Комплекс импульсных нейтронных источников испарительного типа
на базе сильноточного линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН
(Нейтронный комплекс ИЯИ РАН)- Уникальная научная установка ИЯИ РАН

В Институте ядерных исследований РАН на основе сильноточного линейного ускорителя протонов сооружен комплекс экспериментальных установок для нейтронных исследований, включающий импульсный источник нейтронов ИН-06, установку для радиационного материаловедения РАДЭКС и высокоинтенсивный нейтронный спектрометр по времени замедления в свинце СВЗ.

Физический пуск ИН-06 и установки РАДЭКС был произведен в конце 1998 г. при энергии пучка 209 МэВ, среднем токе не более 0,1 мкА, длительности протонного импульса 60 мкс и частоте 1 Гц.

2000 году был запущен 100-тонный высокоинтенсивный спектрометр по времени замедления в свинце СВЗ.

2002 году осуществлена проводка пучка с током 50 мА на установку РАДЭКС.

Импульсный источник нейтронов

По проекту ИН-06 состоит из двух независимых источников нейтронов, расположенных каждый в своем боксе в общей биологической защите, и способных работать одновременно. Различие определяется длительностью импульса протонов, направленных на нейтронобразующую мишень. В первом боксе располагается вольфрамовая мишень с водяным замедлителем, на которую в настоящее время подается пучок протонов с параметрами, определяемыми ускорителем. Предусмотренная возможность использования накопителя-группирователя протонов, создаваемого совместно с НИИЭФА, позволит генерировать импульсы нейтронов длительностью 320 нc со средней интенсивностью в телесном угле 4πp ~10¹⁶ н/с, что существенно расширит возможности источника для ведения фундаментальных исследований в области физики конденсированного вещества, ядерной физики, биологии, химии и т.д.

Развитие нейтронного источника с целью повышения нейтронного потока в расчете на один протон первичного пучка предполагает создание мишени с бериллиевым отражателем и размножающей мишени с ограниченным умножением, которую по проекту предполагается разместить во втором боксе.

Для выведения пучков нейтронов из замедлителя к экспериментальным устройствам источник имеет семь каналов диаметром 204 мм. При этом четыре канала направлены в экспериментальный зал, а три - за пределы экспериментального корпуса. Малое количество каналов накладывает специфические требования к установкам и условиям выведения нейтронов: многофункциональность установок и, по возможности, раздвоение пучков нейтронов для увеличения количества используемых установок.

Первая очередь включает в себя монтаж в ИЯИ РАН установок, ранее разработанных и созданных в других институтах, совместно с коллективами этих институтов. К ним относится разработанная и созданная в РНЦ "Курчатовский институт" установка ДИАС, совмещающая порошковый дифрактометр, дифрактометр высокого разрешения обратной геометрии с временной фокусировкой и спектрометр неупругого рассеяния обратной геометрии. Эта установка позволит проводить исследования как структуры, так и динамики разного класса веществ в различных агрегатных состояниях при различных физических условиях.

Другой установкой является порошковый дифрактометр (ПДИФП) Института физических проблем РАН, на котором возможно проводить исследования структуры как при нормальных условиях, так и при криогенных температурах, сильных импульсных магнитных полях и при высоких давлениях.

Специально для ИН-06 совместно с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева создается многофункциональный нейтронный спектрометр, включающий в себя четыре дифрактометра, предназначенные для исследования элементов структуры различного уровня (с пространственными размерами от единиц до тысячных долей ангстрем) и три спектрометра для определения динамических параметров в широком диапазоне переданных энергий, разрешений. Для увеличения диапазона исследованных энергий нейтронов и уменьшения их потерь в воздухе создан зеркальный нейтроновод.

Кроме перечисленных установок, которые находятся в стадии монтажа, совместно с Институтом физики высоких давлений РАН рассматривается модернизация дифрактометра ДН-500 для осуществления исследований конденсированных сред в экстремальных условиях (при сверхвысоких давлениях и сверхнизких температурах).

Для успешной реализации первой очереди нейтронного центра ИЯИ РАН для исследования конденсированных сред особое внимание уделяется вопросам регистрации, сбора и анализа информации, поступающей с установок, создания компьютерной сети для связи с другими Центрами. В частности, в ИЯИ РАН создается современный двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор нейтронов, необходимый для более эффективного получения информации о структуре исследуемого объекта.

Вторая очередь нейтронного центра предполагает проведение совместно с ПИЯФ (Гатчина) работ по оборудованию каналов зеркальными нейтроноводами с их раздвоением для увеличения количества установок. Эта стадия работ включает также завершение создания многофункционального нейтронного спектрометра.

Научная программа исследований

Специально для второй очереди завершена разработка проекта уникального спектрометра нейтронов прямой геометрии, совмещенного с малоугловым дифрактометром, и совместно с ПИЯФ начинается разработка современного рефлектометра. Рассматривается возможность создания других современных эффективных установок, развитие методов регистрации, сбора и анализа данных.

Макроскопические свойства вещества, определяющие его практическое применение, такие как тепло- и электропроводность, прочность, эластичность и т.д., зависят от атомной, надатомной, надмолекулярной структур, а также, в ряде случаев, определяются тепловой подвижностью ядер, молекул и их образований. Важнейшую роль при этом играют элементы структуры с характерными размерами от единиц до тысячи ангстрем.

Изучение структуры и динамических особенностей состоит в анализе данных рассеяния излучений в веществе. Способность нейтронов глубоко проникать в вещество позволяет исследовать материалы при различных условиях: температурах, давлениях и др.

Важнейшим свойством нейтрона является наличие у него магнитного момента, что предоставляет широкие возможности в исследовании магнитных явлений. В последние годы нейтроны все больше применяются для изучения систем с сильными магнитными корреляциями, а именно: низкоразмерных магнетиков, сверхпроводников, фуллеренов, тяжелых фермионов и др.

Особое внимание уделяется исследованию нанокристаллов. Представляет интерес проведение измерений в реальном масштабе времени, что даст информацию о таких процессах, как окисление, различные релаксации и т.д.

Разупорядоченные материалы, к которым относятся разупорядоченные кристаллы, стекла, жидкости, часто имеют лучшие, по сравнению с кристаллическими; механические и магнитные характеристики и поэтому представляют интерес для их изучения с помощью нейтронов.

Одной из наиболее развивающихся областей использования нейтронов является исследование высокомолекулярных соединений, к которым относятся полимеры, блок-сополимеры, жидкие кристаллы, мицеллярные растворы, лиотропные мезофазы амфифильных молекул, коллоидные суспензии, эмульсии, гели, поверхностно-активные вещества. Наиболее ярким свойством таких систем является их широкий полиморфизм.

Использование нейтронов в структурной химии позволит продвинуться по пути создания материалов с заданными свойствами (керамики, магнитные материалы и др.), исследовать процессы взаимодействия в системе металл—водород. Измерения в реальном масштабе времени позволят изучать химическую кинетику, твердотельные реакции, фазовые переходы, релаксационные процессы.

Биология и биотехнология являются наиболее перспективными областями применения нейтронов. Способность нейтронов активно чувствовать водород, как в статике, так и в динамике, позволяет успешно определять детали структуры и функционирования биологических систем. Однако для решения этих задач требуются высокие потоки нейтронов, более длинноволновая волновая часть спектра нейтронов (для этого необходимы зеркальные нейтроноводы) и эффективные детекторы нейтронов.

В отдельную область исследований с помощью нейтронов выделяется материаловедение, которое связывают с изучением свойств материалов с помощью изменения микроструктуры. К таким микроструктурам относятся точечные дефекты, дислокации, межфазные границы, микротрещины, поры и др. Интенсивно развиваются в последние годы работы по изучению внутренних напряжений и текстуры методом дифракции нейтронов, а также связанных с этими задачами проблем пластичности и усталости материалов. Таким образом, нейтронное рассеяние дает уникальные возможности изучения реальных промышленных компонент и узлов конструкций.

Новой областью является применение нейтронов в науках о Земле. Экспериментальные исследования состоят в изучении текстуры горных по- род и минералов, а также влияния внешнего давления на структуру образцов. Структурные исследования позволяют получить информацию о геологии планет, предсказании землетрясений и извержении вулканов.

Многоцелевой мишенный комплекс во втором боксе нейтронного источника.

Во втором боксе предполагается создание многоцелевой установки для реализации следующих работ:

• изучения различных аспектов трансмутации, электроядерного способа производства энергии;
• проведения экспериментальных работ, связанных с производством трития на основе сильноточного протонного пучка;
• наработки нейтронно-избыточных и нейтронно-дефицитных изотопов для медицины;
• развития нейтронной терапии;
• создания дополнительной экспериментальной базы на внешних пучках для исследований в области физики конденсированного состояния, ядерной физики и биологии.

На базе действующего в ИЯИ сильноточного ускорителя протонов и созданной инфраструктуры нейтронного источника можно создать перенастраиваемый стенд со средней мощностью до 6 МВт для проведения научно-исследовательскими организациями Минатома и Академии наук цикла исследований в области электроядерного способа производства энергии и трансмутации радиоактивных элементов с целью комплексной проверки различных концепций и наработки технологического опыта. Такой стенд, созданный из специальных сменных модулей и не имеющий аналогов в мире, обладал бы одновременно чертами Большого физического стенда и реактора БР-10. Наличие такого демонстрационного стенда в структуре Минатома и Академии наук позволило бы систематизировать разрозненные научные исследования в этой области, сохранить научные кадры и загрузить их реально реализуемой на практике работой, обеспечивающей основу для одного из возможных направлений энергетики будущего. Вертикальные каналы, предназначенные для облучения образцов, могли бы быть использованы для развития новых технологий производства трития и наработки изотопов для медицинских целей. Создание подобного стенда стимулировало бы выведение параметров линейного ускорителя на проектные параметры. Попутное использование этого стенда в качестве источника нейтронов с большой длительностью импульса позволит добавить к семи нейтронным пучкам импульсного источника нейтронов, расположенного в первом боксе, еще по крайней мере пять. Это существенно расширило бы возможности нейтронного комплекса и обеспечило бы научно-исследовательские институты Московского региона дополнительными нейтронными пучками и экспериментальной базой для исследований в области физики конденсированных сред и ядерной физики.

Спектрометр по времени замедления нейтронов в свинце ИЯИ РАН

Созданный 100-тонный нейтронный спектрометр по времени замедления в свинце (СВЗ) является дальнейшим развитием СВЗ ПИТОН, работающего в ИЯИ РАН с 1995 г. Эти установки относятся к СВЗ 3 поколения, в которых нейтроны генерируются за счет ядерных процессов (spallation neutrons), вызываемых интенсивным пучком протонов. Этот СВЗ может быть использован для исследований в области фундаментальной и прикладной физики.

Кроме того, такой свинцовый куб может служить прототипом электроядерной установки со спектром замедления (одно из предложений К. Рубиа, реализуемое в ЦЕРНе).

При работе на мощности - 30 кВт предполагается использование жидкометаллической свинцово-висмутовой мишени, что открывает перспективы международного сотрудничества. России принадлежит приоритет и уникальный опыт как в создании СВЗ (в институтах РАН), так и в работах с жидкометаллическими мишенями (в организациях Минатома). Объединение этих двух возможностей в одной установке позволило бы вывести исследований на принципиально новый уровень.

СВЗ третьего поколения обладают рекордной для нейтронных спектрометров светосилой с рабочим диапазоном энергий 1 эВ - 30 кэВ. Заметно проигрывая по разрешению методу по времени пролета, СВЗ даёт выигрыш в 103 - 104 раз в светосиле. СВЗ-100 может оказаться вне конкуренции в исследованиях сечений редких реакций и реакций с микрообразцами (радиоактивные и редкие ядра), представляющих более широкий научный интерес в тех экспериментах, где энергетическое разрешение не является определяющим. При этом существует возможность получения сверхинтенсивных потоков быстрых нейтронов (при использовании накопителя-группирователя). Совместно с ЛНФ ОИЯИ и ГНЦ "Физико-энергетический институт" разработана и реализуется перспективная программа научно-исследовательских работ на СВЗ-100.

ИЯИ РАН - Установка для радиационного материаловедения (РАДЭКС)

Установка РАДЭКС предназначена, главным образом, для облучения образцов конструкционных материалов в смешанных протонных и нейтронных полях с последующей их доставкой в горячие лаборатории для пострадиационных исследований. Имеется принципиальная возможность облучения образцов в чисто нейтронных полях. Активная зона установки собрана из вольфрамовых пластин с титановым покрытием, охлаждаемых водой. Внутри активной зоны на глубине ~ 4 м от верхней крышки и на расстоянии ~40 мм от первой стенки расположен цилиндрический облучательный канал, диаметром 52 мм. и высотой 100 мм В этом канале могут проводиться радиационные испытания стандартных образцов перспективных сплавов. Согласно предварительным оценкам, средняя по времени и усредненная по объему облучательного канала 250 см³ плотность потока жестких нейтронов может достигать 2*10¹⁴ нейтр./см²c при среднем токе протонов 0,5 мА (т.е. 3*10¹⁵ протонов/с), что ставит вопрос о возможности проведения испытаний материалов в установке РАДЭКС в условиях близких по радиационной нагрузке к ядерно-энергетическим установкам деления и синтеза. Спектр нейтронов при выбранном объеме вольфрамовой мишени имеет испарительную форму, соответствующую девозбуждению продуктов (р,W)-реакции, с примесью около 9% каскадных нейтронов в передней полусфере.

Для мониторинга нейтронных потоков в облучательном канале установки РАДЭКС разработаны специальные радиохимические детекторы, имеющие малые размеры, что позволяет получить картограмму нейтронных потоков в различных точках облучательного канала of-line при малых значениях протонного тока в предположении, что нейтронные потоки возрастают пропорционально увеличению первичного тока протонов.

Измерение нейтронного спектра в установке РАДЭКС является достаточно сложной экспериментальной задачей ввиду того, что спектр нейтронов, образованных в spallation процессе простирается вплоть до энергий первичного протонного пучка. Генерируемый нейтронный спектр предполагается исследовать двумя методами: с помощью активационного метода, используя набор специальных фольг, а низкоэнергетическую часть спектра (до ~2МэВ) планируется также измерять с помощью времяпролетной методики.

В настоящее время прорабатываются постановки экспериментов в следующих направлениях:
1. Исследование и моделирование радиационной стойкости перспективных материалов ядерной и термоядерной техники (корпусные стали ядерных реакторов, графиты, вольфрамовые, ванадиевые сплавы и др.) при воздействии протонов средних энергий (100-600 МэВ) и нейтронов с энергиями (1-600 МэВ).
2. Исследование и моделирование структурных превращений в магнитных и немагнитных материалах при их облучении протонами средних энергий (100-600 МэВ) и нейтронами с энергиями (1-600 МэВ).
3.В модифицированной установке со специальной вставкой возможно использование жидкометаллического охлаждения (Pb-Bi, Na или Нg) стандартных трубчатых образцов конструкционных материалов. В этом случае образцы будут одновременно находиться в постоянном механическом напряжении в среде металла и в радиационных полях. При этом плотность тепловыделения в образцах нержавеющих сталей от узкого пучка протонов (~1см в диаметре) может достигать ~1 - 1.5 кВт/куб.см, что практически невозможно достичь с помощью ядерных реакторов. Такая постановка эксперимента позволит исследовать влияние облучения на вещество, находящееся в экстремальных условиях.
4. Высокая повреждающая способность протонов и высокая локальная плотность тепловыделения открывают возможность сокращения сроков облучения материалов до заданного уровня смещений на атом и разработать методы экспресс-анализа конструкционных материалов в интересах развития ядерной энергетики и новых направлений в области ускорительно-управляемых систем в термоядерной энергетики. Сравнение данных по радиационному повреждению в установке РАДЭКС, при существующих параметрах пучков, и ядерно-энергетических установок синтеза и деления показывают, что при выходе на проектные параметры работы ускорителя, установка РАДЭКС по своим возможностям приближается к характеристикам, заложенным в проект IFMIF.

10.11.06г. Впервые осуществлена проводка пучка протонов мощностью около 8 кВт (средний ток 35-40 мкА, энергия 209 МэВ) на время-пролетный спектрометр РАДЭКС в Экспериментальном комплексе ИЯИ РАН. Эффективность работы ускорительного и экспериментального комплексов (количество пучкового времени у пользователя) составила около 80%.

Нейтронный времяпролетный спектрометр ИЯИ РАН

Среди интенсивных импульсных нейтронных источников наиболее перспективными в настоящее время являются сильноточные протонные ускорители на энергию 0.1-1.0 ГэВ, т.к. они дают:
1. Наибольшие потоки нейтронов при наименьшем энерговыделении на один рожденный нейтрон (в 3-5 раз меньше деления и в 30-50 меньше фотоядерных реакций)
2. Широкий спектр нейтронов
3. Регулируемый в широких пределах интервал длительностей нейтронных импульсовM
4. Относительно низкий фон гамма-излучения из мишени.

Линейный ускоритель протонов является базовой установкой нейтронного комплекса ММФ ИЯИ РАН. В настоящее время он имеет следующие параметры:
Энергия протонов до 300 МэВ.
Импульсный протонный ток до 16 мА.
Частота протонных импульсов 1 - 50 Гц.

Длительность протонных импульсов 0.25-200 мкс. В экспериментальном зале расположена сквозная ловушка протонного пучка РАДЭКС (РАДиационный ЭКСперимент), которая сегодня модифицирована в нейтронный источник для исследований методом времени пролета.

Нейтронный времяпролетный спектрометр состоит из следующих основных частей:
1. Вольфрамовая мишень, оптимизированная для поглощения протонного пучка с энергией до 300 МэВ при среднем токе до 150 мкА
2. Водяной замедлитель для формирования нейтронного спектра в области медленных и резонансных нейтроновM
3. Вакуумные времяпролетные каналы
4. Ловушки нейтронных пучков
5. Биологическая защита нейтронного источника и экспериментальных зон
6. Детектирующая аппаратура, системы контроля и управления экспериментом
7. Центр сбора, накопления и обработки экспериментальной информации.

На рис. 1 и 2 показаны конструкция действующей W-мишени и вакуумные каналы. В настоящее время имеются 6 экспериментальных зон для размещения регистрирующей аппаратуры. На фотографии представлен общий вид время пролетного спектрометра со стороны 50-ти метровой пролетной базы (зона №3). Для исследований по времени пролета структура нейтронного пучка должна соответствовать требованиям эксперимента. Нейтронные импульсы должны иметь малую длительность для получения высокого энергетического разрешения и относительно малую частоту, чтобы избежать наложения рецикличных нейтронов. Поэтому режимы работы нейтронного спектрометра должны отличатся в области медленных и резонансных нейтронов. В первом случае длительность импульса может быть равной 10-100 мкс, а во втором ~ на 1-2 порядка меньше. Стандартная длительность импульса спектрометра равна 60 мкс и меньшие длительности получаются с помощью прерывателя протонного пучка до 0.25 мкс с потерей интенсивности. В стандартном режиме максимальный интегральный поток нейтронов из мишени достигает 1.2*10¹⁵ н/с*4π. Расчет показывает, что на поверхности замедлителя плотность потока нейтронов составляет 2*10¹¹ н/(см²*c) в области энергий от тепловой до 100-300 кэВ. Эти расчетные данные были подтверждены экспериментально в измерениях плотности нейтронного потока на поверхности W-мишени с использованием метода активационного анализа облученных стандартных образцов, которые помещались в вертикальный канал нейтронного источника. Измеренная плотность нейтронного потока равна (2.5 ± 1.7)*10⁹ н/(см²*с) , что соответствует интегральной интенсивности испарительных нейтронов в мишени (7.5 ± 5.5)*10¹² н/с для среднего протонного тока 0.6 мкА. Величина ошибки определяется точностью данных по радиоактивному распаду облученных образцов.

Энергетическая зависимость плотности потока нейтронов на поверхности замедлителя измерялась с помощью нейтронных счетчиков СНМ-18 и двумя гамма-детекторами на основе NaJ(Tl) с мишенью из аморфного В-10, расположенными вне нейтронного пучка, также при среднем токе протонов 0.6 мкА. Результаты представлены на рис.З. В области медленных нейтронов спектрометр не уступает по своим параметрам современным импульсным нейтронным спектрометрам, а в резонансной области энергий, где нужно высокое энергетическое разрешение, он имеет среднее энергетическое разрешение.

При повышении энергии и тока протонного пучка до проектных существенно улучшатся параметры нейтронного спектрометра, а ввод в строй накопителя поставит его в число лучших импульсных нейтронных источников.

Параметры времяпролетного спектрометра, полученные в настоящее время, позволяют проводить исследования по программе изучения характеристик нейтронных резонансов деформированных ядер (лантанидов и трансуранов) и средних нейтронных сечений для нужд астрофизики и трансмутации.