Метан-гелиевый источник УХН на выведенном пучке тепловых нейтронов

Новые источники УХН, использующие производство УХН в сверхтекучем гелии, строятся на нескольких объектах. В 2012 году был опубликован очень обнадеживающий результат Масуды для прототипа такого источника на ускорителе протонов [11]. Гелиевый источник на пучке холодных нейтронов, выведенных из реактора, создан [12] и проходит испытания в институте ILL в Гренобле [13].

В статье [4] рассматривается новая реализация гелиевого источника УХН на примере ректоре ПИК (Гатчина). Основная идея производства УХН на выведенном пучке тепловых нейтронов впервые изложена в [14]. В работе детально исследуются параметры такого источника на реакторе ПИК, так как он является перспективным источником тепловых нейтронов, а также предполагается, что такой источник подойдет к любому реактору с источником тепловых нейтронов. Основная идея новой концепции источника заключается в том, что гелиевый источник УХН устанавливается на пучок тепловых или холодных нейтронов вплотную к биологической защите реактора и окружается метановым замедлителем-отражателем (см. Рисунок 4). Замедлитель-отражатель из твердого метана является высокоэффективнымисточником холодных нейтронов, из которых УХН производятся в гелии.

Рисунок 4 Схема возможного расположения источника УХН на одном из каналов тепловых нейтронов реактора ПИК [4].

Сам гелиевый источник представляет собой герметичную сферическую ловушку из материала с высокой граничной энергией (например, Be), заполненную сверхтекучим гелием при температуре ~ 0.6 K и окруженную сферическим твердотельным метаном. Тепловые нейтроны легко проникают сквозь стенки ловушки, трансформируются в холодные нейтроны при отражении от метана и становятся ультрахолодными при неупругом рассеянии на гелии. Образовавшиеся ультрахолодные нейтроны оказываются запертыми в ловушке и могут выйти из нее к детектору только через небольшое отверстие в ее верхней части. Материал внутренней сферы-ловушки должен иметь высокую граничную энергию для накопления в ней большего количества УХН.

Точный расчет, который был выполнен для пучка HEC-4 реактора ПИК (диаметр пучка 20 см) для хорошо приближенной к реальности геометрии на рисунке 5 с помощью программы MCNP, показывает, что плотность потока тепловых нейтронов на срезе пучка, расположенного в трех метрах от центра активной зоны составляет:

и, соответственно, полная интенсивность тепловых нейтронов очень велика:

Вычисленная в [4] производительность ультрахолодных нейтронов - P_UCN = 2.2×10⁷ УХН/с - превышает производительность источника УХН в ИЛЛ примерно в 100 раз.

Материалы для источника УХН должны удовлетворять ряду требований: они должны обладать минимальным сечением захвата нейтронов, а при захвате должно выделяться минимальное количество тепла. Также у них должно быть минимальное сечение взаимодействия с g-квантами.

Рисунок 5 MCNP-геометрия для расчета производства УХН и радиационного нагрева на пучке реактора ПИК [4].