Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №35 (июль) 2016
Разделы: Физика
Размещена 28.06.2016.

Концентратор потока тепловых нейтронов для исследовательских целей

Столбов Сергей Николаевич

Протиус

Инженер

Ю. В. Дробышевский, кхн, ООО Протиус (г.Железнодорожный, 143980), С. Н. Столбов, ООО Протиус (г.Железнодорожный, 143980)


Аннотация:
Рассмотрен способ и устройство для формирования интенсивных пучков тепловых нейтронов для исследовательских целей.


Abstract:
A method and apparatus for forming intense thin thermal neutron beams has been introduced for investigation.


Ключевые слова:
плотность нейтронного потока; тонкие пучки тепловых нейтронов; эллиптические зеркала

Keywords:
neutron flux density; thin thermal neutron beams; elliptical mirror


УДК 621.01

В настоящее время в различных областях науки и техники существует потребность в создании устройств формирующих и использующих направленные высокоинтенсивные пучки тепловых нейтронов. Создание таких устройств открывает путь к разработке высокоэффективных детекторов нейтронов, ядерных и термоядерных реакторов[1,2,11,12]  нового поколения и новых технологий нейтронного легирования полупроводников[3].что требует широкой экспериментальной проверки элементов конструкций для всех этих направлений с применением интенсивных пучков тепловых нейтронов.

Для достижения поставленной цели было разработано и испытано устройство селективной сепарации тепловых нейтронов.

В основе селективной сепарации тепловых нейтронов лежит использование эффектов отражения нейтронов от поверхности[4]. В семидесятые годы прошлого столетия, в работах Ю.Г. Абова, П.А. Крупчицкого и других, процессы отражения нейтронов от поверхности вещества были достаточно глубоко изучены. Была показана их эффективность при создании и управлении направленными потоками нейтронов. Тогда же, по предложению В.Ф. Турчина начались испытания суперзеркал для нейтронов на основе чередующихся тонких слоев покрытий нанесенных на эти поверхности.

Возможность реализации способа обусловлена тем, что поведение нейтронов в замедлителе, вне замедлителя и на границе раздела сред существенно различаются. Работа подобной структуры для селекции нейтронов существенно определяется отражением нейтронов от поверхности пластин селектирующей структуры ЗФС (замедляющее-фокусирующей структуры).

При этом угол полного внешнего отраженияфиопределяется отношением граничной скорости нейтрона vгр на поверхности вещества, к скорости v0 = 2200 м/с теплового нейтрона.  Этот угол равен φs = 10' для поверхности из графита, φs = 12' для поверхности из бериллия, φs = 10.7' для поверхности из железа, φs = 11.5' для поверхности из никеля и φs = 9.5' для поверхности из меди.

Угол полного отражения нейтронов можно увеличить до единиц градусов нанесением на поверхность суперзеркальных покрытий. Суперзеркала представляют собой структуры из слоев с различными оптическими потенциалами, нанесенными на подложку. Например, это может быть многослойная система из широкого барьера и  тонких периодических слоев из FeCo-Si.

Возможны нейтронные поляризующие суперзеркала, эффективность отражения нейтронов, которыми зависит от величины и направления наложенного на зеркало, например, из CoFe(V)TiZr, магнитного поля.

Обратим внимание на то, что для полного внешнего отражения нейтронов от поверхности необходимо, чтобы поперечная компонента кинетической энергии нейтрона у поверхности была меньше средней потенциальной энергии отталкивания нейтронов в среде, которая может быть определена и как граничная энергия Eгр нейтронов в среде.

Можно представить следующую таблицу для граничной энергии Eгр, граничной длины волны λгр, и поперечной граничной скорости нейтронов vгр и угла полного отражения φs для разных веществ на поверхности замедлителя:   таб1                      

Для возникновения селективного вывода тепловых нейтронов существенно чтобы выполнялось соотношение:нс. Что эквивалентно требованию чтобы в процессе перерассеяния нейтронов на веществе замедлителя, за время жизни в веществе ЗФС, нейтрон попал в ее угловую область захвата и ушел в выделенном направлении.

Существенно то, что нейтрон, выходящий из поверхности вещества получает дополнительную энергию равную Eгр и при этом получает дополнительную поперечную скорость равную vгр отклоняющую траекторию от поверхности, а нейтрон входящий в вещество, теряет эти энергию и скорость. Поэтому плоская поверхность и поверхность с постоянной кривизной не обладают свойствами селективной сепарации нейтронов.

Для того чтобы щелевой канал, на всей его поверхности, получил способность селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны, он должен иметь переменную, спадающую к выходу кривизну этой поверхности. Или граничная энергия на ней должны непрерывно расти в направлении выхода из канала. В этом случае в структуре, в каждой точке поверхности пластин селекции существует область захвата нейтронов по углам ∆φsво всем объеме селектирующей структуры замедлителя с малым разбросом по углам, и высокой плотностью потока нейтронов в их тонком пристеночном слое.

Представим некоторые радиационные характеристики основных материалов устройства в этом случае:
 
таб2        

При этом: форм

Где A – масса атома замедлителя, T, T0 – энергия нейтрона до и после замедления.

Рассматривая процесс селекции нейтронов селектирующей структурой с криволинейными каналами селекции, прежде всего, обратим внимание на закономерности определяющие отражение нейтронов от поверхности этих каналов.

И если угол внешнего поверхностного отражения нейтронов равен φs, а радиус кривизны поверхности равен ≈ R, то длина хорды, по которой движется отраженный нейтрон, будет Ls ≈ R·sin(φs), а расстояние между хордой и поверхностью канала, будет

hs ≈ R· (1 - cos(φs)).

Можно также показать, что коэффициент эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel может быть представлен, как кс.

Здесь поверхность селектирующей пластины ЗФС задается в координатах (x,y). Где R´x – производная изменения радиуса кривизны R селектирующей пластины вдоль ее длины, и y´x – производная профиля селектирующей пластины вдоль ее длины.

Представим[1] также и следующую таблицу

таб3

Для примера, для пластины из графита[9]: тс.

Выберем пластины, одна сторона которых представляет профиль части эллипса уэ. При этом выберем такой участок поверхности эллипса, на котором коэффициент эффективности селекции нейтронов имеет максимальное значение.

На участке с максимальной эффективностью селекции нейтронов, радиус кривизны поверхности селектирующей пластины составляет около 1 м, длина хорды по которой движется отраженный нейтрон, составляет около Ls≈5мм, а hs ≈ 5мкм.

Причем у пластин с b=15 мм, Ksel=15, а у пластин с b=20 мм, Ksel =10.

Где: а=150 мм, b=20 мм, эллипс повернут на угол в 2.4 градуса,

и размером: а=150 мм, b=15 мм, эллипс повернут на угол в 1.8 градуса.

р1

В этом случае можно оценить плотность пристеночного потока нейтронов выходящего из одиночной пластины ЗФС, как .

Считая, для примера, что плотность диффузного потока тепловых нейтронов в структуре, например, равна n0 = 2×1013 см-2сек-1 , а Ksel  ≈ 20, получим при толщине потока lsh ≈ 0.03 мм, что Ks ≈ 60, и что плотность пристеночного потока нейтронов выходящих из одиночного канала селектирующей структуры, выросла до Фt ≈ 1.×1017 см-2сек-1. При этом, поскольку эта величина существенно зависит от технологии и качества обработки поверхности селектирующих пластин, то реально плотность может быть ниже.

Приведем фотографию графитовой пластины с профилем поверхности в виде части эллипса, на которой проводилась селекция[9].

р2

Возможно, изготовление группы селектирующих элементов в виде пакета, в том числе кругового цилиндрического пакета, который концентрирует поток нейтронов в приосевой области протяженной ЗФС.

Сформированные пакетом селектирующих элементов потоки можно направить в выделенную геометрической структуры пакета область и сфокусировать там. Плотность потока в области фокуса пакета селектирующих элементов можно оценить как:

нф

Где : lfocus – расстояние от точки выхода нейтронов с селектирующего элемента до фокуса пакета элементов. Nstruct – количество элементов в селектирующем пакете, так при цилиндрической ЗФС, lfocus = 100 мм и Hs = 0.7 мм, Nstruct ≈ 900 шт.

рп

То есть плотность потока нейтронов в области протяженного линейного фокуса в глубине цилиндрической ЗФС может быть увеличена еще на два порядка вплоть до величины в Фt ≈ 1.×1019 см-2сек-1. Что представляет интерес для самых разных технических устройств и экспериментальных исследований.

Для начала рассмотрим вариант, в котором используются реакторные нейтроны, какого-либо экспериментального реактора. В этом случае поместим протяженную ЗФС внутрь его канала. Причем снаружи ЗФС должна быть охвачена катушкой формирующей продольное магнитное поле.

На поверхности его селектирующих пластин должно быть нанесена тонкая пленка из магнитного материала, возможно в виде суперзеркального магнитного покрытия.

Тепловые нейтроны реактора, достигая ЗФС перерассеиваются на его веществе, и попав в угловую область захвата на поверхности пластин, двигаются в пристеночном слое пластин в направлении продольной фокусной области на его оси. При этом в варианте источника нейтрино на базе нейтронов, фокусная область должна быть пуста.

Толщина селектированного потока тепловых нейтронов может составлять единицы микрон, а поскольку плотность нейтронов в потоке растет с ростом площади пластин, то при ее росте плотность в потоке может превышать плотность исходного диффузного поля тепловых нейтронов[6] реактора в котором помещены селектирующие пластины.

рз

Кроме того, целесообразно суммирование отселектированных потоков нейтронов с отдельных  пластин в выделенном геометрическом фокусе замедляющее-селектирующей структуры, а это даже при небольших размерах структуры, с внутренним диаметром[6] ее в 100 мм,  может увеличить плотность потока тепловых нейтронов в нем, еще больше – в 100-1000 раз. Притом, при соответствующем выборе вещества селектирующей структуры, время селекции нейтронов структурой может быть меньше чем время жизни нейтронов в ней и отдельный нейтрон может пересечь область фокуса структуры до 5 и более раз. Это еще более увеличивает потенциальные возможности ЗФС и увеличивает плотность в виртуальном продольном облаке нейтронов, сформированном в приосевой его области.

Важно, что при соответствующем выборе вещества селектирующих пластин и их покрытия, или суперзеркального покрытия, можно управлять эффективностью ЗФС управляя внешним наложенным магнитным полем, что существенно улучшает динамику управления процессами в источнике вплоть до мили- и микросекундного диапазона.

Кроме того крайне важно, что при этом все нейтроны в виртуальном продольном облаке нейтронов поляризованы в процессе их многократного отражения от поверхности селектирующих пластин и при этом направление их поляризации управляется величиной и направлением внешнего магнитного поля.

 

Библиографический список:

1. «Способ управляемого термоядерного синтеза и управляемый термоядерный реактор для его осуществления» Патент RU №2056649.
2. «Способ получения энергии в процессе управляемого деления ядер и устройство для его осуществления» Патент RU №2075116.
3. «Способ и устройство для нейтронного легирования вещества» заявка №2012156229/05(088941) Патент RU №2514943.
4. И.И. Гуревич, В.П. Протасов «Нейтронная физика», М., Энергоатомиздат, 1997г.
5. Н.А. Власов, «Нейтроны», издательство Наука, М., 1971.
6. «Устройство для формирования направленного потока нейтронов», Патент RU №1821818.
7. Варлачев В.А., Зенков А.Г., Солодовников Е.С. Особенности нейтронно – трансмутационного легирования кремния на исследовательских реакторах // Известия вузов. Физика, 1998, № 4, с. 210-215.
8. П.Г. Баранов и др. «Особенности нейтронного легирования фосфором кристаллов кремния, обогащенных изотопом 30Si» Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 8.
9. В.А. Варлачев, Ю.В. Дробышевский, С.А. Некрасов, Г.Н. Петров, А.К. Прохоров, С.Н. Столбов, Экспериментальная регистрация селективной сепарации тепловых нейтронов, http://sci-article.ru/stat.php?i=1401523674 .
10. В.К. Игнатович, Нейтронная оптика, М. Физматлит, 2006.
11. Ю.В. Дробышевский, С.Н. Столбов, «Ядерная энергетика с внутренним топливным циклом и высокой глубиной выгорания топлива», SCI-ARTICLE №18 2015 http://sci-article.ru/stat.php?i=1422805510
12. Ю.В. Дробышевский, С.Н. Столбов, «Термоядерный реактор с внутренним каталитическим циклом», SCI-ARTICLE №16 2014 http://sci-article.ru/stat.php?i=1418333672




Рецензии:

21.08.2016, 21:07 Мордашев Владимир Михайлович
Рецензия: Создание устройств, формирующих направленные высокоинтенсивные пучки тепловых нейтронов необходимо для решения многих научных и технологических проблем в области ядерной физики, медицины и т.п. Разработанное и испытанное устройство селективной сепарации тепловых нейтронов, описанное в статье, представляет существенный научный и практический интерес. Статью рекомендую опубликовать. В. Мордашев



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх