Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0049

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0049
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Название доклада
Исследование и разработка импульсных нейтронных генераторов для реализации технологий атомной энергетики, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом.
Докладчик
Школьников Эдуард Яковлевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
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.
Актуальность и новизна исследования
Развитие атомной энергетики показало большую востребованность использования импульсных
нейтронных генераторов (ИНГ) в различных ее технологиях. В качестве примера таких технологий можно
выделить следующие: контроль степени подкритичности размножающих сред на остановленных реакторах и хранилищах отработавшего ядерного топлива, 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, определения типа матрицы контейнера и количества содержащихся в нем делящихся материалов, применение ИНГ в таких сопутствующих атомной энергетике технологиях, как каротаж урановых скважин.
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 0 С и выше);
•увеличение выхода нейтронов
•повышение стабильности работы
•сокращение габаритов.
Однако, несмотря на интенсивность научно-технологических и конструкторских работ рабочие характеристики выпускаемой аппаратуры все еще значительно отличаются от требуемых, сформулированных выше. В этой связи становится необходимым проведение поисковых теоретических и экспериментальных работ, направленных на понимание ряда ключевых все еще не известных физических процессов,
сопровождающих работу ИНГ, а также для исследования новых направлений, наметившихся в последнее
время в развитии ИНГ.
Описание исследования

Ранее проведенные эксперименты по формированию потоков ускоренных дейтронов в диодах с подавлением электронной проводимости полем постоянных магнитов выявили недостатки, связанные со сложной конфигурацией магнитного поля и его неоднородностью. Они проявляются в невозможности создания во всем пространстве между катодом и фронтом лазерной плазмы индукции магнитного поля на уровне >0.4 Тл, требуемого для полного подавления электронной проводимости диода при W>0.1 Дж. Это приводит к пробойным явлениям в области диодного зазора и неполному извлечению и ускорению дейтронов. Авторами было установлено, что подобные недостатки в меньшей степени проявляются в диодах с импульсной магнитной изоляцией. Из обзора работ по импульсным ускорителям ионов следует, что наибольший коэффициент полезного действия, а также ток и напряжение ускорителя достигнут в диодах с магнитной изоляцией электронов. Поэтому для дальнейшего исследования систем подобного рода был разработан стенд, структурно состоящий из вакуумного поста; вакуумной камеры с высоковольтными и оптическими вводами; ВНТ внутри камеры на основе ускорительного ионного триода с импульсной магнитной изоляцией у катода и лазерной мишенью на аноде; импульсного лазера с частично прозрачными зеркалами и фокусирующим-сканирующим устройством на его трассе; модернизированный под решаемую задачу высоковольтный ГИН по схеме Аркадьева-Маркса; системы регистрации импульсов тока и напряжения на основе комбинации ряда поясов Роговского и омических шунтов. Плазменный анод диода формировался под действием излучением лазера с длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10 нс, энергией импульса излучения до W=1 Дж, плотностью мощности на мишени 5·1015 Вт×м–2. Ускоряющее напряжение до 300 кВ создавалось с помощью модернизированного генератора импульсного напряжения (ГИН) Аркадьева-Маркса с запасенной энергией 50 Дж при частоте повторения 1 Гц. Изолирующее электроны магнитное поле более 0,6 Тл формировалось импульсом тока первого каскада ГИН в спиральной линии перед катодом конической формы. За счет точной синхронизации импульсов лазера, ГИН, импульсного магнитного поля достигнуто устойчивое ускорение дейтронов до энергии 300 кэВ с током до 1,5 кА при длительности импульса 0,3 мкс.

Разработана Производственная методика изготовления многослойной мишени ВНТ (Mo\Zr\Y2O3\Ti\Y2O3\Ti) в одном цикле плазменного напыления. Составлен Лабораторный технологический регламент к производственной методике. Согласно методике, напыление всех шести слоёв многослойной мишени производится в одной плазменной напылительной установке. Разработаны режимы последовательного напыления каждого из последующих слоёв, обеспечивающие высокую адгезию слоёв мишени в условиях работы мишени Вакуумной нейтронной трубки (ВНТ). Методика допускает автоматизированное ведение процессом напыления. При реализации методики в крупногабаритной вакуумной камере, снабжённой устройством подготовки и загрузки подложек и устройством выгрузки напылённых мишеней, возможно одновременное напыление большого числа мишени в автоматизированном режиме и создание серийного производства мишеней.   

Проникновение плазмы в ускоряющий промежуток, если она не успевает закоротить его, позволяет существенно увеличить ток дейтронного пучка по сравнению с предельным вакуумным током однокомпонентного потока дейтронов, ограниченным пространственным зарядом, за счет сокращения эффективной длины ускоряющего промежутка Если парциальный ток Ipd дейтронов существенно превышает предельный ток диода для однокомпонентного потока дейтронов Id, то плазма может затормозиться только, проникнув внутрь практически на всю длину ускоряющего промежутка, когда (за счет уменьшения эффективного ускоряющего промежутка или нарастания напряжения) отбираемый из нее ток сравнится с парциальным. Чтобы увеличить полезный ток дейтронов на мишень можно воспользоваться следующими способами. Первый, тривиальный, увеличить радиус мишени с 0.6 см до 1 см, при этом полезный ток возрастает примерно в 1.5 раза. Второй способ - использовать секционированный диод. Применение секционированного диода позволяет существенно увеличить полезный ток дейтронов.

Однородность распределения магнитных полей в объеме ИИ ГНТ может быть улучшена применением дополнительных магнитных экранов и концентраторов. При пропускании через опытный образец соленоида импульса тока амплитудой I=5 А в центральной части ИИ ГНТ формируется поле с индукцией до B=1100 Гс, что превышает уровень индукции магнитный полей от постоянных магнитов 

Результаты исследования

Полученные в 2016 году экспериментальные данные позволяют оценить перспективы генерации нейтронов в рассматриваемой диодной системе. Оценки нейтронного выхода были сделаны для ядерных реакций T(d,n)4He и D(d,n)3He, традиционно используемых в малогабаритных генераторах нейтронов. Расчет проводился для мишеней из титана, равномерно насыщенного тритием или дейтерием до коэффициента стехиометрии k = 1.5. Результаты расчета нейтронного выхода представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты расчета – Q(W) нейтр./имп.

 

Ядерная

реакция

W, мДж

80

W, мДж

200

W, мДж

380

W, мДж

750

T(d,n)4He

2×1010

4×1010

6×1010

8×1010

D(d,n)3He

1.5×108

3×108

4×108

6×108

Экспериментально реализовано пропорциональное увеличение числа ускоренных дейтронов с ростом энергии излучения лазера с наносекундной длительностью импульса при сохранении размеров  разработанного  авторами ионного диода с импульсной магнитной изоляцией электронов при повышенном  ускоряющем напряжении. Тем самым показана возможность повышения нейтронного выхода малогабаритного ИГН до 8×1010 нейтр./имп. (реакция D+T) при амплитуде ускоряющего напряжения ≥ 300 kV и энергии лазера 0,75 Дж, что на порядок превосходит выходы нейтронов за импульс в аналогичных по энергозапасу и потребляемой мощности зарубежных малогабаритных макетах нейтронных генераторов.

Результатом исследование явилось 1) разработка полного цикла напыления в газовом разряде многослойной мишени для Вакуумной нейтронной трубки, выполняемого без прерывания процесса напыления и выноса напыляемой мишени на атмосферу; 2) выполнение необходимого тестирования напылённых мишеней и на этой основе оптимизация режимов напыления слоёв мишени, позволяющих получить многослойные мишени, параметры которых не деградируют в рабочих условиях ВНТ. Публикации о разработках многослойных мишеней свидетельствуют о том, что многочисленные предложения о целесообразности их создания и выполненные эксперименты не привели до настоящего времени к созданию и успешному испытанию выполняемых разработок.

Размещение даже плоской сетки в середине диода в составе вакуумной нейтронной трубке позволяет увеличить полезный ток практически до полного тока на анод. Основной причиной потерь остается веерная эмиссия ионов со всей поверхности плазмы внутри диода. Применение профилированной сетки позволяет обеспечить 100% эффективность использования тока дейтронов как за счет сеточной фокусировки, приводящей к уменьшению расходимости ионного пучка в собственном поле во второй секции диода из-за большей энергии ионов, так и за счет короткого основного ускоряющего промежутка с увеличенным ускоряющим градиентом.

Проведенные измерения показали, что при использовании магнитной системы на основе неоднородных соленоидов создаются условия для получения более однородного распределения магнитного поля по сравнению с постоянными магнитами. Однородность распределения магнитных полей в объеме ИИ ГНТ может быть улучшена применением дополнительных магнитных экранов и концентраторов. При пропускании через опытный образец соленоида импульса тока амплитудой I=5 А в центральной части ИИ ГНТ формируется поле с индукцией до B=1100 Гс, что превышает уровень индукции магнитный полей от постоянных магнитов. Полученные данные показывают, что созданные образцы однородных и неоднородных соленоидов позволяют проводить исследования характеристик разряда в ячейке Пеннинга ИИ ГНТ в широком диапазоне экспериментальных условий. 

Практическая значимость исследования
К настоящему времени выявлены два органически присущих конструкции ВНТ процесса, ограничивающих ресурс работы ВНТ. Это десорбция трития из слоя-сорбента, как во время импульса облучения, так и между импульсами; накопление в слое сорбенте излишнего количества изотопов водорода и ускорение в силу этого десорбцию трития из мишени.
В конструкции предлагаемой многослойной мишени предусмотрены решения, препятствующие развитию обоих этих факторов. Формирование слоя-аккумулятора за слоем-сорбентом позволит аккумулировать затормозившиеся облучающие ионы и, тем самым, предотвратит пересыщение слоя сорбента изотопами водорода. Перед слоем-аккумулятором располагается барьерный слой, затрудняющий диффузию изотопов водорода из слоя-сорбента.
Оценки показывают, что предлагаемая многослойная мишень обеспечит в 5-10 раз более высокий ресурс по сравнению с однослойной мишенью подобных габаритов.
Предполагается предложить разработку вниманию ИНИИА им Духова.

Результаты 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, энергоэффективности, 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.
Главным эффектом внедрения разработанного импульсного генератора нейтронов с повышенным выхода за импульс является существенное (на порядок) уменьшение времени проведения анализов.