Назначение

Разрабатываемая исследовательская ядерная установка "Источник нейтронов, основанный на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем электронов" (ИЯУ) предназначена для получения нейтронов и использования их в фундаментальных и прикладных исследованиях, а также для обучения и подготовки специалистов для атомно-энергетической промышленности Украины.

Цели разработки:

• создание прототипа безопасной ядерно-энергетической установки будущего,
• создание экспериментальной базы для нейтронозахватной терапии,
• производство радиоизотопов для проведения диагноза и терапии различных заболеваний,
• создание экспериментальной базы для нейтронно-физических исследований в области фундаментальной и прикладной ядерной физики и энергетики.

В ИЯУ получение интенсивного потока нейтронов основано на принципе размножения первичных фотонейтронов в среде из делящегося материала. Геометрия среды и масса делящегося материала выбраны таким образом, чтобы эффективный коэффициент размножения нейтронов k_eff при любых исходных событиях оставался меньше 1 (k_eff < 1), т.е. размножающей средой является подкритическая сборка (ПКС). Такое решение гарантирует ядерную безопасность ИЯУ. В этом состоит принципиальное отличие разрабатываемой ИЯУ от исследовательских ядерных реакторов, работающих в режиме самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер актинидов.

Разрабатываемая ИЯУ представляет собой совершенно новый тип ядерной установки, в которой интенсивность протекания ядерной реакции деления изотопа ²³⁵U в активной зоне управляется ускорителем электронов. Международная классификация МАГАТЭ таких установок — ADS-системы (Accelerator Driven Systems). Эти системы представляют независимый объект исследований, т.к. имеют перспективу использования в безопасной ядерной энергетике будущего.

Поэтому на источнике нейтронов ННЦ ХФТИ предполагается изучение ряда проблем, характерных для ADS-систем. В частности, связанных с кинетикой ядерного деления урана, стимулированного пучками ускоренных заряженных частиц, а также механизмами трансмутации долгоживущих радиотоксичных отходов современной ядерной энергетики. Важной инженерно-физическими проблемой является эксплуатационный ресурс нейтрон-производящей мишени и её термомеханические характеристики в условиях высоких тепловых и радиационных нагрузок.

Отдельной экспериментальной проблемой ADS-систем является ввод пучков ускоренных заряженных частиц, с высокой плотностью тока, из вакуумного канала транспортировки в объём подкритической сборки. Кроме того, представляют интерес экспериментальные исследования пространственно-временных нейтронно-физических характеристик ADS-системы.

Особенностью работы ИЯУ ННЦ ХФТИ является импульсный режим нейтронного поля, характеристики которого определяется параметрами электронного пучка: частотой посылок, их длительностью и амплитудой. Как следствие, импульсное значение плотности нейтронного потока может превышать величину Ф_m ~ 10¹⁶ н·см^-2·с^-1, что приблизительно на 3 порядка больше величины среднего по времени значения плотности потока Ф₀ ≈ 2,4·10¹³ н·см^-2·с^-1. Возможность получения коротких во времени, импульсных потоков нейтронов высокой интенсивности открывает дополнительные возможности для нейтронно-физических исследований.

Для проведения ядерно-физических и медицинских исследований на ИЯУ предназначены экспериментальные нейтронные каналы с соответствующим измерительным оборудованием.

Структура

ИЯУ включает в себя:

• подкритическую сборку;
• нейтрон-производящую мишень;
• линейный ускоритель электронов с каналом транспортировки пучка электронов;
• источник холодных нейтронов;
• экспериментальные нейтронные каналы для ядерно-физических исследований;
• системы технического обеспечения работы ИЯУ в целом.

ИЯУ располагается в здании, которое состоит из экспериментального зала и лабораторного корпуса. Общий вид здания ИЯУ показан на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид здания ИЯУ.

В экспериментальном зале с размерами 24х24 м2 располагаются подкритическая сборка с нейтрон-производящей мишенью, канал транспортировки пучка электронов, источник холодных нейтронов с криогенной станцией, экспериментальные нейтронные каналы для ядерно-физических исследований и системы технического обеспечения работы ИЯУ. В цокольном этаже экспериментального зала оборудованы перчаточные боксы.

В здании лабораторного корпуса размещаются пультовая управления и контроля режимов работы ИЯУ, лабораторные и бытовые помещения, мастерская, санпропускник и др. служебные помещения.

Линейный ускоритель электронов установлен в специальной пристройке к экспериментальному залу ИЯУ.

Принципиальная технологическая схема

Общая схема размещения оборудования ИЯУ представлена на рис. 2.

Пучок электронов транспортируется от ускорителя до нейтрон-производящей мишени, расположенной в центре активной зоны ПКС, через вакуумный канал с помощью электронно-оптической системы, состоящей из электромагнитных элементов. Непосредственный вывод электронного пучка на мишень осуществляется через вакуумное окно из алюминиевого сплава. В результате торможения релятивистских электронов в мишени образуется жёсткое γ-излучение, которое, в свою очередь, приводит к образованию потока первичных нейтронов.

Первичные нейтроны (фотонейтроны) попадают в активную зону, состоящую из тепловыделяющих сборок (ТВС), которые содержат низко-обогащённый (до 19,7%) изотоп урана ²³⁵U. Фотонейтроны, после термализации в теплоносителе (вода) и графитовом отражателе, вызывают деление урана. Таким образом, подкритическая сборка выступает в роли усилителя первичных нейтронов с коэффициентом усиления  
k_ус =  1/(1 - k_eff). В результате деления тепловыми нейтронами ядер ²³⁵U возникает поток вторичных быстрых нейтронов, которые при попадании в легководный замедлитель сбрасывают свою энергию до тепловой энергии. Плотность потока нейтронов в подкритической сборке тем выше, чем выше мощность первичного источника фотонейтронов. Окружающий активную зону отражатель из графита позволяет уменьшить содержание урана в ПКС при заданном k_eff и увеличить плотность нейтронного потока в её объёме.

Рис. 2. Расположение технологического оборудования в экспериментальном зале ПКС
1 – здание, 2 – линейный ускоритель электронов и канал транспортировки пучка электронов, 3 – подкритическая сборка, 4 – экспериментальные каналы, 5 – система охлаждения, 6 – хранилище ТВС, 7 – перчаточные боксы

Рассмотренная технологическая схема ИЯУ позволит получать в объёме активной зоны среднюю по времени плотность потока нейтронов с максимальным значением Ф₀ ≈ 2,4·10¹³ н·см^-2·с^-1. Плотность потока нейтронов является одной из основных физических характеристик, определяющих область возможных экспериментальных исследований и прикладных применений нейтронных источников любого типа.

Нейтрон-производящая мишень, активная зона и графитовый замедлитель находятся в специальном цилиндрическом корпусе из алюминиевого сплава, в котором принудительно циркулирует дистиллированная вода. Вода одновременно служит охладителем активной зоны и замедлителем быстрых нейтронов. Корпус с мишенью, активной зоной и замедлителем погружен в резервуар, заполненный дистиллированной водой. Резервуар окружен биологической защитой, состоящей из тяжелого бетона плотностью 4.8 г/см³ радиальной толщиной 1.8 м. Для проведения ядерно-физических исследований используются экспериментальные нейтронные каналы с соответствующим измерительным оборудованием. Имеется 2 вида каналов – горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные экспериментальные каналы (ГЭК) служат для вывода нейтронов из ПКС и проводки их через нейтроноводы к исследовательским ядерно-физическим установкам. С поверхности корпуса активной зоны с помощью внутренних нейтроноводов выводятся тепловые нейтроны к внешней поверхности биологической защиты ПКС. Внутренние нейтроноводы расположены в горизонтальной плоскости радиально и заканчиваются защитными шиберами (заслонками). Шиберы перекрывают поток нейтронов и γ-излучения из активной зоны ПКС.

К шиберам, частично вмонтированным в биологическую защиту, примыкают внешние нейтроноводы, через которые нейтроны подводятся к исследовательским ядерно-физическим установкам. Исследовательские установки имеют собственную биологическую защиту, и в каждой из них расположены ловушки неиспользованных нейтронов.

Для проведения экспериментов с низкоэнергетическими нейтронами ПКС будет оснащена источником холодных и ультрахолодных нейтронов (ИХН). ИХН расположен в ловушке тепловых нейтронов, который примыкает к внешней поверхности корпуса активной зоны. От источника холодные нейтроны через два специальных внутренних нейтроновода выводятся к шиберам, а затем по зеркальным нейтроноводам транспортируются к исследовательским ядерно-физическим установкам. В качестве замедлителя нейтронов используется жидкий водород с температурой до 4,2 К. В ИХН будут подаваться жидкий водород, гелий и азот по специальным криогенным вакуумированным линиям, проложенным по экспериментальному залу к внутренней части ПКС. По специальным линиям рабочие газы (гелий, водород и др.) будут удаляться из ИХН. В экспериментальном зале ПКС размещаются газгольдеры и резервуары для хранения гелия, водорода и инертных газов, необходимых для обеспечения работы ИХН.

Вертикальный экспериментальный канал (ВЭК) предназначен для облучения образцов в активной зоне ПКС и проведения экспериментов с облученными образцами. Капсула с образцом для облучения устанавливается в активную зону с помощью перегрузочного устройства из промежуточного бокса, расположенного внутри резервуара ПКС. После облучения капсула извлекается из активной зоны с помощью того же перегрузочного устройства, и помещается в специальный транспортный контейнер, который затем перемещается по вертикальному каналу наружу биологической защиты ПКС и далее подается в перчаточный бокс для проведения радиохимических исследований.

С помощью этого же перегрузочного устройства отработанные ТВС извлекаются из активной зоны, помещаются в транспортный контейнер и перемещаются в специальное хранилище отработанного топлива бассейнового типа. Хранилище располагается в экспериментальном зале ПКС и оборудовано биологической защитой. В этом же хранилище хранятся облученные нейтрон-производящие мишени.