Регистрация / Вход
Прислать материал

Формирование платформы нейтронных установок Гатчина-Геестхахт для исследований методами нейтронного рассеяния на реакторном комплексе ПИК

Номер контракта: 14.616.21.0004

Руководитель: Григорьев Сергей Валентинович

Должность: Заведующий отделом исследования конденсированного состояния ПИЯФ НИЦ КИ

Организация: федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
Проект направлен на создание научно-технического задела для формирования российско-германской платформы нейтронных установок и выработки тематики совместных исследований на готовящемся к введению в эксплуатацию в Гатчине научно-исследовательском реакторном комплексе ПИК. Цели выполнения научных исследований сводятся (1) к численному моделированию 8 нейтронных станций, переданных из Германии в Россию, для выработки рекомендаций по их адаптации к новому нейтронному источнику; (2) контрольной сборке 5 нейтронных станций в нейтроноводном зале реактора ПИК; (3) изготовление эталонных образцов и их исследованию на нейтронных установках того же типа с проведением аппроксимации полученных данных. Выполнение ПНИ должно обеспечивать достижение научных результатов мирового уровня, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективного и жизнеспособного научного коллектива.

Основные планируемые результаты проекта:
Численные модели нейтронных установок
1) Численная модель установки малоуглового рассеяния SANS-2 с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект установки малоуглового рассеяния SANS-2;
2) Численная модель установки малоуглового рассеяния SANS-3 с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект установки малоуглового рассеяния SANS-3;
3) Численная модель рефлектометра поляризованных нейтронов NERO с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект рефлектометра поляризованных нейтронов NERO;
4) Численная модель нейтронного стресс-дифрактометра ARES с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект нейтронного стресс-дифрактометра ARES;
5) Численная модель установки ультра-малоуглового рассеяния DCD с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект установки ультра-малоуглового рассеяния DCD;
6) Численная модель нейтронного дифрактометра для измерения текстуры TEX-2 с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект нейтронного дифрактометра для измерения текстуры TEX-2;
7) Численная модель дифрактометра поляризованных нейтронов PolDi с рекомендациями по оптимизации при размещении на реакторе ПИК и дизайн-проект дифрактометра поляризованных нейтронов PolDi.

Контрольная сборка нейтронных установок
1) Контрольная сборка установки малоуглового рассеяния SANS-2 в нейтроноводном зале реактора ПИК.
2) Контрольная сборка установки малоуглового рассеяния SANS-3 в нейтроноводном зале реактора ПИК.
3) Контрольная сборка рефлектометра поляризованных нейтронов NERO в нейтроноводном зале реактора ПИК.
4) Контрольная сборка стресс-дифрактометра ARES в нейтроноводном зале реактора ПИК.
5) Контрольная сборка установки ультра-малоуглового рассеяния DCD в нейтроноводном зале реактора ПИК.

Изготовление и аттестация эталонных образцов для нейтронных установок
1) Серия эталонных образцов многослойных систем Y/Dy для рефлектометра поляризованных нейтронов NERO;
2) 3 серии эталонных образцов моногерманидов переходных металлов для для установки малоуглового рассеяния SANS-2;
3) Серия образцов мембран анодированного оксида алюминия (АОА) для установки малоуглового рассеяния SANS-3;
4) Серия образцов с различной фрактальной размерностью для установки ультра-малоуглового рассеяния DCD;

Изготовление узлов для нейтронных установок
1) Новая конструкция высокоэффективного формирователя пучка с опцией поляризатора для установки малоуглового рассеяния SANS-2;
2) Новая конструкция высокоэффективного формирователя пучка для рефлектометра NERO;
3) Адиабатический радиочастотный флиппер с повышенной эффективностью для рефлектометра NERO:

Патентование научно-интеллектуальной деятельности
1) Заявка на патентование научно-интеллектуальной деятельности по теме «Высокоэффективный формирователь пучка для нейтронного поляризационного рефлектометра».
2) Заявка на патентование научно-интеллектуальной деятельности по теме «Высокоэффективный формирователь пучка с опцией поляризатора для установки малоуглового рассеяния нейтронного пучка».
3) заявка на патентование научно-интеллектуальной деятельности по теме «Способ аттестации когерентного объема нейтронного пучка на установках малоуглового рассеяния нейтронов с помощью мембран анодированного оксида алюминия».
4) Отчеты о патентных исследованиях

Отчеты о прикладных научных исследованиях
1) Аналитический обзор материалов, относящихся к нейтронным исследованиям по физике конденсированного состояния;
2) Отчет по выбранным направлениям решения поставленных задач
3) Рекомендации по созданию магнитных систем поляризаторов и анализаторов нейтронных установок NERO, SANS-2, SANS-3, PolDi;
4) Техническая документация функциональных и электрических схем нейтронных установок NERO, SANS-2, SANS-3, DCD, ARES.
5) Технические задания на изготовление формирователей пучка и анализаторов поляризации для нейтронных установок NERO, SANS-2, SANS-3.
6) Рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ, включая предложения по коммерциализации.
7) Дополнительные главы учебных курсов магистратуры
8) Программа внедрения результатов ПНИ в образовательный процесс.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках научных исследований, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
2 Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Обоснован выбор методики проведения численного моделирования нейтронных установок SANS-2, SANS-3, NERO, DCD и дано описание выбранного способа численного моделирования установок SANS-2, SANS-3, NERO, DCD.
4 Выполнены теоретические исследования путем численного моделирования установок SANS-2, SANS-3, NERO, DCD в исходной конфигурации и даны рекомендации и обоснование путей модернизации установок для реактора ПИК.
5 Установлены потребности нейтронных установок SANS-2, SANS-3, NERO, ARES, TEX-2, POLDI, DCD в оснащении нейтронной оптикой и новыми поляризационными устройствами.
6 Проведены научно-исследовательские работы в области улучшения поляризующей эффективности нейтронных покрытий для нейтронных установок SANS-2, SANS-3, NERO, POLDI.
7 Выполнена контрольная сборка рефлектометра поляризованных нейтронов NERO в нейтроноводном зале реактора ПИК.
8 Ведется контрольная сборка установки малоуглового рассеяния SANS-2 в нейтроноводном зале реактора ПИК.
9 Ведется контрольная сборка установки малоуглового рассеяния SANS-3 в нейтроноводном зале реактора ПИК.
10 Ведется контрольная сборка установки ультра-малоуглового рассеяния DCD в нейтроноводном зале реактора ПИК.
11 Ведется контрольная сборка стресс дифрактометра ARES в зале реактора ПИК.
12 Проведены исследования образцов Y/Dy многослойных систем, эталонных для нейтронных установках типа NERO.
13 Ведутся исследования образцов моногерманидов переходных металлов, эталонных для нейтронных установок типа SANS-2.
14 Планируются исследования образцов мембран анодированного оксида алюминия, эталонных для нейтронных установок типа SANS-3.
15 Планируются исследования образцов с различной фрактальной размерностью, эталонных для нейтронных установок типа DCD.
16 Ведутся исследования образцов с различной степенью стресс- деформаций, эталонных для нейтронных установок типа ARES.
17 Напылительная установка ДИОГЕН в ПИЯФ по производству поляризующих нейтронных покрытий оснащена системой контроля остаточных газов.
18 Создана двухсторонняя российско-германская образовательная программа и начато ее выполнение.
19 Планируется обобщение результатов всех этапов работ и дана оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
20 Планируется оценка конкурентоспособности создаваемых продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР, включая предложения по коммерциализации.
21 Разрабатываются дополнительные главы учебных курсов для студентов, обучающихся в магистратуре.
22 Разрабатываются программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
23 Обоснован выбор методики проведения численного моделирования нейтронных установок ARES, TEX-2, POLDI, FSS и дано описание выбранного способа численного моделирования для установок ARES, TEX-2, POLDI, FSS.
24 Выполнены теоретические исследования путем численного моделирования установок ARES, TEX-2, POLDI, в исходной конфигурации и даны рекомендации и обоснование путей модернизации установок для реактора ПИК.
25 Выполнены теоретические исследования путем численного моделирования для оптимизации рабочих параметров время-пролетного фурье-дифрактометра FSS при его размещении на реакторе IBR-2m (Дубна).

Проведение работ по численному моделированию нейтронных станций осуществляется впервые в практике строительства нейтронных приборов в России. Эти наработки могут и будут использованы при проектировании десятков нейтронных станций реактора ПИК и их последующей модернизации. Для численного моделирования установок SANS-2, SANS-3, NERO, DCD, ARES, TEX-2, POLDI и FSS был выбран программный пакет McStas. Высокая достоверность расчетов McStas подтверждена многочисленными перекрестными вычислениями и экспериментальными проверками. Пакет разрабатывается совместно Датским Техническим Университетом (DTU), Университетом Копенгагена (CU), Институтом Пола Шерера (PSI) и Институтом Лауэ Ланжевена (ILL) – признанных мировых лидеров в области нейтронного рассеяния. McStas использует модифицированный метод Монте-Карло для расчета изменения нейтронных траекторий на оптических элементах, составляющих каждую нейтронную установку. Полученные в результате работ численные модели установок основаны на высокой достоверности расчетов с использованием McStas, базирующейся на многолетнем опыте аналогичных работ, определяющим мировой уровень науки.
На нейтронной установке SANS1 реактора FRM-2 в Мюнхене – аналоге установки по малоугловому рассеянию нейтронов SANS2 – постоянно проводятся совместные эксперименты по исследованию на эталонных образцов с проведением аппроксимации полученных данных и докладами на различных конференциях внутри России и зарубежом.
Поставленные на втором этапе задачи полностью выполнены, что служит твердым фундаментом для решения задач следующего этапа. Работа выполняется в срок в строгом соответствии с календарным планом и техническим заданием. Работы выполненяются на высоком мировом уровне, что обусловлено используемыми методиками и постоянными взаимными консультациями между российской и немецкой сторонами. В рамках проекта проводятся регулярные совещания представителей российского и немецкого партнеров. Немецкие специалисты принимают непосредственное участие в каждом этапе сборки: от моделирования, до тестовых испытаний.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта будут использованы при создании международного центра нейтронных исследований на базе реакторного комплекса ПИК. В частности, будут созданы различные нейтронные установки для исследований по физике конденсированного состояния, такие, например, как рефлектометры, дифрактометры, спектрометры, рефлектометры. С их помощью можно будет проводить диагностику наноматериалов, исследование кристаллической структуры, поверхностей и динамики конденсированного состояния вещества.
Потребителями работ по численному моделированию нейтронных станций и РИД по этой теме являются нейтронные центры и научно-исследовательские организации, которые используют методы нейтронного рассеяния. Их круг достаточно широк, поскольку определяется как перспективой проведения на приборной платформе совместных российско-германских исследований свойств наноматериалов, так и перспективой включения входящих в платформу нейтронных установок в общедоступную на международном уровне пользовательскую систему. Нейтронные установки составят российско-германскую платформу, которая будет одной из важнейших составляющих приборного парка реакторного комплекса ПИК и важнейшим компонентом для создания международного центра нейтронных исследований на реакторе ПИК. Согласно предварительным договоренностям Центр им. Гельмгольца Геестхахт получает 15% нейтронного времени на этих установках после пуска реакторного комплекса ПИК для проведения собственных исследований. Сотрудничество будет включать широкую пользовательскую политику и легкий доступ к приборам, как это в настоящее время реализуется в мировых нейтронных центрах.
Создание нейтронного центра на базе реакторного комплекса ПИК привлечет новых пользователей как из области фундаментальной науки о природе, так и из смежных областей прикладной науки и промышленности.

Текущие результаты проекта:
1) Проведено численное моделирование и оптимизация на его основе установок малоуглового рассеяния SANS-2 и SANS-3, рефлектометра поляризованных нейтронов NERO и установки ультрамалоуглового рассеяния DCD в исходных конфигурациях;
2) За счет иностранного партнера проведено численное моделирование стресс-дифрактометра ARES, дифрактометра для измерения текстуры TEX-2, монокристального дифрактометра поляризованных нейтронов PolDi и Фурье-дифрактометра для измерения остаточных напряжений FSS в исходных конфигурациях;
3) Выработаны рекомендации по модернизации нейтронных установок SANS-2, SANS-3, NERO, ARES, TEX-2, PolDi, DCD при их размещении на реакторе ПИК;
4) Проведено оснащение напылительной установки ДИОГЕН в ПИЯФ по производству поляризующих нейтронных покрытий с нанопрослойками системой контроля остаточных газов;
5) Проанализированы конструкционные решения путей повышения однородности поля магнитных систем многоканальных поляризаторов и анализаторов для нейтронных установок NERO, SANS-2, SANS-3, PolDi;
6) Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-096.
7) Рассчитан формирователь пучка с поляризационной опцией для нейтронных установок NERO и SANS-2.
8) Рассчитан широкоапертурный (100×200 мм2) суперзеркальный веерный анализатор поляризации для рефлектометра NERO.
9) Рассчитана и создана магнитная система с повышенной однородностью поля на юстировочном столе для формирователя пучка с поляризационной опцией рефлектометра NERO.
10) Рассчитана и создана магнитная система с повышенной однородностью поля на юстировочном столе для анализатора рефлектометра NERO.
11) Проведены нейтронные исследования многослойных магнитных и немагнитных покрытий для формирователя пучка рефлектометра NERO и установки SANS-2.
12) Осуществлена контрольная сборка рефлектометра поляризованных нейтронов NERO в нейтроноводном зале реактора ПИК.
13) Изготовлен эталонный для рефлектометра NERO образца Y/Dy.
14) Аттестованы эталонных образцов Y/Dy на рентгеновском рефлектометре с анализом полученных данных.
15) Исследована магнитная структура эталонного образца Y/Dy на действующем нейтронном рефлектометре с анализом полученных данных.
16) Создан адиабатический радиочастотный флиппер с повышенной эффективностью для рефлектометра NERO и проведены его нейтронные испытания.
17) Исследована поляризующая эффективность нейтронных покрытий с нанопрослойками Ti.
18) Исследована кинетика окисления нанослоев Co и перспектив их использования для улучшения поляризующей эффективности нейтронных покрытий.
19) Создана двухсторонняя российско-германской образовательная программа и начато ее выполнение.
20) Подана заявка на патентование научно-интеллектуальной деятельности по теме «Высокоэффективный формирователь пучка для нейтронного поляризационного рефлектометра».
21) Разработана техническая документация функциональной и электрической схемы рефлектометра поляризованных нейтронов NERO в нейтроноводном зале реактора ПИК.