ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 4, с. 307-346
ИЗЛУЧЕНИЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 621.039
МОЩНЫЕ НЕЙТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ НА ОСНОВЕ РЕАКЦИЙ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
© 2010 г. Б. В. Кутеев, П. Р. Гончаров*, В. Ю. Сергеев*, В. И. Хрипунов
РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия * С.-Петербургский государственный политехнический университет, Россия
Поступила в редакцию 22.04.2009 г.
Окончательный вариант получен 28.08.2009 г.
Рассмотрены физические принципы эффективного получения свободных нейтронов, современные возможности и перспективы создания нейтронных источников с интенсивностью 1015—1021 н/с на основе ядерных и термоядерных реакций, а также схемы производства и использования нейтронов в системах "синтез—деление". Основное внимание уделяется физическим процессам и параметрам высокотемпературной плазмы, создающим оптимальные условия для реализации ядерного синтеза и получения наибольшего количества нейтронов в системах с магнитным и инерционным удержанием плазмы. Проводится сопоставление предлагаемых плазменных способов получения нейтронов с иными методами, которые используют реакции синтеза в неплазменных средах, ядерные реакции деления, глубокого расщепления и мюонный катализ. Сегодня основными потребителями мощных нейтронных потоков являются нано- и биотехнологии, материаловедение, военная и фундаментальная наука. В ближайшей перспективе (10—20 лет) внедрение мощных источников нейтронов возможно в энергетических системах "синтез—деление" для производства водорода, электроэнергии, технологического тепла, а также для производства искусственного ядерного топлива и замыкания ядерного топливного цикла. Выход нейтронных источников на уровень производства 1020 н/с может вызвать глобальные изменения структуры современной энергетики, иметь значительное воздействие на фундаментальную и прикладную науку, и на инновационные технологии. Наряду с использованием образующейся при реакциях синтеза термоядерной энергии, достижение указанного уровня интенсивности нейтронов может инициировать массовое внедрение подкрити-ческих быстрых ядерных реакторов, управляемых такими нейтронными источниками. Сверхмощные нейтронные источники позволят решить многочисленные задачи нейтронной диагностики, мониторинга нано- и биообъектов, обеспечат проведение радиационных испытаний и модификацию объемных свойств материалов на промышленном уровне. Такие источники значительно (до 100 раз) повысят достигнутую точность экспериментов в области нейтронной физики, позволят лучше понять строение материи, в том числе и самого нейтрона.
1. ВВЕДЕНИЕ
Мощные нейтронные источники являются высокотехнологичными устройствами с уникальными физическими и инженерными характеристиками [1—3]. Предназначенные для производства одного из наиболее загадочных объектов материи — нейтрона, эти устройства представляют собой инструмент, который открывает широкие возможности изменения элементного состава вещества, освобождения ядерной энергии и проникновения в сплошные среды.
Изменения состава химических элементов происходят в ядерных реакциях на расстояниях масштаба фемтометров (один фемтометр равен 10-15 м). Главным участником большинства ядерных реакций является нейтрон. Физический размер свободного нейтрона составляет около 1.14 фм, а размеры ядер химических элементов изменяются от 0.42 фм для протона до 15 фм для
ядра урана [4]. Учитывая характерные размеры участвующих в ядерных реакциях объектов, естественно назвать использование протекающих на масштабах фемтометров процессов фемтотехно-логиями. Отметим, что в нанотехнологических процессах, затрагивающих структуры значительно большего масштаба ~10-9 м, элементный химический состав не изменяется.
Фемтотехнологии — это тот современный уровень проникновения вглубь материи, на котором становится возможным практически реализовать мечту средневековой алхимии: реакции глубокого расщепления способны не только решить задачу преобразования свинца в золото, но и создать из свинца, ртути или вольфрама всю таблицу элементов Менделеева, используя пучок быстрых протонов, как иллюстрирует рис. 1 [5].
Уникальные диагностические возможности открывают многочисленные процессы с участием нейтронов, такие как ядерные реакции, неупру-
8
2 8
Pb208(1 ГэВ) + H1
N-
25 мб 5 мб 1 мб 200 мкб 40 мкб 8 мкб
Рис. 1. Нуклидный состав, генерируемый при воздействии протонов 1 ГэВ на свинцовую мишень [5]. На диаграмме указаны зарядовые Z и нейтронные N числа образующихся ядер. Шкала оттенков серого цвета справа соответствует сечениям реакций с образованием различных нуклидов.
гое взаимодействие с ядрами и упругое рассеяние, использующее волновую природу нейтрона (дебройлевская длина волны X = h/mv, где h — постоянная Планка, m — масса и v — скорость нейтрона). "Освещение" вещества быстрыми и охлажденными нейтронами делает возможным исследование структуры плотных масштабных объектов, а повышенное рассеяние нейтронов на легких атомах позволяет изучать тонкую структуру углеводородных соединений и живую материю. Наличие у нейтрона магнитного момента весьма полезно для изучения магнитной структуры материалов [6].
Состояние физики и техники наиболее мощных нейтронных источников было детально рассмотрено в рамках развития проектов ANS и SNS, нацеленных на достижение предельных интен-сивностей в реакторах деления и ускорительных источниках на основе реакции глубокого расщепления ядер [7—9]. Проблемы создания источников малой и средней мощности были проанализированы в рамках проекта МАГАТЭ [10]. Объемные источники нейтронов для испытания материалов термоядерных реакторов на основе сферических токамаков анализировались в рамках проектов установок для тестирования компонентов термоядерных реакторов (Component Test Facilities, CTF) в ORNL [11], UKAEA [12] и в рам-
ках проекта ARIES [13]. Недавно вопрос о тока-маке — нейтронном источнике для решения ядерно-технологических задач термоядерной программы США был вновь поднят в работе [14].
Ускорительные нейтронные источники также детально обсуждались при проектировании гибридных систем [15, 16], в том числе так называемой "нейтронной фабрики" [17] — исследовательского источника на базе линейного ускорителя, в котором на последнем этапе нейтроны размножаются в подкритической сборке реактора деления.
Полученные к настоящему времени на ядерных реакторах и ускорителях обширные экспериментальные данные и проектные проработки мощных нейтронных источников свидетельствуют о том, что производительность систем на основе реакций деления и глубокого расщепления близка к насыщению на уровне 1018 н/c [10].
В последнее время существенно возрос интерес к разработке нейтронных источников на основе термоядерных систем. Прошедшие конференции [18—20] и совещания [21] продемонстрировали высокий уровень заинтересованности в развитии и внедрении в науке и технологиях мощных нейтронных источников. Более того, последние публикации [22—24] указывают на потен-
циальную возможность превышения уровня интенсивности 1018 н/с на установках типа токамак. На Международном термоядерном экспериментальном реакторе ITER планируется достижение производства 1020 нейтронов в секунду в импульсах длительностью до 3000 с [25]. Микровзрывы в системах инерционного термоядерного синтеза также рассматриваются как перспективные импульсные источники нейтронов [1].
В данном обзоре обсуждаются возможности и перспективы развития нейтронных источников с интенсивностью 1015—1021 н/c, использующих реакции ядерного синтеза, а также гибридные схемы производства нейтронов в системах "синтез-деление". Основное внимание уделяется системам с магнитным удержанием плазмы типа тока-мак. Для определения места и роли систем "синтез-деление" в производстве интенсивных потоков нейтронов проводится их сопоставление с современными системами, использующими другие принципы.
Здесь не обсуждаются импульсные сверхмощные источники нейтронов в ловушках ускорителей на сверхвысокие энергии, таких как Большой адронный коллайдер [26], а также сверхмощные источники нейтронов на термоядерных дейтери-евых бомбах с энергией взрыва в тротиловом эквиваленте до 100 килотонн, возможности которых (преимущественно энергетические) были детально проанализированы в монографии [27].
В разд. 2 описаны реакции наиболее эффективного производства нейтронов, используемые в действующих системах и разрабатываемых проектах, а также реакции, приводящие к поглощению нейтронов. Сравнение нейтронного и энергетического баланса таких реакций проводится в разд. 3. Информация о сферах применения нейтронных источников дана в разд. 4. В разд. 5 освещается современное состояние техники нейтронных источников. Потребности в нейтронах со стороны науки, технологий и энергетики обсуждаются в разд. 6. Действующие нейтронные источники на реакциях деления и глубокого расщепления рассмотрены в разд. 7. Конструкции и проектные параметры источников с магнитным удержанием описаны в разд. 8. Концепции источников с инерционным удержанием включены в разд. 9. В разд. 10 обсуждаются возможности применения источников различных типов в методах нейтронного рассеяния. Вопросам применения источников нейтронов в гибридных системах посвящен разд. 11.
2. РЕАКЦИИ РОЖДЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ НЕЙТРОНОВ
Выход нейтронов происходит в результате разнообразных ядерных реакций [28]. Ниже обсуж-
даются только те реакции с рождением нейтронов, которые активно применяются в действующих источниках либо вносят существенный вклад в общий выход нейтронов в источниках или энергетических системах. К таким реакциям относятся: деление тяжелых и легких ядер нейтронами [29], глубокое расщепление [30] и неупругое рассеяние [31], синтез легких ядер [32] в системах с твердотельными, газовыми и плазменными мишенями, DT синтез на основе мюонного катализа [33]. Дополнительно рассмотрены реакции, приводящие к потерям нейтронов [34], и создание условий для максимизации суммарного выхода нейтронов. В обзоре не рассматриваются реакции спонтанного деления, которые широко используются в источниках малой интенсивности. Не рассматриваются и реакции рождения нейтронов быстры
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.