Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка импульсных нейтронных генераторов для реализации технологий атомной энергетики, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом.

Номер контракта: 14.575.21.0049

Руководитель: Школьников Эдуард Яковлевич

Должность: Заведующий кафедрой

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
нейтронный генератор, импульс, нейтронная трубка, мишень д-т реакция, ядерная технология, нейтронная радиография.

Цель проекта:
Целями выполнения ПНИ является исследование и разработка импульсных нейтронных генераторов на вакуумных и газонаполненных нейтронных трубках с повышенным ресурсом работы, возможностью работы при повышенных температурах окружающей среды и высокой энергоэффективностью для применения в технологиях атомной энергетики, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом.

Основные планируемые результаты проекта:
Задачи исследований структурированы в проекте по следующим направлениям:
• выявление режимов работы ВНТ и ГНТ в составе ИНГ, реализующие максимальные рабочие характеристики.
• исследования новых конструкций узлов и элементов ВНТ и ГНТ в составе ИНГ с целью получения высокоэффективных нейтронных генераторов.
• исследование ИНГ, отличающихся новыми подходами к генерации нейтронных потоков, в том числе, работающих на новых принципах
• исследование новых конфигураций твёрдых мишеней для генерации нейтронных потоков, отличающихся стабильностью и долговечностью работы.
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по оборудованию для многослойных мишеней ВНГ и ГНТ, анализа динамики нейтронов в ВНТ ИНГ на основе лазерного диода с магнитной изоляцией.
2. Разработка экспериментального стенда, результаты теоретических и экспериментальных исследований по многослойным мишеням, определение эффективных режимов работы ВНТ в составе ИНГ.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ячейки Пеннинга и мультиячеистого анода ГНТ, определение режимов работы ИНГ на основе инерциального удержания ионов, оптимизированные по количеству и качеству слоев мишени.
4. Разработка стенда для испытаний ИНГ на основе ионного триода с магнитной изоляцией. Результаты теоретического и экспериментального исследования уменьшения потерь ионов в ВНТ и влияния импульсных магнитных полей в ГНТ. Результаты комплексного тестирования многокомпонентных мишеней.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автокатодов и источники ионов ГНТ, ускорительного ионного триода с магнитной изоляцией, оптимизированные многослойные мишени.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Развитие атомной энергетики показало большую востребованность использования импульсных нейтронных генераторов (ИНГ) в различных ее технологиях. В качестве примера таких технологий можно выделить следующие:
Весьма актуальной задачей является контроль степени подкритичности размножающих сред на остановленных реакторах и хранилищах отработавшего ядерного топлива. Сложности этого процесса заключаются в проведении измерений в глубоко подкритичном состоянии без возможностей выхода в критическое состояние. Проведенные в этом направлении работы показали большую перспективу применения импульсного метода измерения реактивности с использованием импульса нейтронов. Необходимость использования ИНГ при измерениях подкритичности диктуется дефицитом нейтронов на остановленных реакторах при постановке экспериментов без выхода в критическое состояние.
Еще одним направлением использования импульсных нейтронных генераторов в технологиях атомной энергетики является быстрая нейтронная радиография с помощью ИНГ с методом меченых частиц. Это позволяет получать радиографические изображения, используя быстрые нейтроны на базе дейтерий-тритиевых ИНГ по методике т.н. меченых нейтронов. Эти нейтроны оказались чрезвычайно полезными для проведения радиографических измерений различных конфигураций делящихся и неделящихся материалов при анализе радиографических изображений. Радиографические изображения на быстрых нейтронах раскрывают огромное количество возможностей для их широкого применения. Преимуществами быстрых нейтронов являются их более высокая проникающая способность для материалов с высоким атомным номером и более простое распознавание материалов с использованием моноэнергетичного источника.
Отмечен значительный эффект при использовании импульсных нейтронных генераторов с целью определения типа матрицы контейнера и количества содержащихся в нем делящихся материалов. Это связано с тем, что собственно гамма-излучение U235 или Pu239 имеет слабую проникающую способность и во многих случаях сравнительно низкую для практических применений интенсивность, к тому же сюда надо добавить и эффект самоэкранировки. Исследования показывают, что применение ИНГ позволяет с высокой чувствительностью определять отклики делящихся материалов в отходах ядерного производства с матричными материалами, находящимися в замкнутых контейнерах, без их вскрытия.
Наконец, совершенно особое место занимает применение ИНГ в таких сопутствующих атомной энергетике технологиях, как каротаж урановых скважин. Все это определяет актуальность и новизну темы работы.
Новые условия работы ИНГ в отмеченных выше технологиях поставили вопрос о создании по сути дела нового поколения ИНГ, основными отличительными чертами которых должны быть следующие:
• увеличение по сравнению с существующими срока службы в 5-10 раз;
• повышение способности к внешним воздействиям, в частности, расширение рабочего температурного диапазона (до 175 0С и выше);
• увеличение выхода нейтронов и энергоэффективности режимов работы
• повышение стабильности работы
• сокращение габаритов.
В настоящее время ИНГ на вакуумных нейтронных трубках (ВНТ) и газонаполненных нейтронных трубках (ГНТ) производятся как в России, так и ряде зарубежных стран (США, Франция, Япония). Однако, несмотря на интенсивность научно-технологических и конструкторских работ рабочие характеристики выпускаемой аппаратуры все еще значительно отличаются от требуемых, сформулированных выше, что является обоснованием необходимости проведения НИР в рамках Соглашения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПИ будут использованы для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание импульсных нейтронных генераторов с повышенными рабочими характеристиками по ресурсу работы, величине рабочих температур, энергоэф-фективности, стабильности работы, нацеленных на применение в различных задачах и технологиях атомной энергетики, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом. Учитывая планы госкорпорации РОСАТОМ, а также планы зарубежных производителей продукции атомной энергетики можно с уверенностью говорить о большой востребованности исследуемой в ПНИ аппаратуры, весьма масштабном и долгосрочном ее применении. Учитывая также большую потребность ИНГ практически с теми же параметрами в смежных областях атомной энергетики, таких как каротаж урановых скважин, досмотровых систем на предмет выявления ядерных материалов, нейтронной радиографии и томографии можно также утверждать о богатых возможностях коммерциализации продуктов разработки ПНИ. Социально-экономический эффект проекта состоит в существенном расширении производства уникального технологического оборудования для нужд атомной энергетики – отрасли, использую-щей высокообразованные научные кадры, повышение производительности и качества труда.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году после анализа исследований ускорительных систем с инерциальным удержанием ионов разработан проект и собран новый экспериментальный стенд разрядного модуля газонаполненного ИНГ.
Основу конструкции разрядного модуля составляет аксиальная геометрия с полым центральным катодом, охватываемым внешним цилиндрическим анодом. Конструкция электродов имеет ряд новых принципиальных дополнений. В первую очередь это связано с возможностью увеличения концентрации ионов в разрядном объеме за счет процессов ускорения и столкновения заряженных частиц при их движении в скрещенных ExH полях, что позволит увеличить общий ток ускоренных ионов.
Анод имеет форму полого цилиндра (внутренний диаметр 6 см, высота 4 см) и выполнен в виде постоянного магнита с магнитным полем осевого направления. Катод состоит из двух соосных цилиндров (диаметр 3 см), выполненных из постоянного магнита, намагниченных вдоль оси цилиндров в одном направлении. Величина индукции магнитного поля в центральной области разрядного объема меняется в пределах 1÷4 кГс. Анод и катоды размещаются в диэлектрической вакуумной камере, заполняемой остаточным газом, водородом или дейтерием при регулируемом давлении 10−1÷10−3 торр. Импульс ускоряющего напряжения подается в вакуумную камеру через высоковольтный ввод, изолятор которого рассчитан на рабочее напряжение до 200 кВ. Для контроля тока разряда предназначены пояса Роговского (П1 и П2), сигнал с которых передается кабелем на цифровой осциллограф.
Предельное ускоряющее напряжение определяется геометрическими размерами малогабаритного генератора исходя из способности работать в режиме отсутствия пробоев и составляет в данном случае 200-300 кВ за счет применения магнитной изоляции. Для газонаполненных нейтронных трубок предельное ускоряющее напряжение составляет величину 100-120 Кв.
Эксперименты по определению параметров предельных тока и плотности тока ускоренных дейтронов выполнены на макете рабочей камеры. Измерительная система для тока включает в себя два пояса Роговского (1 В на осциллограмме эквивалентен 1 А) и осциллограф. Из данных осциллограммы предельный ток ионов в данной системе газонаполненной трубки составляет порядка 1,0 кА. Плотность тока ионов у анода составляет величину порядка 12 А/см2. Плотность тока ионов у катода составляет величину порядка 24 А/см2.
В ходе экспериментальных исследований, выявлено, что оптимальное давление дейтерия регулируется следующим соотношением:
3x10-3 > PD > 3x10-2
Верхний предел давления определяется тем, что при больших давлениях происходит стремительное увеличение тока и наступает пробой. Нижний предел давления определяется исходя из того, что при меньших давлениях газа ток имеет тренд к существенному снижению.
Изолятор должен иметь развитую поверхность, чтобы исключить возможность существования паразитного шунтирующего разряда в периферийной области, расположенной в тени катода. Разряд должен зажигаться только в центральной цилиндрической области, ограниченной внутренним диаметром анода и расстоянием между катодными дисками. Для его стабилизации и уменьшения молекулярных ионов дейтерия используется внешнее магнитное поле, формируемое постоянными магнитами на катоде и аноде.
Величина индукции магнитного поля должна быть такой, чтобы ларморовский радиус ускоренных дейтронов был больше диаметра анода. При этом ларморовский радиус ускоренных электронов должен быть меньше ширины промежутка между анодом и катодом, тем самым достигается высокий КПД использования энергии импульса высоковольтного источника исключительно на ускорение ионов.
В настоящее время разработаны постоянные магниты, например, из NdFeB, которые обеспечивают необходимую величину индукции магнитного поля в выбранной геометрии. Магнитное поле магнитных элементов препятствуют продвижению к аноду электронов, образующихся в межэлектродном промежутке.
Таким образом, проведенные исследования показывают реальную возможность создания отпаянной газонаполненной нейтронной с выходом за импульс на реакции D+D 107 нейтронов, что соответствует современному уровню разработок ИНГ.
Разработаны исходные данные для анализа пучково плазменных процессов в источнике ионов ГНТ с помощью кода КАРАТ. Для подвода напряжения в модели используются коаксиальные волноводы с ТЕМ-волной. Наиболее интенсивная ионизация происходит в центральной газовой области источника под анодом.
Код КАРАТ может обрабатывать до 106 крупных частиц, поэтому при начальном их количестве 104 не удавалось описать выхода на стационар. В этой связи была разработана методика, позволяющая описать эволюцию ионного тока, которая основана на равенстве частот ухода на анод электронов из-за их дрейфа и частоты рождения частиц из-за ионизации. Благодаря этому удалось определить характеристики и источника ионов ГНТ (величина тока ионов дейтерия, длительность фронта токов, интенсивность ионизации газов от параметров ГНТ).
Экспериментальное исследование по анализу физических процессов в источнике ионов ГНТ проводились на исследовательском диагностическом стенде, внутрикамерное описание которого позволяет проводить работу с ионными источниками: подача анодного напряжения, вывод измеренных сигналов, в том числе токов ионной и электронной компоненты, давления рабочего газа. Эксперименты проводимые с ячейкой Пеннинга были направленны также на нахождения условия т.н. «быстрого старта», при котором реализовались крутые фронты нейтронных потоков. Экспериментальные исследования были проведены также на экспериментальном стенде основу которого составляет высоковольтный импульсный генератор с регулируемым передним фронтом импульса. Исследовалась ГНТ, разработанная в ВНИИА им. Н.Л. Духова. Исследования показали, что при сокращении длительности фронта входного напряжения на порядок с 5мкс до 500 нс фронт импульсов токов практически не меняется (порядка 5 мкс). В это же время увеличивается длительность активного тока разряда. Также эксперименты показали уменьшения длительности фронта импульса тока ионов на мишени с ростом рабочего давления ГНТ.

Произведена подготовка и модернизации установки вакуумно-плазменного осаждения покрытий «ДЕКОР» для напыления многослойных мишеней. Модернизирована вакуумная камера установки для напыления различных компонентов многослойной мишени, модернизированы блоки питания, изготовлена система подачи потенциалов на мишени для распыления каждой из мишеней в соответствии с программой эксперимента.
Для напыления слоев и сравнительного тестирования компонентов многокомпонентной мишени подготовлен Стенд осаждения покрытий и тестирования материалов «СОПТМАТ». Модифицирован узел мишеней, установлен и протестирован масс-спектрометрический модуль и разработана методика тестирования напыленных покрытий. Модернизирован и подготовлен Многофункциональный исследовательский комплекс масс-спектрометрического анализа «МИКМА» для исследования захвата водорода компонентами многослойной мишени. Проведена модернизация и подготовка вторично-ионного масс-спектрометра МИ-1201Э для исследования элементного состава компонентов мишени. Модернизирована вакуумная система, позволившая получать безмасленный состав остаточного газа и понизить его давления до 2×10-8 Торр.
Изучены процессы на поверхности титана и других гидридообразующих металлов под действием ионной бомбардировки. В частности, исследованы закономерности захвата газа, его удержания и десорбции при облучении титана, цирконий и иттрий) ионами при облучении ионами дейтерия в условиях рабочих температур ВНТ. Проведены эксперименты по сравнению характера десорбции водорода из дейтерида титана (TiD1,7), при температуре 350oС без облучения и при стационарном и импульсном облучении ионами. На молибденовую подложку напылялся слой металла с отрицательной теплотой растворения водорода (слой-аккумулятор), в который будут влетать и захватываться ионы дейтерия после того, как они затормозятся в слое сорбенте примерно до 20 КэВ. Слой–аккумулятор и слой-сорбент разделяет барьерный слой, предотвращающий диффузию в титан дейтерия из аккумулятора. На слой титана напыляется внешний барьерный слой, тормозящий термодиффузию из слоя-сорбента. У многослойной мишени будет больший ресурс, из-за меньшей десорбции трития из слоя-сорбента, что обеспечивается 1) предотвращением пересыщения слоя-сорбента из-за того, что в нем не будут накапливаться внедряющиеся ионы дейтерия н 2) подавлением десорбции трития из мишени внешним барьерным слоем. В качестве оптимального состава поверхностного барьерного слоя для титановой мишени выбран слой иттрия со слоем оксида иттрия, образуемом на нём в условиях работы ВНТ. Разработана методика нанесения слоя иттрия на поверхность титановой мишени.
Исследована термическая стойкость слоя–аккумулятора в зависимости от параметров и режимов нанесения барьерных слоев. Покрытие, толщиной 50 нм, обеспечивало уменьшение более чем в 10 раз десорбцию дейтерия из мишени при прогреве в течение 250 минут при Т=623 К. Показано, что такой слой оксида иттрия может увеличить ресурс мишени до 5 раз. Разработаны условия работы мишени, включающие, подпыление иттрия на поверхность титанового слоя за счёт атомов, распыляемых облучающими ионами с мишенного электрода, предварительно покрываемого слоем иттрия.
Подготовлены полированные молибденовые подложки и проведено вакуумно-плазменное напыление 5 образцов многослойных мишеней. Проведено циклическое облучение ионами дейтерия многослойной мишени без и с нанесённым барьерным слоем, в условиях максимально воспроизводящим условия работы мишени в нейтронной трубке. Показано, что внешний барьерный слой тормозит десорбцию дейтерия от 4 до10 раз в зависимости от характера напыления барьерного слоя. Выявлена неоднородность барьерного слоя по толщине, в результате не достаточного сглаживания рельефа подложки и, соответственно, напыляемых слоёв. Выявлена необходимость оптимизации нанесения барьерного слоя и уменьшения рельефа молибденовой подложки.
Поведена работа по улучшению степени полировки молибденовой мишени и отработке режима напыления барьерного слоя. Проведённая работа позволила получить на 5 вновь напылённых мишенях в среднем 10-кратное уменьшение декорбции дейтерия с отклонением не более ±10%, как и было получено раннее при экспериментальном напылении. Выполнено термоциклирование многослойных мишеней до температур 350 °С, и импульсное облучение мишеней ионами дейтерия, показавшее в целом, положительные результаты. Однако, обнаружена недостаточная адгезия внутреннего барьерного слоя к слою-аккумулятору. Проведена оптимизация методики нанесения барьерного слоя: сформирован переходной слой между слоями циркония и иттрия, изменена скорость напыления и повышена температура напыления барьерного слоя иттрия.