Таким образом, на реакторе ВВР-М впервые был создан экспериментальный источник с использованием твёрдого дейтерия. Были исследованы особенности и эффективность работы источника в ходе проведённых на нём экспериментов.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований проведённых на источнике с твёрдым дейтерием на реакторе ВВР-М. В зависимости от состояния замедлителя в камере нейтронного источника в проводимых экспериментах фиксировался спектральный и количественный выход нейтронов. Фактора выигрыша определялся как отношение выхода УХН из источника с твёрдым дейтерием к выходу УХН из источника, заполненного газообразным водородом при температуре 300К. В ходе экспериментов на источнике был получен фактор выигрыша ультрахолодных нейтронов 1230 раз.
При переходе в твердое агрегатное состояние происходит увеличение доли длинноволновых нейтронов. Наиболее значительное увеличение выхода возникает для очень холодных и ультрахолодных нейтронов. На рисунке 1 показаны экспериментально полученные спектры очень холодных нейтронов для жидкой фазы дейтерия в источнике при температуре 19-20 К и для твердой фазы при температуре меньше 10 К.
В целом эксперименты, проведённые на источнике, показали эффективность твёрдого дейтерия нейтронов и его перспективность как замедлителя для получения ультрахолодных нейтронов.
Рисунок 1. Нейтронные спектры для жидкой и твердой фазы дейтерия
Рисунок 2. Зависимость относительного фактора выигрыша от температуры для нейтронов с различной длиной волны
Причина увеличения выхода УХН при затвердевании дейтерия состоит в том, что трансляционные движения атомов прекращаются и сечение неупругого рассеяния УХН () уменьшается. В результате увеличиваются прозрачность источника и выход УХН. Понижение температуры источника приводит к дальнейшему уменьшению сечения неупругого рассеяния и увеличению выхода УХН. Понижение температуры дейтерия ниже 10 K оказывается не эффективным, т. к. сечение неупругого рассеяния уменьшается уже до уровня сечения некогерентного упругого рассеяния (), которое составляет 2,2 барна.
Экспериментально определено влияние примеси протия в твёрдом дейтерии на фактор выигрыша. Выход УХН резко снижается при увеличении концентрации протия. Допустимая концентрация протия в дейтерии для источника УХН с твёрдым дейтерием составляет 0,1 - 0,2%.
Рисунок 3. Зависимость фактора выигрыша от концентрации протия в твёрдом дейтерии.
В четвёртой главе произведён анализ вопросов безопасности, что является весьма актуальным для такого источника на реакторе. Проведён анализ ядерной и радиационной безопасности в результате которого показано, что влияние источника на реактор и окружающую среду находятся существенно ниже допустимых значений.
Водородная безопасность обеспечивается многоуровневой системой предотвращения образования взрывоопасных смесей. В качестве гарантирующего элемента безопасности источника используется силовой вакуумный контейнер, в котором размещается камера с дейтерием. Проведённый анализ аспектов безопасности дейтериевого источника показал, что он может безопасно эксплуатироваться на ядерном реакторе. Безопасность обеспечивается правильными техническими, конструктивными и технологическими решениями.
В пятой главе рассмотрена возможность использования источника с твёрдым дейтерием для получения интенсивных потоков ультрахолодных нейтронов. Интересные перспективы открываются при использовании твёрдого дейтерия на импульсных нейтронных источниках. В импульсе достигаются высокие нейтронные потоки, а промежуток времени между импульсами позволяет понизить температуру замедлителя до первоначального значения. Одним из основных элементов такого источника служит ловушка УХН, в которую ультрахолодные нейтроны поступают в момент импульса. В ней нейтроны хранятся и отбираются на экспериментальные установки между импульсами. Такой принцип работы позволяет получить плотность УХН на уровне 3400 н/см3 в нижней части ловушки, откуда производится отбор нейтронов для экспериментов.
Предложен и находится на реализации проект фабрики ультрахолодных нейтронов в Швейцарии (Paul Scherrer Institute). Проведены расчёты по определению оптимального расположения источника относительно протонной мишени. Определён размер замедлителя и выбран материал протонной мишени. Выполнены расчёты температуры твёрдого дейтерия, определены возможные параметры импульса: сила тока, длительность импульса, цикличность.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Для изучения возможностей и эффективности криогенного нейтронного источника нового поколения с высокой плотностью УХН в Петербургском институте ядерной физики Российской академии наук на реакторе ВВР-М впервые была реализована модель источник ультрахолодных нейтронов с использованием твёрдого дейтерия.
Источник объемом 6 литров содержит 1 кг твердого дейтерия и находится в нейтронном потоке 11012 нсм-2с-1. Удельные радиационные тепловыделения в дейтерии составляют 15 Вткг. Производство УХН происходит в камере с твёрдым дейтерием, а их транспортировка осуществляется с помощью нейтроноводной системы. Камера источника размещается в контейнере, который служит вакуумным чехлом и одновременно силовым кожухом для локализации взрыва стехиометрической смеси дейтерия с воздухом в случае максимально возможной проектной аварии.
2. Впервые была экспериментально исследована эффективность использования твёрдого дейтерия для создания источника ультрахолодных нейтронов. Для источника с твёрдым дейтерием фактор выигрыша составил 1230 раз. Фактор выигрыша определялся как отношение выхода УХН из источника с холодным замедлителем к выходу УХН из источника, заполненного газообразным замедлителем при температуре 300 К.
3. Измерены нейтронные спектры для жидкой фазы дейтерия в источнике при температуре 19-20 К и для твердой фазы при температуре меньше 10 К.
4. Экспериментально показано, что фактор выигрыша относительно жидкой фазы увеличивается в 3 раза при переходе дейтерия в твердую фазу и достигает 10 раз при температуре 10 К. Исследован эффект увеличения выхода из дейтериевого источника нейтронов разных длин волн.
5. Экспериментально исследовано прохождение нейтронов через твёрдый дейтерий и впервые была отмечена зависимость выхода нейтронов от структуры образца твёрдого дейтерия.
6. Измерено поперечное сечение для нескольких различных орто-пара составов дейтерия. Зависимость поперечного сечения от орто-пара состава дейтерия заметно проявляется для больших длин волн. Например, для нейтронов с длиной волны около 150 полное поперечное сечение при взаимодействии с нормальным дейтерием (66% орто фазы) приблизительно в 1,5 раза больше чем для дейтерия орто- дейтерия (93% орто фазы).
7. Проведены экспериментальные исследования эффективности водород-дейтериевых смесей для источников холодных нейтронов. Впервые экспериментально показано, что для источников холодных нейтронов объемом 3-5 литров водород-дейтериевые смеси являются более оптимальными, чем чистый дейтерий и чистый водород.
8. Разработана и апробирована концепция безопасности при использовании криогенного водородного нейтронного источника на реакторе, что позволило создавать и безопасно эксплуатировать подобные источники на протяжении ряда лет.
9. Предложено использование твердого дейтерия для производства ультрахолодных нейтронов на импульсных ускорителях. Идея состоит в том, чтобы использовать высокую импульсную нейтронную плотность импульсного источника и затем удерживать УХН в большом объеме ловушки в течение длительного времени до следующего нейтронного импульса. Плотность УХН в ловушке источника будет составлять 3103 н/см3. Такая плотность будет на 2-3 порядка величины больше, чем на современных источниках УХН.
10. Разработана концепция импульсного источника с использованием твёрдого дейтерия для производства УХН в PSI, Швейцария.
11. Получен патент на изобретение № 2144709. Зарегистрирован 20.01.2000г. Авторы: Захаров А.А., Митюхляев В.А., Серебров А.П.. Способ получения ультрахолодных нейтронов.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. T. Grosz, L.Rosta, V. Mityoukhlaev, A.Serebrov, A.Zakharov. “Cryogenic system of the liquid hydrogen cold neutron source at the Budapest research reactor”. Proceedings of the Fourth International Conference Cryogenics 96, 1996. - P. 65-68.
2. A.P.Serebrov, E.A.Kolomenski, M.S.Lasakov, V.A.Mityukhlyaev, A.N.Pirozkov, I.A.Potapov, V.E.Varlamov, A.V.Vasiliev, A.R.Young, A.A.Zakharov. “Experimental studies of very cold neutrons passing through solid deuterium”. Preprint PNPI- 2415, 2001. - P.15.
3. I.S. Altarev, V.A. Mityukhljaiev, A.P. Serebrov, A.A. Zakharov, “Cold and ultracold neutron sources in Gatchina, Russia”. Journal of Neutron Research , Vol. 1, No. 4, 1993. - P. 71-77.
4. Altarev I.S. et.al., “A liquid hydrogen source of ultra-cold neutrons”. Physics Letters A, Volume 80, Issues 5-6, December 1980. - P. 413-416.
5. T.Grosz, V.A. Mityukhljaiev, L.Rosta, A.P. Serebrov, A.A. Zakharov, “Liquid hydrogen cold moderator optimization at the Budapest Research Reactor”. Physica B, Volumes 234-236, June 1997. - P. 1194-1195.
6. T. Grуsz, T. Hargitai, V. A. Mityukhlyaev, L. Rosta, A. P. Serebrov, A. A. Zaharov, “Thermo-hydraulic test of the moderator cell of LH2 cold neutron source at BNC”, Physica B, Volumes 276-278, March 2000. - P. 214-215.
7. И.С. Алтарев, Б.Г. Ерозолимский, А.А. Захаров, С.Г Кирсанов, И.А. Кузнецов, В.А. Митюхляев, А.П. Серебров. “Универсальный жидководородный источник поляризованнных холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М ЛИЯФ” Письма в ЖЭТФ, том 44, вып. 6, 1986. - C. 269-272.
8. И.С. Алтарев, Б.Г. Ерозолимский, А.А. Захаров, С.Г Кирсанов, И.А. Кузнецов, В.А. Митюхляев, А.П. Серебров. “Универсальный нейтронный источник с контуром естественной циркуляции жидкого водорода реактора ВВР-М”, Препринт ЛИЯФ № 1406, 1988. - 15 с.
9. A.P.Serebrov, V.A. Mityukhlyaev, A.A. Zakharov, V.V. Nesvizhevsky, A.G.Kharitonov. “Is it possible to produce next generation of UCN sources with a density 103-104 cm-3?” JETP Letters vol.59, issue 11, 1994.- P. 757-762.
10. A.P. Serebrov, V.A. Mityukhlyaev, A.A. Zakharov et.al. “Studies of solid deuterium source of ultracold neutrons and hydrogen-deuterium mixtures for cold neutron sources”, Preprint PNPI № 2200, 1997. - P. 25.
11. A.P. Serebrov, V.A. Mityukhlyaev, A.A. Zakharov, et. al. “Spallation USN source (UCN-factory)”. Preprint PNPI № 2206, 1997.- P.18.
12. A.P. Serebrov, V.A.Mityukhlyaev, A.A.Zakharov et. al. “Experimental study of a solid-deuterium source of ultracold neutrons”.JETF Lett. Vol 62, No. 10, 1995. - P. 785 - 790.
13. Серебров А.П., Митюхляев В.А., Захаров А.А. и др., “Твердодейтериевый источник ультрахолодных нейтронов на импульсном спалейшен-источнике”. Письма в ЖЭТФ, т. 66, №12 ,1997. - С.765 - 770.
14. A.P. Serebrov, V.A.Mityukhlyaev, A.A.Zakharov et. al.. “Solid deuterium and UCN factory: application to the neutron electric dipole moment measurement”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440, 2000. - P 658-665.