1.3 Твердый дейтерий в качестве источника ухн (Лос-Аламос)

Идея того, что твердый дейтерий (SD₂) может быть использован в качестве источника УХН, принадлежит Голубю и Боенингу [9]. Она состоит в том, что при неупругом рассеянии на SD₂ уже «холодный» нейтрон отдаёт почти всю оставшуюся энергию на внутренние возбуждения в этой среде. В исследовании, проведенном в работе [10], описываются конструкция SD₂ источника и измерения с ним, включая результаты для потока холодных нейтронов и темпов производства УХН. Протоны из ускорителя LANSCE с энергией 800 МэВ поступают к вольфрамовой газоохлаждаемой гелием мишени и создают на ней очень быстрые нейтроны. Для замедления этих нейтронов вокруг мишени есть бериллиевый и графитовый отражатели. В них встроена емкость из твердого дейтерия. Эта емкость содержится в криостате, охлаждаемом жидким гелием и содержащим вертикальную камеру с подвижной крышкой и стенами покрытыми Ni⁵⁸, для того чтобы накапливать ультрахолодные нейтроны перед их выпуском в нейтроновод (Рисунок 3).

Рисунок 3 Вертикальное сечение источника. Графитовый куб стороной 1.8 м. Вся сборка окружена биологической защитой, состоящей из не менее 3 м стали и 2 м бетона во всех направлениях [10].

Между емкостью из твердого дейтерия и бериллиевым отражателем имеется слой из полиэтиленовых шариков с эффективной плотностью 0.5-0.6 г/см³, который охлаждается парами жидкого гелия. Этот слой полиэтилена служит для смещения теплового спектра в область холодных нейтронов. Результирующая производительность УХН на микрокулон протонов и единицу объема SD₂ составляет 85 10 УХН/(мкКл ∙ см³) [10].

1.4 Метан-гелиевый источник ухн на выведенном пучке тепловых нейтронов

Новые источники УХН, использующие производство УХН в сверхтекучем гелии, строятся на нескольких объектах. В 2012 году был опубликован очень обнадеживающий результат Масуды для прототипа такого источника на ускорителе протонов [11]. Гелиевый источник на пучке холодных нейтронов, выведенных из реактора, создан [12] и проходит испытания в институте ILL в Гренобле [13].

В статье [4] рассматривается новая реализация гелиевого источника УХН на примере ректоре ПИК (Гатчина). Основная идея производства УХН на выведенном пучке тепловых нейтронов впервые изложена в [14]. В работе детально исследуются параметры такого источника на реакторе ПИК, так как он является перспективным источником тепловых нейтронов, а также предполагается, что такой источник подойдет к любому реактору с источником тепловых нейтронов. Основная идея новой концепции источника заключается в том, что гелиевый источник УХН устанавливается на пучок тепловых или холодных нейтронов вплотную к биологической защите реактора и окружается метановым замедлителем-отражателем (см. Рисунок 4). Замедлитель-отражатель из твердого метана является высокоэффективным источником холодных нейтронов, из которых УХН производятся в гелии.

Рисунок 4 Схема возможного расположения источника УХН на одном из каналов тепловых нейтронов реактора ПИК [4].

Сам гелиевый источник представляет собой герметичную сферическую ловушку из материала с высокой граничной энергией (например, Be), заполненную сверхтекучим гелием при температуре ~ 0.6 K и окруженную сферическим твердотельным метаном. Тепловые нейтроны легко проникают сквозь стенки ловушки, трансформируются в холодные нейтроны при отражении от метана и становятся ультрахолодными при неупругом рассеянии на гелии. Образовавшиеся ультрахолодные нейтроны оказываются запертыми в ловушке и могут выйти из нее к детектору только через небольшое отверстие в ее верхней части. Материал внутренней сферы-ловушки должен иметь высокую граничную энергию для накопления в ней большего количества УХН.

Точный расчет, который был выполнен для пучка HEC-4 реактора ПИК (диаметр пучка 20 см) для хорошо приближенной к реальности геометрии на рисунке 5 с помощью программы MCNP, показывает, что плотность потока тепловых нейтронов на срезе пучка, расположенного в трех метрах от центра активной зоны составляет:

и, соответственно, полная интенсивность тепловых нейтронов очень велика:

Вычисленная в [4] производительность ультрахолодных нейтронов - P_UCN = 2.210⁷ УХН/с - превышает производительность источника УХН в ИЛЛ примерно в 100 раз.

Материалы для источника УХН должны удовлетворять ряду требований: они должны обладать минимальным сечением захвата нейтронов, а при захвате должно выделяться минимальное количество тепла. Также у них должно быть минимальное сечение взаимодействия с -квантами.

Рисунок 5 MCNP-геометрия для расчета производства УХН и радиационного нагрева на пучке реактора ПИК [4].