ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ГАЗОВОЙ ДОСТАВКИ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ К ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ
|
Введение 4
1 Основы метода газовой транспортировки радиоактивных нуклидов 7
1.1 Основное описание процесса транспортировки газовой струёй и измерение масс
нуклидов в ловушке Пеннинга 7
1.2 Процесс транспортировки газовой струёй в мишенной камере 9
1.2.1 Процесс получения осколков деления мишени тепловыми нейтронами . 9
1.2.2 Роль буферного газа в процессе транспортировки 11
1.2.3 Роль аэрозолей в процессе газовой транспортировки 12
1.3 Процесс транспортировки газовой струёй в капиллярной трубке 15
1.3.1 Процесс ламинарного течения 15
1.3.2 Кинематика аэрозолей 16
1.3.3 Эффективность транспортировки частиц 18
2 Описание экспериментальной установки 21
3 Эксперимент для измерения кумулятивного времени транспортировки 23
3.1 Описание эксперимента 23
3.2 Экспериментальные результаты кумулятивного времени транспортировки . . 24
3.3 Теоретическое моделирование эксперимента 30
3.3.1 Теоретические вычисления времени транспортировки 30
3.3.2 Условия выживания нуклидов в процессе транспортировки 35
4 Эксперимент для идентификации транспортированных нуклидов 37
4.1 Описание эксперимента 37
4.2 Экспериментальные результаты по идентификации нуклидов 38
4.2.1 Калибровка гамма-детектора по энергиям и эффективности 38
4.2.2 Метод идентификации нуклидов из гамма-спектра 40
4.3 Теоретическое моделирование эксперимента 42
5 Оптимизация и перенос результатов на реактор ПИК 48
5.1 Эффективная термализация осколков деления в мишенной камере 48
5.2 Эффективность прилипания осколков деления к аэрозольным кластерам ... 51
5.3 Эффективность и время транспортировки в капиллярной трубке 53
5.4 Ожидаемые наблюдаемые нуклиды на реакторе ПИК в эксперименте для иден
тификации нуклидов 59
Заключение 62
Литература 64
Список иллюстраций 67
Список таблиц 69
А Приложения 70
В Приложения 74
1 Основы метода газовой транспортировки радиоактивных нуклидов 7
1.1 Основное описание процесса транспортировки газовой струёй и измерение масс
нуклидов в ловушке Пеннинга 7
1.2 Процесс транспортировки газовой струёй в мишенной камере 9
1.2.1 Процесс получения осколков деления мишени тепловыми нейтронами . 9
1.2.2 Роль буферного газа в процессе транспортировки 11
1.2.3 Роль аэрозолей в процессе газовой транспортировки 12
1.3 Процесс транспортировки газовой струёй в капиллярной трубке 15
1.3.1 Процесс ламинарного течения 15
1.3.2 Кинематика аэрозолей 16
1.3.3 Эффективность транспортировки частиц 18
2 Описание экспериментальной установки 21
3 Эксперимент для измерения кумулятивного времени транспортировки 23
3.1 Описание эксперимента 23
3.2 Экспериментальные результаты кумулятивного времени транспортировки . . 24
3.3 Теоретическое моделирование эксперимента 30
3.3.1 Теоретические вычисления времени транспортировки 30
3.3.2 Условия выживания нуклидов в процессе транспортировки 35
4 Эксперимент для идентификации транспортированных нуклидов 37
4.1 Описание эксперимента 37
4.2 Экспериментальные результаты по идентификации нуклидов 38
4.2.1 Калибровка гамма-детектора по энергиям и эффективности 38
4.2.2 Метод идентификации нуклидов из гамма-спектра 40
4.3 Теоретическое моделирование эксперимента 42
5 Оптимизация и перенос результатов на реактор ПИК 48
5.1 Эффективная термализация осколков деления в мишенной камере 48
5.2 Эффективность прилипания осколков деления к аэрозольным кластерам ... 51
5.3 Эффективность и время транспортировки в капиллярной трубке 53
5.4 Ожидаемые наблюдаемые нуклиды на реакторе ПИК в эксперименте для иден
тификации нуклидов 59
Заключение 62
Литература 64
Список иллюстраций 67
Список таблиц 69
А Приложения 70
В Приложения 74
В настоящее время одна из самых важных задач ядерной физики связана с исследованием физических свойств ядер, удалённых на карте нуклидов от полосы стабильности. Эти нуклиды являются нейтроне- или протоне избыточными ядрами, неустойчивыми по отношению к бета распаду и обладающими малыми временами жизни.
Современными моделями ядерной физики предсказывается существование больше 9000 разных нуклидов, из которых лишь около 3200 были экспериментально исследованы [1]. Экспериментальные исследования основных свойств атомных ядер главным образом заключаются в измерении их масс покоя, спектров излучений, периодов полураспада и спинов в основном состоянии. С другой стороны, теоретические модели ядерной физики дают предсказания об экспериментально ожидаемых значениях этих величин для всё ещё неисследованных нуклидов. Таким образом, экспериментальные исследования и измерения основных физических свойств нуклидов дают возможность для проверки и дальнейшего развития современных моделей и теорий ядерной физики.
Экспериментальные исследования ядер с экзотическим составом протонов и нейтронов, которые непосредственно принимают участие в различных взрывных астрофизических процессах, стали возможны с развитием ядерно-физических методов их получения и способов их исследования [2]. Экзотика этих ядер заключается в том, что они не встречаются в земных условиях, так как в природе не существует их естественных источников. Часто такие нуклиды, обладающие сильно асимметричным составом нейтронов и протонов, обладают маленькими временами полураспада. Исследование нейтроно-избыточных ядер, которые не смогли быть получены в процессе слияния после Большого взрыва, даёт возможность исследовать теоретически предполагаемые процессы их синтеза, которые называют процессами быстрого (г-rapid process) и медленного (s-slow process) нейтронного захвата. Процесс медленного захвата нейтрона ядром (s-process) осуществляется при бомбардировке ядра потоком нейтронов таким образом, что скорость захвата нейтронов меньше, чем скорость бета-распада полученного ядра. Процесс быстрого захвата нейтрона ядром (r-process) осуществляется при бомбардировке ядра более высокими потоками нейтронов таким образом, что скорость процесса захвата нейтронов происходит быстрее, чем скорость бета-распада ядра [3].
Возможность экспериментального исследования свойств экзотических нуклидов в земных условиях, осуществляется на исследовательских ядерных реакторах, так как они являются искусственными производителями экзотических нуклидов. В настоящее время один из работающих исследовательских реакторов является реактор TRIGA Майнц в институте ядерной химии Майнцского университета имени Иоганна Гутемберга в Германии. Установка TRIGA-SPEC, на которой проводятся исследования экзотических нейтроно-избыточных ядер, состоит из двух ветвей TRIGA-TRAP и TRIGA-LASER [4]. Установка ветвей TRIGA- TRAP, которая является масс-спектрометром, состоит из системы двух ловушек Пеннинга и занимается высоко прецизионным измерением масс нуклидов, а на установке ветви TRIGA- LASER проводятся измерения ядерных спинов и угловых моментов. Возможность прецизионного экспериментального измерения масс ионов радиоактивных нуклидов на установке TRIGA-TRAP осуществляется при сочетании реактор TRIGA, который является фабрикой для получения радиоактивных нуклидов, с ловушками Пеннинга на установке TRIGA-TRAP. Сочетание этих двух частей осуществляется с помощью промежуточных установок, с целью транспортировки и ионизации полученных радиоактивных нуклидов из реактора к высоко прецизионным измерительным установкам. На установке TRIGA-SPEC в Майнце используется метод газовой транспортировки радиоактивных нуклидов, который оказался очень эффективным и устойчивым процессом при транспортировки продуктов деления [5]. Исследование свойств экзотических короткоживущих ядер, зависит от мощности потока нейтронов на реакторе, скорости и эффективности транспортировки нуклидов, эффективности ионизации данного вида нуклида и от прецизионости измерительной установки. На реакторе ПИК в Гатчине, который принадлежит к классу высоко поточных реакторов, планируется установка ПИТРАП, на которой будут проводиться измерения масс короткоживущих экзотических нуклидов. Преимущество реактора ПИК относительно реактору TRIGA в Майнце состоит в том, что плотность потока нейтронов превышает на три порядка плотность потока нейтронов на реакторе в Майнце. В качестве метода транспортировки радиоактивных нуклидов и способа их ионизации предполагается использовать подходы, опробованные на установках TRIGA-SPEC в Майнце.
Цель этой диссертации заключается в оптимизации метода газовой транспортировки радиоактивных нуклидов исследованием возможности переноса этих результатов на установки, планируемые на реакторе ПИК. Основными задачами диссертации являются экспериментальные исследования параметров переноса продуктов деления из мишенной камеры к детектирующим устройствам, полученным в одном из экспериментальных сеансов на реакторе TRIGA, с последующим их моделированием и оптимизацией, приспособленными для условий, ожидаемых на реакторе ПИК.
В первой главе этой диссертации изложено описание и объяснение процесса газовой транспортировки радиоактивных нуклидов и подробно рассматриваются самые главные процессы и элементы установок, участвующих в процессе транспортировки. Во второй главе даётся описание экспериментальной установки TRIGA-SPEC в Майнце, где проводились эксперименты. В третьей и четвёртой главах излагаются полученные результаты и описано теоретическое моделирование экспериментов для определения кумулятивного времени транспортировки и идентификации транспортированных нуклидов. В пятой главе сделаны теоретические расчёты для оптимизации метода транспортировки газовой струёй. В приложении иллюстрируются полученные данные о выходах нуклидов и спектрах их гамма-излучения.
Современными моделями ядерной физики предсказывается существование больше 9000 разных нуклидов, из которых лишь около 3200 были экспериментально исследованы [1]. Экспериментальные исследования основных свойств атомных ядер главным образом заключаются в измерении их масс покоя, спектров излучений, периодов полураспада и спинов в основном состоянии. С другой стороны, теоретические модели ядерной физики дают предсказания об экспериментально ожидаемых значениях этих величин для всё ещё неисследованных нуклидов. Таким образом, экспериментальные исследования и измерения основных физических свойств нуклидов дают возможность для проверки и дальнейшего развития современных моделей и теорий ядерной физики.
Экспериментальные исследования ядер с экзотическим составом протонов и нейтронов, которые непосредственно принимают участие в различных взрывных астрофизических процессах, стали возможны с развитием ядерно-физических методов их получения и способов их исследования [2]. Экзотика этих ядер заключается в том, что они не встречаются в земных условиях, так как в природе не существует их естественных источников. Часто такие нуклиды, обладающие сильно асимметричным составом нейтронов и протонов, обладают маленькими временами полураспада. Исследование нейтроно-избыточных ядер, которые не смогли быть получены в процессе слияния после Большого взрыва, даёт возможность исследовать теоретически предполагаемые процессы их синтеза, которые называют процессами быстрого (г-rapid process) и медленного (s-slow process) нейтронного захвата. Процесс медленного захвата нейтрона ядром (s-process) осуществляется при бомбардировке ядра потоком нейтронов таким образом, что скорость захвата нейтронов меньше, чем скорость бета-распада полученного ядра. Процесс быстрого захвата нейтрона ядром (r-process) осуществляется при бомбардировке ядра более высокими потоками нейтронов таким образом, что скорость процесса захвата нейтронов происходит быстрее, чем скорость бета-распада ядра [3].
Возможность экспериментального исследования свойств экзотических нуклидов в земных условиях, осуществляется на исследовательских ядерных реакторах, так как они являются искусственными производителями экзотических нуклидов. В настоящее время один из работающих исследовательских реакторов является реактор TRIGA Майнц в институте ядерной химии Майнцского университета имени Иоганна Гутемберга в Германии. Установка TRIGA-SPEC, на которой проводятся исследования экзотических нейтроно-избыточных ядер, состоит из двух ветвей TRIGA-TRAP и TRIGA-LASER [4]. Установка ветвей TRIGA- TRAP, которая является масс-спектрометром, состоит из системы двух ловушек Пеннинга и занимается высоко прецизионным измерением масс нуклидов, а на установке ветви TRIGA- LASER проводятся измерения ядерных спинов и угловых моментов. Возможность прецизионного экспериментального измерения масс ионов радиоактивных нуклидов на установке TRIGA-TRAP осуществляется при сочетании реактор TRIGA, который является фабрикой для получения радиоактивных нуклидов, с ловушками Пеннинга на установке TRIGA-TRAP. Сочетание этих двух частей осуществляется с помощью промежуточных установок, с целью транспортировки и ионизации полученных радиоактивных нуклидов из реактора к высоко прецизионным измерительным установкам. На установке TRIGA-SPEC в Майнце используется метод газовой транспортировки радиоактивных нуклидов, который оказался очень эффективным и устойчивым процессом при транспортировки продуктов деления [5]. Исследование свойств экзотических короткоживущих ядер, зависит от мощности потока нейтронов на реакторе, скорости и эффективности транспортировки нуклидов, эффективности ионизации данного вида нуклида и от прецизионости измерительной установки. На реакторе ПИК в Гатчине, который принадлежит к классу высоко поточных реакторов, планируется установка ПИТРАП, на которой будут проводиться измерения масс короткоживущих экзотических нуклидов. Преимущество реактора ПИК относительно реактору TRIGA в Майнце состоит в том, что плотность потока нейтронов превышает на три порядка плотность потока нейтронов на реакторе в Майнце. В качестве метода транспортировки радиоактивных нуклидов и способа их ионизации предполагается использовать подходы, опробованные на установках TRIGA-SPEC в Майнце.
Цель этой диссертации заключается в оптимизации метода газовой транспортировки радиоактивных нуклидов исследованием возможности переноса этих результатов на установки, планируемые на реакторе ПИК. Основными задачами диссертации являются экспериментальные исследования параметров переноса продуктов деления из мишенной камеры к детектирующим устройствам, полученным в одном из экспериментальных сеансов на реакторе TRIGA, с последующим их моделированием и оптимизацией, приспособленными для условий, ожидаемых на реакторе ПИК.
В первой главе этой диссертации изложено описание и объяснение процесса газовой транспортировки радиоактивных нуклидов и подробно рассматриваются самые главные процессы и элементы установок, участвующих в процессе транспортировки. Во второй главе даётся описание экспериментальной установки TRIGA-SPEC в Майнце, где проводились эксперименты. В третьей и четвёртой главах излагаются полученные результаты и описано теоретическое моделирование экспериментов для определения кумулятивного времени транспортировки и идентификации транспортированных нуклидов. В пятой главе сделаны теоретические расчёты для оптимизации метода транспортировки газовой струёй. В приложении иллюстрируются полученные данные о выходах нуклидов и спектрах их гамма-излучения.
В этой диссертации был исследован метод газовой транспортировки осколков деления из мишенной камеры, расположенной вблизи активной зоны реактора, до измерительного устройства, расположенного вдали от этой зоны. Этот вопрос является центральным в планировании ядерных экспериментов на реакторах и, безусловно, относится к реактору ПИК. В настоящее время в мире имеется только одна ядерно-спектроскопическая система, которая сопряжена с реактором. Это система TRIGA-SPEC на реакторе TRIGA в г. Майнц (Германия) . На этой установке диссертантом были выполнены эксперименты (возможные благодаря поддержке немецкой стороны и СПбГУ, по мероприятию 6), позволившие получить результаты, которые могут быть успешно перенесены на планируемые установки на строящемся реакторе ПИК в Гатчине.
Основными задачами ВКР являлись экспериментальные исследования параметров метода газовой транспортировки радиоактивных нуклидов, их теоретическое моделирование и оптимизация с целью переноса на планируемые установки на реакторе ПИК.
Быстрый перенос радиоактивных осколков деления из мишенной камеры до детектирующего устройства является самой важной характеристикой метода транспортировки газовой струёй. С целью его исследования, на установках реактора TRIGA-Майнц с участием магистраснта были проведены эксперименты для измерения кумулятивного времени транспортировки радиоактивных нуклидов, получающихся при делении ядер мишени тепловыми нейтронами. Для этих целей были измерены гамма-спектры на выходе транспортной системы, состоящей из капиллярных трубок, по которым пропускается газ, несущий аэрозоли, на которых высажены искомые продукты деления. Расшифровка этих спектров, которыми занимался магистрант, показала, что на выходе действительно виден поток нуклидов-продуктов деления. Поэтому им можно было манипулировать для определения параметров транспортной системы.
На защиту диссертации выносятся следующие результаты, полученные магистрантом:
1. Участие в эксперименте на установке TRIGA-SPEC позволило измерить спектр гамма- излучения от бета-распада продуктов деления, полученных в результате деления урана нейтронным потоком из реактора и вынесенных газовым потоком к детектирующему устройству (Се(Ы)-детектору). Диссертантом были идентифицированы гамма-
линии 27 нуклидов, выживших в заданных временных условиях эксперимента.
2. Из полученных экспериментальных гамма-спектров нуклидов были определены кумулятивные времена транспортировки нуклидов, которые оказались во временном интервале от 1505 мс до 941 мс при объёмных расходах газа от 300 мл/мин до 800 мл/мин.
3. Выполнено теоретическое моделирование эксперимента. С учётом высокой эффективности транспортировки осколков деления в разных благородных газах были теоретически получены оптимальные времена транспортировки нуклидов от 933 мс до 742 мс при объёмных расходах от 300 мл/мин до 800 мл/мин при использовании гелия, что с хорошей точностью совпадает с экспериментом. В заключение гелий и неон были предложены в качестве оптимального несущего газа, так как они обладают малыми временами транспортировки. Помимо этого, как показано в работе, они могут эффективно выполнять роль буферного газа в мишенной камере при условии добавления тонкого металлического слоя, обволакивающего вещество мишени, и служащего для первоначальной термализации и служащего для первоначальной термализации быстрых осколков деления в нём.
4. Было рассмотрено влияние на эффективность транспорта размеров капиллярной трубки и присутствия аэрозольных кластеров в буферном газе. Сделан вывод, что при использовании капиллярных трубок с маленькими диаметрами и длинами эффективность транспортировки увеличивается, в то же время, эффективность осаждения осколков деления на полидисперсованных аэрозольные частицы возрастает с увеличением концентрации аэрозолей в буферном газе и среднего диаметра аэрозольных кластеров.
5. Полученные результаты из эксперимента на реакторе TRIGA закладывают базу под планирование эксперимента на реакторе ПИК с использованием метода выноса активности с помощью газового носителя. При аналогичных параметрах на систему доставки продуктов (капилляры, газ-носитель и т.д. ), но с учётом во много раз возросших массе мишенного вещества и потока нейтронов, делается вывод о возможности детектирования на реакторе ПИК нуклидов вплоть до периодов полураспада, 22 мс что покроет значительную часть экзотических ядер на карте нуклидов.
Основными задачами ВКР являлись экспериментальные исследования параметров метода газовой транспортировки радиоактивных нуклидов, их теоретическое моделирование и оптимизация с целью переноса на планируемые установки на реакторе ПИК.
Быстрый перенос радиоактивных осколков деления из мишенной камеры до детектирующего устройства является самой важной характеристикой метода транспортировки газовой струёй. С целью его исследования, на установках реактора TRIGA-Майнц с участием магистраснта были проведены эксперименты для измерения кумулятивного времени транспортировки радиоактивных нуклидов, получающихся при делении ядер мишени тепловыми нейтронами. Для этих целей были измерены гамма-спектры на выходе транспортной системы, состоящей из капиллярных трубок, по которым пропускается газ, несущий аэрозоли, на которых высажены искомые продукты деления. Расшифровка этих спектров, которыми занимался магистрант, показала, что на выходе действительно виден поток нуклидов-продуктов деления. Поэтому им можно было манипулировать для определения параметров транспортной системы.
На защиту диссертации выносятся следующие результаты, полученные магистрантом:
1. Участие в эксперименте на установке TRIGA-SPEC позволило измерить спектр гамма- излучения от бета-распада продуктов деления, полученных в результате деления урана нейтронным потоком из реактора и вынесенных газовым потоком к детектирующему устройству (Се(Ы)-детектору). Диссертантом были идентифицированы гамма-
линии 27 нуклидов, выживших в заданных временных условиях эксперимента.
2. Из полученных экспериментальных гамма-спектров нуклидов были определены кумулятивные времена транспортировки нуклидов, которые оказались во временном интервале от 1505 мс до 941 мс при объёмных расходах газа от 300 мл/мин до 800 мл/мин.
3. Выполнено теоретическое моделирование эксперимента. С учётом высокой эффективности транспортировки осколков деления в разных благородных газах были теоретически получены оптимальные времена транспортировки нуклидов от 933 мс до 742 мс при объёмных расходах от 300 мл/мин до 800 мл/мин при использовании гелия, что с хорошей точностью совпадает с экспериментом. В заключение гелий и неон были предложены в качестве оптимального несущего газа, так как они обладают малыми временами транспортировки. Помимо этого, как показано в работе, они могут эффективно выполнять роль буферного газа в мишенной камере при условии добавления тонкого металлического слоя, обволакивающего вещество мишени, и служащего для первоначальной термализации и служащего для первоначальной термализации быстрых осколков деления в нём.
4. Было рассмотрено влияние на эффективность транспорта размеров капиллярной трубки и присутствия аэрозольных кластеров в буферном газе. Сделан вывод, что при использовании капиллярных трубок с маленькими диаметрами и длинами эффективность транспортировки увеличивается, в то же время, эффективность осаждения осколков деления на полидисперсованных аэрозольные частицы возрастает с увеличением концентрации аэрозолей в буферном газе и среднего диаметра аэрозольных кластеров.
5. Полученные результаты из эксперимента на реакторе TRIGA закладывают базу под планирование эксперимента на реакторе ПИК с использованием метода выноса активности с помощью газового носителя. При аналогичных параметрах на систему доставки продуктов (капилляры, газ-носитель и т.д. ), но с учётом во много раз возросших массе мишенного вещества и потока нейтронов, делается вывод о возможности детектирования на реакторе ПИК нуклидов вплоть до периодов полураспада, 22 мс что покроет значительную часть экзотических ядер на карте нуклидов.
Содержание магистерской диссертации – ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ГАЗОВОЙ ДОСТАВКИ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ К ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ
Выдержки из магистерской диссертации – ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ГАЗОВОЙ ДОСТАВКИ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ К ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ