CC BY
110
УДК 621.039
Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 2 (60). 2015. Вып. 1
А. П. Серебров1, А. К. Фомин1, А. Г. Харитонов1, В. А. Лямкин1, Д. В. Прудников1, С. А. Иванов1, А. Н. Ерыкалов1, М. С. Онегин1, В. А. Митюхляев1, А. А. Захаров1, К. А. Гриднев2
ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЙ ИСТОЧНИК УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ НА РЕАКТОРЕ ВВР-М ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ*
1 Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова, Российская Федерация, 188300, Гатчина, Орлова Роща
2 Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7—9
В ПИЯФ ведутся работы по оснащению исследовательского реактора ВВР-М источником ультрахолодных нейтронов (УХН) высокой плотности. Метод получения УХН основан на эффекте их накопления в сверхтекучем гелии из-за особенностей этой квантовой жидкости. Максимальное время хранения УХН в сверхтекучем гелии достигается при температуре ниже 1,2 К. Источник позволит достичь плотности УХН 104 см~3, что примерно на три порядка превышает плотность существующих в мире источников ультрахолодных нейтронов. Увеличение плотности УХН позволит поднять точность измерения ЭДМ нейтрона, что является принципиально важным для проблемы CP-нарушения. Наличие самых интенсивных источников УХН позволит ПИЯФ стать центром фундаментальных исследований с ультрахолодными нейтронами. Библиогр. 11 назв. Ил. 12.
Ключевые слова: ультрахолодные нейтроны, сверхтекучий гелий, реактор, ЭДМ нейтрона.
A. P. Serebrov1, A. K. Fomin1, A. G. Kharitonov1, V. A. Lyamkin1, D. V. Prudnikov1, S\ A. Ivanov1, A. N. Erykalov1, M. S\ Onegin1, V. A. Mityukhlyaev1, A. A. Zakharov1, K. A. Gridnev2
HIGH-DENSITY ULTRACOLD NEUTRONS SOURCE
FOR THE WWR-M REACTOR FOR SCIENTIFIC RESEARCH
IN FUNDAMENTAL PHYSICS
1 B. P. Konstantinov Petersburg Nuclear Physics Institute, Orlova roscha, Gatchina, 188300 Russian Federation
2 St. Petersburg State University, 7—9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
The WWR-M reactor at PNPI is going to be equipped with an ultracold neutron source of high density. Method of UCN production is based on their accumulation in the super fluid helium due to particular qualities of that quantum liquid. The maximum storage time of UCN in the super fluid helium exists at a temperature below 1.2 K. Our source aims at obtaining a density of UCN equal to 104 n/cm3, three orders of magnitude exceeding that of sources presently available in the world. Increase in the density of UCN will raise the accuracy of the measurement of the neutron electric dipole moment (EDM) of an order of magnitude, which is fundamentally important for the problem of CP violation. Possession of the most intense sources of UCN will allow PNPI to become the center of fundamental researches with ultracold neutrons. Refs 11. Figs 12. Keywords: ultracold neutrons, superfluid helium, reactor, EDM of neutron.
Введение. На базе действующего исследовательского реактора ВВР-М создаётся высокоинтенсивный источник ультрахолодных нейтронов (УХН) для научных исследований в области фундаментальной физики и изучения наноструктур [1].
* Исследование выполнено в ПИЯФ НИЦ «Курчатовский институт» за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 14-22-00105).
На новом источнике УХН запланирована программа исследований фундаментальных взаимодействий. Она включает поиск электрического дипольного момента нейтрона (ЭДМ) и прецизионное измерение времени жизни нейтрона. Обе задачи имеют принципиальное значение для физики элементарных частиц и космологии [2].
Для источника УХН разработан технологический комплекс со сверхтекучим гелием. В состав комплекса входит: криогенный блок, система откачки паров гелия, компрессорная система, система хранения и газораспределения гелия. Параметры и режимы оборудования согласованы между собой.
На реакторе ВВР-М ПИЯФ имеются весьма подходящие условия для решения такой задачи: наличие тепловой колонны реактора, которая представляет собой канал большого диаметра (1м), примыкающий к активной зоне реактора. Такой диаметр канала позволяет расположить мощную свинцовую защиту от у-излучения активной зоны реактора, графитовый предзамедлитель при температуре 20 К, чтобы получать холодные нейтроны, и, наконец, собственно источник УХН на основе сверхтекучего гелия при температуре 1,2 К. В источнике планируется достичь плотности ультрахолодных нейтронов до 104 н/см3, которая ещё нигде в мире не достигнута, что сдерживает прогресс в фундаментальных и прикладных научных исследованиях.
Работа по созданию источника УХН находится на передовых научных рубежах, поскольку рассматривает использование сверхнизкого температурного уровня 1,2 К в условиях реакторного нагрева. Подобные устройства при таких низких температурах нигде пока не размещались внутри каналов реактора.
На пучках УХН будут проводиться работы наших коллег из Курчатовского института, ОИЯИ и зарубежных учёных. В настоящее время подобные работы проводятся в ILL. Однако физика ультрахолодных нейтронов начиналась в России, и было бы важно восстановить российские приоритеты в этой области и переместить центр исследований с УХН в Гатчину.
Производство УХН в сверхтекучем гелии. Увеличить число холодных нейтронов можно, пропустив реакторные нейтроны через замедлитель: жидкий водород или жидкий дейтерий. В процессе термализации реакторные нейтроны придут в тепловое равновесие при температуре жидкого водорода, вследствие чего максимум максвеллов-ского спектра сдвинется в энергетическую область холодных нейтронов.
Однако долю УХН таким способом не поднять, так как для этого необходима недостижимая температура замедлителя ~ 10~3 К. УХН образуются из тепловых нейтронов не в результате их дополнительного замедления, а в очень редком процессе единственного неупругого соударения, сопровождающегося потерей тепловым нейтроном практически всей его энергии. Для получения ультрахолодных нейтронов высокой плотности на исследовательских реакторах обычно используются криогенные жидкостные водородные или дейтериевые источники ХН, из которых УХН извлекаются непосредственно или путём спектрального преобразования ХН в УХН.
Количественное производство УХН зависит от интенсивности реакторного нейтронного потока и эффективности криогенного замедлителя (конвертора). Однако стремление разместить замедлитель с криогенной температурой в высоком нейтронном потоке на реакторе наталкивается на проблему отвода радиационного тепла. Чем ниже температура замедлителя, тем сложнее проблема отвода теплоты.
Сверхтекучий гелий — это квантовая жидкость, имеющая удивительные свойства сверхтекучести и сверхтеплопроводности. Не менее удивительны, но менее известны особенности взаимодействия сверхтекучего гелия с нейтронами. Сверхтекучий гелий обладает колоссальной прозрачностью для нейтронов низких энергий.
Знаменитая кривая Ландау, связывающая энергию и импульс возбуждений (фоно-нов, ротонов) в сверхтекучем гелии, пересекается с кривой E = p2/(2m) для нейтрона в одной точке. Эта точка соответствует энергии возбуждения (в единицах температуры) — 12 К, т. е. УХН может «поглотить» только фонон с энергией 12 К. Таких фононов при температуре сверхтекучего гелия 1 К практически нет, так как больцма-новский фактор — это экспонента в степени —12. Этим и объясняется исключительная прозрачность сверхтекучего гелия для УХН. Действительно, УХН могут «жить» в сверхтекучем гелии до поглощения фонона десятки и сотни секунд. Ультрахолодные нейтроны «рождаются» в гелии из холодных нейтронов с длиной волны 9 A или энергией 12 К, которая как раз равна энергии фонона, т. е. холодный нейтрон возбуждает фонон и сам практически останавливается, становясь ультрахолодным. Холодные нейтроны проникают через стенку ловушки, а ультрахолодные отражаются, поэтому возможен эффект накопления УХН до плотности, определяемой временем хранения в ловушке с гелием.
Эксперименты по накоплению УХН в ловушках со сверхтекучим гелием успешно выполнены на пучках холодных нейтронов [3, 4]. Расходимость пучка нейтронов очень мала по отношению к 4п. В условиях облучения 4п можно выиграть 3-4 порядка величины. Возникают вопросы, в каких условиях облучения может работать источник на основе сверхтекучего гелия и какую мощность можно снимать при температуре около 1 К? Известно, что со сверхпроводящих магнитов при температуре 1,8 К удаётся снимать киловаттные мощности. Такие установки объёмны и дорогостоящи. Мы можем ставить задачу об удалении мощности 20 Вт при температуре 1,2 К, тогда эта задача решается с помощью доступного гелиевого ожижителя с производительностью 50 л жидкого гелия в час и с помощью системы вакуумной откачки паров гелия, чтобы получить температуру 1,2 К.
Область применения УХН. Новое поколение пучковых технологий с высокой плотностью ультрахолодных нейтронов позволит значительно продвинуться в вопросах фундаментальных исследований. С их использованием предполагается улучшить точность измерений ЭДМ нейтрона на два порядка величины и проверить предсказания суперсимметричных теорий, которые являются одним из вариантов расширения Стандартной модели. В рамках этих теорий ЭДМ нейтрона предсказывается на уровне, доступном для планируемых экспериментов. В то же время суперсимметричные теории предсказывают барионную асимметрию Вселенной на наблюдаемом уровне, что указывает на возможную справедливость предложенных вариантов теории.
В измерениях ЭДМ нейтрона на новых источниках ультрахолодных нейтронов в ПИЯФ предполагается достичь точности ниже 10~27 е-см. Следует представить полную картину увеличения точности в эксперименте по поиску электрического дипольно-го момента нейтрона за последние годы, а также возможности дальнейшего увеличения точности. Она показана на рис. 1. Сейчас предел на ЭДМ нейтрона равен 3 -10~26 е-см. Он был установлен в 2005 г. группой ILL—Sussex—RAL и оказался в 3 раза лучше, чем предел, установленный в ПИЯФ 10 лет назад. В ближайшее время мы планируем увеличить точность измерений ЭДМ нейтрона, используя источник УХН в ILL. Значительное увеличение точности может быть связано с созданием на реакторе ВВР-М в Гатчине новых высокоинтенсивных источников УХН.
Задача прецизионного измерения времени жизни нейтрона имеет большое значение для физики элементарных частиц и космологии. Распад свободного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино определяется процессом слабого взаимодействия, переходом d-кварка в м-кварк. В Стандартной модели смешивание кварков описывается
u <Ъ
«Г 1E-
Я
flE-
щ Я
S 1E-
«
m
-
щ
g 1E-
a
с
1 1E-i -c
g 1E-
<D
s 1E-
a
щ
=
о
■20-■21-■22-■23-■24-■252627-
■ MIT-BNL
• ORNL-Harvard
• ▲ ORNL-ILL
1 \ ▼ ILL-Sussex-RAL
ч ♦ PNPI
Теоретические предсказания:
электромагнитная модель
V-v
Предел, установленный группой ILL-Sussex-RAL
Последнее измерение ПИЯФ Оценка точности проекта ПИЯФ на новом \ источнике УХН на реакторе ВВР-М, Гатчина-
модель Вайнберга минимальная
суперсимметричная модель лево-правая модель
к
m
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Годы
Рис. 1. Рост точности ЭДМ-эксперимента, предсказания теоретических моделей и планы увеличения точности
с помощью матрицы Кабиббо—Кобаяси—Маскавы (CKM), которая должна быть унитарной. Матричный элемент Уи^ может быть определён из ядерного в-распада и в-распада нейтрона. Вычисление Уиа из данных по нейтронному в-распаду является крайне привлекательным из-за простоты теоретического описания. Например, планируемая точность измерений нейтронного в-распада позволит проверить унитарность матрицы смешивания кварков на новом уровне точности, т. е. лучше, чем 10~3, что является принципиально важным для проверки справедливости Стандартной модели и поиска возможных отклонений. Результаты измерения времени жизни нейтрона за последние 45 лет показаны на рис. 2. Обращает внимание расхождение на 4 стандартных отклонения между измерениями пучковым методом и методом хранения УХН.
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона оказываются также исключительно важными для проверки модели формирования Вселенной. Наблюдаемыми величинами в модели Большого взрыва являются первоначальные распространённости
960
940920, 900 -880-
860-
840
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Годы
Рис. 2. Результаты измерений времени жизни нейтрона:
1 — тп пучковое 889,1 ± 2,9 с;
2 — тп хранение 879,3 ± 0,6 с; тп среднее 880,0 ± 0,9 с
дейтерия и гелия-4. Они зависят от отношения числа барионов к числу фотонов на стадии первичного нуклеосинтеза и времени жизни нейтрона. Таким образом, прецизионное измерение времени жизни нейтрона оказывает влияние на проверку модели нуклеосинтеза на ранней стадии формирования Вселенной. Проектом предусматривается измерение времени жизни свободного нейтрона на уровне точности 0,2 с, а также создание ловушки для магнитного хранения ультрахолодных нейтронов.
Развитие источников УХН в мире. В настоящее время плотность ультрахолодных нейтронов, используемая в экспериментах, составляет 10~40 н/см3. Вместе с тем активно ведутся разработки новых источников УХН на использовании твёрдого дейтерия при температуре 4,5 К (LANL, США; PSI, Швейцария), а также на использовании эффекта накопления УХН в сверхтекучем гелии (KEK—RCNP—TRIUMF, Япония—Канада; ILL, Франция; FRMII TUM, Германия). Планируется получение плотности УХН 103 н/см3. Наш проект имеет целью достижение плотности УХН 104 н/см3, т. е. на порядок выше существующих проектов и в 100 или 1000 раз выше существующего уровня плотности УХН.
Мировой прогресс в достижении плотности ультрахолодных нейтронов можно проследить на рис. 3. Последняя точка этого рисунка относится к проектным параметрам нового источника на реакторе ВВР-М ПИЯФ на основе нового поколения пучковых технологий с использованием сверхтекучего гелия.
Коллектив ПИЯФ имеет богатый опыт в разработке источников холодных и ультрахолодных нейтронов, начиная с 1970-х годов. В институте были разработаны следующие источники ультрахолодных и холодных нейтронов:
— бериллиевый источник ультрахолодных нейтронов;
— жидководородный источник ультрахолодных нейтронов малого объёма;
— универсальный источник поляризованных холодных и ультрахолодных нейтронов, расположенный в центре активной зоны реактора ВВР-М;
— твердодейтериевый источник УХН при температуре 4,5 К.
104 -| Первые эксперименты Текущий проект на реакторе ВВР-М : со сверхтекучим гелием
ILL и SD2 Mainz
• ПИЯФ
■ Другие
10-7
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Годы
Рис. 3. Мировой прогресс в достижении плотности ультрахолодных нейтронов
В ПИЯФ разработаны несколько источников для зарубежных реакторов в Венгрии, Голландии, в настоящее время на новом тяжеловодном реакторе в Сиднее (Австралия) установлен жидкодейтериевый источник холодных нейтронов ПИЯФ. Ведутся работы по установке источника холодных нейтронов на новом реакторе в Китае. Предложен и находится на реализации проект фабрики ультрахолодных нейтронов в Швейцарии (Paul Scherrer Institute).
В настоящее время в ПИЯФ:
— разработан проект источников УХН на реакторе ВВР-М на основе сверхтекучего гелия;
— проведены измерения в тепловой колонне реактора, показывающие реальную возможность её модернизации [5];
— проведены детальные расчёты плотности УХН на выходе нейтроноводов [6];
— установлен низкотемпературный гелиевый рефрижератор мощностью 3 кВт при температуре 20 К;
— установлен гелиевый ожижитель производительностью 96 л/ч;
— установлено оборудование для откачки паров гелия;
— разработан проект демонтажа тепловой колонны;
— разработан проект хранилища радиоактивных элементов тепловой колонны;
— ведётся подготовка экспериментального оборудования для проведения научных исследований.
23 15 22
26
10
h
16 20 £2
Низкотемпературная часть источника. Принципиальная низкотемпературная схема источника УХН представлена на рис. 4. Камера источника (1) имеет объём 35 л для источника УХН на реакторе ВВР-М. Камера заполнена сверхтекучим гелием при температуре 1,2 К и внутри имеет напыление 58№Мо. К камере подходит труба длиной около 3 м, которая служит нейтроноводом УХН (2) и также имеет внутри напыление для увеличения граничной скорости отражения нейтронов. На конце прямого участка нейтроновода УХН установлена мембрана (16) и крепление для стыковки с внешним нейтроноводом УХН (20). Через нейтроновод производится откачка испарившегося гелия. Трубопровод откачки (12) подходит к нейтроноводу (2) вертикально и одновременно представляет собой гравитационный затвор для УХН. К камере источника подходит также нейтроновод холодных нейтронов (3). Снаружи этот нейтроновод имеет вакуумную разделительную мембрану (17) и крепление для стыковки с внешним нейтроноводом УХН (21).
Жидкий гелий поступает по трубопроводу (22) от гелиевого ожижителя в верхнюю ванну (9) с температурой 4,2 К и оттуда через регулировочный вентиль (10) сливается в промежуточную ванну (6) с температурой 1,2 К. Испарившиеся в ванне (9) пары гелия возвращаются в ожижитель через (23). Промежуточная ванна снабжена датчиком измерения уровня (11), по сигналу от которого происходит управление вентилем заливки гелия (10). Подача гелия из промежуточной ванны (6) в нижнюю ванну (5) с одновременной его очисткой от примеси 3Не производится с помощью фильтра (7)
Рис. 4- Принципиальная схема низкотемпературной части: пояснения в тексте
из пористого вещества. Управление нагревателем фильтра производится по сигналу от указателя уровня гелия (8), который установлен в нижней ванне (5). Нижняя ванна и камера источника представляют собой сообщающиеся сосуды, соединённые каналом заполнения (4) с одинаковыми уровнями, в них поддерживается одинаковое давление.
Вся низкотемпературная часть окружена тепловым экраном (18) с температурой 20 К и заключена в вакуумную оболочку (19). Тепловой экран (18) охлаждается циркулирующим гелием от рефрижератора (24, 25). Вакуумная оболочка откачиваетчя турбомолекулярным насосом через (26). Ванны с жидким гелием, находящиеся при температуре 1,2 К (5, 6), имеют тепловой экран, присоединённый к верхней ванне (9) с температурой 4,2 К (на схеме не показан).
Из камеры по трубопроводу (12) и из промежуточной ванны с жидким гелием по трубопроводу (14) производится откачка паров гелия. Вакуумный трубопровод (13) поддерживает в нижней ванне (5) давление, равное давлению в камере источника (1). Для снижения теплопритоков извне трубопроводы откачки (12, 13, 14) проходят через ванну (9) с температурой 4,2 К, а затем объединяются в один трубопровод (15). В низкотемпературной части вакуумной установкой поддерживается давление паров Не 55 Па.
Изотопная очистка гелия. Изотоп 3Не имеет большое сечение поглощения нейтронов, и его содержание в жидком гелии сократит время хранения в нем ультрахолодных нейтронов. Поскольку коммерческий гелий, используемый для эксперимента, содержит примесь 3Не, то он должен быть очищен до поступления в камеру источника УХН. Содержание 3Не в природном гелии достигает 0,00014%. Для рабочих параметров содержание 3Не должно быть не более 10-10.
Атомы 3Не двигаются вместе с нормальной компонентой сверхтекучей жидкости против течения сверхтекучей компоненты. Расчётным путём установлено, что возможна очистка с отношением 3Не/4Не до 10- 12 методом, когда используется фильтр-сепаратор сверхтекучего компонента 4Не. Таким образом, изотоп 3Не выводится из потока сверхтекучего 4Не, протекающего через фильтр.
Центральным элементом технологического комплекса по изотопной очистке гелия является сверхтекучий фильтр, в котором происходит очистка гелия от изотопа 3Не. 4Не переходит в сверхтекучую фазу при температуре 2,17 К, в то время как 3Не при 0,0026 К. В приведённой схеме путём откачки паров гелия будет достигнута температура 1,2 К и после прохождения через сверхтекучий фильтр 3Не компонента будет удалена. Образцы сверхтекучих фильтров из ультрадисперсных порошков А12О3 изготавливались послойной прессовкой малых порций порошка внутрь толстостенных цилиндрических корпусов из нержавеющей стали Х18Н9Т. Прессовка порошка тонкими слоями (высотой 2-3 мм) в сочетании с пошаговым контролем плотности в слое преследовала цель обеспечить однородность фильтра по высоте.
Нижняя ванна (5) пополняется сверхтекучим гелием в количестве 1 г/с из промежуточной ванны через фильтр по сигналу от датчика уровня (8). Производительность фильтра подробно изучена в работе [7]. Когда нагреватель включается, сверхтекучая компонента начинает двигаться, тогда как движение нормальной компоненты блокировано пористым фильтром. В результате присутствует движение только сверхтекучей компоненты. Ниже приводятся результаты исследований, имеющие непосредственное отношение к рассматриваемой задаче.
На рис. 5 показана производительность фильтра, полученная при различных температурах. Экспериментальные данные следуют теоретической оценке (прямые линии) при небольшом нагреве и достигают насыщения на некотором уровне массового расхода для больших тепловых нагрузок.
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Подводимое тепло, Вт
Рис. 5. Расход гелия в зависимости от подведённой мощности
Проект источника УХН на реакторе ВВР-М. Низкотемпературная часть источника УХН на реакторе ВВР-М размещается в тепловой колонне реактора. Соединение с внешними системами и нейтроноводами находится вне реактора, внутри дополнительной биологической защиты.
Работа низкотемпературной части обеспечивается тремя основными независимыми установками (рис. 6):
— гелиевым рефрижератором;
— гелиевым ожижителем;
— вакуумной установкой.
Гелиевый рефрижератор работает на температурном уровне 15 К и обеспечивает охлаждение жидкодейтериевого предзамедлителя, внутри которого помещена камера источника, и экранирование низкотемпературной части источника от теплопритоков извне.
Гелиевый ожижитель работает на температурном уровне 4,2 К. Ожижитель обеспечивает заполнение системы жидким гелием, подачу жидкого гелия взамен испарившегося и экранирование низкотемпературной части источника от теплопритоков извне.
Основным сдерживающим фактором при получении низкой температуры сверхтекучего гелия при наличии тепловыделений является необходимая производительность вакуумной откачки, которая определяет размеры и стоимость вакуумной установки.
Гелиевый ожижитель
Гелиевый рефрижератор
Вакуумная установка
Источник ультрахолодных нейтронов
Рис. 6. Блок-схема технологического оборудования источника УХН
Температура жидкого гелия будет зависеть от давления, которое сможет поддерживать вакуумная установка над поверхностью жидкости, и площади этой поверхности. Радиационное тепло отводится за счёт испарения жидкости. При тепловой реакторной нагрузке 20 Вт будет испаряться около 1 г/с гелия. Поступающий взамен испарившегося гелий имеет температуру 4,2 К. Для охлаждения его до 1,2 К потребуется откачивать ещё примерно 0,5 г/с. Всего вакуумной откачкой необходимо удалять 1,5 г/с.
Предельно достижимый вакуум на входе вакуумной установки при производительности 1,5 г/с составит 50 Па. Установка соединяется трубопроводом с откачиваемым объектом. При длине трубопровода 20 м и диаметре 50 см сопротивление потоку откачиваемого газа составит 5 Па. Это означает, что давление над поверхностью жидкости будет равно 55 Па. Поскольку присутствует подвод тепла к гелию, то температура жидкости установится на некотором уровне, которому соответствует определённое давление насыщенных паров. Это давление выше давления, поддерживаемого над поверхностью. Их разность определяет необходимую поверхность испарения и принимается равной 5 Па. Как будет видно в дальнейшем из расчётов, это значение даёт разумную площадь поверхности для испарения 1,5 г/с жидкости. Температура жидкого гелия в откачиваемом сосуде будет соответствовать давлению насыщения 60 Па, т. е. равняться 1,155 К.
На рис. 7 представлена схема размещения источника вблизи активной зоны реактора и приведены результаты расчётов нейтронных потоков и энерговыделений в материалах источника. В источнике со сверхтекучим гелием будет выделяться 19 Вт [8].
Для снижения радиационной тепловой нагрузки на низкотемпературную часть источника имеется свинцовый экран с водяным охлаждением. Вакуумный контейнер также имеет водяное охлаждение и располагается в графитовом блоке. Внутриреакторная часть имеет блок защиты.
Внутри будет установлен жидкодейтериевый предзамедлитель, который охлаждается до температуры 20 К газообразным гелием от рефрижератора. Жидкодейтериевый
Рис. 7. Принципиальная схема размещения источника УХН в тепловой колонне реактора ВВР-М
предзамедлитель будет заключён в алюминиевую оболочку. Конструкция размещается в вакуумном чехле. Внутри жидкодейтериевого предзамедлителя размещается цилиндрический сосуд (камера) со сверхтекучим гелием при температуре 1,2 К. Диаметр камеры 300 мм и длина 500 мм. Толщина оболочки камеры 2 мм. Передняя стенка камеры находится на расстоянии 92 см от центра зоны реактора.
Внутренняя поверхность алюминиевой камеры покрыта 58№Мо сплавом толщиной 3-5 А, который имеет критическую скорость отражения УХН 7,8 м/с. УХН могут быть выведены из источника по зеркальному нейтроноводу, также покрытому 58№Мо. Объёмы источника и нейтроновода будут отделены алюминиевой фольгой (100 мкм), находящейся на опорной решётке. Толщины свинцового экрана и жидкодейтериевого предзамедлителя были выбраны, чтобы получить максимально возможный поток холодных нейтронов при условии, что максимальная тепловая нагрузка на источник не будет превышать 20 Вт.
Расчёты нейтронных потоков и тепловыделений проводились с использованием MCNP программ. Суммарное тепловыделение на мощности реактора 16 МВт составит: в свинцовой защите 16 кВт, в жидкодейтериевом предзамедлителе 750 Вт, в алюминиевой оболочке гелиевого источника 13 Вт и в сверхтекучем гелии 6 Вт. Суммарная тепловая нагрузка на источник при температуре 1,2 К будет 19 Вт.
Жидкий дейтерий в качестве холодного замедлителя был выбран из условия получения максимального потока холодных нейтронов с длиной волны 9 А. Именно эти нейтроны могут быть конвертированы в ультрахолодные однофононным процессом. Вклад от многофононного процесса может быть сравним с однофононным.
На рис. 8 показана принципиальная схема низкотемпературной (жидкостной) части установки. На схеме не указаны трубопроводы, используемые для начального охлаждения низкотемпературной конструкции.
Приведём приблизительные оценки для гелия, которым пополняется источник во время работы. Делая допущение, что энтальпия гелия при 1,2 К равна нулю, при энтальпии гелия, равной 9,6 Дж/г при 4,2 К, от гелия с расходом 0,96 г/с, поступившего на охлаждение до 1,2 К, потребуется отводить 9,2 Вт.
Заполнение источника из ванны для охлаждения производится через фильтр. На нём производится очистка 4Не от 3Не. При нагреве фильтра (набора фильтров) через него устанавливается поток сверхтекучей компоненты Не II. По данным работы [9], для потока, равного 0,96 г/с, к фильтру потребуется подводить мощность, равную примерно
Рис. 8. Принципиальная схема низкотемпературной части с жидким гелием
0,4 Вт. Таким образом, в ванне для охлаждения суммарно должно отводиться 9,6 Вт. Это эквивалентно испарению 0,114 моль/с, или около 0,46 г/с.
Суммарная расходная нагрузка на вакуумные насосы, которая складывается из паров, образующихся в источнике, и паров в ванне для охлаждения, составит 1,42 г/с. В проводимой оценке теплопритоки извне не рассматривались, поскольку их величина составит десятые доли ватта, что входит в погрешность оценки ожидаемого реакторного тепловыделения.
В рассматриваемой схеме суммарная тепловая нагрузка оценивается в 29,6 Вт и отводится за счёт испарения 1,42 г/с гелия. Это означает, что для пополнения источника жидким гелием потребуется 41 л/ч жидкого гелия при температуре 4,2 К.
Низкое давление насыщенных паров, удаляемых из системы, не позволяет организовать эффективный теплообменник в их тракте, что существенно снижает термодинамическую эффективность работы криогенной системы.
Внутреннее исполнение криостата для получения сверхтекучего гелия и отвода реакторного тепла представлено на рис. 9.
Для отладки режимов работы криогенного и вакуумного оборудования для технологического комплекса УХН, а также получения изотопно-чистого 4Не в ПИЯФ смонтирована полномасштабная технологическая модель источника ультрахолодных нейтронов со сверхтекучим гелием (рис. 10).
Расчёт плотности ультрахолодных нейтронов в сверхкритическом гелии проводился с использованием программы MCNP. Величина потока тепловых нейтронов составила 3,2 • 1012 н/(см2-с), и поток нейтронов с длиной волны 9 А равен 3,2 • 1010 н/(см2-с-А) при мощности реактора 16 МВт. Скорость производства УХН за счёт однофононного процесса может быть рассчитана с использованием теоретической формулы
Д = 4,55 • (9 А) см-З-с-1.
Рис. 10. Полномасштабная технологическая модель источника УХН, слева направо: гелиевый рефрижератор TCF-50, криостат, гелиевый ожижитель ^280
С учётом многофононного процесса и спектра холодных нейтронов в источнике [10] скорость производства УХН будет 1,8 • 103 н/(см3-с). Общее число произведённых УХН в источнике в секунду составит около 1,0 • 108 н/с. Время жизни нейтрона в сверхкритическом гелии при температуре 1,2 К около 30 с, но с учётом потерь УХН в стенках ловушки оно составит 20 с. Таким образом, плотность УХН в закрытой ловушке со сверхкритическим гелием может достигнуть 5,8 • 104 н/см3.
Однако практический интерес представляет получение высокой плотности УХН в экспериментальной ловушке, размещённой в экспериментальном зале. С этой целью были проведены расчёты методом Монте-Карло для экспериментальной схемы, которая включает в себя ловушку со сверхкритическим гелием объёмом 35 л, нейтроновод УХН с диаметром 140 мм и длиной 3 м и экспериментальную ловушку объёмом 35 л. Кроме того, проводились расчёты с экспериментальной ловушкой объёмом 350 л. Объём со сверхкритическим гелием изолирован от нейтроновода алюминиевой мембраной толщиной 100 мкм на опорной решётке. Вакуумный объём нейтроновода также изолирован от теплой экспериментальной ловушки аналогичной мембраной. Проведённые расчёты учитывали потери УХН в стенках нейтроновода и в ловушках, которые выбирались на уровне 3 • 10~4 на одно соударение. Зеркальная отражательная способность нейтроноводной поверхности была 99,3% (оценка получена из измерений пропускной способности нейтроноводов [11]), а поверхности ловушки — 10%. Критическая скорость для гелиевой ловушки и нейтроновода УХН составляла 7,8 м/с (58№Мо), но для экспериментальной ловушки она была выбрана 6,8 м/с (Ве, ВеО). Потери в алюминиевых мембранах в основном характеризовались сечением поглощения. Коэффициент отражения от алюминиевой мембраны рассчитывался с учётом критической скорости 3,2 м/с и коэффициента диффузного отражения, обусловленного неоднородностями плотности внутри фольг. Как известно, отражение играет важную роль и может снизить коэффициент пропускания в несколько раз. Было показано посредством расчётов, что плотность УХН в 35-литровой экспериментальной ловушке меньше в 4,5 раза по сравнению с гипотетической плотностью УХН в закрытой гелиевой ловушке и составит рлов. 35 л = 1,3 • 104 н/см3. Для экспериментальной ловушки с объёмом 350 л плотность УХН будет меньше в 7,5 раза и составит рлов. 35о л = 7,7 • 103 н/см3. В принципе плотность УХН может быть увеличена в 3 раза за счёт изменения конфигурации загрузки активной зоны реактора. Безусловно, получение плотности УХН около 104 н/см3 является очень важным для фундаментальных экспериментов с УХН.
На рис. 11 показаны последовательность монтажа и общий вид проекта источника УХН в тепловой колонне реактора ВВР-М.
Создание высокоинтенсивного источника холодных и ультрахолодных нейтронов позволит проводить эксперименты с нейтронами в широком диапазоне длин волн.
Рис. 11. Схема монтажа источника:
а — установка свинцовой защиты источника; б — установка жидкодейте-риевого предзамедлителя; в — установка низкотемпературного модуля; г — установка биологической защиты источника
С этой целью на реакторе ВВР-М дополнительно к залу для работы с тепловыми нейтронами будут оборудованы залы для работы с ультрахолодными нейтронами, с очень холодными нейтронами и с холодными нейтронами. На рис. 12 показаны залы холодных и очень холодных нейтронов, которые могут быть выделены в пределах настоящей архитектуры здания реактора.
Заключение. В источнике УХН на базе реактора ВВР-М в ПИЯФ будет использоваться сверхтекучий гелий, который позволит достичь плотности ультрахолодных нейтронов 104 ем~3, что примерно в 1000 раз превышает интенсивность существующих в мире источников ультрахолодных нейтронов.
Кроме того, в проекте предлагается установить на новых пучках ультрахолодных нейтронов, очень холодных нейтронов и холодных нейтронов новые экспериментальные установки для исследования фундаментальных взаимодействий и изучения структуры и динамики вещества. В результате число установок на реакторе удвоится,
зал тепловых нейтронов
зал ультрахолодных нейтронов
зал очень холодных и холодных нейтронов
Рис. 12. Экспериментальные залы реактора ВВР-М; схема размещения источника холодных и ультрахолодных нейтронов, комплекса экспериментальных установок в главном зале реактора и комплекса экспериментальных установок в нейтроноводных залах: 1, 2, 3, 4 — установки для фундаментальных исследований на ультрахолодных нейтронах; ОХН-дифрактометр; 6 — ОХН-спектрометр; 7 — установки для фундаментальных исследований с холодными нейтронами
значительно повысится качество исследований за счёт высокоинтенсивных нейтронных пучков с большой длиной волны и улучшения фоновых условий в нейтроноводных за-
Пучки ультрахолодных нейтронов будут иметь рекордную интенсивность. Проект позволит создать современный нейтронный центр коллективного пользования с уникальным высокоинтенсивным источником ультрахолодных нейтронов. В работе центра коллективного пользования примут участие многие институты и университеты России, он станет также центром подготовки научных кадров. Обладая самым интенсивным источником ультрахолодных нейтронов, реактор ВВР-М станет международным центром фундаментальных исследований с ультрахолодными нейтронами.
В ультрахолодной области нейтронного спектра предлагаемый источник останется наиболее интенсивным в силу особенностей реактора ВВР-М и после пуска реактора ПИК. На реакторе ПИК будут созданы высокоинтенсивные пучки холодных, а также горячих нейтронов. Таким образом, в ПИЯФ планируется представить полный комплекс для исследований с нейтронами.
Следует отметить, что благодаря развитой инфраструктуре реактора и института, а также наличию высококвалифицированного научного и технического персонала данный проект является исключительно высокоэффективным с экономической точки зрения. Проект основан на использовании высоких технологий. Он будет весьма успешным шагом программы сохранения и развития фундаментальных и прикладных исследований в России на базе исследовательских реакторов.
Литература
1. Serebrov A. P. Supersource of ultracold neutrons at the WWRM reactor and the program of fundamental research in physics // Crystallography Rep. 2011. Vol. 56, N 7. P. 1230—1237.
2. Серебров А. П. Фундаментальные исследования с ультрахолодными нейтронами // Вестн. Рос. академии наук. 2009. Т. 79, № 1. C. 23-35.
3. GolubR., Jewell C., AgeronP. et al. Operation of a superthermal ultra-cold neutron source and the storage of ultra-cold neutrons in superfluid helium-4 //J. Phys. (B). 1983. Vol. 51. P. 187.
4. YoshikiH., SakaiK., OguraM. et al. Observation of ultracold-neutron production by 9-A cold neutrons in superfluid helium // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. P. 1323.
5. Антонов А. В., ИлатовскийВ. А., Коновалов Е. А. и др. Отчёт ОФТР ПИЯФ 2008. № 53. Р. 08.
6. Фомин А. К., Серебров А. П. Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М. III. Оптимизация выхода ультрахолодных нейтронов. Препринт ПИЯФ-2852. Гатчина, 2010. 13 с.
7. NakaiH., Kimura N., Murakami M. et al. Superfluid helium flow through porous media // Cryogenics. 1996. Vol. 36. P. 667-673.
8. Ерыкалов А. Н., Онегин М. С., Серебров А. П. Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М. I. Оценка нейтронных потоков и энерговыделения. Препринт ПИЯФ-2776. Гатчина, 2008. 22 с.
9. YoshikiH. et al. A new superleak to remove He3 for UCN experiments // Cryogenics. 2005. Vol. 45. P. 399-403.
10. Korobkina E., GolubR., Wehring B. W., Young A. R. Production of UCN by downscattering in superfluid He4 // Phys. Lett. (A). 2002. Vol. 301. P. 462.
11. Serebrov A. P., GeltenbortP., Shoka I. V. et al. An user facility for polarized ultracold neutrons at the ILL // Proc. Int. Workshop on Particle Physics with Slow Neutrons. Grenoble, France, 2008.
Статья поступила в редакцию 20 октября 2014 г.
Контактная информация
Серебров Анатолий Павлович — доктор физико-математических наук; e-mail: serebrov@pnpi.spb.ru
Фомин Алексей Константинович — кандидат физико-математических наук; e-mail: fomin@pnpi.spb.ru
Харитонов Аркадий Гдальевич — инженер-механик. Лямкин Виталий Александрович — аспирант; e-mail: lyamkin@tpu.ru Прудников Дмитрий Владимирович — инженер-технолог; e-mail: dpvbox@mail.ru Иванов Семён Александрович — старший лаборант; e-mail: semuel@sibmail.com Ерыкалов Алексей Николаевич — ведущий научный сотрудник. Онегин Михаил Сергеевич — старший научный сотрудник. Митюхляев Виктор Алексеевич — старший научный сотрудник. Захаров Аркадий Анатальевич — старший научный сотрудник.
Гриднев Константин Александрович — доктор физико-математических наук, профессор.
Serebrov Anatolii Pavlovich — Doctor of Physics and Mathematics; e-mail: serebrov@pnpi.spb.ru Fomin Alexey Konstantinovich — Candidate of Physics and Mathematics; e-mail: fomin@pnpi.spb.ru Kharitonov Arkadii Gdalyevich — engineer.
Lyamkin Vitaliy Alexandrovich — post-graduate student; e-mail: lyamkin@tpu.ru
Prudnikov Dmitrii Vladimirovich — engineer; e-mail: dpvbox@mail.ru
Ivanov Semen Alexandrovich — senior laboratory assistant; e-mail: semuel@sibmail.com
Erykalov Alexey Nikolaevich — Leading Researcher.
Onegin Mikhail Sergeevich — Senior Researcher.
Mityukhlyaev Viktor Alexeevich — Senior Researcher.
Zakharov Arkadiy Anatolyevich — Senior Researcher.
Gridnev Konstantin Alexandrovich — Doctor of Physics and Mathematics, Professor.
