Высокоинтенсивный источник ультрахолодных нейтронов на основе сверхтекучего гелия

Во введение сформулирована научная проблема, связанная с повышением эффек-
тивности научных экспериментов с использованием ультрахолодных нейтронов и опре- делены цели и задачи диссертационной работы, а также направления и методы исследо- ваний.
В первой главе диссертации приводится литературный обзор по теории конверто- ра ультрахолодных нейтронов. Согласно общепринятой классификации, ультрахолод- ными нейтронами принято называть нейтроны с энергией ниже 10-7 эВ. Нейтроны таких энергий имеют целый ряд преимуществ по изучению свойств самого нейтрона. При энергии нейтрона меньше граничной энергии поверхности вещества, нейтрон не может проникнуть внутрь вещества и происходит его отражение от поверхности. Способность УХН к отражению от поверхности позволяет хранить их в замкнутом объеме.
Жизнь УХН внутри вещества конвертора очень кратковременна, так как столкнове- ния с ядрами приводят к их поглощению и неупругому рассеянию с приобретением энергии (нагреванию). Общие требования, которым должен удовлетворять конвертор:
 большое сечение неупругого рассеяния;  малое сечение поглощения;
 жесткий спектр возбуждений;
 устойчивость к воздействию радиации;  однородность;
Наиболее эффективными конверторами УХН являются жидкий водород, твёрдый дейтерий и сверхтекучий гелий. В течение последних 30 лет не наблюдается существен- ного прогресса в увеличении плотности ультрахолодных нейтронов. Дело в том, что уже освоены прямые и достаточно эффективные методы, использующие максимальные нейтронные потоки в реакторах при температуре 4-20 К. Для дальнейшего прогресса необходимы альтернативные методы получения ультрахолодных нейтронов, например, с использованием сверхтекучего гелия. Метод получения ультрахолодных нейтронов, ис- пользуя сверхтекучий гелий, осно-
ван на эффекте накопления ультра-
холодных нейтронов в сверхтекучем
гелии из-за особенностей этой кван-
товой жидкости. Сверхтекучий ге-
лий обладает колоссальной про-
зрачностью для нейтронов низких
энергий. Кривая Ландау, связываю-
щая энергию и импульс возбужде-
ний (фононов, ротонов) в сверхте-
кучем гелии пересекается с кривой
для нейтрона в одной точке
(Рисунок 1). Эта точка соответству-
ет энергии возбуждения (в единицах
температуры) 12 К. Это означает,
что УХН может “поглотить” только
Рисунок 1 – Зависимость энергии возбужде- ния фонона от волнового вектора в сверхтекучем
гелии
фонон с энергией 12 К. Таких фононов при температуре сверхтекучего гелия 1 К практи- чески нет, т.к. больцмановский 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 Å или энергией 12 К, которая как раз равна энергии фонона, т.е. хо- лодный нейтрон возбуждает фонон и сам практически останавливается, становясь уль- трахолодным. Холодные нейтроны проникают через стенку ловушки, а ультрахолодные отражаются, поэтому возможен эффект накопления УХН до плотности, определяемой временем хранения в ловушке с гелием. Если сосуд для хранения УХН наполнить гелием и облучать пучком тепловых нейтронов, то в сосуде можно накопить достаточно много УХН, количество которых лимитируется только мощностью подводимого пучка и стати- стикой Ферми.
Во второй главе диссертации выбрано оптимальное размещение источника УХН внутри тепловой колонны реактора ВВР-М. На реакторе имеется уникальная возмож- ность создания условий низкого тепловыделения при достаточно высоком нейтронном потоке
(1012 с-1см-2)). Эта задача может быть реализована в нише так называемой тепловой ко- лонны, которая представляет собой канал большого диаметра (1 метр), примыкающий к активной зоне реактора. Большой диаметр канала тепловой колоны позволит разместить защиту из свинца толщиной 10 см для снижения уровня тепловыделения, замедлитель из графита, низкотемпературный конвертор при температуре 20 К для получения холодных нейтронов и, наконец, конвертер холодных нейтронов в ультрахолодные нейтроны из сверхтекучего гелия при температуре 1,2 К. На
рисунке 2 приведена оптимальная конструкция
источника УХН с точки зрения производства
ультрахолодных и холодных нейтронов в нише
тепловой колонны реактора ВВР-М [1]. Опти-
мальная конструкция источника УХН состоит
из свинцового экрана толщиной 10 см, графи-
тового замедлителя в виде пустотелого цилин-
дра с внешним диаметром 970 мм и внутрен-
ним диаметром 520 мм, жидкодейтериевого
предзамедлителя объемом 50 л и конвертора со
сверхтекучим гелием объемом 35 л. Для такой
конструкции источника были детально рассчи-
таны производство ультрахолодных нейтронов
в гелиевой камере, а также энерговыделения в
элементах ее конструкции. Численное значение
скорости рождения УХН PУХН оказывается
равным 5180 УХН/(см3∙с) в расчете с учетом
многофононности. Результаты расчета энерго-
выделения в элементах конструкции источника
10
Рисунок 2 – Схема оптимизирован- ного источника УХН

при мощности реактора 16 МВт приводит таблица 1.
Таблица 1 – Энерговыделение в разных элементах источника УХН
Элемент конструкции
Гелиевая камера Дейтериевая камера Свинцовый экран Графитовый блок Вакуумный контейнер
Энерговыделение, Вт
35,18 287 21,3∙103 2610 4177
Произведено Монте Карло моделирование выхода УХН в новом источнике холод- ных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М [2]. Моделирование произведено при помощи программы разработанной для нейтронных расчетов с учетом гравитации. В результате расчета получена плотность УХН в основной ловушке ρ35l = 1,3·104 см-3 (для ловушки объемом 35 л) и ρ350l= 8,4·103 см-3 (для ловушки объемом 350 л). Таким обра- зом, ожидаемая плотность УХН на 2−3 порядка превысит плотность существующих ис- точников УХН. На рисунке 3 приведена расчетная зависимость плотности УХН в экспе- риментальных установках в зависимости от температуры сверхтекучего гелия.
Рисунок 3 – Плотность УХН в камере источника и экспериментальных установках
В новом источнике УХН запроектирована возможность вывода пучков холодных и очень холодных нейтронов на экспериментальные установки (Рисунок 4) [3]. Изогнутая часть нейтроноводов CN1 и CN3 состоит из четырех секций. Каждая секция отклоняется от предыдущей на угол 2,188 или 4,375 градуса. Общее отклонение выведенного пучка
относительно исходного составит 17,5 градусов.
В результате произведенных расчетов, при мощности реактора 16 МВт, получена
интегральная плотность ХН на выходе нейтроновода CN2 равная 8,6·107 см-2с-1 и инте- гральная плотность ОХН на выходе нейтроновода CN1 равная 7,4·105 см-2с-1. На рисун- ках 5 и 6 приведены расчетные спектры холодных и очень холодных нейтронов на выхо- де из соответствующих нейтроноводов.
Рисунок 4 – Нейтроноводная схема для холодных и очень холодных нейтронов
Рисунок 5 – Нейтронный спектр на вы- Рисунок 6 – Нейтронный спектр на вы- ходе нейтроновода ОХН ходе нейтроновода ХН
В третьей главе диссертации приведена конструкция основных частей источника ультрахолодных нейтронов (Рисунок 7), в частности: вакуумный модуль, дейтериевая и гелиевая часть криогенного модуля, а также внешний криостат.
Общий вид источника УХН в разрезе представлен на рисунке Рисунок 7.
Рисунок 7 – Источник УХН в разрезе 12

Ключевым вопросом безопасной эксплуатации источника УХН является вопрос теплоотвода всех теплопритоков, приведенных в таблице 1.
Для охлаждения свинцового экрана был спроектирован автономный контур охла- ждения с использованием воды в качестве хладогента. Для охлаждения, нагретой после свинцового экрана, воды будет использоваться теплообменник, в котором циркулирует вода из существующего второго контура реактора ВВР-М. Методом последовательных итераций получен минимальный расход охлаждающей воды, удовлетворяющий требова- ниям эксплуатации (максимальная температура свинцового экрана не должна превышать 85 оС). Максимальная температура поверхности свинца, при рассчитанном потоке Gр = 2,4 м3/час, будет равна TPb max= 83,87 oC. По итогам симуляции, произведенным при по- мощи программного комплекса SolidWorks, было получено распределение температур- ного поля свинцового экрана, показанное на рисунке 8. Максимальная температура на свинцовом экране составила 84 оС, а средняя температура по поверхности – 63,5 оС. Максимальная температура теплоносителя в канавках свинцового экрана составляет 71 оС. Результаты симуляции хорошо согласуются с, проделанным аналитическим расче- том.
Охлаждение алюминиевого кожуха, вакуумного контейнера и графита, располо- женных за свинцовым экраном, происходит за счёт теплопроводности по металлу и воз- духу, находящемуся в зазорах конструкции. На рисунке 9 показано температурное поле для идеального теплового контакта между графитовым блоком и алюминиевой пласти- ной. Температура вакуумного кожуха и графита не превышает 100 0C. Температуры эле- ментов конструкции свинцового экрана находятся в пределах значений, необходимых для безопасной эксплуатации.
Рисунок 8 – Температурное поле в свинцовом бло- Рисунок 9 – Распределение темпе- ке, оС ратуры в задней части источника
(в графитовом блоке и вакуумном контейнере), оС
Для поддержания температуры теплового экрана на уровне 20 K и для конденсации дейтерия в дейтериевой камере, применяется гелиевый рефрижератор TCF-50, холодо- производительностью 3 кВт при температуре 20 К. Помимо дейтериевого контура, ре- фрижератор должен обеспечивать рабочую температуру тепловых экранов всей низко- температурной части источника УХН. При давлении в дейтериевом контуре Pp = 1,5 ата
13

температура кипения равновесного дейтерия составляет T = 24,117 К. В то же время, важнейшим критерием безопасности источника является отсутствие возникновения ло- кальных образований твердого дейтерия. Это может привести к закупориванию трубо- проводов и при повышении тепловой на грузки на дейтериевую камеру, создать в ней давление, достаточное для разрыва контейнера с предзамедлителем. Таким образом, температура дейтерия в дейтериевой камере должная быть строго поддерживаться в диапазоне
18,73–24,117 К, где 18,73 К – тройная точка равновесного дейтерия. Для обеспечения максимальной надежности была выбрана последовательная схема подключения дейтери- евого контура и криостата к рефрижератору (рисунок 10).
HS – тепловой экран внутриреак- торной части ИУХН,
DC– дейтериевая камера,
Cr – тепловой экран криостата, H – нагреватель;
CVkkkk – вентили;
DNkk – условный диаметр вентиля; Tkkkk, Pkkkk – обозначения тем- пературы и давления соответствен- но;
R3270 – нагреватель для возврата гелия
Рисунок 10 – Принципиальная схема низкотемпературного контура (НТК) охлаждения:
Помимо тепловой нагрузки от реактора, на дейтериевую часть криогенного модуля будут воздействовать тепловые нагрузки по тепловым мостам и от лучистого теплооб- мена. Аналитическим путём были получены значения эти теплопритоков в размере 356,08 Вт и 112 Вт соответственно. Таким образом, суммарный теплоприток на дейтери- евую часть составит 775,23 Вт (313,45 Вт на дейтериевую камеру с жидким дейтерием и 461,78 Вт на тепловой экран). Ввиду сложной геометрии криогенного модуля, его тепло- гидравлический расчет производился в пакете COMSOL Multiphysics 5.2a. Минимально необходимый массовый расход гелия для охлаждения дейтериевой части составил G = 50 г/с. Тепловые расчеты для камеры жидкодейтериевого предзамедлителя при данном по- токе гелия дают значение средней температуры стенки камеры, равное 22,83 K (рисунок 11, а), а максимальная температура дейтерия составит 23 K (рисунок 11, б). Данная схе- ма обеспечит в камере переход всего дейтерия в жидкую фазу. Температура теплового
экрана в области устаноки камеры со сверхтекучим гелием не превышает 30 К. Значение суммарного гидравлического сопротивления контура охлаждения дейтериевой части со- ставит ∆PT = 76,7 кПа.
б)
и максимальная температура дейтерия в зависимости от массового расхода гелия (б)
На основании этого расчета, в местах с минимальной температурой поверхности теплового экрана, были найдены опорные точки для установки гелиевого модуля со сверхтекучим гелием. Дополнительно к сверхтекучему гелию по тепловым мостам и от лучистого теплообмена будет приходить 0,71 Вт. Таким образом, суммарный теплопри- ток к камере со сверхтекучим гелием составит 35,89 Вт. Эту величину можно уменьшить до 22,34 Вт, отодвинув источник УХН от активной зоны реактора ВВР-М на 25 см.
Отвод тепла от сверхтекучего гелия будет производиться путем откачки паров с по- верхности жидкого гелия. При ожидаемой тепловой нагрузке на гелий QHe = 35,89 Вт будет испаряться М = 1,7 г/с. Стандартные гелиевые ожижители производят жидкость с температурой 4,2 К. Гелий, поступающий из ожижителя в камеру источника УХН дол- жен быть предварительно охлажден до 1,2 К и только после этого слит в источник. Делая допущение, что энтальпия гелия при 1,2 К равна 0, при энтальпии гелия при 4,2 К равна 9,6 Дж/г, то от гелия с расходом 1,7 г/с, поступившего на охлаждение до 1,2 К, потребу- ется отводить 16,32 Вт. Подача гелия в источник УХН с одновременной его очисткой от примеси 3Не производится с помощью сверхтекучего фильтра из пористого вещества. При нагреве фильтра через него устанавливается поток сверхтекучей компоненты НеII. Для потока через фильтр равного 1,7 г/с к фильтру потребуется подводить мощность равную 0,4 Вт.
а)
Рисунок 11 – Распределение температуры жидкого дейтерия в дейтериевой камере (а)
Рисунок 12 – Принципиальная схема низко- температурной части с жидким гелием
Итоговая тепловая нагрузка соста- вит 52,61 Вт, что эквивалентно испаре- нию жидкого гелия в количестве 2,5 г/с. Именно столько гелия нужно будет вер- нуть в источник. Принципиальная схема низкотемпературной части со сверхте- кучим гелием представлена на рисунке 12. Отметим, что в комплексе использу- ется гелиевый ожижитель L-280 фирмы Linde, производительностью 96 л/час или 3,8 г/с.
При длине и диаметре откачного тракта в 40000 и 140 мм соответственно его гидравлическое сопротивление со- ставит 20 Па. Дополнительное разряже- ние в 5 Па потребуется для создания
молекулярного потока с поверхности жидкого гелия. Таким образом, для того, чтобы иметь температуру сверхтекучего гелия ТHe = 1.2 K (давление насыщенных паров при такой температуре будет равно 81,5 Па), давление гелия на входе в систему вакуумной откачки должно быть не более 55 Па.
Критичным моментом комплекса источника УХН является изотопная очистка сверхтекучего гелия от изотопа 3Не, так как он имеет большое сечение поглощения нейтронов и его содержание в жидком гелии сократит время жизни ультрахолодных нейтронов. Для коммерческого гелия, содержание изотопа 3Не в котором достигает 0,00014%, время жизни УХН составит 28 мс. Для достижения рабочих параметров ис- точника УХН, содержание 3Не в используемом газе должно быть снижено до 10-10.
Принцип изотопной очистки гелия основан на прохождении сверхтекучего гелия через фильтр из ультрадисперсного порошка Al2O3. 4Не переходит в сверхтекучую фазу при температуре 2,17 К, в то время как 3Не при 0,0026 К. В данной схеме, путем откачки паров гелия, будет достигнута температура 1,2 К и после прохождения через сверхтеку- чий фильтр 3Не компонента будет удалена.
Были разработаны и изготовлены образцы сверхтекучего фильтра, максимальная производительность которых составила 6,5 г/с.
Для защиты персонала от прямого пучка нейтронов и гамма квантов, на выходе из тепловой колонны реактора ВВР-М спроектирована биологическая защита [4]. При по- строении защиты использовать чередующиеся слои стали и полиэтилена. Последний слой полиэтилена предполагается сделать боросодержащим для снижения генерации гамма-излучения. В качестве наружного используется слой свинца для защиты от гамма- излучения. Первый же слой стали в защитном кожухе требуется покрыть боросодержа- щим пластиком или резиной. Содержание карбида бора в них должно превышать 50% по весу. Такое покрытие защитит материал от холодных и тепловых нейтронов и снизит его активацию при защите. Полная толщина защиты с передней стороны составляет 85,5 см;
с боковых и верхней – по 92,5 см. Биологическая защита проектировась таким образом, чтобы суммарная мощность дозы за ней не превышала 12 мкЗв/час (1,2 мбэр/час).
В четвертой главе диссертации приведено подробное описание и эксперимент на полномасштабной модели источника УХН на реакторе ВВР-М. Полномасштабная мо- дель источника УХН позволила:
Отработать технологию получения сверхтекучего гелия при температуре 1,2 К;
Получить экспериментальное подтверждение возможности отвода теплопритоков, вплоть до 60 Вт, от сверхтекучего гелия;
Получить опыт эксплуатации технологического комплекса источника УХН.
В состав полномасштабной мо- дели источника УХН вошел техноло- гический комплекс криогенного обо- рудования (гелиевые ожижитель L- 280 и рефрижератор TCF-50), система вакуумной откачки паров гелия, криостат для производства сверхте- кучего гелия и другое вспомогатель- ное инженерное оборудование. Блок- схема технологического комплекса источника УХН на реакторе ВВР-М
ВВР-М
представлена на рисунке 13.
Общий вид, смонтированной в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ, полномас-
штабной модели источника УХН со сверхтекучим гелием представлен на рисунке 14. Запуску полномасштабной модели УХН предшествует большой объем подготови- тельных работ по очистке гелиевых объемов от примесей воды, азота и кислорода. Сле- дующим этапом после выполнения подготовительных работ, является запуск гелиевого рефрижератора TCF-50 и получения рабочей температуры тепловых экранов. За 4 часа в тепловых экранах была зафиксирована уровне 11 К. После захолаживания тепловых экранов криостата был произведен запуск ожижителя L-280, захолаживание и заполне- ние объемов жидким гелием. Произведены замеры испаряемости жидкого гелия в тече- нии 10 часов. Для получения сверхнизких температур в комплексе была запущена си- стема вакуумной откачки паров гелия. В итоге, в течении 35 минут была получена тем-
пература Т = 1,08 К в ваннах криостата и модели источника УХН.
Рисунок 13 – Блок схема технологического комплекса модели источника УХН на реакторе
Рисунок 14 – Полномасштабная модель источника УХН
(1) гелиевый ожижитель L-280, (2) гелиевый рефрижератор TCF-50, (3) гелиевый
криостат, (4) модель источника УХН, (5) вакуумный насос изотопной откачки, (6) нагре- ватели паров гелия, (7) шкаф управления ожижителем, (8) шкаф управления рефрижера- тором и (9) насосы вакуумной откачки паров гелия.
Тепловая нагрузка на сверхтекучий гелий подавалась, от двух источников постоян- ного тока, с выдержкой 10 мин на каждом уровне мощности. Была получена температур- ная зависимость от подаваемой тепловой нагрузки на камеру модели источника УХН (рисунок 15).
Рисунок 15 – Зависимость температуры жидкого гелия от подаваемой тепловой нагрузки
В результате экспериментов на полномасштабной модели источника УХН были по- лучены реальные температуры сверхтекучего гелия при тепловой нагрузке вплоть до 60 Вт, в то время как расчетное значение тепловой нагрузки на реакторе ВВР-М оцени-
18

вается в 52,61 Вт. Тем самым была экспериментально обоснована возможность установ- ки источника УХН на реактор ВВР-М.
В пятой главе диссертации изложены перспективы дальнейших исследований по те- ме диссертации. В настоящее время в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ заверша- ется создание научно-исследовательского реакторного комплекса ПИК – одного из ше- сти на территории России проектов, включённых Правительством РФ в программу со- здания собственных мегаустановок мирового класса. На его базе предполагается созда- ние нового источника УХН на основе сверхтекучего гелия.
Разница между реакторами ПИК и ВВР-М, в плане создания источника УХН, состоит в том, что на реакторе ПИК источник УХН на основе сверхтекучего гелия может распо- лагаться только на выведенном нейтронном пучке, в то время как на реакторе ВВР-М есть возможность установки камеры со сверхтекучим гелием непосредственно в тепло- вую колонну, на расстоянии 40 см от активной зоны. При этом, переход от тепловой ко- лонны к выведенному пучку сразу приводит к потере плотности нейтронного потока в камере УХН пропорционально телесному углу пучка по отношению к 4π, что в итоге составит 4 порядка величины. Однако за счет высокого изначального нейтронного пото- ка (на реакторе ПИК он ожидается на 2 порядка выше чем на ВВР-М) и низких тепло- притоков, следовательно, более низкой температуры сверхтекучего гелия, можно ском- пенсировать 2-3 порядка. Уменьшение теплопритоков дает возможность использовать схему охлаждения камеры источника УХН посредством теплообменника, тем самым убирается возможность перемешивания изотопно-чистого гелия с природным. Более то- го, меньший нейтронный поток, по сравнению с потоком на реакторе ВВР-М, даёт воз- можность использовать в качестве материала для камеры источника УХН нержавеющую сталь, что существенно облегчит изготовление и добавит надежности сварным кон- струкциям.
Для источника УХН на РК ПИК была продела вся работа по оптимизации, которая была подробно описана во 2й главе данной работы. Окончательный результат оптимиза- ции камеры источника УХН, который принят в качестве основы для разработки кон-
Рисунок 16 – Схема оптимизированного источника УХН для РК ПИК
структорской документации приведен на рисунке 16.
Источник УХН будет установлен на канале ГЭК-4, имеющего диаметр 270 мм. В канале будет размещена головная часть ис- точника УХН, состоящая из конвертора (1); теплообменника (2); жидкодейтериевого предзамедлителя (3); графитового замедли- теля (4); защитного экрана (5) из свинца, толщиной 10 см и биологической защиты (6) – блоков из алюминия для защиты пер- сонала от радиационного облучения.
Рассчитанная плотность УХН в камере спектрометра ЭДМ для этого источника со- ставит 3,5∙102 см-3, при плотности УХН в
закрытой камере источника равной 2,1∙103 см-3. Это всего на порядок меньше плотности УХН, которую можно получить на РК ВРР-М, но тем не менее в 35 раз выше существу- ющих плотностей УХН в мире. Предварительно рассчитанные параметры источника УХН на РК ПИК приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Характеристики источника УХН на РК ПИК
Параметр
Значение
Температура конвертора УХН, К 1,15
Плотность потока тепловых нейтронов, см-2с-1
Плотность потока 9 Å нейтронов, см-2с-1 Å-1 5∙108 Плотность УХН в спектрометре ЭДМ, см-3 9∙102 Энерговыделение в гелиевой камере, Вт 3,85 Энерговыделение в камере предзамедлителя, Вт 10,7 Энерговыделение в свинцовом экране, Вт 267
Охлаждение предзамедлителя и тепловых экранов будет осуществляться тем же рефрижератором, что при уменьшенных величинах теплопритоков приведет к возникно- вению большего запаса по производительности.
Тепловыделение в свинцовом экране находится на таком уровне, который позволя- ет обеспечить теплосъем конвекцией воздуха вокруг источника. Однако, для надежно- сти, была спроектирована система, обеспечивающая циркуляцию газообразного гелия по каналам свинцового экрана. Данная система позволит производить измерение темпера- туры поверхности свинца и, в случае необходимости, обеспечит дополнительное охла- ждение.
Общая тепловая нагрузка на гелиевую часть криогенного модуля, с учетом тепло- притоков по тепловым мостам и от лучистого теплообмена, составит 6,85 Вт. Теплоот- вод такого количества тепла можно осуществить через теплообменник, хладагентом ко- торого выступит гелий-4. Расчётная площадь теплообмена составила 2000 см3. Произведенные расчеты для различных температур гелия в камере источника УХН, дают необходимую производительности откачной системы для отвода теплопри- токов. Данная зависимость приведена на рисунке 17.
Рисунок 17 – Необходимая производительность системы вакуумной откачки паров гелия 20
2,8∙1010

На рисунке 17, также нанесена кривая производительности имеющейся системы ва- куумной откачки паров гелия (позиция 9 на Рисунок 14). Отсюда можно сделать вывод, что при использовании имеющейся системы вакуумной откачки паров гелия, можно бу- дет получить температуру сверхтекучего гелия в камере источника УХН равной Т = 1,15 К.
В шестой главе диссертации изложены основные выводы и результаты проделан- ной работы. Была дана сравнительная характеристика источника УХН на реакторе ВВР- М и реакторе ПИК по сравнению с существующими источниками УХН в мире. С новым источником УХН предполагается достичь плотности ультрахолодных нейтронов в ЭДМ спектрометре 1,3∙104 см-3, для источника на реакторе ВВР-М, или 3,5∙102 см-3, для источ- ника на реакторе ПИК, т.е. как минимум два или один порядок, соответственно, выше существующего уровня плотности УХН в мире.
Для источника УХН на реакторе ВВР-М была разработана научная программа ис- следований по физике фундаментальных взаимодействий, включающая в себя 4 уста- новки на пучках УХН и 4 установки на пучках ХН и ОХН. Научная программа для реак- тора ПИК, представленная на рисунке 18, включает в себя поиск ЭДМ нейтрона, преци- зионное измерение времени жизни нейтрона (в гравитационном спектрометре GRAVITRAP и магнитной ловушке), а также эксперимент по поиску зеркальной темной материи.
1 – Ожижитель,
2 – Гелиевый дьюар, 3 – Криостат,
4 – Рефрижератор,
5 – Откачной пост,
6 – Компрессор,
7 – Cплиттер,
8 – Нейтроновод
УХН1 – nEDM
УХН2 – GRAVITRAP УХН3 – Установка n-n’ УХН4 – Магнитная
ловушка УХН
Рисунок 18 – Комплекс источника УХН на РК ПИК 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Необходимость развития новой технологии для производства ультрахолодных нейтронов обусловлена текущим отсутствием прогресса в увеличении плотности УХН в экспериментах по физике фундаментальных взаимодействий. Дело в том, что на данный момент освоены прямые и достаточно эффективные методы с использованием низкотемпературных конверторов, таких как твердый дейтерий, и для дальнейшего прогресса необходимы альтернативные методы получения ультрахолодных нейтронов. Наиболее перспективным из них является метод с использованием сверхтекучего гелия в качестве конвертора холодных нейтронов в ультрахолодные. В рамках данной работы, доказана возможность установки источников такого типа на реакторы ВВР-М и ПИК. Плотность УХН в ЭДМ спектрометре для новых источников УХН будет как минимум в 35 раз (для проекта на реакторе ПИК) или в 1300 раз (для проекта на реакторе ВВР-М) выше, чем на действующих, на сегодняшний день, источниках.
Конструкция реакторных установок ВВР-М и ПИК позволяет разместить источник УХН в тепловой колонне реактора ВВР-М или в разборной биологической защите на канале ГЭК-4 РК ПИК. В результате проведенной оптимизации была определена конструкция источника УХН, состоящая из свинцового экрана, графитового замедлителя, жидкодейтериевого предзамедлителя и конвертора со сверхтекучим гелием. Рассчитанная и спроектированная биологическая защита вокруг источника УХН обеспечит его безопасную эксплуатацию для обслуживающего персонала.
Для отдельных элементов источника УХН, находящихся в условиях радиационного нагрева, были спроектированы специальные контуры отвода основных теплопритоков:
•Разработанная схема автономного контура охлаждения свинцового экрана для реактора ВВР-М позволит поддерживать среднюю температуру по поверхности свинца на уровне 63,5оС при теплопритоках до 27,3 кВт. Необходимый поток хладагента (дистиллированной воды) для отвода такого количества тепла составит 2,4 м3/час.
• Показано, что за счет всевозможных теплопритоков при мощности реактора ВВР-М 16 МВт, нагрузка на низкотемпературный контур источника УХН составит 900 Вт и для отвода этого тепла необходим контур с холодным гелием, при Т= 20 К, в количестве G = 50 г/с. Штатную работу этого контура может обеспечить гелиевый рефрижератор TCF-50.
• Использование вакуумной откачки паров гелия, производительностью 2,49 г/с при давлении 55 Па позволит поддерживать температуру сверхтекучего гелия в камере источника УХН на реакторе ВВР-М на уровне 1,2 К при ожидаемой тепловой нагрузке в 35,89 Вт. Штатную работу этого контура может обеспечить гелиевый ожижитель L-280.
Разработанный контур со сверхтекучим гелием также включает в себя сверхтекучий фильтр, в котором производится очистка гелия от изотопа 3He. Экспериментально подтверждена возможность изготовления сверхтекучего фильтра для разделения изотопов 3Не и 4Не с критическим массовым потоком изотопа 4Не до 6,5 г/с.
Запущен в работу технологический комплекс полномасштабной модели источника УХН со сверхтекучим гелием. Данный комплекс включает в себя: модель источника
УХН, криостат для производства сверхтекучего гелия, гелиевый ожижитель L-280 производительностью 96 л/час, гелиевый рефрижератор TCF-50 производительностью 3000 Вт на температурном уровне 20 К, систему вакуумной откачки паров гелия, систему сжатия и хранения гелия, вспомогательные инженерные технологические системы и систему КИП и автоматики. На этом комплексе была экспериментально получена температура сверхтекучего гелия T = 1,08 К без тепловой нагрузки и температура T = 1,37 К при тепловой нагрузке P = 60 Вт. Это важнейший результат демонстрирует возможность реализации проекта источника УХН на реакторе ВВР-М и возможности применения сверхтекучего гелия в атомных технологиях.
Новый источник ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М позволит достичь плотности УХН в ЭДМ спектрометре ρ35l = 1,3·104 см-3. Фактор выигрыша в плотности УХН по сравнению с другими, существующими на данный момент, источниками, составит 2−3 порядка величины. Помимо ультрахолодных нейтронов, на новом источнике проектом предусмотрена возможность вывода пучков холодных и очень холодных нейтронов для проведения экспериментов по физике конденсированного состояния.
Перспективы дальнейших исследований по теме диссертации заключаются в создании источника ультрахолодных нейтронов для реакторного комплекса ПИК. Источник УХН на реакторе ПИК может быть установлен на выведенном пучке, что позволит значительно уменьшить величину теплопритоков к низкотемпературным конструкциям источника УХН. В результате оптимизации была выбрана схема отвода тепла от камеры источника УХН при помощи теплообменника. Рассчитанная плотность УХН в камере спектрометра ЭДМ на РК ПИК составляет 3,5∙102 см-3, при плотности УХН в закрытой камере источника равной 2,1∙103 см-3. Это всего на порядок меньше плотности УХН, которую можно получить на РК ВРР-М, но тем не менее в 35 раз выше существующих плотностей УХН в мире.
Для новых источников УХН на основе сверхтекучего гелия разработана обширная программа исследований по физике фундаментальных взаимодействий, включающая в себя поиск ненулевого ЭДМ нейтрона, прецизионное измерение времени жизни нейтрона и поиск зеркальной темной материи [5].