Помощь студентам в учебе
Оптимизация бериллиевой мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 10 - 13 МэВ
|
Введение 4
1 Компактные источники нейтронов 8
1.1 Применение нейтронов 8
1.2 Типы нейтронных источников 10
1.3 Компактные источники нейтронов 12
1.4 Мишенная сборка КИН 13
2 Методика расчета транспорта частиц в веществе 20
2.1 Метод Монте Карло при расчете переноса частиц 20
2.2 Реализация метода Монте Карло в программе PHITS 23
3 Выбор параметров мишени 27
3.1 Выбор ядерной реакции 28
3.2 Геометрия мишени 30
3.3 Выводы к главе 3 34
4 Охлаждение мишени 35
4.1 Многослойные мишени 37
4.2 Поиск оптимальной энергии протонов 40
4.3 Вращающиеся мишени 41
4.4 Охлаждение с использованием внешних каналов 46
4.5 Выводы к главе 4 53
Заключение 56
Благодарности 58
Литература 59
1 Компактные источники нейтронов 8
1.1 Применение нейтронов 8
1.2 Типы нейтронных источников 10
1.3 Компактные источники нейтронов 12
1.4 Мишенная сборка КИН 13
2 Методика расчета транспорта частиц в веществе 20
2.1 Метод Монте Карло при расчете переноса частиц 20
2.2 Реализация метода Монте Карло в программе PHITS 23
3 Выбор параметров мишени 27
3.1 Выбор ядерной реакции 28
3.2 Геометрия мишени 30
3.3 Выводы к главе 3 34
4 Охлаждение мишени 35
4.1 Многослойные мишени 37
4.2 Поиск оптимальной энергии протонов 40
4.3 Вращающиеся мишени 41
4.4 Охлаждение с использованием внешних каналов 46
4.5 Выводы к главе 4 53
Заключение 56
Благодарности 58
Литература 59
Освоение новых технологий является одной из составляющих частей развития человечества. В значительной степени прогресс в XX веке основан на достижениях в области материаловедения, изучении природы вещества и создании искусственных материалов. Успех в решающей степени зависит от овладения методами исследования вещества, раскрывающих информацию о строении и свойствах материи. Одним из таких проводников для разгадки характеристик веществ является нейтрон. Благодаря уникальной комбинации свойств, нейтрон обладает высокой ценностью и как объект фундаментальных исследований, и как зонд для нужд прикладных наук.
Ведущие мировые центры нейтронных исследований в настоящее время разрабатывают источники нейтронов нового поколения для нужд физики конденсированных сред. Компактные источники призваны заменить морально устаревшие реакторы малой и средней мощности и открыть возможности для создания лабораторий рассеяния нейтронов в научных и образовательных организациях. Такой источник изначально уступает несколько порядков нейтронного потока большому источнику ускорительного типа; однако значительная часть этих потерь может быть компенсирована увеличением апертуры захвата и глубокой оптимизацией инструмента, включая адаптацию параметров ускорителя, мишени и замедлителя к потребностям каждой конкретной установки, использующей источник, индивидуально.
Мишенная сборка является именно тем местом, где рождаются нейтроны. От ее характеристик зависят параметры получаемого нейтронного пучка, а следовательно, и конкурентоспособность компактного источника. Разработка и оптимизация мишени является важным этапом при создании установки.
Актуальность
Актуальность работы обусловлена возросшим интересом к созданию компактных источников нейтронов в РФ и мире в последние годы. Причиной этого является снижение числа нейтронных центров в мире в связи с выводом из эксплуатации устаревший реакторов при непрерывно возрастающем спросе на использование нейтронных инструментов. В стремлении удовлетворить потребности нейтронного сообщества осуществляются многочисленные исследования инженеров и физиков по всему миру для определения облика современного КИН для решения задач в области нейтронного рассеяния.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка и оптимизация мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 10 — 13 МэВ.
Поставленные задачи
1. Освоение программного комплекса PHITS для моделирования физических процессов методом Монте-Карло
2. Определение оптимальных характеристик мишени для различных энергий налетающих протонов
3. Формирование требований к конструкции бериллиевой мишени
4. Модификация конструкции мишенной сборки для достижения стабильной эксплуатации в составе КИН DARIA
Методология
Задачи решались с помощью численного моделирования методом Монте-Карло с использованием программного пакета PHITS.
Новизна
1. Впервые в России разработана конструкция мишени для компактного источника нейтронов ускорительного типа.
2. Впервые описана модель вращающейся мишени для КИН с барабаном.
3. Впервые создана конструкция трехслойной мишени с миниканальным водяным охлаждением.
Апробация результатов
Результаты работы на разных этапах представлены на конференциях:
1. Международная конференция UCANS-9, 30.03.2022, онлайн.
2. III Молодежная конференция «Проект DARIA: Компактные источники нейтронов в России», 1.12.2021, Петергоф.
Публикации
По результатам международной конференции UCANS-9 в редакцию направлена статья: Target cooling options for DARIA compact neutron source.
Положения, выносимые на защиту
Оптимальным вариантом конструкции мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 13 МэВ является трехслойная мишень, включающая слои бериллия и ванадия с водным охлаждением с использованием миниканалов.
Содержание работы
Выпускная квалификационная работа состоит из четырех глав.
Первая глава содержит обзорную информацию о месте нейтронных исследований в науке, ядерно-физических механизмах генерации нейтронов и типах нейтронных источников, устройстве и принципах работы компактного источника нейтронов.
Во второй главе описаны использованные методики моделирования: метод Монте-Карло и основанный на нем транспортный программный код PHITS. Приводится теоретическое описание способа расчета тормозной способности материалов при моделировании переноса частиц в среде.
В третьей главе приведены результаты расчетов по выбору параметров мишени: ее материала и геометрии, а также энергии протонного пучка. Устанавливается значение оптимальной толщины мишени с точки зрения выхода нейтронов. Решается проблема блистеринга бериллия.
В четвертой главе решается проблема высокого энерговыделения в мишени. Рассматриваются варианты системы охлаждения: использование дополнительных слоев мишени, использование вращательных конструкций и теплосъем через каналы с водяным охлаждением.
В заключении сформулированы основные результаты работы. Предлагается рабочая конструкция мишени.
Ведущие мировые центры нейтронных исследований в настоящее время разрабатывают источники нейтронов нового поколения для нужд физики конденсированных сред. Компактные источники призваны заменить морально устаревшие реакторы малой и средней мощности и открыть возможности для создания лабораторий рассеяния нейтронов в научных и образовательных организациях. Такой источник изначально уступает несколько порядков нейтронного потока большому источнику ускорительного типа; однако значительная часть этих потерь может быть компенсирована увеличением апертуры захвата и глубокой оптимизацией инструмента, включая адаптацию параметров ускорителя, мишени и замедлителя к потребностям каждой конкретной установки, использующей источник, индивидуально.
Мишенная сборка является именно тем местом, где рождаются нейтроны. От ее характеристик зависят параметры получаемого нейтронного пучка, а следовательно, и конкурентоспособность компактного источника. Разработка и оптимизация мишени является важным этапом при создании установки.
Актуальность
Актуальность работы обусловлена возросшим интересом к созданию компактных источников нейтронов в РФ и мире в последние годы. Причиной этого является снижение числа нейтронных центров в мире в связи с выводом из эксплуатации устаревший реакторов при непрерывно возрастающем спросе на использование нейтронных инструментов. В стремлении удовлетворить потребности нейтронного сообщества осуществляются многочисленные исследования инженеров и физиков по всему миру для определения облика современного КИН для решения задач в области нейтронного рассеяния.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка и оптимизация мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 10 — 13 МэВ.
Поставленные задачи
1. Освоение программного комплекса PHITS для моделирования физических процессов методом Монте-Карло
2. Определение оптимальных характеристик мишени для различных энергий налетающих протонов
3. Формирование требований к конструкции бериллиевой мишени
4. Модификация конструкции мишенной сборки для достижения стабильной эксплуатации в составе КИН DARIA
Методология
Задачи решались с помощью численного моделирования методом Монте-Карло с использованием программного пакета PHITS.
Новизна
1. Впервые в России разработана конструкция мишени для компактного источника нейтронов ускорительного типа.
2. Впервые описана модель вращающейся мишени для КИН с барабаном.
3. Впервые создана конструкция трехслойной мишени с миниканальным водяным охлаждением.
Апробация результатов
Результаты работы на разных этапах представлены на конференциях:
1. Международная конференция UCANS-9, 30.03.2022, онлайн.
2. III Молодежная конференция «Проект DARIA: Компактные источники нейтронов в России», 1.12.2021, Петергоф.
Публикации
По результатам международной конференции UCANS-9 в редакцию направлена статья: Target cooling options for DARIA compact neutron source.
Положения, выносимые на защиту
Оптимальным вариантом конструкции мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 13 МэВ является трехслойная мишень, включающая слои бериллия и ванадия с водным охлаждением с использованием миниканалов.
Содержание работы
Выпускная квалификационная работа состоит из четырех глав.
Первая глава содержит обзорную информацию о месте нейтронных исследований в науке, ядерно-физических механизмах генерации нейтронов и типах нейтронных источников, устройстве и принципах работы компактного источника нейтронов.
Во второй главе описаны использованные методики моделирования: метод Монте-Карло и основанный на нем транспортный программный код PHITS. Приводится теоретическое описание способа расчета тормозной способности материалов при моделировании переноса частиц в среде.
В третьей главе приведены результаты расчетов по выбору параметров мишени: ее материала и геометрии, а также энергии протонного пучка. Устанавливается значение оптимальной толщины мишени с точки зрения выхода нейтронов. Решается проблема блистеринга бериллия.
В четвертой главе решается проблема высокого энерговыделения в мишени. Рассматриваются варианты системы охлаждения: использование дополнительных слоев мишени, использование вращательных конструкций и теплосъем через каналы с водяным охлаждением.
В заключении сформулированы основные результаты работы. Предлагается рабочая конструкция мишени.
В данной работе дано краткое обоснование необходимости расширения глобального парка нейтронных установок для удовлетворения высокого спроса на нейтронные исследования. Предлагаемое решение заключается в строительстве сети компактных источников нейтронов, которые благодаря низкой стоимости строительства и обслуживания по сравнению с высокомощными нейтронными источниками обладают конкурентоспособными характеристиками, и подходят для решения множества задач нейтронной физики. С помощью методов численного моделирования транспорта частиц в веществе решена комплексная задача по оптимизации бериллиевой мишени для компактного источника нейтронов, которая является одним из главных и наиболее требовательных узлов установки. Выбран подход, при котором сначала обеспечиваются желаемые характеристики, а затем делаются поправки на существующие ограничения. На основании анализа расчетных данных получены результаты, позволяющие выдвинуть следующие решения для конструкции мишени:
1. Оптимальным материалом для генерации нейтронов в КИН ускорительного типа средней мощности является 9Be. Этот материал имеет самую низкую энергию связи нейтрона среди стабильных изотопов, высокие сечения (p, n) реакций при низких энергиях протонов, а также хорошие по сравнению с литием тепловые характеристики, позволяющие мишени оставаться в твердом состоянии при работе установки.
2. Оптимальной энергией протонов для бериллиевой мишени является значение 13 МэВ. Использование таких протонов позволяет перекрыть область высоких сечений нейтрон-генерирующих реакций и избежать дополнительного радиационного загрязнения в виде генерации трития, что повышает безопасность, упрощает конструкцию и сертификацию установки.
3. Оптимальная толщина бериллиевого слоя мишени при облучении протонным пучком с энергией 13 МэВ составляет 1.1 мм. При данной толщине нейтронный ток отличается от максимально возможного при данной энергии протонов менее, чем на 2%, однако энерговыделение в бериллии сокращается на 15% за счет "вынесения"пика Брэгга за пределы слоя. Такой выбор толщины также предотвращает блистеринг бериллия — один из основных факторов, приводящих к разрушению мишени.
4. Слой ванадия обеспечивает высокий коэффициент диффузии водорода и предотвращает его накопление внутри мишени. Достаточная толщина ванадиевого слоя для улавливания всех протонов — 64 мкм, однако увеличение данной величины для надежности и лучших механических характеристик не приводит к существенному снижению нейтронного тока.
5. Оптимальный вариант системы охлаждения — использование внешних каналов внутри алюминиевого слоя с пропусканием воды под давлением. Главными факторами является площадь поверхности каналов и давление пропускаемой воды. Алюминиевый слой до 1 см толщиной не приводит к существенным потерям нейтронного тока.
6. Компактные размеры мишени с внешними каналами оставляют свободу для выбора геометрии и положения замедлителей и рефлектора, что в свою очередь позволяет проводить дальнейшую оптимизацию мишенной сборки для достижения наилучшего результата по плотности нейтронного потока — основной величине, характеризующей эффективность нейтронного источника.
К использованию в качестве мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 13 МэВ предлагается описанная в завершении четвертой главы конструкция.
1. Оптимальным материалом для генерации нейтронов в КИН ускорительного типа средней мощности является 9Be. Этот материал имеет самую низкую энергию связи нейтрона среди стабильных изотопов, высокие сечения (p, n) реакций при низких энергиях протонов, а также хорошие по сравнению с литием тепловые характеристики, позволяющие мишени оставаться в твердом состоянии при работе установки.
2. Оптимальной энергией протонов для бериллиевой мишени является значение 13 МэВ. Использование таких протонов позволяет перекрыть область высоких сечений нейтрон-генерирующих реакций и избежать дополнительного радиационного загрязнения в виде генерации трития, что повышает безопасность, упрощает конструкцию и сертификацию установки.
3. Оптимальная толщина бериллиевого слоя мишени при облучении протонным пучком с энергией 13 МэВ составляет 1.1 мм. При данной толщине нейтронный ток отличается от максимально возможного при данной энергии протонов менее, чем на 2%, однако энерговыделение в бериллии сокращается на 15% за счет "вынесения"пика Брэгга за пределы слоя. Такой выбор толщины также предотвращает блистеринг бериллия — один из основных факторов, приводящих к разрушению мишени.
4. Слой ванадия обеспечивает высокий коэффициент диффузии водорода и предотвращает его накопление внутри мишени. Достаточная толщина ванадиевого слоя для улавливания всех протонов — 64 мкм, однако увеличение данной величины для надежности и лучших механических характеристик не приводит к существенному снижению нейтронного тока.
5. Оптимальный вариант системы охлаждения — использование внешних каналов внутри алюминиевого слоя с пропусканием воды под давлением. Главными факторами является площадь поверхности каналов и давление пропускаемой воды. Алюминиевый слой до 1 см толщиной не приводит к существенным потерям нейтронного тока.
6. Компактные размеры мишени с внешними каналами оставляют свободу для выбора геометрии и положения замедлителей и рефлектора, что в свою очередь позволяет проводить дальнейшую оптимизацию мишенной сборки для достижения наилучшего результата по плотности нейтронного потока — основной величине, характеризующей эффективность нейтронного источника.
К использованию в качестве мишени для компактного источника нейтронов с энергией протонов 13 МэВ предлагается описанная в завершении четвертой главы конструкция.
