Мелников Газовые лазеры с ядерной накачкой 2008

При расчете характеристик плазмы для смеси He-Xe не учитывались процессы образования и распада гетероядерных ионов HeXe+. Энергия диссоциации гетероядерных ионов уменьшается с увеличением разницы в массах входящих в их состав атомов. Так, для ионов ArXe+ и HeAr+ энергия диссоциации составляет, соответственно, 0,18 и 0,026 эВ, а для иона HeXe+ она составляет ≤ 0,02 эВ. Следовательно, ионы HeXe+ эффективно разрушаются в столкновениях с атомами, поэтому их равновесная концентрация будет незначительной.

Аналогичные расчеты параметров плазмы с использованием «малой» модели были выполнены для смесей He-Ar и He-Kr [66]. Как и в случае смеси He-Xe, процессы образования и распада гетероядерных ионов HeAr+ и HeKr+ не учитывались. Одно из существенных отличий смесей на основе гелия от смесей, в которых буферными газами являются тяжелые газы Ne, Ar или Kr, заключается в заметной роли процессов ударно-радиационной и тройной рекомбинации атомарных ионов в процессах нейтрализации плазмы и образования возбужденных атомов (рис.2.16,а). В смесях на основе Ne, Ar или Kr эти процессы практически полностью подавлены из-за высокой электронной температуры.

Экспериментальные исследования

Большинство работ, посвященных изучению характеристик ядерно-возбуждаемой плазмы, являются расчетно-теоретическими, и представленные выше данные являются, по существу, их кратким обзором. Количество экспериментальных работ в этом направлении весьма незначительно, особенно это относится к экспериментам, выполненным на реакторах.

В экспериментах на стационарных реакторах проводились, в основном, измерения концентрации электронов и электронной температуры с помощью микроволновой диагностики и электрических зондов. Измерения были выполнены для 4He, 3He, Ne, Ar, Xe и для смеси Ne-Ar при ионизации газовых сред непосредственно n,γ-излучением реактора, а также осколками деления урана и продуктами ядерной реакции 3He(n,p)3H. Ссылки на оригинальные работы приведены в монографии [18].

Наиболее интересными являются оптические методы диагностики плазмы, использование которых не вносит возмущений в из-

71

меряемые плазменные характеристики. Информацию о свойствах плазмы в этом случае можно получить из исследования характеристик ее излучения или поглощения − интенсивности и длины волны отдельных линий, ширины и формы контура линий и др.

Нам известна лишь одна работа [67], в которой в условиях реакторных экспериментов с помощью оптического метода были измерены концентрации метастабильных атомов в He, Ne и смеси He-Ne. Возбуждение газовых сред при давлениях до 1,2 атм осуществлялось продуктами ядерной реакции 10B(n,α)7Li в процессе облучения газовой кюветы с тонким слоем 10B нейтронным потоком импульсного реактора TRIGA. Для определения концентраций ме-

тастабильных атомов He*(21S), He*(23S), Ne*(3s[1/ 2]00 ),Ne*(3s[3/ 2]02 )

использовалось поглощение этими атомами излучения на переходах с длинами волн 501,6; 388,9; 626,6 и 621,7 нм соответственно. Концентрации метастабильных атомов, которые зависят от давления газовых сред и плотности потока нейтронов, могут быть значительными. Так, для гелия при рHe = 0,2-0,5 атм и плотности потока нейтронов Φ = 4 1013 см-2 с-1 концентрация атомов He*(23S) составляла (2-4) 1011 см-3, что по порядку величины сравнимо с концентрацией электронов ( 1012 см-3).

72

Глава 3. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ ЛЯН

3.1. Применение импульсных ядерных реакторов для исследования ЛЯН

Практически все экспериментальные исследования по поиску

иизучению характеристик ЛЯН, возбуждаемых продуктами ядерных реакций, выполнены на импульсных ядерных реакторах, которые различаются составом и конструкцией активной зоны (АЗ), длительностью и флюенсом нейтронного импульса, объемом и конфигурацией пространства для облучения, частотой повторения импульсов. В этом разделе использованы данные монографии [18]

иработы [68].

Кнастоящему времени в России и за рубежом разработаны и находятся в эксплуатации более десятка импульсных реакторов и несколько десятков их модификаций. Наиболее полная информация об импульсных реакторах и их характеристиках содержится в

монографии [24]. В качестве топлива для таких реакторов применяются металлический 235U высокого обогащения, уран-молиб- деновые и уран-алюминиевые сплавы, тройной сплав уран- цирконий-водород, водные растворы солей урана и др. Начиная с 50-х годов прошлого века импульсные реакторы интенсивно используются в различных областях науки и техники в качестве мощных источников нейтронного и γ-излучений. Длительности

нейтронных импульсов варьируются от 30 мкс до 0,1 с при плотности потока нейтронов в экспериментальных каналах 1017-1019 см-2·с-1 и нейтронных флюенсах 1013-1017 см-2.

Разработка и эксплуатация импульсных реакторов в России осуществляется, в основном, во ВНИИЭФ и ВНИИТФ, поэтому именно в этих институтах проводились основные экспериментальные исследования ЛЯН. В России для исследований ЛЯН в разное время использовались импульсные реакторы ВИР-1, ВИР-2, ТИБР-1М, БР-1, БИГР (ВНИИЭФ); ИИН-3 (ИАЭ); ЭБР-Л (ВНИИТФ); БАРС-6 (ФЭИ), а за рубежом − близкие по характеристикам импульсные реакторы типа Godiva, SPR, TRIGA, ACRR, APRF и др. Сравнительно недавно появились сообщения об экспериментальных исследованиях ЛЯН в Китае на реакторе CFBR-II. В

73

табл. 3.1 приведены характеристики некоторых из этих реакторов, а также эксперименты с ЛЯН, которые на них проводились (результаты экспериментов рассмотрены ниже в главе 4).

Импульсные реакторы первоначально разрабатывались для испытаний различных материалов и электронных устройств внутри или вблизи АЗ, поэтому далеко не все из них приспособлены для проведения сложных лазерных экспериментов. Исключение, пожалуй, составляют специально разработанные для исследований ЛЯН реактор ЭБР-Л [24,69], двухзонный реактор БАРС-6 [24], а также удачно сконструированный и позднее приспособленный для экспериментов с ЛЯН водный реактор ВИР-2М [24,70].

В экспериментах по поиску лазерных сред для ЛЯН использовались, как правило, импульсные реакторы на быстрых нейтронах типа БИР, БР-1, ЭБР, Godiva, SPR с небольшой по размеру ( 30 см) активной зоной, изготовленной из металлического 235U или его сплавов, и длительностью реакторного импульса 50-100 мкс. Это объясняется тем, что такие реакторы обеспечивают максимальные плотности потоков нейтронов и, соответственно, максимальные удельные мощности накачки, что облегчает достижение порога генерации в ЛЯН. Активная зона обычно устанавливается на высоте 1,5-2 м от пола каземата, стены которого обеспечивают биологическую защиту от излучений. Потоки нейтронов и γ-квантов максимальны в центре АЗ и уменьшаются примерно на порядок величины на ее наружной поверхности. К недостаткам при использовании таких реакторов следует отнести большую пространственную неоднородность нейтронного потока, что ограничивает длину лазерных кювет до 50 см. Исключением является двухзонный реактор БАРС-6, с помощью которого можно достаточно равномерно облучать лазерные кюветы длиной до 150 см.

Различные варианты размещения ЛЯН в экспериментах с использованием импульсных реакторов на быстрых нейтронах показаны на рис.3.1. Вариант рис.3.1,а является наиболее распространенным, так как в этом случае влияние ЛЯН на параметры реактора незначительно. Максимальные удельные мощности накачки газовых сред до 5·103 Вт/см3 реализуются при размещении лазерных кювет внутри АЗ (рис.3.1,б,г).

74

Таблица 3.1. Импульсные реакторы, которые использовались для исследований ЛЯН

Примечание: τ1/2 – длительность импульса на половине высоты; Q – максимальное энерговыделение в АЗ; Fmax – максимальный флюенс нейтронов внутри АЗ

75

ав

г

б

д

Рис.3.1. Варианты размещения лазерных устройств в экспериментах на быстрых импульсных реакторах: 1 – ЛЯН, 2 – замедлитель нейтронов, 3 – кадмиевый экран, 4 – АЗ реактора, 5 – отражатель нейтронов); а – разме-

щение ЛЯН рядом с АЗ реактора (ТИБР; Godiva-IV; SPR-II, III; APRF); б – ЛЯН с замедлителем внутри АЗ (SPR-II, эксперименты по измерению усиления на УФ переходах молекулы XeF); в – размещение ЛЯН без замедлителя внутри АЗ в экспериментах по накачке ЛЯН быстрыми нейтронами (реактор БР-1); г – специализированная установка ЭБР-Л; д – специализированная установка на основе двухзонного реактора БАРС-6

76

Активную длину и объем ЛЯН можно увеличить при использовании многопроходной лазерной кюветы. Два варианта таких устройств показаны на рис.3.2. В первом случае внутри прямоугольной камеры, изготовленной из нержавеющей стали, были помещены керамические трубки (до 6 шт.), на внутренние поверхности которых диаметром 2,54 см были нанесены слои 235U3O8. Полная активная длина такого лазера достигала 240 см. В качестве поворотных зеркал использовались плоские зеркала с золотым покрытием. Другой вариант конструкции, предназначенный для возбуждения газовых сред продуктами ядерной реакции 3He(n,p)3H, отличается тем, что трубки с урановыми слоями отсутствуют, а в качестве поворотных зеркал используются прямоугольные пластины с золотым или алюминиевым покрытием. В этом случае при изменении угла между зеркалами резонатора можно варьировать число проходов в кювете и активную длину лазера.

Лазерные кюветы обычно окружаются слоем замедлителя (полиэтилен, оргстекло, вода) толщиной 3-5 см для смягчения спектра нейтронов, что позволяет в 10-100 раз увеличить мощность накачки лазера при использовании приведенных в табл. 1.4 (раздел 1.2) ядерных реакций. При этом в случае использования импульсных реакторов с короткой длительностью импульса (50-100 мкс) временные зависимости потока быстрых нейтронов (мощности реактора) и мощности накачки лазерной среды не совпадают, что связано с процессом термализации нейтронов внутри замедлителя. На рис.3.3 показаны результаты расчетов временной зависимости мощности накачки (плотности потока замедленных нейтронов) внутри замедлителя для следующих экспериментальных условий: толщина цилиндрического полиэтиленового замедлителя 5 см, длительность реакторного импульса τ1/2 = 50 мкс. Результаты этих расчетов (уширение импульса накачки до 150 мкс и его смещение на30 мкс) согласуются с экспериментальными данными. В том случае, когда длительность реакторного импульса τ1/2 ≥ 1 мс (например, в экспериментах на импульсном реакторе ВИР-2М), реакторный импульс и импульс накачки совпадают.

77

Поворотные зеркала Керамические

трубки Урановый слой

Герметичная прямоугольная камера

а

Юстировочный

He-Ne лазер

Замедлитель

нейтронов

Глухое заднее зеркало

Золотое или алюминиевое плоское зеркало

Активная зона импульсного реактора

Окно под углом Брюстера

б

Рис.3.2. Конструктивные схемы двух вариантов ЛЯН с многопроходными кюветами: а – лазер с урановыми слоями; б – лазер, возбуждаемый за счет реакции 3He(n,p)3H

78

2

1

Время, мкс

Рис.3.3. Временные зависимости мощности реактора (1) и мощности накачки (2) при использовании для накачки ЛЯН импульсного реактора на быстрых нейтронах

Оптимизацию конструкции ЛЯН (состав и параметры лазерной среды, устройство резонатора, способы отвода избыточного тепла) с целью выбора наиболее оптимального варианта ячейки ядерно-лазерной установки непрерывного или квазинепрерывного действия удобнее проводить с использованием импульсных ядерных реакторов на тепловых или промежуточных нейтронах, в состав активной зоны которых введен замедлитель: реактор ВИР-2М с активной зоной из раствора солей 235U в воде; бассейновый реактор TRIGA и его модификация ACRR, твэлы которых изготовлены из сплава уран-цирконий-водород. Для этих реакторов характерна большая длительность нейтронного импульса 1-50 мс при максимальном флюенсе нейтронов 5 1014 см-2, а также возможность проводить лазерные эксперименты с кюветами длиной до 200 см.

При использовании рассмотренных выше экспериментальных схем проводился, в основном, поиск активных сред ЛЯН и исследование их характеристик (спектр генерации, энергетические характеристики, пороги генерации). Для изучения многоканальных ЛЯН во ВНИИЭФ был создан экспериментальный комплекс ЛМ-4/БИГР и ядерно-лазерная установка, представляющая собой макет реактора-лазера. Во ВНИИТФ и ФЭИ разрабатываются многоканальные установки ЛИРА и «Стенд Б». Из зарубежных работ можно отметить эксперименты на реакторе ACRR (лаборатория

79

Sandia, США) с использованием крупногабаритного лазерного мо-

дуля ALEC (Advanced Laser Excitation Cavity). Конструкции таких сложных многоканальных установок и основные результаты, полученные при их исследовании, обсуждаются в главе 6.

Проведение экспериментов на импульсных ядерных реакторах связано с дополнительными трудностями, вызванными тем, что лазерная кювета и измерительные устройства попадают в зону интенсивного облучения. Это накладывает ограничение на выбор конструкционных, оптических материалов и фотоприемников, а также заставляет принимать специальные меры по проверке работоспособности отдельных узлов установки в момент и после воздействия на нее излучения реактора. Следует отметить, что именно недостаточная радиационная стойкость активных элементов лазеров на твердых и жидких средах является основной причиной отсутствия генерации в условиях прямой накачки ядерными излучениями.

Все материалы и устройства, используемые в экспериментах с ЛЯН, должны удовлетворять требованиям радиационной стойкости. Особое внимание необходимо уделять зеркалам резонаторов и окнам для вывода светового излучения, которые в отличие от фотоприемников и других измерительных устройств нельзя удалить из зоны интенсивного облучения. В связи с этими обстоятельствами параллельно с исследованиями самих ЛЯН проводилось изучение радиационной стойкости их элементов и вспомогательных уст-

ройств [18,71,72].

3.2. Методики первых экспериментов на реакторах ВИР-2 и ТИБР-1М

Реактор ВИР-2

Впервые накачка лазеров ядерными излучениями была осуществлена во ВНИИЭФ в 1972 г. при использовании смеси He-Xe (первый успешный эксперимент состоялся 12 мая 1972 г.), однако первую статью по ЛЯН сотрудникам ВНИИЭФ удалось опубликовать лишь в 1979 г. [73].

В первой серии экспериментов в качестве нейтронного источника использовался импульсный водный реактор ВИР-2 [24],

80