Высокотемпературная мишень для производства интенсивного потока высокоэнергетичных нейтронов

Губин, Константин Владимирович

Высокотемпературная мишень для производства интенсивного потока высокоэнергетичных нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Губин, Константин Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Высокотемпературная мишень для производства интенсивного потока высокоэнергетичных нейтронов»

Автореферат диссертации на тему "Высокотемпературная мишень для производства интенсивного потока высокоэнергетичных нейтронов"

На правах рукописи

ГУБИН Константин Владимирович

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МИШЕНЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕНСИВНОГО ПОТОКА ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2006

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Логачев — кандидат физико-математических наук,

Павел Владимирович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Куксанов

Николай Константинович

Хмельницкий Дмитрий Владимирович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

доктор технических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

кандидат физико-математических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. Е.И. Забабахина, г. Снежинск.

Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

Защита диссертации состоится « » ЩаО\€-и9>_2006 г.

в « » часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01

Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан: « К » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Исследование фундаментальных свойств материи, как на уровне атомного ядра, так и на уровне элементарных частиц, требует постоянного увеличения интенсивности пучков заряженных частиц, задействованных в экспериментах. Поэтому в настоящее время в мире разрабатывается и реализуется ряд проектов по созданию мощных ускорительных комплексов и источников вторичных частиц на их основе, в том числе, с энергией первичного пучка в диапазоне 10 - 100 МэВ. Их отличительной особенностью является большая средняя мощность пучка -до сотен киловатт - при достаточно малых его размерах — около 1 см. Примерами таких комплексов являются установки по производству интенсивных Радиоактивных Ионных Пучков (РИП).

Особое внимание при этом обращается на возможность получения пучков ионов с высоким содержанием нейтронов в ядрах. В настоящее время в экспериментах на РИП установках первого поколения получены важные научные результаты, и потребность в таких экспериментах будет расти. Однако, из-за низкой производительности источников ионов, возможности РИП установок первого поколения часто ограничены изучением взаимодействия вторичных ионных пучков низкой интенсивности с неподвижной мишенью. Прогресс в этой области связан с установками следующего поколения, производительность которых повышается в 101 — 105 раз.

Применение РИП открывает новые возможности для исследований в ядерной физике и астрофизике, атомной физике и физике твердого тела, материаловедении и медицинских приложениях, а также и в других областях науки. Каждое из этих приложений может получить уникальные возможности выбора изотопов с наиболее подходящими временем жизни, модой и энергией распада, химическими свойствами.

Особенно важным при такой схеме получения РИП является конверсионный узел, состоящий из нейтронной мишени, расщепляемой мишени и источника изотопов. Основные проблемы, возникающие при

разработке этого узла, следующие: нейтронная мишень должна принимать и рассеивать большую среднюю мощность, работать в условиях высокого вакуума и больших радиационных потоков.

Эти требования накладывают жесткие специфические ограничения на выбор конструкции и материалов конверсионного узла. Особо следует отметить то, что активация некоторых частей мишенного комплекса делает невозможным его последующий ремонт и затрудняет замену. Указанное обстоятельство требует от всей мишенной системы особой надежности и простоты последующей утилизации.

Кроме того, выбор материала конвертора нейтронной мишени ограничен изотопами Li, В, Ве, С и их соединениями, имеющими максимальное сечение рождения нейтронов при взаимодействии с протонами или дейтронами первичного пучка.

В настоящее время обсуждаются и разрабатываются сразу несколько новых проектов РИП, среди которых проект SPES (Study for Production of Exotic, Species) в INFN-LNL, Леньяро, Италия. В LNL предложена двухступенчатая схема получения РИП ISOL-типа. Первичный пучок протонов, . ускоренный в RFQ (высокочастотный квадруполь) и сверхпроводящем линаке, с энергий до 100 МэВ, средней мощностью до 300 кВт, диаметром от 1 см, направляется на специальную нейтронную мишень и производит интенсивный (до 3-Ю14 см~2с-1) поток быстрых нейтронов. Полученный таким образом поток нейтронов попадает на горячую толстую мишень деления из соединений 238U. Пары радионуклидов ионизируются, выводятся из мишени с энергией 20 - 60 кэВ и затем, после разделения по изотопам, доускоряются до энергии 7 МэВ/нуклон.

Цель проведения работы заключалась в разработке высокотемпературной нейтронной мишени, предназначенной для производства интенсивного - до 1014 сек"1 см-1 — потока нейтронов с энергией ~1 - 10 МэВ при облучении ее мощным пучком первичных частиц - протонов или дейтронов. Цикл проведенных работ включает в себя

■ анализ различных вариантов мишени и выбор оптимальной схемы,

■ разработка конструкции мишени и оценка номинальных режимов ее работы,

■ выбор и экспериментальное исследование материалов конвертора мишени,

■ создание и испытания прототипа мишени, в котором реализованы основные предлагаемые физические и технические подходы и решения.

Данная работа выполнена в рамках реализации проекта SPES в INFN-LNL (Legnaro, Italy) и научного сотрудничества между ИЯФ СО РАН и INFN-LNL.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена оригинальная схема высокотемпературной мишени с углеродным конвертором, охлаждаемым излучением. Мишень рассчитана на прием до 300 кВт от пучка протонов/дейтронов с энергией 10-50 МэВ и диаметром 1 см.

2. Впервые разработан экспериментальный конструкционный материал с содержанием изотопа 13С на уровне 75%. Получены, испытаны и исследованы его опытные образцы.

3. Впервые создан и успешно испытан прототип нейтронной мишени, содержащий в себе основные предлагаемые физические и технические решения. '

Практическая значимость работы. Проведенная работа позволяет приступить на ее основе к проектированию и созданию нейтронной мишени для источников РИП следующего поколения, способной производить до 1014 нейтронов в секунду с пятна размером 1 см. На ее основе начата разработка мишенного комплекса в рамках проекта SPES, предварительная компоновка которого показана на рис. 2. Освоенные физические и конструктивные подходы, а также экспериментальные методики могут быть применены и при разработке других устройств для приема мощных пучков.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. Проведен анализ различных вариантов мишеней, прини-мающих высокую мощность, с конверторами из Li, Be, С, В. Показано, что наиболее важным фактором, влияющим на схему мишени, являются тепловые и механические свойства материалов конвертора. Для лития необходимо использовать жидкометал-лическую мишень, для бериллия — твердотельную с принудительным охлаждением внешним теплоносителем, для углерода наиболее привлекательна схема с охлаждением конвертора собственным тепловым излучением. Для поставленной задачи - первичный пучок р+ или d+ с энергией 10 — 50 МэВ, мощностью до 150 — 300 кВт, размером ~1 см -наиболее подходит последняя схема. Несмотря на меньшее по сравнению с остальными количество вырабатываемых нейтронов, она выигрывает в эффективности за счет наибольшей интенсивности нейтронного потока в области его дальнейшего использования.

2. Предложена конструкция нейтронной мишени, представ-ляющей собой вращающееся колесо, на ободе которого собран графитовый конвертор, охлаждаемый собственным тепловым излучением. Проведены оценки режимов работы такой мишени, определены ее габариты. Так, для мишени с графитовым конвертором, принимающей 150 кВт от пучка диаметром 1 см, результаты оценок дают диаметр мишени 1 м, максимальная температура конвертора 2000 — 2100 °С, градиенты температуры до 100 °С/мм, максимальные напряжения в материале до 3.5 МПа. Такие режимы представляются вполне реализуемыми.

3. Впервые разработана технология изготовления и получены опытные образцы конструкционного углерод-углеродного композитного материала с высоким - на уровне 75% — содержанием изотопа 13С. Исследованы некоторые его свойства.

4. Создана оригинальная оптическая диагностика для измерения распределения температуры поверхности конвертора на температурах свыше 1500 °С. Диагностика основана на сравнении различных участков спектра теплового излучения графита. Ее особенности позволяют обойтись без точного знания коэффициента теплового излучения материала.

5. Испытаны образцы ряда материалов в тепловых условиях, приближенных к рабочим режимам конвертора мишени. Испытания заключались в распределенном объемном нагреве образцов электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6. Пиковая плотность мощности достигала 1300 Вт/см2, максимальная температура поверх-ности образцов - 2200 °С, температурный градиент - 100 °С/мм. Образцы из графита типа МПГ и материала на основе 13С успешно выдержали испытания и показали свою работоспособность в качестве материала конвертора.

6. Впервые создан и испытан под пучком ускорителя ЭЛВ-6 прототип мишени. Прототип рассчитан на регулярную тепловую нагрузку 50 кВт от пучка размером 1 см. Диаметр конвертора мишени под пучком составлял 30 см. Проверке подвергались основные предлагаемые узлы и конструкции: конвертор, набранный из пластин, и его крепление к диску; узел вращения, базирующийся на подшипниковой подвеске; каналы охлаждения. В ходе испытаний прототип успешно принял тепловую нагрузку до 70 кВт. Все системы продемонстрировали свою работоспособность в предложенных условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 8-й (Париж, 2002) и 9-й (Люцерн, 2004) Европейских Конференциях по Ускорителям Заряженных Частиц (ЕРАС), на 2-й (Пекин, 2001) и 3-й (Кёнжу, Корея, 2004) Азиатских Конференциях по Ускорителям Заряженных Частиц (АРАС), на Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц РАС'01 (Чикаго, 2001), на XVII Международном Семинаре по Ускорителям Заряженных Частиц (Алушта, 2001), на Семинарах по Проекту МНТТД №2257 (Леньяро, Италия, 2003; Новосибирск, 2004; Леньяро, 2005; Леньяро, 2006), V и VI международном уральским семинаре по радиационной физике металлов и сплавов (Снежинск, 2003, 2005), 3-й Международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология" (Москва, 2004).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 23 работы.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 30 наименований, включая 70 рисунков, 16 таблиц и 1 диаграмму. Объем диссертации составляет 136 машинописных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи настоящей работы, приводится ее краткое содержание.

Первая глава настоящей работы посвящается анализу различных схем нейтронной мишени.

Низкая температура плавления лития обуславливает его применение в жидком виде. Тепло из зоны облучения пучком отводится механическим перемещением лития. Показано, что для долговременной надежной работы необходимо обеспечивать температуру материала не более 400-500°С, скорость его перемещения - на уровне 10-15 м/с. Преимущества таких мишеней — возможность наращивать энергию и мощность первичного пучка без изменения схемы мишени, основной недостаток - необходимость создания дорогостоящей системы очистки лития от нарабатывающегося в процессе работы лития и соединений с водородом.

Основными свойствами бериллия, определяющими возможные конструкции мишени, являются его достаточно высокая температура плавления 1287 °С и характерный для металлов малый коэффициент теплового излучения ~0.1. Использование движущейся (например, вращающейся) мишени приводит к чрезмерному усложнению конструкции. Поэтому бериллиевая мишень должна иметь неподвижный твердотельный конвертор с принудительным охлаждением. Приводятся оценки параметров такой мишени. Основное ее преимущество — наибольший полный выход нейтронов, основной недостаток - большие размеры (не менее 15 -20 см), а, значит, низкая яркость нейтронного потока. Подобная схема мишени предложена авторами в качестве источника нейтронов для бор-нейтронной захватной терапии и в настоящее время разрабатывается в

Вариант горячей мишени с конвертором из углеродных материалов, охлаждаемых собственным тепловым излучением, представляется наиболее привлекательным. Такая мишень представляется наиболее привлекательной, поскольку наиболее проста конструктивно и технологически, наиболее безопасна по применяемым материалам и последствиям разрушения мишени. Мишень представляет собой вращающееся колесо с ободом-конвертором, окруженное каналами охлаждения. Для пучка с мощностью 150 кВт, диаметром 1 см, энергией 40 МэВ, оценены параметры в рабочем режиме -максимальная температура конвертора 1900 - 2100 °С, градиент температуры до 100 °С/мм, диаметр мишени 1 м, скорость вращения 20 - 50 Гц. Основное преимущество этой схемы — возможность принимать пучок малого диаметра, а, значит - высокая яркость нейтронного потока. Основной недостаток — наименьший полный выход, необходимость использования изотопа 13С для первичного протонного пучка.

Данные о выходе нейтронов из различных материалов конвертора, показывают, что при достаточно высоких энергиях разница в выходе нейтронов не является определяющей в выборе материала конвертора

мишени. При низких энергиях это справедливо для дейтонного первичного пучка, для протонов из списка кандидатов следует исключить изотоп 12С, как и природную смесь изотопов.

Таким образом, выбор оптимального типа мишени определяется, в основном, параметрами пучка и тепловыми свойствами материала конвертора.

В случае, когда облучаемый нейтронами объект имеет небольшие размеры, как мишень деления в проекте БРЕЭ (объем мишени —1.00 см3), оптимален вариант графитовой горячей мишени. Предложенная конструкция представлена на рис. 1. Ее преимущество - более простая, дешевая и безопасная по сравнению с остальными конструкция.

1 - конвертор, 2 - диск, 3 - диагностический промежуток, 4 - вал, 5 - подвеска, 6,1 - датчики вращения и вибраций, 8 - ввод вращения, 9 - стенки вакуумной камеры, 10 - каналы охлаждения, 11, 12 - выходное окно и зашитная пластина, 13 - коллиматор.

Во второй главе описаны эксперименты по определению материалов, подходящих для изготовления конвертора горячей мишени.

Метод экспериментов - распределенный объемный нагрев образцов мощным электронным пучком. Основная диагностика - оптическая, основанная на сравнении различных частей спектра теплового излучения объекта. Такой метод позволяет отсечь неопределенность геометрических и оптических параметров эксперимента. Особенности метода не позволяют использовать в полной мере стеклянную оптику, поэтому используются металлические зеркала, крупноразмерные детекторы и специальные

диагностические окна. Предложенный метод позволил измерить распределения температуры поверхности исследуемых образцов.

Испытаниям подвергнулся ряд перспективных материалов:

■ плотный карбид бора производства компании "Pure tech" (с 01.01-.03 - Williams Thin Film Products),

■ плотный карбид бора производства компании "Good Fellow",

■ графит МПГ-6,

■ стеклоуглерод СУ-2000,

■ специально изготовленный композитный углерод-углеродный материал с повышенным содержанием изотопа С13.

Образцы из карбида бора разрушились задолго до предполагаемого рабочего режима — при температуре не более 1500 °С. У стеклоуглеродных образцов проявилась быстрая эрозия поверхности. Образцы графита МПГ-б и композита на основе 13С успешно выдержали тесты и были выбраны в качестве конвертора мишени.

Если МПГ графиты являются промышленно выпускаемыми материалами с известными, в основном, свойствами, то конструкционный материал на основе изотопа 13С пришлось создавать. Такой материал необходим в варианте нейтронной мишени, облучаемой пучком протонов, т.к. при энергии протонного пучка до 40 — 50 МэВ основной канал получения нейтронов - реакция на изотопе 13С. Такой экспериментальный материал был создан в НИИГрафит в рамках проводимой работы и успешно испытан. За основу взята технология изготовления МПГ графитов с дополнительными технологическими стадиями. Полученный материал имеет содержание изотопа на уровне 70% и плотность на уровне 1.23 — 1.3 г/см3, сравнимой с плотностями промышленных графитов.

Образцы графитовых материалов были исследованы различными методами - с помощью оптической и - электронной микроскопии, рентгенофазного анализа, ИК и Рамановской спектроскопии, измерениями электро- и магнитосопротивления. Основные полученные результаты показывают, что графитовые материалы в предлагаемых условш^эурплоть до температуры разрушения не обнаруживают изменение своих свойств, за исключением незначительного упорядочивания структуры, и могут быть использованы в качестве конвертора нейтронной мишени.

В третьей главе описаны конструкция прототипа нейтронной мишени и эксперименты с ним — их методика и основные результаты.

Прототип (см. рис. 2-3) представляет собой колесо с конвертором диаметром 30 см, закрепленное на вращающемся валу, помещенное в вакуумную камеру. Он рассчитан на работу под пучком мощностью 50 кВт в рабочем режиме.

узел подвески, 4 - каналы охлаждения, 5 - ввод вращения в вакуум, 6 -электродвигатель, 7 - узел охлаждения вала, 8 - ввод пучка, 9, 10 - оконные узлы, 11 - подставка, 12 - съемный фланец, 13 - тепловой экран, 14 -/ цилиндр Фарадея.

Рис. 3. Вид прототипа внутри вакуумной камеры перед испытаниями.

Конвертор собран из 30 Т-образных графитовых лопаток. Крепление пластин к диску колеса осуществляется с помощью цангового зажима, между конвертором и диском введены графитовые кольца для тепловой развязки. Вал смонтирован на узле вращения с помощью пары шариковых подшипников, в одном варианте — сухих керамических, в другом -металлических со смазкой. Конвертор окружен водяными каналами охлаждения. Предусмотрен узел отдельного охлаждения вала прототипа. Также предусмотрены два специальных оконных блока для применения оптических диагностик. Основными целями при испытаниях прототипа была проверка базовых физических и технических решений, предлагаемых для мишени, а также соответствие реальных режимов работы расчетным.

Основным методом испытаний прототипа нейтронной мишени была его нагрузка мощным электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6, моделирующим рабочий тепловой режим для нейтронной мишени. К пучку предъявляются следующие требования: энергия —1.4 МэВ, мощность до 90 кВт, ток до 60 мА, минимальный ток — 2 — 3 мА, стабильность энергии и мощности -1%, размер пучка на мишени 0.25 см (сигма).

На этапе проектирования прототипа для детальной отработки элементов крепления графитовых частей мишени к вращающемуся диску был испытан под мощным электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6 сектор прототипа нейтронной мишени. В этих испытаниях размер пучка и плотность мощности были близки к номинальным для прототипа. Результаты испытаний показали, что на рассеиваемой мощности, эквивалентной (в пересчёте на прототип) 67 кВт (это на 30% выше номинального значения для прототипа) никаких деструктивных изменений не происходит, а поле температур на элементах конструкции сектора соответствует расчётному.

При испытаниях прототипа вся экспериментальная установка управлялась от компьютера, расположенного в пультовой ускорителя. Основная часть электроники управления и диагностики находилась в бункере ускорителя. Связь компьютера с периферийной электроникой осуществлялась в цифровом виде. Для обеспечения эксперимента использован комплекс электроники, как выпускаемой серийно, так и специально разработанной, в ИЯФ СО РАН.

Эксперименты, проведенные с прототипом, выполнялись в два этапа. На первом этапе работы проводились без пучка. В результате:

■ прототип собран, получен рабочий уровень вакуума (Ю^-О-3 мбар), испытана водяная система, осуществлено вращение колеса прототипа;

■ проведена оптимизация режимов вращения: подобраны оптимальная смазка для металлических подшипников (графитовый порошок и вакуумное масло ВМ-6 в пропорции 1:1) и оптимальная скорость вращения колеса прототипа (30 - 35 Гц, определяется по минимальному уровню измеряемых вибраций); в результате

достигнуто время работы прототипа без переборки более 200 ч, что достаточно для проведения дальнейших экспериментов; протестированы и налажены аппаратное и программное обеспечение дальнейших экспериментов.

На втором этапе проводились эксперименты с мощным электронным пучком ускорителя ЭЛВ-б, в течение которых и выполнялись основные поставленные задачи. В ходе экспериментов: произведено измерение распределение плотности тока пучка, налажено управление его положением (магнитными корректорами) и размером (путем линейной развертки по радиусу прототипа), необходимые для моделирования режимами нагрева прототипа; измерены распределения температуры поверхности конвертора при различных режимах нагрева (как по мощности, так и по размеру пучка), измеренные распределения соответствуют расчетным, полученным вследствие численного моделирования; измерены температуры в важных точках конструкций прототипа в стационарном режиме при мощности нагрева 50 кВт, полученные значения (470 °С на защитном кожухе, 330 °С на верхнем и 250 °С на нижнем подшипниках) соответствуют расчетным; произведено зачернение каналов охлаждения, измерен баланс мощности нагрева и мощности, снимаемой через каналы - значения совпадают с точностью измерений (10%);

произведен круглосуточный долговременный тест прототипа, в течение которого прототип практически без остановок проработал более 70 ч при 50 кВт мощности нагрева (протокол теста см. на рис. 4), в течение теста измеряемые параметры были стабильны; в ходе испытаний прототип успешно принимал от пучка мощность до 70 кВт (см. рис. 5);

испытанный конвертор, собранный го материала на основе 13С, позволил достичь мощности нагрева 50 кВт, на которой проработал около 20 мин; последовавшее затем разрушение связано, скорее всего, с внутренними дефектами образцов;

при использовании конвертора из графита МПГ-8 основные узлы прототипа - конвертор, крепление конвертора, сухие керамические подшипники - перенесли тесты без изменений, несмотря на произошедшие аварии, в ходе которых при работе на конструкцию попадали атмосфера и вода из системы охлаждения.

Время, ч Время, ч

Рис. 4. Протокол долговременного теста.

Время, мин

Рис. 5. Протокол теста с повышенной мощностью нагрева прототипа.

В заключении приводятся основные результаты работы:

1. Проведен анализ различных вариантов мишеней, принимающих высокую мощность, с конверторами из 1л, Ве, С, В. Показано, что наиболее важным фактором, влияющим на схему мишени, являются тепловые и механические свойства материалов конвертора. Для лития необходимо использовать жидкометаллическую мишень, для бериллия - твердотельную с принудительным охлаждением внешним теплоносителем, для углерода наиболее привлекательна схема с охлаждением конвертора собственным тепловым излучением. Для поставленной задачи - первичный пучок р+ или сГ с энергией 10 - 50 МэВ, мощностью до 150 - 300 кВт, размером -1 см -наиболее подходит последняя схема. Несмотря на меньшее по сравнению с остальными количество вырабатываемых нейтронов, она выигрывает в эффективности за счет наибольшей интенсивности нейтронного потока в области его дальнейшего использования.

2. Предложена конструкция нейтронной мишени, представляющей собой вращающееся колесо, на ободе которого собран графитовый конвертор, охлаждаемый собственным тепловым излучением. Проведены оценки режимов работы такой мишени, определены ее габариты. Так, для мишени с графитовым конвертором, принимающей 150 кВт от пучка диаметром 1 см, результаты оценок дают диаметр мишени 1 м, максимальная температура конвертора 2000 — 2100 °С, градиенты температуры до 100 °С/мм, максимальные напряжения в материале до 3.5 МПа. Такие режимы представляются вполне реализуемыми.

3. Впервые разработана технология изготовления и получены опытные образцы конструкционного углерод-углеродного композитного материала с высоким - на уровне 75% - содержанием изотопа 13С. Исследованы некоторые его свойства.

4. Создана оригинальная оптическая диагностика для измерения распределения температуры поверхности конвертора на температурах свыше 1500°С. Диагностика основана на сравнении различных участков спектра теплового излучения графита. Ее особенности позволяют обойтись без точного знания коэффициента теплового излучения материала.

5. Испытаны образцы ряда материалов в тепловых условиях, приближенных к рабочим режимам конвертора мишени. Испытания заключались в распределенном объемном нагреве образцов электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6. Пиковая плотность мощности достигала 1300 Вт/см2, максимальная температура поверхности образцов — 2200 °С, температурный градиент — 100 °С/мм. Образны из графита типа МПГ и материала на основе 13С успешно выдержали испытания и показали свою работоспособность в качестве материала конвертора.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: ■ ■

1. M.S. Avilov, A.V. Antoshin, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, N.N. Lebedev, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, I.L. Pivovarov, S.V. Shiyankov, A.A. Starostenko. Project of rotating carbon high-power neutron target. Conceptual design. // Proc. of PAC-2001, Chicago, IL, 17-22 June 2001.

2. M.S. Avilov, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, A.A. Starostenko. Project of rotating carbon high-power neutron target. Calculation of the target thermal and mechanical operation conditions. // Proc. of PAC-2001, Chicago, IL, 17-22 June 2001.

3. M.S. Avilov, P.A. Bak, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, P.V. Logatchev. Research of graphite properties for production of high intense neutron source. // Proc. of PAC-2001, Chicago, IL, 17-22 June 2001.

4. M.S. Avilov, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, N.N. Lebedev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, I.L. Pivovarov, S.V. Shiyankov, A.A. Starostenko, L. Tecchio. Project of deuteron accelerator based carbon target for neutron production. // Proc. of APAC-2001, Beijing, 17-21 Sept. 2001, China.

5. M.S. Avilov, K.V. Gubin, N.Kh. Kot, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, S.V. Shiyankov, A.A. Starostenko, L. Tecchio, A. Andrighetto, Bao Y.W., V.V. Plokhoi, Ya.Z. Kandiev, S.I. Samarin. Project of proton accelerator based target for neutron production. // Proc. of APAC-2001, Beijing, 17-21 Sept. 2001, China.

6. M.C. Авилов, A.B. Антошин, K.B. Губин, H.X. Кот, H.H. Лебедев, П.В. Логачев, П.В. Мартышкин, С.Н. Морозов, И.Л. Пивоваров, А.А. Старостенко, С.В. Шиянков. Вращающаяся углеродная мишень для высокоинтенсивного источника нейтронов. // XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000.

7. М.С. Авилов, К.В. Губин, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев и др. Проект источника нейтронов на основе ускорителя для получения пучков радиоактивных ионов. И XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 17-23 сентября 2001.

8. М.С. Авилов, К.В. Губин, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев и др. Тесты материалов для нейтронной мишени высокой мощности. // XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 17-23 сентября 2001.

9. М.С. Авилов, К.В. Губин, Н.Н. Лебедев, П.В. Логачев и др. Проект источника быстрых нейтронов, основанный на 30 МэВ - 300 кВт протонном ускорителе. // XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 17-23 сентября 2001.

10. К. Gubin, M.S. Avilov, P.V. Logatchev, P. Martyshkin, S. Morozov, S.V. Shiyankov, L. Tecchio. High-power Proton Irradiated Solid State Rotating Neutron Target: Conceptual Design and Estimations of the Operation Conditions. // Proc. EPAC'02, Paris, 3-7 June 2002.

11. K. Gubin, M.S. Avilov, A. Korchagin, A. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P. Martyshkin, S. Morozov, B. Obmoin, S.V. Shiyankov, L. Tecchio. High-

power Proton Irradiated Solid State Rotating Neutron Target: First Tests of Converter Materials. // Proc. EPAC'02, Paris, 3-7 June 2002

12. M.S. Avilov, S.N. Fadeev, K.V. Gubin, A.I. Korchagin, A.V. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.N. Morozov, S.V. Shiyankov, J. Esposito, L. Tecchio. Test of materials for the high temperature intense neutron target converter. // Proc. of Third Asian Particle Accelerator Conference, March 22-26, 2004, Gyeongju, Korea.

13. M.S. Avilov, K.V. Gubin, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, S.V. Shiyankov, J. Esposito, L. Tecchio. Prototype of high temperature intense neutron target. // Proc. of Third Asian Particle Accelerator Conference, March 22-26, 2004, Gyeongju, Korea.

14. M.S. Avilov, D.Yu. Bolkhovityanov, S.N. Fadeev, K.V. Gubin, A.V. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P.V. Martyshkin, A.A. Starostenko, O. Alyakrinskiy, L. Tecchio. Test of Construction for High Temperature Intense Neutron Target Prototype. // Proc. of 9th European Particle Accelerator Conference, July 5-9, 2004, Lucerne, Switzerland.

15. K. Gubin, M. Avilov, S. Fadeev, A. Korchagin, A. Lavrukhin, P.V. Logatchev, P. Martyshkin, S.N. Morozov, S. Shiyankov, J. Esposito, L.B. Tecchio. Test of Materials for the High Temperature Intense Neutron Target Converter. // Proc. of 9th European Particle Accelerator Conference, July 5-9, 2004, Lucerne, Switzerland

16. Е.И. Жмуриков, А.И. Романенко, О.Б. Аникеева, Р.В. Горбачев, К.В. Губин, П.В. Логачев, М.С. Авилов, С.В. Цыбуля, Г.Н. Крюкова, Е.Б.

1 Бургина, Luigi Tecchio. Новый материал на основе изотопа углерода 13С для нейтронных мишеней. // Третья Международная конференция, Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология, 2004 г., 13-15 октября, Москва, МГУ им. М.ВЛомоносова, тезисы докладов, стр.102.

17. A.I. Romanenko, О.В. Anikeeva, E.I. Zhinurikov, K.V. Gubin, P.V. Logachev, C. Dong, Y. Ni. Influence of the structural defects on the electrophysical and magnetic properties of carbon nanostructures. // 11th АРАМ Seminar, The Progresses In Functional Materiala, 2004, October 18-23, Ningbo, P.R. China.

18. К.В. Губин, Е.И. Жмуриков, П.В. Логачев, В.Б. Фенелонов, С.В. Цыбуля. О стабильности и прочности конвертора высокотемпературной нейтронной мишени на основе углерода 13С. //Препринт ИЯФ 2005-1.

19. Е.И. Жмуриков, А.И. Романенко, О.Б. Аникеева, К.В. Губин, П.В. Логачев, С.В. Цыбуля, А.Т. Титов, Л. Теккио. Надежность и стабильность конвертора высокотемпературной нейтронной мишени на основе графитовых композитов. // Препринт ИЯФ 2005-2.

20. А.И. Романенко, О.Б. Аникеева, Р.В. Горбачев, Е.И. Жмуриков, К.В. Губин, П.В. Логачев, М.С. Авилов, C.B. Цыбуля, Г.Н. Крюкова, Е.Б. Бургина, Л. Теккио. Новый материал на основе изотопа углерода 13С для нейтронных мишеней. Н ДАН, серия «Неорганические материалы», 2005, том 41, №5, с.1-9.

21. Е.И. Жмуриков, А.И. Романенко, К.В. Губин, П.В. Логачев, В.Б. Фенелонов, C.B. Цыбуля, Е.В. Бургина, Л. Теккио Свойства материала на основе изотопа 13С для нейтронных мишеней до и после облучения мощным электронным пучком. // Тезисы VI международный уральский семинар по радиационной физике металлов и сплавов, Снежинск, 20-26 февраля 2005.

22. Е.И. Жмуриков, А.И. Романенко, О.Б. Аникеева, К.В. Губин, Е.Б. Бургина, C.B. Цыбуля, А.Т. Титов, Л. Теккио. Влияние высоких температур на электрические свойства и макроструктуру углеродных композитов. // Неорганические материалы, 2006, том 41, №6, с. 1-8.

23. О. Alyakrinskiy, M. Avilov, D. Bolkhovityanov, J. Esposito, S. Fadeev, ' K. Gubin, Ya. Kandiev, A. Korchagin, N. Kot, A. Lavrukhin, N.

Lebedev, P. Logatchev, P. Martyshkin, S. Morozov, V. Plokhoi, S. Samarin, S. Shiyankov, A. Starostenko, I. Svyatov and L. Tecchio. High Power Neutron Converter for Low Energy Proton/Deuteron Beams. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, v.557, Issue 2, 15 February 2006, p.403-413-

ГУБИНКонстантин Владимирович

Высокотемпературная мишень для производства интенсивного потока высокоэнергетичных нейтронов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа поступила 14.04. 2006 г Подписано в печать 14.04.2006 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,0 печ.л., 0,8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 20_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН", Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Губин, Константин Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Содержание

ГЛАВА 1. Выбор схемы нейтронной мишени

1.1. Литиевые мишени

1.2. Бериллиевая мишень 21 Р 1.3. Твердотельная мишень на основе углерода или карбида бора

1.4. Сравнение эффективности различных типов мишеней

ГЛАВА 2. Испытания материалов конвертора мишени

2.1 Экспериментальная установка

2.2 Результаты испытаний

2.3. Исследования углеродных образцов

ГЛАВА 3. Прототип нейтронной мишени

3.1. Конструкция прототипа

3.2. Испытания макета прототипа

3.3. Обеспечение экспериментов

3.4. Предварительные испытания прототипа без пучка

3.5. Испытания прототипа с мощным электронным пучком

Введение диссертация по физике, на тему "Высокотемпературная мишень для производства интенсивного потока высокоэнергетичных нейтронов"

Исследование фундаментальных свойств материи, как на уровне атомного ядра, так и на уровне элементарных частиц, требует постоянного увеличения интенсивности пучков заряженных частиц, задействованных в экспериментах. Поэтому в настоящее время в мире разрабатывается и реализуется ряд проектов по созданию мощных ускорительных комплексов и источников вторичных частиц на их основе, в том числе, с энергией первичного пучка в диапазоне 10-100 МэВ. Их отличительной особенностью является большая средняя мощность пучка — до сотен киловатт - при достаточно малых его размерах - около 1 см. Примерами таких комплексов являются установки по производству интенсивных Радиоактивных Ионных Пучков (РИП).

Вслед за лабораториями, которые первые начали разработки в данной области (CERN-ISOLDE и CRC-Louvain-la-Neuve), и другие лаборатории, занимающиеся ядерной физикой в области низких и промежуточных энергий, начали свои разработки установок РИП. Особое внимание при этом обращается на возможность получения пучков ионов с высоким содержанием нейтронов в ядрах. В настоящее время в экспериментах на РИП установках первого поколения получены важные научные результаты, и потребность в таких экспериментах будет расти. Однако, из-за низкой производительности источников ионов, возможности РИП установок первого поколения часто ограничены изучением взаимодействия вторичных ионных пучков низкой интенсивности с неподвижной мишенью. Прогресс в этой области связан с установками следующего поколения, производительность которых

X < повышается в раз. Отметим лишь некоторые области, в которых применение РИП может внести существенный вклад в продвижение исследований.

Ядерная физика

Исследование существующих стабильных и нестабильных ядер открывает только одну из форм строения ядер. Наличие же ядер с экстремальным протон-нейтронным соотношением позволяет изучать "сверхэкзотичные" ядерные структуры, приближающиеся к чистой нейтронной материи, исследовать границы существования ядер и синтезировать наиболее тяжелые из существующих ядер, внести ясность в поведение свободно ограниченных квантовых систем, получить новые типы ядерных структур, предсказанные ядерными моделями. Существующие модели базируются на экспериментальных знаниях о строении ядер, близких к стабильным и являются отражением частных аспектов более общих теорий. Построение новых обобщенных теорий ядерной структуры могут базироваться на экспериментальных данных, полученных на основе использования установок РИП второго поколения.

Ядерная астрофизика

Некоторые из наиболее важных явлений во Вселенной могут быть изучены с помощью РИП. Такие явления, как взрывы новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды, рентгеновское и у-излучение связаны с процессами, протекающими в ядрах, зачастую не существующих на Земле. С помощью установок РИП второго поколения можно получить экспериментальные данные, дающие возможность построения теории происхождения элементов, составляющих вселенную.

Проверка Стандартной Модели и фундаментальных законов сохранения

Все современные физические теории основываются на фундаментальных законах сохранения. На сегодняшний день Стандартная Модель наилучшим образом описывает элементарные частицы и их поведение. Проверка стандартной модели может быть выполнена в экспериментах с применением РИП с чувствительностью, повышенной по сравнению с существующими возможностями. Такие эксперименты могут стать существенным дополнениям, например, к экспериментам на встречных пучках.

Другие области применения

Применение РИП открывает новые возможности для исследований и в других областях науки, таких как атомная физика и физика твердого тела, материаловедение и медицинские приложения. Каждое из этих приложений может получить уникальные возможности выбора изотопов с наиболее подходящими временем жизни, модой и энергией распада, химическими свойствами.

Большое внимание в настоящее время уделяется так называемому ISOL (Isotope Separator On Line) - методу получения РИП. Данный метод основывается на том, что поток первичных частиц из ускорителя (ядерного реактора) направляется на толстую горячую мишень. Пары радионуклидов, образующиеся в результате взаимодействия частиц с ядрами вещества мишени, ионизируются в источнике ионов. Полученные ионы ускоряются до необходимой энергии и транспортируются в экспериментальную зону. ISOL-техника используется более тридцати лет для производства и изучения короткоживущих изотопов в различных лабораториях (см. таб.1). Так на установке ISOLDE в CERN РИП получают дроблением ядер материала мишени протонами с энергией от 0.6 до 1.4 ГэВ. На установке OSIRIS в Швеции используют тепловые нейтроны из исследовательского реактора для реакций с 235U.

Таблица 1. Характеристики РИП установок на основе ISOL метода.

Проект Первичный пучок РИП, Атомный номер Энергия РИП, МэВ/нук. Интенсивность ион/сек. Статус установки

CRC, Louvain La Neuve Р 30 МэВ, 500 цА 6-31 0.6 - 27 5-108 Рабочая

CRC, Louvain La Neuve р, d, Не 80 МэВ, 25 цА 6-31 0.2-0.8 10у Строящаяся

ISOLDE CERN Р 1 ГэВ, 3 цА 6-30 1 10у Рабочая

SPIRAL GANIL С-Аг 100 МэВ/нукл, 8цА <220 5-50 10у Проект

RAL Р 800 МэВ, 100 цА <80 6.5 10'-10" Проект

HRIBF Oak Ridge Р 250 МэВ, 5 цА <150 5-10 10'- 10у Рабочая

КЕК Tsukuba Р 3 ГэВ, 10 \iA < 150 6.5 104-10и Проект

ISAC TRIUMF К 500 ГэВ, 100 цА <30 1.5 10ь-10" Строящаяся

SPES P>d 100 МэВ, 100 мА 80 -160 <5 10'- ю11 Проект

В настоящее время обсуждаются и разрабатываются сразу несколько новых проектов РИП, среди которых проект SPES (Study for Production of Exotic Species) в INFN-LNL, Леньяро, Италия [1-3]. В LNL предложена двухступенчатая схема получения РИП ISOL-типа. Первичный пучок протонов, ускоренный в RFQ (высокочастотный квадруполь) и сверхпроводящем линаке, с энергий до 100 МэВ, средней мощностью до 300 кВт, диаметром от 1 см, направляется на специальную нейтронную мишень и производит интенсивный (до 3-1014 cm'V) поток быстрых нейтронов. Полученный таким образом поток нейтронов попадает на горячую толстую мишень деления из соединений 238U. Пары радионуклидов ионизируются, выводятся из мишени с энергией 20-60 кэВ и затем, после разделения по изотопам, доускоряются до энергии 7 МэВ/нуклон.

Рисунок 1. Схема установки 8РЕ8. 18СЬ - сверхпроводящий линейный ускоритель мощного первичного пучка, АЬР1 сверхпроводящий ускоритель вторичного пучка ионов с малым током, ЯРО - ВЧ квадрупольные ускоряющие структуры, ЕШСТ - станция бор-нейтронной захватной терапии.

• нейтронная мишень должна принимать и рассеивать большую среднюю мощность - до 300 кВт;

• мишень деления и ионный источник должны находиться при температуре 2100-2300°С, обеспечивающей быструю диффузию и эффузию радионуклидов, а также их последующую ионизацию; ь

• эффективность конверсионного узла сильно зависит от геометрических параметров и расположения его частей, особенно от яркости и размера источника нейтронов - нейтронной мишени;

• нейтронная мишень, мишень деления, ионный источник должны находиться в условиях вакуума не хуже 10"3 Topp;

• весь узел находится в зоне с большим радиационным потоком и должен быть окружен биологической защитой, демонтаж и замена мишенной системы должны проводиться без нахождения людей в зоне облучения ("PLUG-IN" технология)).

Кроме того, выбор материала конвертора нейтронной мишени ограничен изотопами Li, В, Be, С и их соединениями, имеющими максимальное сечение рождения нейтронов при взаимодействии с протонами или дейтронами первичного пучка.

В ИЯФ СО РАН в рамках сотрудничества между ИЯФ, INFN-LNL (Леньяро, Италия) и ВНИИТФ (Снежинск) предложен и разрабатывается мишенный комплекс для проекта SPES, важнейшей частью которого является нейтронная мишень. Нейтронная мишень разработана для следующих параметров пучка: энергия первичного пучка 40 МэВ, мощность 150 кВт, диаметр 1 см. Мишень представляет собой вращающийся несущий металлический диск с закрепленным на нем конвертором. Конвертор набран из пластин, изготовленных из графита класса МПГ (для дейтонного пучка) или специально изготовленного композитного углерод-углеродного материала с повышенным содержанием изотопа 13С. Основная идея, на которой основывается предложенная схема - охлаждение конвертора мишени собственным тепловым излучением.

Первая глава настоящей работы посвящается анализу различных схем нейтронной мишени. Показано, что выбор наиболее перспективной схемы слабо зависит от выбора ядерной реакции, порождающей нейтроны, и обусловлен физико-химическими свойствами материала конвертора, в особенности - достаточно большой величины пробега первичного пучка - в диапазоне 0.2-5 см - и, как следствие, толщиной рабочей зоны конвертора.

Вариант горячей мишени с конвертором из углеродных материалов, охлаждаемых собственным тепловым излучением, представляется наиболее привлекательным, поскольку наиболее прост конструктивно и технологически, наиболее безопасен по применяемым материалам и последствиям разрушения мишени. Такая мишень представляет собой вращающееся колесо, окруженное каналами охлаждения. Для пучка с мощностью 150 кВт, диаметром 1 см, энергией 40 МэВ, оценены параметры в рабочем режиме - максимальная температура конвертора 1900-2100°С, градиент температуры до 100°С/мм, диаметр мишени 1м, скорость вращения 20-50 Гц.

Сформулированы основные проблемы, требующие экспериментального исследования:

• создание материала на основе изотопа 13С и исследование его свойств,

• испытания работоспособности различных материалов конвертора в предлагаемых условиях,

• создание и испытания конструкции крепления конвертора на несущие части мишени,

• разработка комплекса диагностик мишени,

• создание и испытания прототипа мишени в тепловых режимах, моделирующих расчетный рабочий режим.

Во второй главе описаны эксперименты по определению материалов, подходящих для изготовления конвертора мишени.

В результате испытаний в качестве основных выбраны графит МПГ и композит на основе ,3С.

Если МПГ графиты являются промышленно выпускаемыми материалами с известными, в основном, свойствами, то конструкционный

1 Ч материал на основе изотопа С пришлось создавать. Такой материал необходим в варианте нейтронной мишени, облучаемой пучком протонов, т.к. при энергии протонного пучка до 40-50 МэВ основной канал получения

13 нейтронов - реакция на изотопе С. Такой экспериментальный материал был создан в НИИГрафит в рамках проводимой работы и успешно испытан. За основу взята технология изготовления МПГ графитов с дополнительными технологическими стадиями. Полученный материал имеет содержание изотопа на уровне 70% и плотность на уровне 1.23-1.3 г/см3, сравнимой с плотностями промышленных графитов.

Образцы графитовых материалов были исследованы различными методами - с помощью оптической и электронной микроскопии, рентгенофазного анализа, ИК и Рамановской спектроскопии, измерениями электро- и магнитосопротивления. Основные полученные результаты показывают, что графитовые материалы в предлагаемых условиях вплоть до температуры разрушения не обнаруживают изменение своих свойств, за исключением незначительного упорядочивания структуры, и могут быть использованы в качестве конвертора нейтронной мишени.

В третьей главе описаны конструкция прототипа нейтронной мишени и эксперименты с ним - их методика и основные результаты.

Прототип представляет собой колесо с конвертором диаметром 30 см, закрепленное на вращающемся валу, помещенное в вакуумную камеру. Он рассчитан на работу под пучком мощностью 50 кВт в рабочем режиме.

Конвертор собран из 30 Т-образных графитовых лопаток. Крепление пластин к диску колеса осуществляется с помощью цангового зажима, между конвертором и диском введены графитовые кольца для тепловой развязки. Вал смонтирован на узле вращения с помощью пары шариковых подшипников, в одном варианте - сухих керамических, в другом -металлических со смазкой. Конвертор окружен водяными каналами охлаждения. Предусмотрен узел отдельного охлаждения вала прототипа. Также предусмотрены два специальных оконных блока для применения оптических диагностик. Основными целями при испытаниях прототипа была проверка базовых физических и технических решений, предлагаемых для мишени, а также соответствие реальных режимов работы расчетным.

Основным методом испытаний прототипа нейтронной мишени была его нагрузка мощным электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6, моделирующим рабочий тепловой режим для нейтронной мишени. К пучку предъявляются следующие требования: энергия -1.4 МэВ, мощность до 90 кВт, ток до 60 мА, минимальный ток - 2-3 мА, стабильность энергии и мощности - 1%, размер пучка на мишени 0.25 сш (сигма).

• прототип собран, получен рабочий уровень вакуума (Ю'МО'3 мбар), испытана водяная система, осуществлено вращение колеса прототипа;

• проведена оптимизация режимов вращения: подобраны оптимальная смазка для металлических подшипников (графитовый порошок и вакуумное масло ВМ-6 в пропорции 1:1) и оптимальная скорость вращения колеса прототипа (30-35 Гц, определяется по минимальному уровню измеряемых вибраций); в результате достигнуто время работы прототипа без переборки более 200 ч, что достаточно для проведения дальнейших экспериментов;

• протестированы и налажены аппаратное и программное обеспечение дальнейших экспериментов.

На втором этапе проводились эксперименты с мощным электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6, в течение которых и выполнялись основные поставленные задачи. В ходе экспериментов: произведено измерение распределение плотности тока пучка, налажено управление его положением (магнитными корректорами) и размером (путем линейной развертки по радиусу прототипа), необходимые для моделирования режимами нагрева прототипа; измерены распределения температуры поверхности конвертора при различных режимах нагрева (как по мощности, так и по размеру пучка), измеренные распределения соответствуют расчетным, полученным вследствие численного моделирования; измерены температуры в важных точках конструкций прототипа в стационарном режиме при мощности нагрева 50 кВт, полученные значения (470°С на защитном кожухе, 330°С на верхнем и 250°С на нижнем подшипниках) соответствуют расчетным; произведено зачернение каналов охлаждения, измерен баланс мощности нагрева и мощности, снимаемой через каналы - значения совпадают с точностью измерений (10%); произведен круглосуточный долговременный тест прототипа, в течение которого прототип практически без остановок проработал более 70 ч при 50 кВт мощности нагрева, в течение теста измеряемые параметры были стабильны; в ходе испытаний прототип успешно принимал от пучка мощность до 70 кВт; испытанный конвертор, собранный из материала на основе 13С, позволил достичь мощности нагрева 50 кВт, на которой проработал около 20 мин; последовавшее затем разрушение связано, скорее всего, с внутренними дефектами образцов; при использовании конвертора из графита МПГ-8 основные узлы прототипа - конвертор, крепление конвертора, сухие керамические подшипники - перенесли тесты без изменений, несмотря на произошедшие аварии, в ходе которых при работе на конструкцию попадали атмосфера и вода из системы охлаждения. В заключении приводятся основные результаты работы, которые свидетельствуют, что продемонстрирована работоспособность принятых и реализованных в прототипе физических, конструктивных и методических решений. Конструкция может быть основой при разработке нейтронной мишени.

Заключение диссертации по теме "Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника"

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ различных вариантов мишеней, принимающих высокую мощность, с конверторами из Ы, Ве, С, В. Показано, что наиболее важным фактором, влияющим на схему мишени, являются тепловые и механические свойства материалов конвертора. Для лития необходимо использовать жидкометаллическую мишень, для бериллия - твердотельную с принудительным охлаждением внешним теплоносителем, для углерода наиболее привлекательна схема с

• охлаждением конвертора собственным тепловым излучением. Для поставленной задачи - первичный пучок р+ или с1+ с энергией 10-50 МэВ, мощностью до 150-300 кВт, размером ~1 см - наиболее подходит последняя схема. Несмотря на меньшее по сравнению с остальными количество вырабатываемых нейтронов, она выигрывает в эффективности за счет наибольшей интенсивности нейтронного потока в области его дальнейшего использования.

2. Предложена конструкция нейтронной мишени, представляющей собой вращающееся колесо, на ободе которого собран графитовый конвертор, охлаждаемый собственным тепловым излучением. Проведены оценки режимов работы такой мишени, определены ее габариты. Так, для мишени с графитовым конвертором, принимающей 150 кВт от пучка диаметром 1 см, результаты оценок дают диаметр мишени 1 м, максимальная температура конвертора 2000-2100°С, градиенты температуры до 100°С/мм, максимальные напряжения в материале до 3.5 МПа. Такие режимы представляются вполне реализуемыми. Впервые разработана технология изготовления и получены опытные образцы конструкционного углерод-углеродного композитного материала с высоким - на уровне 75% - содержанием изотопа 13С. Исследованы некоторые его свойства.

Создана оригинальная оптическая диагностика для измерения распределения температуры поверхности конвертора на температурах свыше 1500°С. Диагностика основана на сравнении различных участков спектра теплового излучения графита. Ее особенности позволяют обойтись без точного знания коэффициента теплового излучения материала.

Испытаны образцы ряда материалов в тепловых условиях, приближенных к рабочим режимам конвертора мишени. Испытания заключались в распределенном объемном нагреве образцов электронным пучком ускорителя ЭЛВ-6. Пиковая плотность мощности достигала 1300 Вт/см , максимальная температура поверхности образцов - 2200°С, температурный градиент - 100°С/мм. Образцы из графита типа МПГ и материала на основе 13С успешно выдержали испытания и показали свою работоспособность в качестве материала конвертора.

Впервые создан и испытан под пучком ускорителя ЭЛВ-6 прототип мишени. Прототип рассчитан на регулярную тепловую нагрузку 50 кВт от пучка размером 1см. Диаметр конвертора мишени под пучком составлял 30 см. Проверке подвергались основные предлагаемые узлы и конструкции: конвертор, набранный из пластин, и его крепление к диску; узел вращения, базирующийся на подшипниковой подвеске; каналы охлаждения. В ходе испытаний прототип успешно принял тепловую нагрузку до 70 кВт. Все системы продемонстрировали свою работоспособность в предложенных условиях.

Научная новизна работы

3. Впервые создан и успешно испытан прототип нейтронной мишени, содержащий в себе основные предлагаемые физические и технические решения.

Научная и практическая значимость работы

Проведенная работа позволяет приступить на ее основе к проектированию и созданию нейтронной мишени для источников РИП следующего поколения, способной производить до 1014 нейтронов в секунду с пятна размером 1 см. На ее основе начата разработка мишенного комплекса в рамках проекта БРЕБ, предварительная компоновка которого показана на рис. 2. Освоенные физические и конструктивные подходы, а также экспериментальные методики могут быть применены и при разработке других устройств для приема мощных пучков.

Данная работа была поддержана МНТЦ, проект #2257, а также в ее рамках был выполнен ряд контрактных работ.

Рисунок 2. Перспективная компоновка мишенного комплекса для получения РИП. Слева направо: защитный коллиматор, нейтронная мишень с каналами охлаждения, мишень деления, ионизатор.

В заключение выражаю глубокую благодарность научному руководителю работы П.В.Логачеву за руководство и помощь в процессе написания работы.

Выражаю искреннюю благодарность М.С.Авилову, П.В.Мартышкину, С.В.Шиянкову, Н.Н.Лебедеву, без плодотворного участия которых проведение представленной работы было бы просто невозможным.

Искренне благодарю С.Н.Фадеева, А.В.Лаврухина, М.Г.Голковского, А.В.Антошина, В.И.Копылова и многим другим сотрудникам ИЯФ за оказанное автору работы внимание и помощь при проведении исследований.

S) s

Заключение

В данной работе представлены основные этапы и результаты разработки высокотемпературной вращающейся мишени с углеродным конвертором для использования в качестве интенсивного источника нейтронов. Освещен полный цикл исследований - от постановки задачи до испытаний прототипа выбранной схемы и конструкции мишени. Показаны наиболее важные проблемы, встающие при создании такого устройства и пути их решения.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Губин, Константин Владимирович, Новосибирск

1. С.С.Кутателадзе. "Теплоперенос и гидравлическое сопротивление". Справочник, Энергоатомиздат, Москва, 1990.

2. С.А.Улыбин. "Теплоносители ядерных энергетических установок". Энергия, Москва, 1966.

3. А.А. Gervash et al. "Metallographic analysis and strength investigation of different Be-Cu joints in the temperature range RT-350°C". Journal of Nuclear Materials 233-237 (1996) 626-631.

4. R.N. Giniatulin et al. "Analysis of a beryllium-copper diffusion joint after HHF test". Journal of Nuclear Materials 233-237 (1996) 616-619.

5. M. Araki et al. "Manufacturing and testing of a Be/OFHC-Cu divertor module". Journal of Nuclear Materials 233-237 (1996) 632-637.

6. M.S. Avilov et al. "R&D studies and preliminary design of the neutron production target for neutron factory and BNCT application". Final Report On ЮО/РО/LNL contract, Novosibirsk, 2001.

7. ИЯФ СО РАН и РФЯЦ ВНИИТФ, 2000.i) 13. "Таблицы физических величин". Справочник под ред. И.К.Кикоина,1. М., Атомиздат, 1976.t

8. Пикаев А.К. "Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная техника и методы." М., Наука, 1985.

9. A.Kh. Klepikov et al. "Hydrogen release from reactor-irradiated beryllium". Journal of Nuclear Materials 233-237 (1996) 837-840.

10. По данным разработчика материала НИИГрафит (Москва).г- 17. Bruno A.Boley, The Determination of Temperature,Stresses and Deflectionin Two-dimensional Thermoelastic Problems, J. of the Aero. Sci.,22,l(Junuary), 1956, p. 67-75.

11. Bruno A.Boley, Jerome H. Weiner, Theori of Thermal Stresses, New ^ York*London,John Willej and sons,INS. 1960.

12. Gatewood B.E., Thermal stresses, McGraw-Hill,New York, 1957.

13. Laurie S. Waters, Editor. "MCNPx™ User's Manual", Version 2.1.5 (http://mcnpx.lanl.gov/).

14. Final report on the ISTC project, No. 728, (1999).

15. Н.А.Власов, "Нейтроны", M., Наука, 1971.

16. R.A. Salimov et. al. "DC High Power Electron Accelerators of ELV-series: Status, Development, Applications". Radiation Physics and Chemistry, 2000, Vol.57, Iss. 3-6, pp. 661-665.

17. N.K.Kuksanov, G.S.Krainov, P.I.Nemytov, R.A.Salimov, A.N.Samoilovich, ^ V.G.Cherepkov, M.E.Veis, A.I.Grischenko, V.M.Zaitsev, P.I.Kachalov,

18. B.M.Korabelnikov, S.A.Kuznetsov. "High-voltage electron-accelerators at a power of up to 90-kW". Radiation physics and chemistry 1990, Vol 35, Iss 4-6, pp 658-661.

19. A.Vaisman, et al. Technological applications of industrial electron accelerators of ELV series. 5th International Conference on Electron Beam Technologies, Varna, Bulgaria, June 1997, pp.342 -347.L