Горизонты научного поиска

4 декабря в ЛНФ состоялся общелабораторный семинар, на котором ведущий научный сотрудник лаборатории Е.П. Шабалин выступил с докладом "Холодный замедлитель нейтронов: проблемы и решения (обзор работ, сделанных в ОИЯИ)".

Открывая семинар, директор лаборатории А.В. Белушкин отметил, что в течение нескольких лет группа сотрудников ЛНФ с коллегами из других институтов под руководством Евгения Павловича проводила исследования радиационной стойкости ряда материалов для нового замедлителя модернизированного реактора ИБР-2. На последнем ПКК по физике конденсированных сред был представлен проект спектрометрического комплекса модернизированного реактора. Окончательное решение, как будут выглядеть спектрометрический комплекс реактора и его замедлители, еще не принято. Этот вопрос предстоит обсуждать на общелабораторных семинарах и НТС ЛНФ. А пока Евгений Павлович подвел некоторые предварительные итоги и рассказал об истории создания замедлителей на реакторах ИБР...

Первый замедлитель был сделан в 1962 году из большого количества слоев полиэтиленовой пленки, за которой размещался бериллиевый отражатель. Он был разработан группой доктора Шкатулы, в которую входил и А.В. Стрелков, рассказавший мне об этом, - я в этих работах еще не принимал участия. Замедлитель давал выигрыш в потоке "холодных" нейтронов (то есть очень медленных, имеющих скорость менее 1 км в секунду) в 15 раз и проработал несколько лет на первом ИБРе. Работы по расчету и моделированию замедлителей стали более интенсивными с организацией отдела ИБР-2. В.М. Назаров и В. Навроцик начали проектировать замедлитель с жидким водородом. Выигрыш на нем получался не более 10. Тогда В.М. Назаров решил использовать придуманный им "гребенчатый" замедлитель. Вместе с Н.А. Гундориным они показали, что в области тепловых нейтронов достигается выигрыш 2, а для холодных нейтронов - до 5-6 раз. Как позднее выяснилось, для холодных нейтронов выигрыш оказался таким же - в 2 раза. Поэтому после запуска ИБР-2 опять вернулись к работам над холодным замедлителем, в которые я уже включился. Сначала решили вновь рассмотреть замедлитель с жидким водородом. Думали, как упростить его конструкцию. Рассматривали разные, даже курьезные варианты. Потом поняли, что водород, все-таки, не очень подходящее в реакторе вещество (к тому времени, уже произошли два серьезных происшествия с водородом на реакторах в США и Гатчине, и авария в Чернобыле), и мы занялись работами с метаном.

Прошло уже сорок лет с тех пор, как в мире начали заниматься холодными замедлителями, а до сих пор окончательно не выработана надежная и эффективная их концепция. При их разработке сталкиваются с тремя проблемами. Первая - образование радиолитического водорода. Он не влияет на работу реактора, но при "отогревании" камеры с твердым метаном водород может ее разрушить. Вторая - образование радикалов при облучении метана. Постепенное повышение их концентрации ведет к спонтанному саморазогреву и мгновенному выбросу водорода, что также означает разрушение камеры. К тому же, повышение температуры замедлителя нарушает ход физического эксперимента. Третья проблема - образование высокомолекулярных соединений, которые остаются твердыми даже при комнатной температуре, и их не удается откачать из камеры. Мы пришли к идее замедлителя с проточной циркуляцией шариков из твердого метана, что решает все три проблемы, однако, ставит новые. Кстати, в проекте европейского нейтронного источника ESS пришли к этой же идее независимо от нас.

В 1986 году наши работы над холодным замедлителем несколько затормозились из-за аварии на Чернобыльской АЭС, и вернулись мы к ним только в 1990 г. В 92-м был изготовлен твердометановый гребенчатый замедлитель для ИБР-2 с хорошими показателями - выигрыш составлял 20-25, хотя и был меньше теоретического значения в 2,5 раза. Но конструкция этого замедлителя не решала проблему радиолитического водорода. И однажды "гребенку" разорвало. Кстати, у одного из корифеев импульсных источников нейтронов Дж. Карпентера (США), который с 1985 года работает с твердым метаном, камеры рвались неоднократно, но он продолжает работать с той же конструкцией, оптимизировав режим работы.

Лаборатория нейронной физики.
На полномасштабных стендах ускорителя ЛУЭ-200 установки ИРЕН идет тестирование электронной пушки и ускоряющих секций.
На снимках Юрия Туманова: старший инженер Ю.А. Метелкин, ведущий научный сотрудник А.П. Сумбаев.

В 1994-м мы спроектировали новый метановый замедлитель с бериллиевыми блоками, который должен был решить проблему радиолитического водорода. И хотя эту проблему мы решили, но ценой частых отжигов (то есть повышения температуры метана) и наличия "рваного" спектра нейтронов (со срывом при 4-х ангстремах), что оказалось неудобно для нейтронных экспериментов. Пришлось работать при высокой температуре в 70° К, и выход холодных нейтронов снизился. Мы вынуждены были принять такую схему работы: в основном работаем с гребенчатым водяным замедлителем, а если возникает необходимость, то устанавливаем холодный метановый замедлитель. Тут приходится выбирать: или в двадцать раз меньше холодных нейтронов, но с гладким спектром, или больше, но с рваным спектром, мешающим экспериментаторам.

Таким образом, и принятая сегодня схема не идеальна. Но благодаря поддержке международной коллаборации по перспективным холодным замедлителям (АСОМ) успешно продвигается разработанная нами программа совершенствования холодного замедлителя, которая почти завершена. В первую очередь, мы провели исследования радиационных свойств различных веществ. Наиболее подходящим оказался мезителен, выход водорода из которого в 10-12 раз меньше, чем из метана. А если в него добавлять ароматические углеводороды, как предложил И. Натканец, то выход водорода уменьшается еще вдвое, а выход нейтронов увеличивается. Свободные радикалы в мезителене не образуются вообще. Его можно использовать при любой температуре. Хотя мезителен дает меньше холодных нейтронов, чем метан, но замедлитель с мезителеном можно расположить ближе к активной зоне, и выход нейтронов будет не хуже, чем при использовании метана. И при этом не будет рваного спектра и опасности разрыва камеры. Мы исследовали также водяной лед. В нем накапливается в 3,5 раза больше радикалов, чем в метане, и спонтанные выбросы водорода происходят гораздо чаще.

На семинаре побывала
Ольга Тарантина