ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 146-156
- ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА =
УДК 621.039.6
СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СО СМЕСЯМИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА
© 2004 г. Ю. И. Виноградов, В. Т. Пунин, А. А. Юхимчук
РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 Поступила в редакцию 08.07.2003 г.
Описаны системы измерения и управления двух аппаратурных комплексов для экспериментальных исследований с изотопами водорода. Первый из них - комплекс подготовки газовой смеси установки "Тритон" - предназначен для исследования мюонного катализа ядерных реакций синтеза в тройных смесях изотопов водорода Н/О/Т в широком диапазоне температур и давлений. Второй - комплекс "Прометей" - предназначен для изучения явлений накопления и пропускания трития металлами и другими конструкционными материалами.
ВВЕДЕНИЕ
В РФЯЦ-ВНИИЭФ проводятся исследования, связанные с изотопами водорода (и.в.): изучение уравнений состояний и.в. в различных агрегатных состояниях - от плазмы [1] до твердого водорода [2], определение ядерных констант взаимодействия и.в. с другими элементами [3], исследование кинетики установления равновесия в смеси и.в. [4], изучение вопросов диффузии и.в. в различных материалах [5, 6] и водородной коррозии материалов, вопросов прочности конструкционных материалов в условиях воздействия на них и.в. [7], разработка гидридных и тритиевых [8, 9] технологий.
В период конверсии оборонного комплекса во ВНИИЭф активно начались работы по мирному использованию и.в., включая тритий, в научных и технологических исследованиях, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение [10, 11]. Для проведения таких исследований использовалась существующая экспериментальная и испытательная база ВНИИЭФ, а также создавались новые экспериментальные установки.
К направлениям исследований, потребовавших создания новых методик и оборудования для работы с и.в., относятся:
• исследование мюонного катализа ядерных реакций синтеза в смесях и.в. в широком диапазоне температур и давлений [12];
• исследование явления сверхпроницаемости изотопов водорода через металлические мембраны и создание систем мембранной откачки, основанных на этом принципе [13];
• исследование водородопроницаемости конструкционных материалов и выбор защитных покрытий [14].
Для изучения зависимости параметров мюонного катализа в Н/О/Т-смеси от температуры, плотности смеси и концентрации изотопов коллабора-цией РФЯЦ-ВНИИЭФ (Саров) и ОИЯИ (Дубна) создана установка "Тритон". Установка содержит комплекс для подготовки газовой смеси (к.п.г.с.) [15], сменные мишени нескольких типов [16, 17], криогенную установку [18] и систему детектирования и регистрации продуктов ядерных реакций [19].
Для изучения явлений накопления и пропускания изотопов водорода (в том числе трития) металлами и другими конструкционными материалами в РФЯЦ-ВНИИЭФ создана высоковакуумная установка "Прометей" [20, 21]. Эксперименты на этой установке должны дать ответы на вопросы о ресурсе конструкционных материалов, работающих в тритийсодержащих средах, о выборе защитных покрытий, эффективно снижающих проникновение и.в. через конструкционнные материалы, о возможности использования явления сверхпроницаемости и.в. через металлы для рецик-линговой очистки топливной смеси термоядерного реактора.
1. ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРНЫХ КОМПЛЕКСОВ УСТАНОВОК
1.1. Установка "Тритон"
Комплекс подготовки газовой смеси и мишени, созданные в РФЯЦ-ВНИИЭФ, уникальны по своим параметрам и позволяют в условиях открытой лаборатории проводить работы с тритием, активность которого в свободном состоянии при давлениях до 160 МПа в диапазоне температур 20-800 К достигает 10 кКи, а в связанном состоянии - 100 кКи. Комплекс позволяет готовить
смеси с нужной концентрацией изотопов водорода, очищать смеси до уровня 10-7 объемных долей по примесям, проводить радиохроматографичес-кий анализ молекулярного и изотопного состава смеси. Схема коммуникаций к.п.г.с. приведена на рис. 1. Созданное оборудование используется в экспериментах по исследованию мюонного катализа ядерных реакций синтеза начиная с 1997 г. и обеспечивает радиационную безопасность проводимых работ.
Объектом исследования в экспериментах по ц-катализу является смесь изотопов водорода, находящаяся в ампуле мишени в определенной концентрации при различных давлениях и температурах. Для исследования явления ц-катализа при различных параметрах газовой смеси были разработаны следующие мишени: жидкотритиевая [19], тритиевая высокого давления [16], дейтерие-вая высокого давления [17].
Комплекс и мишени являются сложными высокотехнологичными устройствами, оснащенными системами контроля и поддержания эксплуатационных параметров. Для получения высокого давления в мишенях использован принцип криогенного заполнения мишеней с последующим их нагревом.
Система контроля и поддержания эксплуатационных параметров к.п.г.с. и мишеней обеспечивает регистрацию давления и температуры рабочей смеси в ампуле мишени и газовых коммуникациях к.п.г.с., регулирование и поддержание температуры различных элементов комплекса (металлоги-дридных источников давления и.в., палладиевых фильтров и др.) и мишеней, осуществляет дозиметрический контроль, блокирует возможность проведения нештатных технологических операций, обеспечивает проведение радиохроматогра-фического анализа состава смеси и.в., ведет протокол эксперимента и осуществляет еще ряд других операций.
1.2. Установка "Прометей"
Установка "Прометей" представляет собой исследовательский комплекс, позволяющий решить две научные задачи: исследование явления сверхпроницаемости трития сквозь металлические мембраны [13], а также изучение проникновения и накопления трития конструкционными материалами, поиск и исследование защитных покрытий, повышающих безопасность использования три-тийсодержащих газовых сред. Газовакуумная схема установки приведена на рис. 2.
Комплекс "Прометей" содержит две исследовательские ячейки Яц и Я2 (см. рис. 2). Ячейка Я2 предназначена для проведения исследований сверхпроницаемости на цилиндрических мембранах с относительно большой площадью, а ячейка Ях -
для исследования и выбора защитных покрытий металлов и конструкционных материалов на плоских мембранах [22].
Схема ячейки Я2 представлена на рис. 3. Цилиндрическая мембрана 3 ячейки, расположенная вертикально, делит ее объем на входной 1 и выходной 2. Внутри мембраны размещены атомизаторы, представляющие собой собранные в три группы танталовые пластины, расположенные вдоль мембраны. Каждая группа пластин разогревается в стационарном рабочем режиме до температуры ~1800 К, в технологических целях требуется разогрев атомизатора до 2300 К. Температура мембраны измеряется с помощью пирометрических датчиков 7, установленных в специальные окна.
Через входной объем 1 ячейки непрерывно прокачиваются и.в., выходной объем ячейки (внешняя сторона цилиндра) непрерывно вакуумирует-ся насосом, а проникающий через мембрану газ анализируется с помощью масс-спектрометра. Рабочее давление во входном объеме ячейки может составлять от 2 • 10-7 до 10 Па, в выходном -от 5 • 10-7 до 105 Па.
Схема ячейки Ях изображена на рис. 4. Исследование защитных покрытий металлов и конструкционных материалов проводится в ней с использованием метода концентрационных импульсов [23], что дает возможность измерять параметры элементарных процессов проницаемости: адсорб-ционно-десорбционных, диффузии, захвата водорода дефектами и т.п.
Ячейка Я1 содержит исследуемую плоскую мембрану 3, которая делит ячейку на входной 1 и выходной 2 объемы, нагреватель 4, обеспечивающий разогрев мембраны до 1000 К, атомизатор 5, измеритель вакуума 8 и температуры 6. Во входной объем подаются и.в. при рабочем давлении 2 • 10-7-1 Па. Выходной объем непрерывно ваку-умируется насосом, и по изменению скорости откачки диффундирующего сквозь мембрану водорода определяются параметры водородопроница-емости материала мембраны.
Для измерения давлений в установке используются высоковакуумные датчики, а для измерения парциальных давлений изотопов водорода - масс-спектрометры 0М8-200 [20, 21].
2. СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВОК "ТРИТОН" И "ПРОМЕТЕЙ"
Установки "Тритон" и "Прометей" традицион-ны с точки зрения организации сложных экспериментов в области водородных и тритиевых технологий. В них используются широкий спектр методов измерений и управления, а также аппаратура для подобных исследований. В состав установок входит как серийное оборудование, так и уни-
я
ч
к
м О ч
Е
К
н м х Я К
я >
ш Я о я
м ч
к
м
я
н >
г
о о
оо
-—Ми
к средствам 1
индивидуальной
защиты —М-1
Рис. 1. Схема газовых коммуникаций к.п.г.с. установки "Тритон" [15]. В52 - генераторы протия и дейтерия; ВБ^ - генератор трития; В54 - смесевой генератор; ВБ5, ВБ^ - урановые ловушки; В57 - ловушка адсорбционная; РА - преобразователь ионизационный ПМИ-2; РТ-преобразователь термопарный; СУ15 СУ2 - емкости; СУ3 - ресивер; СУ4 - емкость водородная; Е>1, £>2 _ датчик давления "Сапфир-22-Ех-М"; М - тритиевая мишень высокого давления; ТН - тягонапорометр; 1С - камера ионизационная; ММ - насос магниторазрядный; М) - насос диффузионный; Ш - насос форвакуумный; Я - ротаметр; Р - пробоотборник; К - конвертор; А - адсорбер; ВБ - воздуходувка; В\¥ - фильтр маслоотбойный; Р^-Рз - фильтры диффузионные; В1 - баллоны с газами; - фильтры аэрозольные; V — вентили; Е - клапаны электромагнитные; РБ - стрелочные манометры, вакуумметры и мановакуумметры; КР - клапан предохранительный; ЯЕ> - газовые редукторы; УТ- клапан вентиляционный.
И
К X о
ч
ч
>
И О и
к
м тз
я м
^ 3
05
Щ К
Рис. 3. Ячейка для исследования сверхпроницаемости изотопов водорода [20]. 1 - входной объем; 2 - выходной объем; 3 - цилиндрическая мембрана; 4 - атомизатор; 5 - кварцевые диски; 6 - натекатель; 7 - пирометр; 8 - датчик давления.
Рис. 4. Ячейка для изучения проницаемости через конструкционные материалы [20]. 1 - входной объем; 2 - выходной объем; 3 - плоская мембрана; 4 - нагреватель мембраны; 5 - атомизатор; 6 - термопара; 7 - по
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.