ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 5-12
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 533.9.082.79
НЕЙТРОННЫЙ АНАЛИЗ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НЕЙТРОННОЙ КАМЕРЫ ТОКАМАКА-РЕАКТОРА ИТЭР
© 2014 г. А. А. Борисов, Н. А. Дерябина, Р. Н. Родионов, В. Н. Амосов, А. В. Красильников, А. Ю. Рахманов, Н. Б. Родионов, Г. Е. Немцев
Проектный центр "ИТЭР" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1, стр. 3 E-mail: romrod@list.ru Поступила в редакцию 16.07.2013 г.
Приведены результаты расчета нейтронных полей в каналах коллиматоров новой конструкции вертикальной нейтронной камеры (в.н.к.) ИТЭР для штатного объемного изотропного источника термоядерных нейтронов. Рассчитаны спектры и плотности потоков нейтронного и у-излучений в зонах расположения детекторов. Выполнена оценка отношения сигнал/фон для детекторов в.н.к. — камер деления на основе 238U и алмазных детекторов. Для последних в режиме работы пороговых счетчиков рассчитаны отношения сигнал/фон в зависимости от энергии порога дискриминации. Получена оценка влияния фонового у-излучения на работу алмазных детекторов в условиях в.н.к. Рассчитано тепловыделение в элементах конструкции в.н.к. Продемонстрирована работоспособность в.н.к. предложенной конструкции.
DOI: 10.7868/S0032816214020165
ВВЕДЕНИЕ
ИТЭР является наиболее масштабным реализуемым проектом по исследованию высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Предполагается, что в рабочем режиме установка будет выделять 500 МВт термоядерной мощности в виде нейтронов с энергией 14 МэВ. В то же время известными особенностями поведения плазмы в токамаках являются различные неустойчивости и срывы тока. Поэтому теоретически рассчитанные положение плазменного шнура и распределение по его поперечному сечению скорости реакций синтеза, по крайней мере на начальных этапах исследований, могут рассматриваться только как ожидаемые и подлежат тщательному экспериментальному исследованию. Для исследования профиля нейтронного источника в полоидальном сечении токамака на ИТЭР планируется реализовать две подсистемы нейтронной диагностики, основанные на многоканальных нейтронных коллиматорах: радиальную и вертикальную нейтронные камеры. Подобные диагностики ранее с успехом применялись на токамаках TFTR, FTU, JT-60 и JET. Стоит отметить, что адекватность томографического восстановления нейтронного источника зависит от многих факторов: используемого математического аппарата, характера исходного распределения источника, наличия фона и т.д. Однако важнейшей характеристикой системы является соотношение в измеренном полном потоке долей первичных нейтронов,
не испытавших столкновений с материалами камеры токамака по пути в детектор, и фоновых нейтронов, попавших в детектор после рассеяния в материалах, его окружающих.
Концепция вертикального нейтронного коллиматора с размещением в диверторном порту то-камака-реактора ИТЭР предложена в работе [1]. Целью данной работы является анализ нейтронных и у-полей в каналах коллиматоров новой конструкции вертикальной нейтронной камеры (в.н.к.) и обоснование работоспособности нейтронных детекторов в условиях в.н.к.
КОНСТРУКЦИЯ В.Н.К.
Вертикальная нейтронная камера представляет собой подсистему нейтронной диагностики ИТЭР, предназначенную для измерения с временным разрешением выхода нейтронов в полои-дальном сечении плазмы токамака и восстановления профиля нейтронного источника. В ИТЭР отсутствуют вертикальные порты, поэтому в отличие от аналогичной подсистемы — радиальной нейтронной камеры — в.н.к. целиком расположена внутри камеры токамака в ограниченном пространстве.
Вертикальная нейтронная камера состоит из веерообразного набора нейтронных коллиматоров диаметром 3.5 см, направленных на плазму. В конце каждого коллиматора имеется детекторный объем — цилиндр диаметром 4.4 см и высо-
Рис. 1. Общий вид в.н.к. в камере токамака ИТЭР (в реальной конструкции верхняя и нижняя в.н.к. лежат в разных полоидальных плоскостях. которые, для наглядности, совмещены на данном рисунке).
той 30 см, в котором установлены детекторы — камеры деления и алмазные детекторы. Выбор детекторов обусловлен возможностью измерения нейтронных потоков в широком диапазоне ин-тенсивностей потоков с оптимальными спектральным и временным разрешениями в условиях эксплуатации. Общий вид в.н.к. представлен на рис. 1. Предложенная авторами конструкция в.н.к. состоит из двух частей: первая часть содержит шесть каналов измерения и расположена в верхнем порту № 18 (верхняя в.н.к.), вторая включает в себя пять каналов для измерения сигналов и один — слепой — для оценки фонового сигнала и находится в нижнем диагностическом порту № 14 (нижняя в.н.к.).
Верхняя в.н.к. состоит из двух стальных детекторных блоков, установленных в защитном диагностическом модуле. Каждый блок имеет по три детекторных объема, в которые нейтронное излучение плазмы попадает через соответствующий канал коллиматора. В верхней в.н.к. расположены 6 коллиматоров (№ 1—№ 6), в два ряда по три с каждой стороны, смещенных от плоскости симметрии на расстояние 8.5 см (рис. 2). Детектор-
ные объемы цилиндрической формы в расчетах были заданы пустыми.
Нижняя в.н.к. представляет собой структурированную защитную сборку, в которую установлен детекторный блок с выделенными цилиндрическими объемами для шести детекторов (рис. 3). Пять коллиматоров (№ 7—№ 11) направлены на плазму. Оси коллиматоров лежат в вертикальной плоскости, совпадающей с плоскостью симметрии модели. Вертикальная нейтронная камера устанавливается в диверторном порту вплотную к диагностической диверторной кассете (см. рис. 3). Выступ камеры в передней части шириной 15 см заходит в откачанную полость диверторной кассеты. В модуле бланкета реактора и в теле диагностической кассеты выполнены сквозные каналы радиусом 1.75 см, являющиеся продолжением пяти коллиматоров в.н.к. В теле диверторной кассеты, в ее верхней части, каналы коллиматоров объединены прямоугольной полостью шириной 1.75 см.
Для улучшения защитных свойств и оптимизации веса в.н.к. выполнена из блоков разного материала. Первый блок, ближайший к дивертор-ной кассете, состоит из гомогенной смеси 80%
НЕЙТРОННЫЙ АНАЛИЗ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НЕЙТРОННОЙ КАМЕРЫ
7
Рис. 2. Конструкция верхней в.н.к. Цифры соответствуют номерам коллиматоров.
вольфрама, 10% стали (типа 88316) и 10% воды. Средний блок, как и детекторный блок, состоит на 80% из стали и на 20% из воды. Третий блок облегчен. Он представляет собой стальную емкость с водой. Объем воды в ней равен 90%, а стали — 10%. Четвертый блок является несущей кон-
струкцией, имеет лишь стальные стенки и ничем не заполнен.
МОДЕЛЬ РАСЧЕТА В.Н.К.
Модель в.н.к., созданная по чертежам, была размещена в 40-градусной модели конструкции ИТЭР. В нейтронно-физических расчетах в.н.к. был использован внешний табулированный изотропный источник нейтронов. Его профиль показан на рис. 4. Энергетическое распределение нейтронов описывается функцией Гаусса с уши-рением 13.5—14.7 МэВ, что соответствует температуре ионов ~20 кэВ. Все результаты расчета приведены для полной термоядерной мощности реактора, равной 500 МВт (15 МА — сценарий). В расчетах использованы ядерные константы из библиотек FENDL 2.1 и ENDF/B6.
Нейтронное излучение в коллиматорах в.н.к. разделяется на две группы:
1) первичный поток, образованный нейтронами, пришедшими из плазмы, не испытав рассеяния ("первичный" поток нейтронного источника);
2) фоновый поток, образованный нейтронами, рассеянными на элементах конструкции ("вторичные" нейтроны).
При энергии нейтронов вблизи 14 МэВ вероятность их поглощения мала, а преобладающими процессами взаимодействия с веществом являются приблизительно равновероятные упругое и неупругое рассеяния. При упругом рассеянии в верхней части рассматриваемого диапазона энергий угловое распределение рассеянных нейтронов сильно анизотропно (вытянуто вперед), вследствие чего кинематическая потеря энергии нейтрона в одном столкновении невелика, и упруго рассеянные нейтроны с большой вероятностью
Рис. 3. Конструкция нижней в.н.к. в нижнем порту № 14. Цифры соответствуют номерам коллиматоров. ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 2 2014
Верхний порт
Рис. 4. Модель профиля источника и линии наблюдения в.н.к.
остаются в группе источника как по энергии, так и по направлению движения. Нейтроны группы источника, рассеивающиеся в канале коллиматора, должны перемещаться в нем вблизи его внутренней поверхности, поскольку в противном случае, при внедрении в глубь окружающего канал вещества, уже при следующем столкновении они с большой вероятностью могут испытать неупругое рассеяние, которое сразу переведет их из группы источника в группу вторичных нейтронов. Вторичные нейтроны имеют энергетическое распределение испарительного спектра с температурой вблизи ~1 МэВ, эмитируются почти изотропно и в дальнейших столкновениях либо упруго рассеиваются, либо поглощаются в материалах реактора.
На основании такого упрощенного механизма взаимодействия нейтронов можно выделить три основные компоненты потока нейтронов в детекторе, подлежащих оценке:
— "первичный" поток нейтронов источника (не испытавших взаимодействия), который является результатом "прямого попадания" первичных нейтронов в область детектора через входное цилиндрическое отверстие;
— "вторичные" или "фоновые" нейтроны, достигшие объема детектора, минуя апертуру канала и замедлившись в теле защиты.
Каждой из этих компонент потока нейтронов будет соответствовать свой отклик рекомендованных детекторов. Среди детекторов для регистрации нейтронов с энергией вблизи 14.1 МэВ, способных работать в широком диапазоне физических условий ИТЭР, перспективными являются алмазный детектор и камера деления с 238и, эффективный порог регистрации которой составляет 0.8 МэВ.
"Первичный" поток нейтронов источника формирует в детекторе искомый полезный сигнал. Он был получен для каждого из пяти коллиматоров в независимых расчетах. В каждом варианте расчета формировался свой источник термоядерных нейтронов в камере реактора, который располагался вдоль конической хорды, проведенной из точки детектора че
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.