Исследование и разработка импульсных нейтронных генераторов для реализации технологий атомной энергетики, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом
Выполнение работ по теме:
Исследование и разработка импульсных нейтронных генераторов для реализации технологии атомной энергетики, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом
В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлению субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0049 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 27.06.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:
- Осуществлено исследование возможности создания эффективного импульсного генератора нейтронов (ИГН) на основе лазерного диода с магнитной изоляцией: экспериментальное определение предельного ускоряющего напряжения на лазерном диоде, определение величины оптимальной индукции магнитного поля постоянных магнитов, экспериментальное определение предельных тока и плотности тока ускоренных дейтронов и ионов в ИНГ.
- Проведена разработка и модернизация экспериментального оборудования по изготовлению и исследованию многослойной мишени: модернизация экспериментального оборудования.
- Выполнена разработка исходных данных для анализа динамики газоразрядных продуктов горения вакуумной дуги в ВНТ: экспериментальное определение коэффициента электропереноса, концентрации дейтерия и циркония и вольтамперной характеристики вакуумной дуги, определения динамики поступления материалов электродов ионного источника ВНТ в вакуумную дугу.
- Проведен аналитический обзор научно-технической литературы по современному состоянию и тенденциям развития ИНГ на основе ВНТ и ГНТ.
- Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
- Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления ионного источника.
- Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления блоков питания.
При этом были получены следующие результаты:
- Проведён анализ патентной информации, который заключается в анализе патентов за последние 15 лет, относящиеся к проблеме повышения нейтронного выхода и ресурса мишени ВНТ и ГНТ портативных нейтронных генераторов, а также новых их разновидностей. Всего было рассмотрено 30 патентов среди них 22 отечественные 8 зарубежные (США, Япония, Франция, Германия). Количество выявленных тенденций развития 3: Увеличение нейтронного выхода, Улучшение конструкции, Увеличение рабочей температуры и ресурса. Отмечается, что в последние годы выдвинут и запатентован ряд предложений по улучшению отмеченных выше параметров мишеней нейтронных трубок. В частности, предлагается, формирование слоя аккумулятора внедрённых ионов за сорбирующим слоем и использование эффективного барьерного слоя на внешней границе мишени. Вместе с тем, не запатентованы до настоящего времени успешные методы реализации предлагаемых способов повышения нейтронного выхода и ресурса нейтронных трубок. Результаты проведённых исследований будут использованы при выполнении работ программы 2015 года.
- В рамках глубокой модернизации экспериментального оборудования была проведена реконструкция одного из центральных его составляющих - вакуумной системы вторично-ионного масс-спектрометра МИ-1201. Модернизация запланирована с целью улучшить вакуумные условия в установке, так как они существенно влияют на результаты вторично-ионной масс-спектрометрии. С этой целью необходимо снизить парциальное давление кислорода и паров масла в остаточном вакууме. В ходе выполнения работ была проведена оценка существующих вакуумных условий в установке. Был выполнен выбор новых вакуумных насосов, разработана новая вакуумная схема установки и рассчитана предполагаемая скорость откачки. Подготовлена конструкторская документация для изготовления необходимых деталей для подсоединения насосов, измерительных приборов и вакуумной арматуры в соответствии с новой схемой. Разработана электронная схема управления вакуумным оборудованием.
- Экспериментально применено в лазерно-плазменном ионном диоде с магнитной изоляцией электронов ускоряющее напряжение до 300 кВ. Это позволяет увеличить выход нейтронов на реакции D+D в 3-5 раз по сравнению с ранее реализованным ускоряющим напряжением до 150 кВ.
- Получена магнитная изоляция электронной составляющей тока ускорительного ионного диода с лазерно-плазменным анодом с помощью постоянных магнитов из NdFeB. Оптимальная индукция магнитного поля в ускоряющем зазоре диода составила 4 кГс . Этот результат позволяет использовать малогабаритные и не энергозатратные магнитные системы в малогабаритных нейтронных трубках с повышенным ускоряющим напряжением.
- Экспериментально достигнут ток ускоренных дейтронов 120 А при плотности тока 12 А/см2 в импульсах длительностью ~ 250 нс. Такой результат позволяет создавать ВНТ с высоким выходом в импульсе на D+D и D+T реакциях, в том числе ВНТ с набивными нейтронообразующими мишенями повышенного ресурса.
- Использование теоретических оценок и экспериментальных работ по генерации дугового разряда и эрозии материалов электродов вакуумной нейтронной трубки дало возможность построить систему исходных данных (коэффициента электропереноса, вольт-амперной характеристики дуги, концентрации дейтерия и циркония в дуге) для её физической модели.
- Сравнение характеристик ВНТ (токи и напряжение в контурах разрядных цепей, скорость разлёта продуктов дугового разряда, вход нейтронного потока из мишени), полученные с помощью модернизированной модели с экспериментальными данными продемонстрировало адеватность физической модели ВНТ.
- Полученные экспериментально и проанализированные с помощью физической модели процессы в различных цепях ВНТ продемонстрировали наличие режимов её работы, не предусмотренные при её создании. Анализ этих режимов показал возможность выбора наиболее оптимального из них для реализации рабочих характеристик.
Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.
106
