ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 14-19
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.125
МЕТОД НАТРИЕВОГО БАКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ, ИСПУСКАЕМЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОТОНОВ С ПРОТЯЖЕННОЙ СВИНЦОВОЙ МИШЕНЬЮ
© 2004 г. Б. А. Марцышкевич, А. М. Хильманович, В. С. Бутцев*, С. А. Густов*, И. В. Мирохин*, А. Г. Молоканов*, Д. Чултэм*, С. В. Корнеев**, С. Е. Чигринов**
Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ Белоруссия, 220072, Минск, просп. Ф. Скорины, 68 *Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 **Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны НАНБ Белоруссия, 220109, Минск, ул. Акад. А. К. Красина, 99 Поступила в редакцию 26.09.2003 г.
Описан метод измерения потока нейтронов, образующихся при взаимодействии релятивистских протонов с протяженной свинцовой мишенью, - "метод натриевого бака". Рассмотрены вопросы оптимизации размеров бака и минимизации наведенной активности облучаемого раствора при выполнении эксперимента. По сравнению с другими методами определения потока нейтронов в методе натриевого бака процедура измерения является более простой и позволяет получить результат с относительной погрешностью не хуже ~10%.
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени стало очевидным, что электроядерный способ получения энергии на под-критических системах, содержащих делящееся вещество (и, Ри) и управляемых с помощью протонных пучков от ускорителей, позволит развивать в будущем безопасную ядерную энергетику. В под-критических системах коэффициент размножения нейтронов ке& < 1, т.е. число нейтронов последующего поколения меньше числа нейтронов предыдущего. Следовательно, цепная реакция деления ядер является затухающей, а система, в которой происходит деление, безопасной. Для получения первичных нейтронов предполагается использовать сильноточные ускорители протонов с энергией ~1 ГэВ. Пучок протонов направляется на мишень, содержащую химические элементы с большим атомным номером (РЬ, В1, В процессе взаимодействия протонов с мишенью рождаются быстрые нейтроны в количестве 10-50 нейтронов на 1 протон. Родившиеся нейтроны имеют широкий спектр - вплоть до энергии, равной энергии падающих протонов. Далее эти нейтроны, взаимодействуя с делящимися веществами реактора, приводят к испусканию вторичных нейтронов и, в конечном итоге, к выделению тепловой энергии. Прекращение подачи протонов ускорителя в подкритическую систему приводит к практически "мгновенному" затуханию цепной ядерной реакции.
Предполагается, что в подкритических системах помимо получения энергии будет проводить-
ся "выжигание" (трансмутация) наиболее опасных в экологическом отношении долгоживущих радионуклидов, используя для этой цели ядерные реакции на нейтронах. Очевидно, что весь процесс должен быть замкнутым, т.е. баланс энергии в конечном итоге должен быть положительным.
В приведенной выше схеме рассмотрены физические основы работы электроядерных установок. Для ее реализации должен быть решен целый ряд технических задач, среди которых выбор энергии и интенсивности протонного пучка и параметров мишени (материал, размеры) являются на сегодня первостепенными.
В этой связи задача определения потока нейтронов, испускаемых мишенью, становится весьма актуальной. Она может быть решена различными способами, например с помощью измерения углового, пространственного и энергетического распределений поля нейтронов методом протонов отдачи и последующего интегрирования [1]. Для измерения потока нейтронов также используется активационный метод на веществах с разными энергиями пороговых реакций. Однако эти методы требуют знания эффективности регистрации и энергетической зависимости сечения реакции в широком диапазоне энергий нейтронов.
В целом, из выполненных на сегодня работ следует, что число испущенных нейтронов на один протон, падающий на протяженную толстую мишень, пропорционально энергии протона, равной примерно 1 ГэВ при размерах мишени
~80 х 500 мм (0хдлина). Вместе с тем продолжаются исследования, связанные с решением задачи выбора энергии протонного пучка и выбора материала и конструкции мишени (диаметр, длина и пр.). Эти исследования вызваны необходимостью оптимизации условий работы будущих подкритичес-ких систем, т.е. получением максимального числа нейтронов на один упавший на мишень протон, а также вопросами дозиметрического характера, связанных с наработкой в мишени долгоживущих радионуклидов при бомбардировке мишени протонами.
В связи с этим в данной работе развит метод натриевого бака для измерения потока нейтронов, испускаемых протяженной толстой мишенью, облучаемой протонами. В рассматриваемом методе используется только сечение для области энергий тепловых нейтронов, что существенно упрощает процедуру измерений. Ранее метод натриевого бака применялся, как правило, для измерения потока нейтронов от "точечных" источников [2, 3]. В отличие от метода, использовавшегося для измерения потока нейтронов от источников 252С1", Ри(Ве) и др., испускающих нейтроны с энергией, не превышающей 10-15 МэВ, в случае протяженной мишени, облучаемой высокоэнергичными протонами, испускаются нейтроны с энергией вплоть до 150-200 МэВ.
В нашем эксперименте, как и в работе [4], данный метод используется для источника нейтронов значительных размеров (свинцовый цилиндр 080 и длиной 500 мм). При этом для получения нейтронов необходимо ввести внутрь бака, где находится свинцовая мишень, пучок протонов с энергией 660 МэВ без их значительного рассеяния или поглощения раствором.
В методе натриевого бака [2, 3] обычно используется водный 1-2%-ный раствор двууглекислой соды КаНС03. Предполагается, что быстрые нейтроны, испущенные источником, в результате упругих столкновений с ядрами водорода термализуются, мигрируют и полностью захватываются ядрами химических элементов раствора, в основном водорода. В результате реакции радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами натрия образуются радионуклиды 24Ка, имеющие удобный для регистрации период полураспада Г1/2 = 14.96 ч с испусканием у-квантов с энергией Еу = 1396 кэВ и 2754 кэВ. При известном соотношении в растворе ядер водорода и натрия, а также известных ядерно-физических характеристиках входящих в раствор химических элементов можно определить среднюю скорость реакций и поток нейтронов.
Отметим, что резонансный интеграл сечения реакции радиационного захвата медленных нейтронов ядром 23Ка мал по сравнению с другими традиционно используемыми для таких целей ак-
тивационными детекторами. Это позволяет упростить процедуру расчета плотности потока тепловых нейтронов.
Очевидно, что для выполнения условия полного поглощения нейтронов бак должен иметь значительные размеры: 50-100 см по каждому из направлений. Для таких размеров вместимость бака составляет 250-1000 л.
ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
В методе натриевого бака для определения потока нейтронов используется равенство числа испущенных источником в единицу времени нейтронов Ф числу поглощенных в единицу времени нейтронов ядрами атомов химических элементов А, входящих в раствор (сумме скоростей ядерных реакций). Очевидно, что для выполнения этого положения необходимо, чтобы размеры бака соответствовали длине поглощения нейтронов максимальной энергии в спектре во всех направлениях. Так как в нашем случае ось свинцовой цилиндрической мишени совпадает с осью протонного пучка р (см. рис. 1 и 2), то преимущественное направление испускания быстрых первичных нейтронов - вперед по оси цилиндра.
С учетом сказанного нами были рассмотрены два варианта конструкции баков: 400 х 400 х 1000 мм (рис. 1) и 550 х 550 х 500 мм (рис. 2). Далее рассмотрим первый вариант.
Разобьем объем бака на I слоев (г = 1, 2,..., I = 10) шириной по 10 см каждый, перпендикулярных оси ОХ. Затем объем каждого слоя разобьем на К подобъемов (к = 1, 2, ..., К = 4), начиная от оси ОХ.
Значения подобъемов: = 502.7 см3, vi2 = = 2638.9 см3, = 3926.0 см3, = 8931.4 см3. Таким образом объем бака с раствором соды V можно записать как
I К
V = Ц Vгк- (1)
г = 1 к = 1
Пусть агк означает суммарную скорость реакций радиационного захвата медленных нейтронов на всех /-их изотопах раствора КаНС03 в воде и свинцовой мишени
ь
агк = I Ьгк/. (2)
I = 1
В формуле (2) Ьш - удельная скорость реакций (число реакций в 1 см3 в 1 с) /-их изотопов. Тогда полную скорость реакций во всем объеме бака можно представить как
I К ь
А( " = II VгкI Ьш. (3)
г = 1 к=1 I =1
Рис. 1. Схема эксперимента с баком размером 40 х 40 х 100 см.
Рис. 2. Схема эксперимента с баком размером 55 х 55 х 50 см.
Значения числа ядер в 1 см3 щ, сечений реакций (п, у) с, величин щс и их относительных значений
1 Химический элемент т щ, 1/см3 2 С ¡, см2 п ¡с 1, 1/см Щ С ¡/П1С1
1 Н 0.113 6.70 ■ 1022 0.332 ■ 10-24 2.22 ■ 10-2 1
2 № 0.00342 8.96 ■ 1019 0.531 ■ 10-24 4.76 ■ 10-5 0.0021
3 С 0.00179 8.96 ■ 1019 3.5 ■ 10-27 3.14 ■ 10-7 0.000014
4 О 0.08896 3.35 ■ 1022 0.19 ■ 10-27 6.36 ■ 10-6 0.00029
5 РЬ 11.3 3.28 ■ 1022 0.17 ■ 10-24 5.58 ■ 10-3 0.25
Рассчитаем значения Ъщ для всех элементов раствора и свинца и сравним их между собой. Если т, есть количество 1-го элемента в 1 см3 раствора, то число ядер в 1 см3 для этого элемента может быть вычислено согласно формуле
п, =
т N а И,
(4)
превращается в стабильное ядро дейтерия и им нельзя воспользоваться как активационным детектором.
Ядро 23Ка в результате реакции
23хт 24хт
Ш + п ^ Ка + у
(7)
где - число Авогадро, И, - атомная масса 1-го элемента. Подставив физические константы в (4), получим число ядер в 1 см3. Значения т, и результаты вычисления даны в таблице.
При известных значениях плотности потока тепловых нейтронов сечений реакции (п, у) с, и числа ядер в 1 см3 п1 скорость реакции Ъш рассчитывается как
Ъ1Ы = Р1кс1п1. (5)
Значения п,, с, и произведения п,с, также приведены в таблице.
Из таблицы следует, что основной вклад в поглощение нейтронов химическими элементами раствора вносит водород. Поглощением нейтронов остальными элементами можно пренебречь.
В отношении свинца (см. таблицу) отметим следующее. Т
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.