Спектральные характеристики нейтронного поля в реперных экспериментах на моделях бланкетов ТЯР тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

<§" : - МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

'Ч

; ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ .• (технический университет) .

На правах рукописи

■ . БЕЛЕВИШ Александр Геннадьевич -

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЙТРОННОГО ПОЛЯ В . РЕПЕРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА МОДЕЛЯХ БЛАНКЕТОВ ТЯР

01,04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов; автоматизация .физических исследований

Автореферат диссертации '• . ; на соискание учений степени '.•'•. " кандидата физико-математических наук

Москва 1995

л

- 2 - ' . ■■' ■

... , - 1

Работа выполнена в Московском государственно« инженерно-фиви""-' ческом институте (техническом университете)

Научный руководитель-, доктор физико-математических неук,

старший научный сотрудник В.Л.Рсмоданов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор . . . В.С.Троямн

кандидат' технических наук, ' ' старший научный сотрудник О.Л.Щмпакин ,

. ' ■ ' о.

Ведущая организация; . Российский Научный Дечтр "Курчатовский ^ институт" ,; у4 ' ' . ■

Затата диссертации состоится "22" май 1995г. в "А5 ". часов ".<?." ¥кнут на заседанки ляссертанкочшго 'Оозета.КрбЗ.03.05 в мШ (по адресу 115409, Кашярское шоссе, д. 31,' тел., 824-84-98 и 323-91-67) "■". -в ■ .

Автореферат разослан "_" ' • ' ■ ■ • 1995 г,.'- ;

Просим принять участке в работе Совета или.' прислать отзыв в одном эедемшгаре,' заверенный печатью организации:

Ученый секретарь диссертациояного ' • А.Н. Гудков

Повета, лориг", к.т.н./, ../ ,

■ Подписано к печатиЯаказ^З^ ' . -Тира*. А[ типография.ШФИ,.. Канарское,шоссе, л. - V;-./

. . ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. ■ Экономический прогрес-с в любой про. мьшиенно развитой стране неразрывно связан с ростом потребления электроэнергии. Этот рост не может базироваться только на органических источниках из-за постоянного их истощения и поэтому необходим поиск альтернативных'источников энергии. Наиболее перспективными среди них признаны ядерная энергетика и Термоядерная энергетика.на базе 0-Т синтеза. Одной из важнейших проблем, возникающих при создания энергетических термоядерных-реакторов, является проектирование бланкетов, где утилизируется энергия синтеза и происходит воспроизводство трития. Ее решение связано с созданием' расчетных программ и библиотек оцененных.ядерных данных, позволяющих с заданной . точностью предсказывать" нейтрон-но-физические.параметры бланкетов. Так как.в настоящее время отсутствуют действующие термоядерные . установки,- то . единственной возможностью верификации таких программ являются эксперименты на моделях бланкетов.с'генераторами 0-Т нейтронов. Исследования по уточнению, ядерных, констант, проводимые обычно на однородных-сборках в условиях простой геометрии, можно'считать" практически завершенными. Однако существует недостаток экспериментальных результатов, полученных в сложных многокомпонентных системах.

На основе выше сказанного целью диссертационной работы являлось разработка и создание методической, аппаратурной и программной основ измерения абсолютных нормированных функционалов-нейтронного поля в моделях бланкетов сложного строения и измерение на этой базе спектральных характеристик, нейтронного поля в моделях бланкетов с различными размножителями нейтронов с погрешностями, удовлетворяющими условиям верификации расчетных

'-. - Г 4 - • V.' .'/у

программ. "•.'.'"-'

В райках поставленной цеди бьш решены следующие. задачи.

1. Сконструирован и введен в эксплуатацию нейтронный генератор, на основе В-Т реакции, имеющий систему абсолютного счета нейтро- -нов иод управлением ЭВМ. "-'^Ч "'-"' ' " ■

2. Создана многоканальная спектрометрическая система для изме-, рения наведенной активности детекторов, . обеспеченная комплексом" аналитических программ. ' ■.' - ■ .

3. Проведен выбор пороговых реакций и изготовлен набор актива-ционных детекторов.; ; ; . '■■"-.'■ у.V- У. У

4. Проведены аттестация измерительной аппаратуры и анализ : пор-;' . " решности измерения скоростей ядерных реакций. , ' .

5. Сконструированы и изготовлены графитовая сборка и 'модели . бланкетов ТЯР,со свинцовым и урановым размножителями нейтронов. .

6. В графитовой сборке и моделях бланкетов проведены- измерения , относительных и абсолютных нормированных скоростей,семи пороговых реакций, которые были использованы для верификации-трех рас-. , четных программ. ''.'.'г ..'ч-ч' Чч■ Ч.: ' -Ч

7. Разработана методика.восстановления спектра нейтронов по измеренным скоростям ядерных реакций, получены восстановленные .

О

спектры е экспериментальных установках, проведена оценка точности восстановления дифференциальных и интегральных спектров и определена область .их применимости. .

Научная новизна. ■. .. ..

1. Создано методическое, аппаратурное. и программное.обеспечение ' измерения абсолютных нормированных .скоростей ядерных реакций. в:, моделях бланкетов сложного строения, удовлетворяющее условиям верификации расчетных программ.' '... "•• '. Ч'чЧ.ч.Ч

2. Разработан ' способ,^задания априорного, спектра нейтронов.в программе его'.восстановления по результатам активационных . юме- , рений в экспериментальных сборках, облучаемых нейтронами.Б-Т'ре-, акции'и показана предпочтительность использования для.этих целей ■ .нормированных интегральных уравнений.. ■ : - ',,

3. Предложен'способ определения оптимального активационного на-'бора пороговых реакций.

4. Получены пространственные р'аспределения абсолютных нормированных скоростей пороговых реакций в следующих установках:

-в сплошной графитовой сборке, ' ■ в графитовой сборке, с полым каналом, •

- в модели бланкета ТЯР со свинцовым размножителем нейтронов,

- в модели.бланкета ТЯР с урановым размножителем нейтронов.

6. Показана возможность вычисления функционалов нейтронного по: ля с помощью восстановленных спектров нейтронов и с помощью эффективных параметров пороговых реакций.

Практическая ценность работы. -

1. Создан, нейтронный, генератор с системой абсолютного счета нейтронов, который может быть использован для проведения репер-ных экспериментов на моделях бланкетов.

2. Созданы методическая и аппаратурная основы измерения абсо-. лютных нормированных скоростей ядерных реакций с погрешностями,

удовлетворяющими условиям верификации,расчетных программ. - 3. Результаты реперных экспериментов,. полученные на графитовых сборках и сложных многокомпонентных моделях бланкетов ТЯР, использованы для верификации трех расчетных программ. '

4. Повышена информативность интегральных экспериментов на моде. лях бланкетов, облучаемых нейтронами-Б-Т реакции, путем получения трудноизмеримых функционалов нейтронного' поля с помощью ■спектров' нейтронов, восстановленных по измеренным скоростям. ■ ядерных реакций. '

Личный вклад автора состоит в следующем: : - участии в конструировании и наладке нейтронного генератора,

- разработке и создании методики и системы измерения абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций,

- создании комплекса обслурвающих и расчетных программ,

- конструировании.экспериментальных установок,

- проведении измерений скоростей пороговых реакций в графитовых сборках, концептуальных моделях бланкета ТЯР и анализе результатов экспериментов,

- разработке методики получения априорного спектра в программе восстановления спектра нейтронов и восстановлении спектров нейтронов по экспериментально измеренным скоростям ядерных реакций,

- доказательстве возможности использования'' восстановленных спектров для вычисления эффективных параметров реакций, функционалов нейтронного поля на примере пороговой ' реакции 1\л (п,п'оО4Не и формирования оптимального активационного набора детекторов. г ' < :

На защиту выносятся.

1. Методика измерения абсолютных нормированных;скоростей ядерных реакций в неоднородных моделях бданкетов ТЯР, удовлетворяющая условиям верификации расчетных программ, а также ее аппаратурное, программное и метрологическое обеспечение.

2. Результаты реперных экспериментов по измерению пространственных распределений относительных и абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций в сплошной графйтовой сборке, графитовой сборке с полым каналом и в моделях бданкетов ТЯР со свинцовым и урановым размножителями нейтронов.

3. Методика задания априорного.спектра нейтронов и использования для восстановления спектров нормированных скоростей ядерных реакций. ;..:

4. Рекомендации по использованию восстановленных спектров нейтронов для определения эффективных параметров пороговых реакций, функционалов нейтронного поля, интегральных потоков нейтронов V. выбора оптимального набора активационных детекторов. -

" Апробация работы. Основные положения работы докладывались к V (1987 г) Всесоюзном семинаре по физике реакторов, на IV (198? г) и V (1990 г) Всесоюзных конференциях по инженерным проблема термоядерных реакторов, V (1989 г) Всесоюзной конференции по за-

щите от ионизирующих излучений и на Международном симпозиуме по ядерной физике в Гаусике {1989 г), опубликованы в журнале "Атомная энергия", ВАНТ: серия "Термоядерный синтез", ПТЭ, в сборниках "Автоматизация научных исследований в экспериментальной физике" и "Нейгронно-энергетические проблемы термоядерных установок".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 17? страницах, включая 42 рисунка, 26 таблиц и список литературы на 10 страницах из 86 наименований.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ.

■ В диссертации проведен анализ репер.ных экспериментов с источником ЕЪТ нейтронов. ~ Показано, что в настоящее время практически отсутствуют эксперименты с инженерными вариантами бланкетов. Такие эксперименты имеют свою специфику. Из-за наличия не-однородностей в модели возникают, значительные градиенты плотности потока нейтронов. Поэтому для детального описания нейтронного поля необходимы большие объемы. экспериментальных результатов, полученных с высоким пространственным разрешением • и погрешностью, удовлетворяющей условиям верификации-расчетных программ. Кроме того, особенностью.экспериментов с моделями бланкетов является значительное ослабление- плотности потока нейтронов по толщине модели, что затрудняет проведение, измерений вдали от ис-: точника.' Постановка экспериментов усложняется также тем, что представляемые результаты.должны быть абсолютны, нормированы на нейтрон источника и содержать информацию, обеспечивающую их воспроизводимость и однозначную интерпретацию, а'также содержать подробный анализ источников погрешностей измерений. Поэтому для проведения реперных' экспериментов на моделях бланкетов слолкой структуры необходима разработка методического, аппаратурного,

программного и метрологического обеспечения. .

Разработано методическое обоснование измерения абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций на гетерогенных моделях' бланкетов, которое включает в себя:

- обоснование плоской геометрии эксперимента,■ которая сводит к минимуму влияние конструкционных материалов мишенного узла на спектр нейтронов. Э-Т реакции, что облегчает, интерпретацию результатов эксперимента при их сравнении с расчетом;

- обоснование активационного метода, который позволяет получать абсолютные скорости ядерных реакций, нормированных на: нейтрон источника, с помощью детекторов,; имеющих малые размеры и практически не возмущающих нейтронное поле; • '"'■- . - -;

- выбор спектрально чувствительного ; набора ядерных реакций с энергетическими порогам в диапазоне от ;1 до 14 МэВ, : в который входят И51п(п,п>), 204РЬ(п,п'), 64гл(п,р). 27А1(П,Р), 56Ре(п,р), 63Си(п,2п) и 642п(п,2п)), и выбор временного режима измерения активности облученных детекторов, , позволяющего в слу- _ чае необходимости исключить вклад мешающих реакций;

- построение математической модели измерения абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций на- кеифэнном генераторе с выходом нейтронов^ изменяющимся в процессе облучения детекторов;

- обоснование принципа построения системы абсолютного ■ счета нейтронов нейтронного.генератора;

- обоснование принципа построения многоканальной гамма-спектрометрической системы для измерения активностей детекторов, . облученных в моделях бланкетов. •

На базе аппаратуры в стандарте КАМАК и ЭВМ МЕ11А-60 и СМ-ЭРА была создана система измерения временной, зависимости выхода нейтронов нейтронного генератора, основанная на анализе амплитудных распределений альфа-частиц,'сопутствующих нейтронам в,реакции Т(0,п)4Не, которая совместно'с. многоканальной гамыа-спект-рометрической системой на базе амплитудного ,айаюзаяора КОК!А ЬР-4.900, обеспечивающего одновременный набор восьми .гамма-спектров, позволила реализовать систему измерения абсолютных скорос-

тей ядерных реакций, нормированных на нейтрон источника и ядро детектора, см. рисунок 1.

Создано программное обеспечение, которое включало файлы, со-Vдержащие ядерно-физические характеристики набора детекторов и . параметры измерительной аппаратуры,,и следующие программы: -.программа RAD для управления системой абсолютного счета нейтронов и вычисления флюенса альфа-частиц реакции T(D,n)4He в последовательные заданные промежутки времени облучения, длитель-. ность которых определяется периодом полураспада продуктов реакций;..;:--- 'V V

- программа LPW для передачи гамма-спектров облученных детекторов из анализатора LP-490Q в оперативную память ЭВМ см-ЭРА,

' - программа PR0C для определения площади пика полного поглощения гамма-квантов в спектрах,' измеряемых на многоканальной системе; ■ '-'

- программа INTABS для вычисления абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций по результатам мониторирования' выхода нейтронов по программе RAD и результатам.обработки гамма-спектров детекторов с использованием программы PR0C,

- программа INTRLT для вычисления относительных скоростей ядерных '.реакций ■ по.'результатам'измерения активностей одновременно облученных в моделях восьми детекторов одного типа.

"/ . На пакет программ 'получен акт • о внедрении 38ВН-88/К5 от 25.04.1988г в энергетическом институте им. Кржижановского. ; Проведено метрологическое обоснование реперных экспериментов на моделях бланкетов, включающее в себя следующий комплекс рас-четно-энкпериментальных исследований: - .. . '

. - калибровку системы абсолютного счета нейтронов с целью получения пёресчетного коэффициента,/, дающего связь- между выходом нейтронов в реакции T(D,n)4He и скоростью регистрации" сопутствующих- альфа-частиц; .

- определение доли просчетов при регистрации альфа-частиц и величины максимальной допустимой загрузки регистрирующей аппаратуры;''.''

- экспериментальное подтверждение точности определения абсолют-' ного выхода нейтронов нейтронного генератора; ' ' •.

- определение, относительной и абсолютной эффективности многоканальной гамма-спектрометрической системы при регистрации излуче-" ния облученных. детекторов ,й коэффициента самопоглощения гамма-квантов в материале активационных детекторов; .

- определение..влияния элементов конструкции мишенного узла на спектр нейтронов реакции Т(В,п)4Не и скорости ядерных реакций из. активационного набора; '".-'-. ..;."..':'

- анализ источников.погрешности определения-абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций; • . - Г. - ''

Пересчетный коэффициент определялся на основе эксперименталь-. но измеренной эффективности регистрации альфа-частиц радиометром , и расчетного коэффициента анизотропии их испускания в реакции Т(0,п)4Не. Предложен прямой способ определения эффективности радиометра с использованием аттестованного альфа-источника 239Рц. Проблемы, ■ связанные с низкой скорость».регистрации альфа-частиц при калибровке рабочего канала радиометра, решены введением дополнительного " калибровочного канала - с большей, эффективностью. . Эффективность рабочего канала радиометра определялась в отдель-. ном эксперименте . путем .'сравнения скоростей счета альфа-частиц рабочим и калибровочным каналами при-работе нейтронного генератора. С учетом коэффициента, анизотропии испускания альфа-частиц для пересчетного ко&ффйциента найдено значение(1.64±0.04)•107 нейтр. /альфа, что- обеспечивает':. определение ■ выхода нейтронов нейтронного генератора с погрешностью 2.? % в доверительном интервале 0.68. Предложенный способ повышает надежность калибровки, так как позволяет отказаться от измерения площади отверстия диафрагмы малого диаметра, форма которой шкет отличаться от. круга, й необходимости определения эффективности регистрации , альфа-частиц системой сцинтиллятор-фотоумноштель.".-/•-." , -/ Просчеты в системе абсолютного' счёта нейтронов при регистра- ■ ции альфа-частиц -практически ' устранялись введением, в -ее схему. одноканального счетчика импульсов с мертвым временем>1мкс,":- что.

- и -

-позволило при загрузках до 7-Ю10 нейтр./сек,.превышающем максимальный выход' нейтронов нейтронного генератора,. иметь просчеты менее 1.5 % от числа испускаемых из мишени нейтронов. •/•; Проведена экспериментальная" проверь точности. определения выхода нейтронов нейтронного генератора по.методике, разработанной во ВНИИФТРИ, пос; Менделееве),'.'путем переноса единицы флюенса : нейтронов от Государственного эталона плотности потока и флюенса , нейтронов с помощью ниобиевого детектора. Получено значение пересчетного коэффициента-:(1.65±0.03)-107 нейтр./альфа, что подтвердило ранее найденную величину. •

Проведена абсолютная калибровка одного из гаг.ма-спектромет-ров с помощью.аттестованного набора ОСГЙ и относительная каяиб-.' ровка восьми гамма-спектрометров путем сравнения скоростей счета в пиках полного поглощения при одновременном измерении..на них активностей восьми детекторов одного.-типа. "Выполнена оценка погрешности измерения абсолютных -нормированных скоростей ядерных . реакций, которая, с учетом .всех ее источников, составила 4-8 %, . что позволяет использовать экспериментальные ... скорости ядерных реакций как реперные при сравнении их с результатами расчета. ./'--:. Исследовано влияние.конструкционных материалов мишенного узла на спектр нейтронов реакции.Тф,п)4Не. Для этого были использованы спектры нейтронов, . рассчитанные с учетом и без учета ; конструкционных материалов.. Найдено, что взаимодействие'нейтро-. нов с элементаш конструкции приводит к .снижению их количества в направлении дейтонного пучка в области энергий 14.3-15.0 МэВ на "6 % и появлению рассеянных нейтронов меньшей энергиш. На осно-. ве расчета был определен вклад рассеянных нейтронов в скорости ядерных реакций из активационного набора. Показано, что он незначителен Для реакций с высоким, энергетическим порогом и увеличивается с уменьшением энергетических порогов реакций, достигая , ~33 7. для 1151п(п,п':). Поэтому учет элементов конструкции мииен-. ного узла необходим при расчетах спектра нейтронов и скоростей ядерных реакции в экспершентальных, установках особенно в низкоэнергетической области. : : .

Представлены эксперименты по измерению аксиальных распределений скоростей ядерных реакций в двух модификациях графитовой сборки: сплошной и имеющей полый аксиальный канал, см. рисунок 2. Они служили для проверки разработанной методики и алпаратур-но-программного комплекса. Эксперименты на сплошной : сборках, кроме этого, дают возможность проведения первоначальной стадии.' верификации вновь создаваемых программ,' так как для - однородных сред с известными свойствами расчет позволяет предсказать спектральные характеристики с достаточно большой степенью достоверности. Эксперимент на сборке с полым каналом имеет такие самостоятельное значение,, так. как дает возможность верификации программ, которые используются" для. расчету переноса нейтронов во '' внутренних пустотах бланкеговнапример, диагностических каналах, температурных и : технологических . "зазорах. 'Для получения спектральных характеристик'поля нейтронов в;области энергий ниже . 1 МэВ методом трековых твердотельных,детекторов были измерены скорости реакций деления на изотопах 235U, 232Th и 237Np.

Скорости ядерных реакций из активационного набора были также измерены в спектре нейтронов источника, рассчитанного ранее по программе BRAND. Вычислены скорости реакций» по различным .библиотекам . оцененных -нейтронных сечений и проведено их сравнение с экспериментом.. Для всех реакций, за исключением 64Zn(n,2n), -получено совпадение ' в пределах погрешности измерений. ,. Расчетная скорость указанной реакции,на -25 % превышала экспериментальную величину, что говорит о/необходимости уточнения ее сечения и было подтверждено работами других авторов. - '

Измеренные скорости ядерных реакций были использованы авто-.■ рами двух ■ расчетных программ GERA .и КАСКАД-1, созданных в Московском государственном инженерно-физическом.институте, на первоначальном этапе их верификации. Показано, что: - выбор , числа членов в, разложении' угловой зависимости индикат-^ -рисы рассеяния в ряд по полиномам Лежандра может' быть- проведен на основании сравнения расчетных и экспериментальных пространс-, твенных распределений скоростей ядерной реакции с-высоким, знер-

гетическим порогом; .

- четыре члена разложения индикатрисы рассеяния, адекватно описывают анизотропию рассеяния нейтронов источника программой GERA;

- скорости реакций, рассчитанные по программе GERA, и экспери-/ ментальные результаты согласуются.? пределах уЮ что позволяет рекомендовать программу для проведения вариантных расчетов ■однородных, бланкетов и сборок с внутренними.пустотами;

- мёвду' скоростями' реакций, рассчитанными по программе КАС-КАД-1,. и экспериментальными результатами наблюдается системати-

, ческое расхождение, увеличивающееся с уменьшением энергетическо-' го порога реакции, что. позволяет - предположить о неадекватном представлении программой спектров вторичных нейтронов.

Представлены реперные' ..интегральные эксперименты на двух мо- ■ >делях бланкетов .сложной, структуры, ' в состав которых входили ма-" ; териал -. первой стенки, зона размножения нейтронов из свинца или отвального урана, ,зона наработки трития из литийсодержащего ма-. териала с водородосодержащим' замедлителем нейтронов, . и элементы ' железоводной защиты.^ см. рисунок.3. Материальный состав моделей и их размеры соответствовали • "чистой" и гибридной концепциям бланкетов опытного ГЯР. с малой утечкой 'нейтронов из их объемов, . что необходимо для получения величины коэффициента воспроизводства трития, достаточной для самообеспечения ТЯР топливом.

.. В экспериментах измерены аксиальные и радиальные распределения относительных" и абсолютных сггаростей пороговых реакций из жгивацкокного набора и определены их погрешности, которые составили 2-5 % . для относительных измерений и 4-8 % - для абсолютных. Это позволяет использовать полученные результаты для верификации расчетных программ в области энергий 1-15 МэВ, где набор . ядерных реакций ..обладает спектральной . чувствительностью. Для 'примера'на рисунке 4 представлены распределения, полученные на иси модели с урановым размножителем нейтронов. ■ Результаты экспериментов апробировались при верификации расчетной программы BLANK, разработанной в Российском научном центре "Курчатовский институт". Получено совпадение расчетных и экс-

периментальных' скоростей ядерных реакций в. пределах 10 %, что отражает - величину погрешности эксперимента и статистику вероят- ; ностной модели расчета.' Результаты верификации подтверждают пригодность программы BLANK для нейтронно-физического расчета блан-кетов ОТ сложной структуры. ■ ";-;'

По результатам эксперимента на модели бланкета со свинцовым размножителем нейтронов была продолжена верификация расчетной V программы GERA. Получено совпадение расчетных и экспериментам)- ; ных скоростей ядерных-реакций в пределах. 30 X, что позволяет;,- . учитывая быстродействие программы, считать ее достаточно эффективной для вариантных расчетов при постановке интегральных экс-/ периментов на бланкетах сложной 'структуры.' -■

Из анализа совокупности пространственных распределений отношений расчетных, и экспериментальных. скоростей реакций можно . предположить, что программа GERA переоценивает поток нейтронов в свинце и неадекватно учитывает анизотропию рассеяния нейтронов высокой энергии." / ' . .V "•' ; .•

Исследовалась возможность повышения информативности интегральных экспериментов с источником D-T нейтронов'при использовании спектров нейтронов, в области энергий от 1 до 14 МэВ, восста- ■ ковленных по измеренным скоростям ядерных реакций. Создана программа восстановлений спектра нейтронов, основанная на алгоритме; -метода минимизации направленного расхождения и предложенной в\ работе методике построения априорного спектра нейтронов. Методика ■ основанна на экспериментально измеренных скоростях реакций. 115In(n,n'), 56Fe(ri,p), 63Cu(n,2ri), 64Zn(n,2n) и учитывает осо- ;' бенности спектра источника.нейтронов и замедляющие свойства вещества-формирователя, нейтронного поля в экспериментальной моде^ ли. В такой интерпретации получение априорного спектра нейтронов ' можнб рассматривать как первый.этап восстановительной процедуры.

Проведен расчет погрешностей восстановления спектра нейтро-. нов и получаемих из него интегральных характеристик нейтронного поля, который без учета экспериментальных погрешностей скоростей ядерны;/, реакций дал следующие оценки:

>40 % для дифференциального спектра нейтронов, .'. 41-5) % для интегрального спектра нейтронов в области энергий . 1-14 МэВ,

-13 % для. групповых потоков нейтронов с шириной группы -2 МэВ в области энергий 1-14 МэВ, •'.'■/.• -1.5 1 для группового потока нейтронов с энергий 14г15 МэВ, соответствующей энергии нейтронов источника. ;.

- Из проведенного анализа следует, что значительная погрешность восстановления Дифференциальных спектров нейтронов не позволяет использовать их для. верификации расчетных программ, однако интегральные характеристики нейтронного поля получаются с существенно лучшей точностью. Поэтому целью восстановления спект-,'ров. нейтронов следует; считать получение:интегральных величин и - функционалов нейтронного поля,'. трудоемкость экспериментального определения которых значительно выше.

. Проведен .анализ' влияния экспериментальных погрешностей скоростей ядерных реакций на точность восстановления интегрального спектра нейтронов-и показано, что для.каждой реакции это влияние-проявляется главным,образом в.той области энергий, где ее сече.. ние максимально."Поэтому для'повышения точности восстановления спектра нейтронов в какой-либо области энергий нужно использовать несколько реакций-, имеющих там максимум сечения. . ;' Показана возможность. уменьшения влияние экспериментальной погрешности скоростей реакций па точность восстановления спектров нейтронов при использовании перенормированных скоростей реакций,, которые , определяются . как отношения скоростей реакций в исследуемом спектре и в спектре нейтронов источника. Выведены 'интегральные уравнения....для'восстановления спектра.нейтронов по. перенормированным скоростям реакций и показано,' что они позволя-- ют.-. восстанавливать интегральный "спектр нейтронов с погрешностью -(4-8) %, что соответствует погрешностям измерений абсолютных скоростей.-ядерных-'реакций. . .. .. ■ ■: '.-. -..Показана--возможность--использования восстановленных спектров ...нейтронов - для. получения эффективных параметров'пороговых реак-

- : •- .//;/ - 16 '^ДДЗДу'^у-^Д:^

ций. Получены значения эффективных сечений и порогов реакций из ^ используемого в экспериментах активационного набора. Показано, что эффективные параметры реакций, б42п(п,р), 27А1(п,р), 56Ре(п,р), 63Си(п,2п) и б42п(п,2п) слабо зависят от набора спектров, существующих в экспериментальных установках, что сви- . ' детельствует об их универсальности и возможности их использова- '-. ния при анализе спектров в моделях, облучаемых нейтронами реак- . ции Тф,п)4Не. V ■■'.:.■•■';,■■';';■■ .г.у

Предложен способ формирования активационного набора детекторов оптималь ного с точки зрения временных затрат на проведение : эксперимента и получаемой в результате него информации. Он основан на учете влияния входящих в набор реакций на точность восстановления спектра нейтронов и вычисленных на его основе/скоростей ядерных реакций, не вошедших в набор. Показано, что для получения реперных функционалов нейтронного поля в области энергий 1-15 МэВ одним из оптимальных является набор из пяти реакций:, 238Мр(п,П, 1151п(п,п'), 56Ре(п,р), 63Си(п,2п) и 64гп(п,2п). ; ;

На примере реакции 71л(п,п'ос)Т показана возможность получения функционалов нейтронного поля на основе восстановленных спектров, а также эффективных параметров- пороговых реакций. Сравнение, вычисленных * указанными " способами скоростей 'реакции.■ 7Щп,г.'ос)Т с результатами ее прямых измерении в моделях бланке-тов с различными размножителями нейтронов•показало, что они совпадают в пределах -10 %, что соответствует погрешностям экспериментальных результатов. ' ^ '-■•чЧ

.• .. ОСНОВНЬЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИЙ "

1. Разработано методическое аппаратурно-программное и метрологическое обеспечение постановки реперных экспериментов по измерению абсолютных нормированных скоростей ядерных реакции в моделях бланкетов сложной структуры, которое включает в себя:

- систему абсолютного счета нейтронов нейтронного генератора на основе аппаратуры в стандарте КАМАК и ЭВМ МЕЯА-бО, прокалибрсг.

ванную двумя'независимыми способами с использованием Государственного эталона плотности.потока и флюенса нейтронов и дающую возможность определять выход нейтронов источника с погрешностью на уровне -2.7 % в доверительном интервале 0.68;

• - восьмиканальную гамма-спектрометрическую систему измерения активностей детекторов, которая совместно с системой абсолютного

. счета.нейтронов дает возможность проводить большой объем измерений абсолютных нормированных скоростей ядерных реакций с погреш-. ностью на уровне 4-8 X, что удовлетворяет требованиям верифика-. ции расчетных программ;:,. ;, . ! ' - пакет программ для управления ' системой абсолютного счета : нейтронов, сбора и обработки 'экспериментальной информации;

- набор детекторов со спектральной чувствительностью в области . энергий-выше'i МэВ. ..• '...'■

2. Сконструирован и изготовлен комплекс экспериментальных установок, 'в который: входили: ...

- однородная графитовая сборка,

; - графитовая сборка с полым цилиндрическим аксиальным каналом;- модели бланкетов со,свинцовым и урановым размножителями нейтронов, включающие в себя материал первой стенки, литийсодер-жащую зону с водородосодержащим замедлителем и элементы железо-водной' защты,' что соответствовало концепциям "чистого" и гибридного бланкетов с малой утечкой нейтронов.

• 3. Во всех экспериментальных установках в аксиальных и радиальных каналах измерены"абсолютные нормированные'на нейтрон источника и ядро детектора скорости ядерных реакций из активационного набора. Погрешности экспериментальных результатов составляли 4-8 %, что дозволяет использоЕатб их для верификации существующих и вновь создаваемых комплексов" программ для расчета переноса нейтронов в б данкетах ТЯР; . ' -

- 4-: -По результатам экспериментов авторам программ верифицирована следующие расчетные программы: BLANK, созданная в .РЩ "Курчатовский'институт", GERA и КАСКАД-1, созданные в Московском инженерно-физическом институте. ' '

5. В результате'выполненных расчетных и экспериментальных исс-. ледований получены следующие рекомендации и выводы:

- при расчете скоростей ядерных реакций в экспериментальных установках необходимо учитывать влияние материалов конструкции ми-шейного узла на спектр нейтронов источника, что особенно важно для' реакций с низкими энергетическими порогами, например, 115ln(n,n') и Z04Pb(ri,n'), .

- при постановке реперных экспериментов на моделях'бланкетов сложной структуры предпочтительно использовать барьерную геометрию, позволяющую достаточно точно определить спектр, нейтронов -источника, что необходимо для интерпретации экспериментальных результатов, '

- библиотеки нейтронных сечений ZACRSS, BQSPOR86 и ENDF/B-VI дают завышенное на -19-24% значение скорости реакции 64Zn(n,2n) по сравнению с экспериментальными результатами,

- программа BLANK применима в расчетных исследованиях бланкетов перспективных проектов ТЯР, а программы GERA и КАСКАД-1 могут быть использованы для вариантных расчетов бланкетов и при постановке интегральных экспериментов,, • v

- совокупность пространственных распределений скоростей ядерных реакций с различными энергетическими порогами может быть использована для нахождения наиболее вероятных причин расхождения экспериментальных и расчетных результатов,

- восстановленные спектры нейтронов могут быть использованы для получения интеграяьных величин и функционалов.нейтронного ; поля, которые трудно измерить в эксперименте, например, наработки трития на изотопе 7Li или пространственного.распределения нейтронов группы энергий источника, а также для определения эффективных параметров пороговых реакций, •■ ; -э

- эффективные . параметры реакций 64Zn(n,p), 27А1(п,р), 56Fe(n,p), 63Cu(n,2n) и 6iZn(n,2n) имеют устойчивые значения в различных нейтронных спектрах и могут быть использованы для получения интегральных потоков нейтронов с погрешностью -10 % и функционалов нейтронного поля, например, скорости образования

трития на изо'топе 7Ll с погрешностью -"(10-15) -- восстановленные спектры могут быть использованы для определения активационного набора детекторов оптимального с точки зрения материальных и временных затрат' на проведение эксперимента и получаемой в результате него информации. Набор из пятишести реакций моясбт быть достаточен при проведении реперных экспериментов на моделях бланкетов, . .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Автоматизация активационных . измерений на нейтронном генера-' торе/ В.В. Афанасьев, А.Г. Белевитин, Ю.М. Верзилов и др. , // сб. "Автоматизация научных исследований в эксперименталь-

.' ной физике" под, ред. С.Д. -Чигиря, М. ,1987, с. 73.

2. Лаборатория "Нейтронный, -генератор" для ' экспериментальных • исследований моделей бланкетов термоядерных реакторов / В.В.

Афанасьев, А.Г. Белевитин, Ю.М. Верзилов и др. // сб. "Нейт-. ронно-энергетические проблемы термоядерных установок" 'под' ' ред. Д.Л. Бродера, 1S89, с. 39. ■3,-Афанасьев В.В., Белевитин А.Г., Верзилов Ю.М., Ромоданов В.Л. Integral Experiment with Graphite Assemblier with Empty Channel. -" Topical Meeting on Advances in Reactor.Physics. . USA, Charleston, 1992.

4. Experiment on the "Pure" Blanket Model with Lead Multiplier / V.Y.Afanasiev, A.G.Belevitin, Y.M.Yersilov et al.// XlX-th Int. Symp. on Nuc. Physics Nuc. Processes in Fusion Reactors,

. .noveniber 1989( Castle Gaussig.

5. Experiment on the Hybrid Blanket Model with Uranium Multiplier /. V.V. Afanasiev, A.G. Belevitin, Y.M. Versilov et al.

, // XlX-th int. Symp. on Nuc. Physics Nuc. Processes in Fusion Reactors, november 1989, Castle Gaussig. .

и

о «

о &

ф «

о» ®

О

о ш о эд

Е<

Фотоэлектронный уиное.

азт)

Предварительная усилитель

о к в) я р и

жа

^ ■ И

о,«

о о ||

д И _а> а

с

X

X

<0 о о

X

р.

х>

I о

II I

О д

<3>ек

Н8.

I

на

§|

8".

|0 Рл1

Магистраль К А М А К

С

Контроллер крейта Терминал Последовательный интерфейс

Магистраль общая шина ЭШ МЕ1?А-60

:1>

«Г

31 еч! °1

и

о1

„I ||

II

в

§»

ц г!

Х>1

Л1

I

к

О!

с

Магистраль общая шина ЭШ СМ-ЭРА

1

Последоват. интерфейс Контроллер крейта. Терминал Последоват, интерфейс

1 ■ 1 . ' 1 .

Магистраль' К А М АК

>

Анализатор импульсов Р-4900.. . •

Магнитофон Т0С-3000 .

Спектрометры с кристаллом ЫаЛП)

1

Блок низковольтного питания \

.Клоки высоковольтного питания

Струхтурная схема системы-измерения абсолютных нормированных скоростей ядерннх реакций.

Рис. 2.

О(г.м.-$0) 20 .

Структурная схема модели "чистого" бланкета Состав композиции: (у^у^ -. сталь марки 12х18хН10Г,

свинец, [^уд - сплав ¿¡АЕ, - полиме-

тилметакрилат, В гибридной модели [2223 ~ уран.

Измерительные каналы: А.7 аксиальный, Р^Р^.Рд.Р^ г - радиальные.

1,П,Ш - номера зон, 1,2,3,,.-.,8 - номера литийсодер-жащих слоев.

'Гп(п.п') тРШ.п>) ^п(п.р) рШп.р)

Си(п, 2п) 2п(п,2г>)

ХОО 200 300

Расстояше-от передней поверхности, ш

• Распределение относительных: скоростей ядерных реакций на • оси модели бланкота с урановкм размножителем нейтронов.

Рис. 4.