Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 10, стр. 3-9

ВВЕДЕНИЕ

Полномасштабные экспериментальные испытательные стенды шариковых криогенных замедлителей на основе твердого мезитилена импульсного быстрого реактора ИБР-2 создаются в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка с 2010 г. [1–5]. Основной целью испытательного стенда является отработка технологии загрузки твердого вещества (мезитилена) в виде замороженных шариков в камеру криогенного замедлителя (вблизи активной зоны реактора) при очень низких (20–100 К) температурах, а также проверка работоспособности системы его управления и контроля [6–9].

Шариковый способ загрузки камеры замедлителя [10] позволяет легко снимать энерговыделение при замедлении быстрых нейтронов, а также оперативно производить загрузку и выгрузку вещества замедлителя, что делает ресурс работы замедлителя практически неограниченным. Важно и то, что шариковая структура в отличие от цельного замороженного куска материала позволяет образующемуся в результате облучения радиолитическому водороду беспрепятственно покидать камеру замедлителя, не создавая в ней избыточного давления. К основному недостатку шариковой загрузки можно отнести сложность реализации и обеспечения работоспособности данной технологии [11–13].

Шариковый криогенный замедлитель сохраняет свою работоспособность без смены рабочего вещества – мезитилена – в течение одной кампании (10–12 сут) вплоть до суммарной поглощенной дозы нейтронов и гамма-квантов порядка 100–120 МГр. Такие значения поглощенной дозы обычно характерны для нейтронных источников малой и средней интенсивности (мощностью до 5 МВт) [14–20].

В связи с нарастающим в мире “нейтронным голодом” (спрос на проведение экспериментов с использованием нейтронов сильно превышает предложение, т.е. количество нейтронных источников) большую популярность набирают так называемые компактные источники нейтронов (DARIA (Россия), CANS, INPC (Китай), NOVA ERA (Германия), RANS (Япония)) на основе ускорителя частиц с мишенью из неделящегося материала (Be, W). Преимущество компактных нейтронных источников по сравнению с действующими классическими источниками нейтронов заключается в их относительной дешевизне и возможности “массового” использования при некритическом проигрыше в величине нейтронного потока. Максимальная поглощенная доза в криогенном замедлителе компактного нейтронного источника за одну кампанию (10–12 сут) не превышает 10–15 МГр, что без проблем позволяет использовать цельный замороженный кусок мезитилена.

Для таких поглощенных доз использование сложной технологии шариковой загрузки уже не требуется, мезитилен загружают в камеру криогенного замедлителя в жидком виде при комнатной температуре, а охлаждение до твердого агрегатного состояния происходит при помощи независимого внешнего контура и криогенной гелиевой установки заданной мощности. Тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту технологии, она также требует отработки и проверки ее работоспособности на полномасштабном испытательном стенде, как и более сложная технология шариковой загрузки.

Цель работы состояла в том, чтобы, используя имеющейся опыт и методику проведения экспериментов на полномасштабных испытательных стендах комплекса криогенных замедлителей реактора ИБР-2, разработать концепцию полномасштабного испытательного стенда криогенного замедлителя на основе твердого мезитилена для компактного источника нейтронов с системой управления и контроля.

КОНЦЕПЦИЯ ПОЛНОМАСШТАБНОГО И КРИОГЕННОГО ЗАМЕДЛИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОГО МЕЗИТИЛЕНА ДЛЯ КОМПАКТНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

ЗD модель испытательного стенда криогенного замедлителя приведена на рис. 1, технологическая схема стенда и шарикового криогенного замедлителя – на рис. 2. Испытательный стенд имеет особенность – сложный участок подъема на угол 50° и высоту 4 м, что связанно с особенностями работы шарикового криогенного замедлителя.

Рис. 1.

3D модель испытательного стенда компактного источника нейтронов: 1 – камера с мезитиленом в вакуумном цилиндрическом кожухе; 2 – трубопровод для подвода мезитилена с гелием к камере; 3 – трубопровод для отвода гелия от камеры; 4, 7 – выводы для датчиков дифференциального давления, отслеживающих движение шариков в трубопроводе; 5 – трубки Пито; 6 – дозирующее устройство; 8 – трубопроводы криогенной гелиевой установки для подвода и отвода гелия; 9 – криостат с теплообменником; 10 – трубопроводы для подвода и отвода гелия в шариковом криогенном замедлителе; 11 – гелиевые газодувки.

Рис. 2.

Технологическая схема испытательного стенда и шарикового криогенного замедлителя с двумя газодувками, общим теплообменником и криогенной гелиевой установкой: 1 и 2 – трубопроводы подвода и отвода мезитилена с гелием в камеру, ИС – испытательный стенд; КЗ – камера замедлителя; ДT – датчики температуры, термодиоды; Т – радиационно-стойкие термопары типа ТXА; ВД – вакуумные датчики; КГУ – криогенная гелиевая установка; Г1 и Г2 – газодувки; Д1 и Д2 – дозирующие устройства; ДP – датчики дифференциального давления типа DXLdp; в1 и в2 – вентили для слива отработанной смеси мезитилена; к – клапаны криостата; ГГ – газгольдер; ТО – теплообменник; КР – криостат.

Испытательный стенд имеет с шариковым криогенным замедлителем общий теплообменник, расположенный в криостате с двумя газодувками, обеспечивающими циркуляцию гелия для охлаждения трубопроводов для подвода/отвода мезитилена к камерам. Трубопроводы подвода мезитилена с гелием к камере и отвода от камеры испытательного стенда и замедлителя не соединены между собой и являются отдельными самостоятельными узлами. Охлаждение камеры стенда и замедлителя осуществляется при помощи криогенной гелиевой установки мощностью 1200 Вт, которая производит гелий (температура 10–12 К) и подает его в теплообменник криостата. Также через теплообменник криоcтата циркулирует гелий в трубопроводах подвода/отвода испытательного стенда и шарикового криогенного замедлителя. Режим работы криогенной гелиевой установки предусматривает как одновременное охлаждение камер стенда и замедлителя, так и их охлаждение по отдельности.

Основным отличием принципа работы испытательного стенда для компактного источника нейтронов от принципа работы шарикового криогенного замедлителя является система подвода мезитилена с гелием и система охлаждения. Если в замедлителе трубопровод, подводящий мезитилен к камере, одновременно является и трубопроводом для охлаждения, то в стенде эти трубопроводы представляют собой независимые контуры (рис. 2, 3).

Рис. 3.

Технологическая схема испытательного стенда компактного источника нейтронов: ЖМ – жидкий мезитилен; ГГ – газгольдер с гелием; ВН – вакуумный насос; К + М – камера, с возможностью установки бериллиевой мишени; ТО – теплообменник, КГУ – криогенная гелиевая установка; He – гелий, циркулирующий в системе охлаждения; В1–В10 – вентили вакуумные; ДВ1–ДВ4 – датчики вакуумные.

Принцип работы испытательного стенда заключается в следующем. Определенный объем жидкого мезитилена из специальной емкости и гелий из газгольдера при определенном расходе подают через вентили В1 и В2 в трубопровод подвода, а затем в камеру. Предварительно в системе трубопровода подвода при помощи вакуумного насоса ВН1 создается форвакуум. После заполнения камеры мезитиленом начинается ее охлаждение гелием (до ~20 К), который циркулирует по контуру со стороны внешней стенки камеры через теплообменник криостата, также соединенный с трубопроводами криогенной гелиевой установки. Нормальное атмосферное давление в камере во время охлаждения поддерживается за счет гелия из газгольдера. Удаление мезитилена из камеры после окончания проведения экспериментов и отогрева происходит при помощи вакуумного насоса ВН2.

Трубопроводы подвода мезитилена с гелием к камере испытательного стенда компактного источника нейтронов должны иметь внутренний диаметр 16 мм и экранно-вакуумную изоляцию, обеспечивающую теплоприток не более 3 Вт/м при вакууме в изолирующем кожухе порядка 10^–5 Торр. Давление контролируют при помощи вакуумных датчиков.

Гелиевая газодувка В2 обеспечивает максимальный расход гелия (температура 30 К) до 6 г/с при сопротивлении контура (трубопровода), вызывающем падание давления не выше 7 кПа. Температуры стенок труб, дозатора и камеры регистрируют с помощью термодиодов и термопар. Расход гелия измеряют трубкой Пито и преобразователями перепада низкого давления DXLdp.

Камера испытательного стенда с криогенными трубопроводами (рис. 4) образует первый контур охлаждения, а криогенная гелиевая установка с трубопроводами – второй. Охлаждение второго контура до низких температур обеспечивается циркуляцией гелия по трубопроводам от криогенной гелиевой установки к теплообменнику и обратно. Охлаждение первого контура происходит за счет циркуляции в нем гелия и его прохождения через теплообменник, находящийся в криостате с вакуумной изоляцией. Постоянное давление внутри камеры с мезитиленом составляет 1.01 атм и поддерживается при помощи газгольдера.

Рис. 4.

Камера испытательного стенда компактного источника нейтронов: 1 – полость с мезитиленом и гелием; 2 – первый контур охлаждения; 3 – вакуумная полость; 4 – трубопроводы для отвода/подвода гелия в первом контуре охлаждения; 5 – трубка заполнения мезитилена с гелием; 6 – фланец вывода термодатчиков.

Система управления и контроля, разработанная для шарикового криогенного замедлителя [10], основана на компьютерной программе Cold Moderator (CM). Она разделена на три части, каждая из которых отвечает за прием и обработку информации, получаемой на криогенной гелиевой установке KGU_Viewer (рис. 5), испытательном стенде (CM_201) и шариковом криогенном замедлителе (CM_202). Каждая программа имеет свой конфигурационный файл, определяющий, какую информацию о параметрах работы необходимо извлечь. Информация о параметрах криогенной гелиевой установки (программа KGU_Viewer) отображается также и в программах CM_201 и CM_202.

Рис. 5.

Компьютерная программа KGU_Viewer испытательного стенда КЗ201.

Программа CM_201 идентична программе CM_202 и представляет собой мнемосхему (рис. 6) на основе технологической схемы. В ней представлена информация о давлении, температуре, расходе гелия, количестве гелия в газгольдере и частоте вращения вала газодувки. Вся информация записывается в файлы для просмотра и анализа. Аварийные ситуации, такие как потеря расхода газа, рост температуры, изменение давления, сопровождаются светозвуковой сигнализацией.

Рис. 6.

Мнемосхема компьютерной программы CM_201 на основе технологической схемы испытательного стенда.

ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ВО ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЗАГРУЗКЕ КАМЕРЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА КОМПАКТНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ

Для определения работоспособности криогенного замедлителя компактного источника нейтронов на основе твердого мезитилена необходимо провести эксперименты по исследованию возможности загрузки камеры испытательного стенда, а также определить оптимальные параметры во время загрузки: температуру криогенных трубопроводов, давление, массовый расход транспортируемого газа – гелия, скорость загрузки мезитилена из дозирующего устройства (как необлученного, так и облученного, с максимальной вязкостью 175 мПа · с), время загрузки камеры. Кроме того, необходимо определить оптимальный режим охлаждения испытательного стенда с криогенной гелиевой установкой мощностью 1200 Вт.

При проведении экспериментов по загрузке камеры испытательного стенда необходимо учитывать границы определяемых параметров, полученные в ходе экспериментов на испытательном стенде шарикового криогенного замедлителя. Температура внутри первого контура охлаждения стенда при загрузке шариков должна понижаться поэтапно, от 293 до 20 К. Режим низкой температуры в криогенном транспортном трубопроводе любого контура поддерживается за счет вакуума в изолирующем пространстве на уровне 10^–5 торр.

Для стабильного охлаждения системы минимальный расход гелия в криогенном трубопроводе первого контура не должен быть меньше 2 г/с при частоте вращения вала газодувки 375 Гц. Установленный максимальный расход гелия составляет 6 г/с. Избыточное давление в трубопроводе при данном расходе не должно превышать 900 торр.

Режим загрузки мезитилена в камеру испытательного стенда должен быть подобран таким образом, чтобы, с одной стороны, время заполнения камеры было минимальным, а с другой стороны, ее объем был целиком заполнен мезитиленом перед началом охлаждения. Планируемое время загрузки жидкого мезитилена в камеру до начала охлаждения 2 ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная концепция испытательного стенда компактного источника нейтронов с системой управления и контроля может быть реализована на базе испытательного стенда шарикового криогенного замедлителя, расположенного в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований. Имеющийся опыт по разработке, пусконаладочным работам, эксплуатации и проведению большого количества экспериментов по загрузке камер испытательного стенда шарикового криогенного замедлителя и действующих криогенных замедлителей реактора ИБР-2 позволят разработать проект испытательного стенда компактного источника нейтронов, реализовать его технически, а также провести целый ряд экспериментов по загрузке камеры. Успешная реализация концептуального проекта криогенного замедлителя компактного источника нейтронов позволит с высокой доли вероятности реализовать проект первого в России компактного источника нейтронов DARIA.