОТИЯ И ДЕЙТЕРИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

5.3. ТЕРМОДЕСОРБЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИВ НА ОСНОВЕ ГИДРИДА 159 ВАНАДИЯ

5.4. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЯ МК В ПЛОТНЫХ СМЕСЯХ ИВ

6.1. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

6.1.1. Экспериментальный метод

6.1.2. Схема эксперимента

6.1.3. Процедура проведения экспериментов

6.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МК В ПЛОТНЫХ СМЕСЯХ ИВ 169 ^ 6.2.1. Результаты исследований МК в двойной D/T смеси

6.2.2. Результаты исследований МК в тройных H/D/T смесях

6.2.3. Результаты исследований МК в дейтерии при температурах выше 400К

6.3. ВЫВОДЫ

Ф

Мюоны были впервые обнаружены в космических лучах в 1936-37г.г. К. Андерсоном и С. Недцермейер. Теоретически мюонный катализ ядерных реакций синтеза (МК) был предсказан Чарльзом Франком более 55 лет тому назад в 1947 году [1], после открытия Ч. Латтесом, Дж. Оккиалини и С. Пауэллом в 1947г. я-мезона и его распада на мюон и нейтрино: я±->ц± + Франк рассматривал реакцию синтез ядер водорода и дейтерия для их естественной концентрации в природе (0.015% дейтерия в водороде). Он предсказал перехват мюона более тяжелым изотопом, образование мюонных молекул и изотопный обмен мюоном между протаем и дейтерием в цепочке МК: ц* -» рц -» ёц -» рёц -» 3Не + ц' + 5.4МэВ. Год спустя в 1948г. А.Д. Сахаров показал, что после образования <1с!ц-молекулы мгновенно происходит ядерная реакция, ■0 и предложил использовать МК для производства энергии и нейтронов [2]. В 1954г. Я.Б.

Зельдович [3] впервые оценил скорость ядерной реакции в сИц-молекуле, которая оказалась на много порядков величины выше, чем скорость распада мюона. И только в 1956г. Л. Альварес [4], обрабатывая картинку, полученную на большой жидкодейтериевой пузырьковой камере в эксперименте с пучками К-мезонов с большой примесью мюонов, неожиданно увидел несколько событий МК в цепочке реакций ц" -» рц-> с!ц-> рс1ц-> 3Не + Это открытие вызвало большой энтузиазм среди физиков. Работы по исследованию процессов МК были развёрнуты по всему миру: в США (Ь. Ьеёегшап, .Ш.Ре1к(тс11, Д.Н.Боеёе и др.), в Великобритании (АвЬтоге и др.), в России (группа В.П. Джелепова). Однако первые экспериментальные результаты, полученные Д.Г. Фетковичем [5] и Д.Х. Додом [6], показали, что скорость образования <1<1ц-молекулы очень мала (7-10 с"), а, соответственно, цепочки МК очень коротки. Этот результат значительно уменьшил интерес к изучаемому явлению тех физиков, которые хотели получить от МК мгновенное прикладное использование для получения "чистой ядерной" энергии.

Следующие пять лет (1962-67г.г.) работы в этой области продолжали лишь две группы: в Дубне группа В.П.Джелепова и Болонье (Италия) группа Э. Заваттини. И именно в это время в экспериментах с газовыми мишенями высокого давления в Дубне было открыто новое явление - явление резонансного образования молекулы <Иц [7]. Оказалось, что скорость образования сИц -молекул зависит от температуры, в частности, при температуре 380К она на порядок величины больше, чем в жидком i дейтерии. Было трудно понять, каким образом ядерные процессы могут зависеть от такого макроскопического параметра, как температура. Ведь в масштабе энергий изменение температуры на такую величину приводит к пренебрежительно малым (~0.03 эВ) изменениям кинетической энергии ф-атома, в то время, как полная энергия связанного состояния d^-атома равна 2500 эВ, а dd^-молекулы 325 эВ.

Объяснение этому явлению было предложено Е.А. Весманом [8], работавшим в это время в Дубне под руководством С.С. Герштейна. Основная идея заключалась в том, что нейтральный d^-атом проникает в молекулу дейтерия и прилипает к одному из её ядер, образуя новый мезомолекулярный комплекс согласно реакции d^+D2->[(dd|a)d2e]v, энергия связи которого равна сумме энергии связи dd^-молекулы il ¡fi dp ddp dp Sw и кинетической энергии налетающего dp.-атом a So : ДЕ= S 11 + £o . За счёт энергии налетающего día-атома, которая зависит от температуры как s=3/2kT и происходит резонансная подстройка условий резонанса при образовании ddfi-молекулы. Весман показал, что энергия связи ddn-молекулы должна быть порядка 2эВ. Позже Л.И.Пономарев и его коллеги провели теоретические расчеты трехчастичной системы с кулоновским взаимодействием [9], в которых они впервые получили энергию ddp слабо связанного состояния ddp - молекулы, равную £\\ =1.96эВ. Это позволило с хорошей точностью описать экспериментальные данные, полученные группой В.П. Джелепова [7]. Окрыленные этим успехом, в 1977г. они оценили энергию слабо связанного возбужденного состояния dtp-молекулы, которая оказалась равной всего лишь О.бЗэВ. Расчеты также показали, что количество циклов МК в смеси дейтерия и трития, инициируемое одним мюоном, равно ~100. Для проверки этого результата в Дубне всего за год была создана методика и оборудование для проведения экспериментов в дейтерий-тритиевых смесях, и уже в 1978г. была измерена скорость образования dtfi - молекулы ^ц « Ю8 с*1 [10], которая оказалась в полном соответствии с предсказаниями теоретиков. Кроме того, в этой работе были измерены такие важные параметры цикла МК как: скорость изотопного обмена (d^+t->t^+d) - Я-dt =(2.9±0.4)-108 с'1 и коэффициент прилипания мюона к 4Не - oos~0.6%.

Появление этих результатов вызвало новую волну экспериментальных и теоретических исследований процессов МК практически на всех установках, способных получать мезоны: LAMPF (США), PSI (Швейцария), ПИЯФ (Россия), КЕК (Япония), TRIUMF (Канада), RAL (Великобритания) и ряде других. В 1982г были начаты эксперименты в JIoc - Аламоской Национальной Лаборатории с дейтерий - тритиевыми мишенями высокого давления, в которых были получены рекордные выходы нейтронов (150±20) на один мюон [11]. В PSI (Виллиген, Швейцария) с участием IMEP (Вена), LLNL (Ливермор) и LBL (Беркли) проводились исследования МК в жидких дейтерий -тритиевых смесях [12, 13]. В Гатчине группой A.A. Воробьева в 1983г. была создана оригинальная ионизационная камера высокого давления (~10МПа), на которой впоследствии были выполнены прецизионные измерения параметров МК [14]. Однако эти результаты давались не лёгкой ценой. Созданные установки были направлены на получения "быстрого" результата и не отвечали в полной степени все возрастающим требованиям радиационной безопасности. Позже об условиях радиационной безопасности работ на этих установках говорилось: ". не наблюдалось значительного облучения персонала тритием" [15]. Полученные результаты не позволяли использовать МК для прямого получения энергии (для положительного энергетического выхода необходимо не менее 300 актов синтеза на один мюон). Это сказалось и на проведении дальнейших исследований МК и к концу 80-х их интенсивность снова значительно уменьшилась.

Тем не менее, эти результаты уже давали возможность практического использования МК в мюонно каталитическом гибридном реакторе (МКГР) [16, 17] и интенсивном источнике монохроматичных нейтронов с энергией 14 МэВ (МК ИИН) [18].

К сожалению, работы в ОИЯИ в это время были приостановлены до 1985г. из-за остановки фазотрона на реконструкцию. После запуска фазотрона ЛЯП ОИЯИ понадобилось ещё два года, чтобы создать оборудование, разработать методику и провести измерения процессов МК в дейтерии и смесях протия — дейтерия при давлениях до 150МПа и диапазоне температур 20-300К [19-22]. Эксперименты с тритием не проводились из-за отсутствия надёжного оборудования, позволяющего работать с тритием в условиях, специально не приспособленных для таких работ.

В 1992г. была выполнена теоретическая работа [23], предсказывающая новые особенности МК в тройной смеси. Оказалось, что скорость резонансного образования dtp. - молекулы в тройной H/D/T смеси в несколько раз выше, чем в бинарной D/T смеси.

Для подтверждения этих теоретических предсказаний и нахождения оптимальных условий протекания МК в смеси H/D/T, потребовалось проведение систематических исследований процессов МК в широком факторном пространстве температур, давлений и концентраций ИВ в исследуемых смесях.

Полученные, результаты исследований МК могут быть использованы и широко используются в таких областях фундаментальных исследований как: атомная физика, молекулярная физика, ядерная физика, физика слабых взаимодействий и квантовая электродинамика. Основной проблемой, без решения которой невозможно было осуществить эти работы, была проблема создания радиационно-безопасного оборудования для работ с тритием в низкофоновой лаборатории фазотрона ЛЯП ОИЯИ, решение которой является актуальной задачей, имеющей важное научное значение.

В связи с вышеизложенным, основной целью диссертационной работы является создание радиационно-безопасного оборудования для работ с тритием, при проведении систематических экспериментальных исследований процессов МК в широком диапазоне концентраций смесей ИВ с плотностью 0.2 < р < 1.4, в диапазоне температур 20-800К.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• разработка методов и аппаратуры получения высокого давления ИВ, включая тритий, при обеспечении чистоты газа на уровне не менее долей по примесям с и радиационной безопасности;

• создание методики подготовки смеси заданного изотопного и молекулярного состава и аппаратуры для ее анализа;

• создание конструкций мишеней, обеспечивающих, с одной стороны, минимальное экранирование ц-пучка и продуктов ядерных реакций, а с другой - радиационную безопасность и высокую надежность;

• выбор конструкционных материалов, удовлетворяющих требованиям высокой стойкости к воздействию ИВ, включая тритий, обладающих хорошей технологичностью, свариваемостью и низкими параметрами водородопроницаемости;

• создание методик и оборудования для проведения исследований влияния трития на эксплуатационные характеристики конструкционных материалов;

• выбор защитных покрытий для предотвращения диффузионных утечек трития в окружающую среду;

• разработка системы контроля и управления установкой и ее элементами;

• создания системы радиационного мониторинга в газовых коммуникациях технологического оборудования и рабочей зоне.

Достижение поставленных целей осуществлялось с использованием следующих методических и технологических приемов:

• использование металлогидридных систем для хранения, транспортирования, получения давления и утилизации ИВ;

• использование металлогидридных систем и диффузионных палладиевых фильтров для очистки смесей ИВ и получения молекулярного равновесного состояния;

• применение радиохроматографической методики для анализа молекулярного и изотопного состава смесей ИВ;

• использование водродостойких КМ;

• использование имеющейся и создание новой экспериментальной базы РФЯЦ-ВНИИЭФ для проведения: исследований по выбору КМ, исследования систем "металл - ИВ" при высоких давлениях, ускоренной наработки 3Не в матрице КМ и определения его объемного содержания, прочностной и функциональной отработки элементов комплекса, ресурсных испытаний;

• применение современного программного обеспечения и использование современной элементной базы для создания систем контроля и управления комплексом.

Научная новизна работы

1. Разработан и создан радиационно-безопасный комплекс подготовки газовой смеси для обеспечения экспериментов по МК, позволяющий проводить работы с тритием в количествах до 10 кКи в условиях открытых лабораторий, обеспечивающий подготовку смеси заданного изотопного состава, анализ молекулярного и изотопного состава смеси, очистку смеси до уровня не хуже 10"7 об. долей по примесям с Z > 4, подачу её в мишень и утилизацию после завершения работ.

2. Впервые в сосудах высокого давления, применяемых для работы с тритийсодержащими газами высокого давления, применена конструкция в виде автофритированного сосуда с двойным рубежом защиты от несанкционированного проникновения трития в атмосферу. Новизна технических решений, заложенных в конструкцию, подтверждена Патентом РФ.

3. В мишенях для исследования процессов МК применена система сжижения ИВ прокачкой охладителя (жидкого ' водорода) через полость между наружным и внутренним корпусом автоскрепленного сосуда. Новизна технических решений подтверждена Патентом РФ.

4. Для получения высокой плотности ИВ при исследованиях процессов МК применен метод накопления жидких ИВ в ампуле под высоким давлением, получаемым от ванадиевого генератора. Новизна технических решений подтверждена Патентом РФ.

5. Получены новые результаты по длительной прочности сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений при воздействии водорода высокого давления до 150МПа в диапазоне температур до 700°С.

6. Впервые получены параметры водородопроницаемости как сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений, так и сплава с защитным покрытием из нитрида титана в диапазоне температур до 800°С. Найдено, что при температуре 400-500°С для покрытия из нитрида титана существует излом кривой проницаемости, связанный, по-видимому, с изменением механизма транспорта водорода через это покрытие.

7. Для исследовании влияния трития на служебные свойства КМ, применяемых для работы с высоким давлением трития, разработаны новые методики и оборудование, позволяющие проводить ускоренное накопления и определение объемного содержания радиогенного гелия в матрице КМ.

8. Впервые для систем "ванадий - ИВ" получена диаграмма состояния в координатах давление — температура - концентрация (Р-Т-С) в диапазоне давлений до 500МПа.

9. Впервые получены зависимость параметров цикла МК в тройной H/D/T смеси ИВ в диапазоне температур 20-800К и плотностей до 0.9 от плотности жидкого водорода и широком диапазоне изменений концентрации ИВ в смеси.

10. Получены новые значения параметров цикла МК в двойной D/T смеси в диапазоне температур 20-800К и плотностей до 1.3 от плотности жидкого водорода и широком диапазоне изменений концентрации ИВ в смеси.

11. Впервые получены экспериментальные значения параметров цикла МК для дейтерия в диапазоне температур 400-800К при высоких плотностях дейтерия.

12. Результаты, полученные в данной работе, позволили создать новое направление -разработка систем для проведения радиационно-безопасных работ с тритийсодержащими веществами при выполнении исследований в области фундаментальной и прикладной физики.

Практическая ценность работы

1. Разработано и создано оборудование для проведения исследований мюонного катализа ядерных реакций синтеза в смесях ИВ, на котором проведены и продолжают проводиться систематические экспериментальные исследования процессов МК в смесях ИВ в широком диапазоне плотностей, температур и концентраций ИВ.

2. Разработаны и созданы источники давления ИВ на основе металлогидридов, которые в настоящее время применяются в исследованиях: процессов МК (ЛЯП ОИЯИ); нейтронно-избыточных систем на границе нейтронной стабильности (ЛЯР ОИЯИ); систем "металлогидрид - ИВ", воздействия трития на физико-механические свойства КМ, в измерениях уравнения состояния дейтерия в области мегабарных давлений (РФЯЦ-ВНИИЭФ) и в ряде других экспериментальных работ.

3. Разработан и создан радиохроматограф для определения молекулярного и изотопного состава смеси ИВ при исследованиях процессов МК и при проведении ряда работ по тематике РФЯЦ-ВНИИЭФ.

4. Разработано, создано и прошло метрологическую аттестацию отраслевой лабораторией измерительной техники дозиметрическое оборудование для определения объемной активности трития в газовых средах.

5. Разработанная система контроля и управления комплексом широко используется при проведении различных экспериментальных исследований в ЛЯП и ЛЯР ОИЯИ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, СПбГУТ и ряде других организаций.

6. Результаты исследований параметров МК, полученные в настоящей работе, используются в атомной физике, ядерной физике, физике слабых взаимодействий и квантовой электродинамике, а также при расчете конструктивной схемы интенсивного источника нейтронов на базе мюонного катализа.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Разработка и создание комплекса оборудования, включающего в себя: комплекс подготовки газовой смеси, семейство тритиевых и дейтериевых мишеней высокого давления и источники изотопов водорода высокого давления на базе дигидридной фазы ванадия для проведения исследований процессов МК в смесях ИВ.

2. Результаты исследований физико-механических свойств сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений в условиях длительного воздействия водорода высокого давления в диапазоне температур 300-1000К и параметров водородопроницаемости, как для данного сплава и его сварных соединений, так и для сплава с защитным покрытием из нитрида титана.

3. Разработка метода и оборудования для проведения ускоренного накопления радиогенного гелия и определения его объёмного содержания в матрице КМ.

4. Диаграмма состояния систем "ванадий - ИВ" в координатах давление — температура - концентрация (Р-Т-С) в диапазоне давлений до 500МПа.

5. Результаты экспериментов по измерению параметров МК в смесях ИВ при высоких плотностях и различных концентрациях.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и включает в себя 193 страницы, 101 рисунок, 11 таблиц и 171 наименование цитируемой литературы.

4.4. ВЫВОДЫ

Получены новые экспериментальные значения длительной (на базе 80 часов) прочности сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений при воздействии водорода высокого давления до 150МПа в диапазоне температур 20 - 600°С. Результаты испытаний показывают, что длительная выдержка в среде водорода при 20°С оказывает небольшое влияние на прочностные характеристики сплава ХН40МДТЮ-ИД (уменьшение величины ав составляет ~6%) и существенно большее влияние на характеристики пластичности (5, у). С повышением температуры испытаний степень снижения временного сопротивления под воздействием водорода возрастает до ~ 19% (при 600°С), а величина условного предела текучести в этих же условиях испытаний оказывается практически нечувствительной к водородному воздействию. Температурная зависимость характеристик пластичности сплава ХН40МДТЮ-ИД в среде водорода имеет минимум при температуре 300°С, при этом во всем исследованном диапазоне температур величины относительного удлинения 8 и относительного сужения ц/ более чувствительны к воздействию водорода, чем ств и сто,2.

Впервые получены параметры ВП как сплава ХН40МДТЮ-ИД и его сварных соединений, так и сплава с защитным покрытием из нитрида титана в диапазоне температур до 700°С. Найдено, что при температуре 400-500°С для покрытия из нитрида титана существует излом кривой проницаемости, связанный с изменением механизма транспорта водорода через это покрытие. Применение защитного покрытия из нитрида титана позволяет снизить проницаемость водорода через сплав ХН40МДТЮ - ИД в ~ 3 -10 раз в зависимости от температуры, при этом остается открытым вопрос о длительной стойкости этого покрытия.

Для проведения исследований влияния трития на свойства конструкционных материалов, работающих в условиях воздействия высокого давления трития, разработано и создано оборудование, позволяющее (используя метод "тритиевого" трюка) проводить ускоренное накопления радиогенного гелия в матрице конструкционных материалов. Коэффициент ускорения зависит от условий эксплуатации оборудования и составляет величину от 10 до 100 раз. При этом температура выдержки исследуемых образцов в среде трития не превышает 550°С, а давление 50МПа. Проведены постановочные эксперименты, показывающие надёжность работы оборудования при этих параметрах в течение 1400 часов.

Разработанная методика детритизации образцов методом изотопного разбавления, позволяет удалить тритий из образцов до уровня достаточного для проведения работ с этими образцами в условиях неспециализированных лабораторий.

Создано оборудование и методика анализа объемного содержания радиогенного гелия и остаточного трития в матрице КМ.

ГЛАВА 5.

СОЗДАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ГИДРИДА ВАНАДИЯ

На начальной стадии работ по созданию КПГС [68] встал вопрос о применимости имеющихся во ВНИИЭФ компримирующих устройств для создания высокого (>100МПа) давления ИВ. Поскольку одним из основных требований, предъявляемых к ИВ, является содержание в них примесей с Z>4 на уровне 10"7 об. долей, то стало ясной бесперспективность применения механических компримирующих устройств. В связи с этим было предложено использовать источники высокого давления на базе гидрида ванадия [75]. Выбор гидрида ванадия основывался на сочетании высокой удельной ёмкости дигидридных фаз ванадия и сравнительно низких температур, требующихся для получения высоких давлений. Кроме того, известно [125], что даже при высоких температурах десорбции ИВ из металлогидридных источников, содержание примесей в десорбируемых ИВ находится на уровне 10"5 об. долей. Поскольку получение высоких давлений в ванадиевых источниках ожидались при относительно низких температурах, а заполнение источников предполагалось проводить диффузионно-чистыми ИВ после высоковакуумной активации ванадия и его многократной тренировки в среде диффузионно-чистых ИВ, то ожидалось, что содержание примесей с Z>4 в десорбируемых из источника ИВ будет не ниже 10'7 об. долей. Кстати, это было подтверждено впоследствии в экспериментах по исследованию процессов МК при прямом компримировании ИВ в мишени от источников ИВ. Последним крупным преимуществом использования гидрида ванадия в качестве источника ИВ была возможность создания малогабаритной, радиационно-безопасной конструкции, по типу предложенной в работе [77].

Однако, к началу работ по созданию КПГС имеющихся в литературе данных о давлениях, создаваемых при нагревании гидрида ванадия, и о зависимости этого давления от температуры оказалось недостаточно для разработки источников ИВ высокого давления. Все известные данные о равновесных давлениях десорбции изотопов водорода над гидридом ванадия были получены в диапазоне давлений до ~ 90 МПа [126-132]. Другим неясным из литературных данных моментом является величина изотопного эффекта при термическом разложении гидрида ванадия. Всё это требовало проведения исследований системы "ванадий - ИВ" в широком диапазоне давлений, и особенно - при давлениях более 90МПа.

Для этих целей было создано две установки с рабочими давлениями до 20МПа и 500МПа, на которых были проведены работы по выяснению режимов активации ванадия, режимов его насыщения ИВ до дигидридной фазы и измерению равновесных давлений сорбции и десорбции в широком диапазоне давлений и температур. Подробно с результатами этих работ можно познакомиться в наших работах [133-136]. В настоящей главе дано описание оборудования и методики проведения эксперимента по измерению равновесных давлений десорбции ИВ из соответствующих дигидридных фаз и результаты этих работ.

5.1. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1.1. Материалы

В работе использовался электролитический ванадий марки ВЭЛ-2, производства АО "Уралредмет", партии №№ 48, 77 и 135 1985 года выпуска по ТУ48-4-335-75 и партия № 22 1996 года выпуска по ТУ48-4-335-86. Выбор для использования в исследованиях этой марки ванадия был обусловлен тем, что, по нашим сведениям, ванадий марки ВЭЛ-2 является самым чистым из выпускаемых в России в промышленных масштабах марок ванадия. Содержание контролируемых примесей в ванадии ВЭЛ-2 согласно ТУ приведено в табл. 5.1. [137, 138].

1. Схема источника А1906-Р65 представлена на рис. 5.11а, общий вид на рис. 5.116

2. Корпус источника выполнен из сплава ХН40МДТЮ-ВД.

3. Рис. 5.11. Источник А1906-Р65: а) принципиальная схема источника, б) общий вид. 1 корпус; 2 - ампула; 3 - сорбент; 4- - крышка; 5 - датчик давления; 6 - вентиль высокого давления. 7- электронагреватель; 8 - термопара

4. В качестве примера работы источника на рис.5.12. показана динамика выделения газа в ёмкость объёмом ~ 0,5 л.время, с

5. Рис.5.12. Динамика выделения газа из источника А1906-Р65.

6. Максимальная температура нагрева источника для случая, представленного на рис.5.12. составляла ~ 420 К.

7. Используемые в установке А1905-П360 источники имеют рабочее давление до 500МПа и содержат по « 42 литра газа. Приблизительно 60% этого газа можно выделить при давлении в несколько тысяч атмосфер.

8. Проведённые измерения расширили область измеренных равновесных давлений десорбции по сравнению с литературными данными на ~ 2 порядка для протия и на ~ 1,5 порядка для дейтерия.

9. ИССЛЕДОВАНИЯ МК В ПЛОТНЫХ СМЕСЯХ ИВ

10. Со времени предсказания резонансного образования dtji-молекул 8. экспериментальное изучение МК-цикла в газовой, жидкой и твердой D/T смеси было предпринято в ОИЯИ, LAMPF, ПИЯФ, PSI, КЕК, RAL, TRIUMF (см. главу 1).

11. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 6.1.1. Экспериментальный метод

12. Практически во всех предыдущих экспериментах измерялось временное распределение всех зарегистрированных нейтронов синтеза

13. Для настоящего эксперимента разработаны и использованы два новых метода анализа данных, предложенные впервые в ЛЯП ОИЯИ, которые позволяют непосредственно измерить величины и при большой плотности НЮ/Т смеси и высокой концентрации трития.

14. Распределение (ШПе(т)/(1т представляет собой сумму двух экспонент с существенно различными наклонамисШпе(т уйт =Хо(кс А.п>\у-ехр(-А.0т) + еп-(1-\у)-ехр(-(?ц)+Хп)т)., (6.2)где ХП=(8П+Ш-8П т^е-^ (6.3)

15. Первая, медленная экспонента соответствует событиям с прилипанием мюона, а вторая, быстрая событиям без прилипания. Отношение амплитуд этих экспонент А5/Аг= XV /еп (1-\у) определяет величину w, а из показателя быстрой экспоненты извлекается величина Хс.

16. N(k)= N f(k) + (l-w/6„)m g(k,m)., (6.4)где N нормировочный множитель, а функции g(k,m) и f(k) имеют вид:g(k,m) = 1/(2лст2)1/2 ■ exp-(k-m)2/2a2., ст2 ~ ш, (6.5)f(k) = l-y(l-w). • [y(l-w)]k-', у = 6nV^n = (1+w/en-w)"1, (6.6)

17. Успешное исследование процессов МК в смесях изотопов водорода с высокой концентрацией трития стало возможным благодаря тому, что была создана новая экспериментальная установка ТРИТОН, основными элементами которой являются:в