Официальные оппоненты: u
доктор физ.-мат. паук, профессор Колесов Владимир Федорович доктор физ.-мат. наук, профессор Орлов Виктор Владимирович доктор физ.-мат. наук, профессор Землянов Михаил Григорьевич
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля (ФГУП «НИКИЭТ» им. H.A. Доллежаля)
Защита состоится на заседании
диссертационного совета.. Д 720.001.06 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований,
141980, Дубна Московской обл., ул. Жоли-Кюри 6.
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядерных исследований
Диссертация в виде научного доклада разослана
ь
-пвета
Попеко А.Г.
71:06-1/91
Содержание
Введение 2
Глава 1: Модулятор реактивности для импульсного реактора
периодического действия 7
Глава 2: Стохастическая динамика импульсного реактора
периодического действия 17
Глава 3: Проблемы создания холодных замедлителей
нейтронов 23
Заключение 31
Спи сок л итературы 32
Иллюстрации 37
1
Введение
Импульсный реактор периодического действия (общепринятая аббревиатура ИБР) - это реактор на быстрых нейтронах, работающий в режиме периодически и часто повторяющихся импульсов мощности /7,2/*. Отличительная особенность ИБРов - наличие механического модулятора реактивности, который, в отличие от пусковых устройств реакторов самогасящихся, или апериодических ІКолесов, Леваков/, обеспечивает циклический процесс глубокого изменения реактивности в течение неограниченного времени. Один раз за цикл длительностью от 0.01 до 10 секунд реактор на время менее одной миллисекунды переводится из состояния глубокой подкритичности (3-5% кЭфф) в надкритическое состояние на мгновенных нейтронах. Это создает импульс мощности длительностью 40-240 мкс при незначительном фоне между импульсами (4-8% от средней мощности).
Идея такого реактора была выдвинута Д. И. Блохинцевым в 1955 году, и уже через полгода началась ее реализация. Теория ИБРа была создана И. И. Бондаренко и Ю. Я. Стависским в 1956 году (опубликована в 1959 гJБондаренко/) и развита в дальнейшем автором и др. //, 2, Говорков, Asaoka, Larrimore, Blaeser, Schwalm, Козикі. Следует отметить, что независимо от Бондаренко и Ставис-ского теорию импульсного реактора периодического действия разрабатывали Т.Н.Зубарев в 1958 г ./Зубарев/ и D.Judd (1945 год, Манхеттенский проект; эта работа не опубликована в открытой печати). У обоих авторов временной ход реактивности был принят гармоническим, что не применимо к реальным случаям. Первый ИБР со средней мощностью 1 кВт и длительностью импульса 40 мкс был пущен в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований 23 июня 1960 года/Блохин!. Вес последующие ИБРы создавались только в Дубне, если не принимать во внимание японский реактор YAYOI !Ап! и серийные реакторы типа TRIGA IWhittemorel, которые могут работать в режиме периодически повторяющихся импульсов в течение только нескольких минут. В дальнейшем В.Д. Ананьев обосновал возможность повысить среднюю мощность реактора до 6 кВт, и с 1964 года реактор работал на мощности от 2 до 6 кВт /Ананьев, Франк!. Изначально ИБР предполагалось использовать для целей ядерной физики (измерение полных и парциальных нейтронных сечений, параметров нейтронных резонансов, уровней возбуждения ядер и т.п.) с применением метода спектроскопии нейтронов по времени пролета. Но уже вскоре после пуска на реакторе начала осуществляться программа изучения структуры и динамики конденсированных веществ методами рассеяния медленных нейтронов, предложенная Ф.Л.Шапиро и Б.Бурасом / Франк. Шапиро/. Вообще, довольно длинный импульс реактора был более адекватен задачам физики конденсированных сред.
Для сокращения импульса первый ИБР с 1964 года начал использоваться в режиме размножения нейтронов от нейтроно-производящей мишени электронного ускорителя-микротрона, в создании которого ведущую роль сыграли И. М. Матора, С. П. Капица и Р. В. Харьюзов / Ананьев, Ананьев-Анцупов,
* Порядковым номером обозначены ссылки на работы, представленные к защите; остальные ссылки обозначены фамилией (-ями) первого (-ых) автора (-ов) работы.
2
Франк!. С пуском импульсного бустера (так назвали тандем ИБРа и ускорителя) длительность нейтронного импульса сократилась до 3-х мкс, а фактор качества источника нейтронов N/02 , введенный Ф. Я. Шапиро (/V -интенсивность источника или поток нейтронов с поверхности замедлителя, а О - длительность нейтронной вспышки), увеличился почти на два порядка. В дальнейшем микротрон был заменен более интенсивным линейным ускорителем / Бунин, Ананьев- Блохинцев I.
В 1966 г. на ИБРе был осуществлен режим с переменной амплитудой /Пластинин/, а также режим редких импульсов с периодом повторения 5 секунд !Пластинин, Ананьев-Блохинцев/. В режиме редких импульсов пиковая мощность была 1 ГВт.
ИБР-1 завершил работу в августе 1968 года. Последним экспериментом на этом реакторе был знаменитый опыт по первому наблюдению ультрахолодных нейтронов, проведенный в режиме редких импульсов /Лущиков/
10 июня 1969 года был введен в работу усовершенствованный аналог ИБРа -ИБР-30 («30», потому что проектная средняя мощность его была 30 кВт). Увеличение мощности было достигнуто изменением конструкции плутониевых твэлов и введением в стальной диск двух урановых вкладышей (модуляторов реактивности) вместо одного. Был сохранен режим редких импульсов с периодом пульсации до 13 секунд. Неполадки в механической системе привода вольфрамового стержня послужили причиной аварии на ИБР-30 в 1972 году. После этого режим редких периодических импульсов больше не использовался.
Бустерный режим (а ИБР-30 использовался попеременно в режиме реактора и в режиме бустера до 1986 года, когда была отменена работа в режиме реактора) осуществлялся с линейным ускорителем ЛУЭ-40 в качестве инжектора с энергией ускоренных электронов 44 МэВ и током в импульсе 0.2 А / Бунин!. Средняя мощность в режиме бустера была 10 кВт при полуширине вспышки быстрых нейтронов 4 мкс. Бустер ИБР-30 был выведен из эксплуатации в 2001 году.
Как результат успешного изучения структуры и динамики конденсированных сред на первом реакторе ИБР, уже в 1963 году начались предварительные расчетные работы по обоснованию возможности создания значительно более мощного ИБРа /Шабалин-Погодаев/. Предполагалось, что этот источник по эффективности исследований методами рассеяния медленных нейтронов не будет уступать 50-100 мегаваттным стационарным реакторам и имеющимся тогда на уровне концепций источникам на основе протонных ускорителей (spallation neutron sources). Интенсивная работа над созданием импульсного реактора средней мощностью 5-10 МВт под названием ИРМ началась в 1967 году после того, как были опубликованы проекты мощных реакторов типа ИБР в Европе (SORA /Raiwski, [) и в США / Hendrie /. Ни один из зарубежных проектов, однако, не был реализован. Между прочим, в них имелись принципиальные погрешности, которые не позволили бы иметь декларируемые параметры. Например, реактор в Брукхейвене вместо проектных 30 МВт средней мощности смог бы работать на мощности не выше нескольких мегаватт (о причине этого говорится во второй главе доклада).
3
В Дубне же новый реактор с проектной мощностью 4 МВт под названием ИБР-2 был построен к 1977 году с участием НИКИЭТ, ГСПИ, ВНИИНМ и других институтов и организаций СССР и стран-участниц ОИЯИ. Физический пуск был завершен в 1978 году, а начало официальной эксплуатации пришлось на апрель 1984 года. Продолжительный период пуска реактора объясняется новизной проблемы и стремлением снизить до минимума риск предаварийных ситуаций.
Точно проектных параметров достичь не удалось: по соображениям продления ресурса реактора и экономии эксплуатационных расходов было решено ограничить среднюю мощность двумя мегаваттами, а длительность импульса оказалась равной 216 мкс вместо проектного значения 90 мкс (подробнее в Главе 1). Но и с этими параметрами ИБР-2 является до настоящего времени наиболее эффективным импульсным источником медленных нейтронов для исследования конденсированных сред /Аксенов,, 1995, 2002, Белумкин!.
Следует различать два подхода к анализу ИБРа - как ядерного реактора и как источника нейтронов для физических исследований на выведенных пучках. Автору пришлось участвовать в анализе ИБРов по обоим вышеуказанным аспектам. В кинетической теории ИБРа автором был уточнен коэффициент в выражении временной зависимости мощности реактора (у Бондаренко и Ста-висского он был занижен в два раза), введено понятие «импульсной реактивности» - величины, замена на которую обычной реактивности позволяет использовать уравнения кинетики обычного реактора для ИБРа. У Бондаренко и Ставиского была введена величина «импульсной доли запаздывающих нейтронов», использование которой вместо эффективной доли запаздывающих нейтронов дает тот же эффект, но лишь при малых возмущениях реактивности. Было также получено выражение для условия критичности ИБРа при малой частоте повторения вспышек мощности и с учетом влияния побочных импульсов мощности, выведено выражение для формы импульса мощности при произвольном виде временнбн зависимости реактивности, была предложена и обоснована «эффективная одноточечная» модель кинетики реактора с отражателем и замедлителем / Шабалин- Кочкин/. Автором предложена простая много-экспоненциальная модель обратных связей, которая позволяет численно описать реальные динамические процессы; им реализован метод оценки параметров этой модели как решение обратной задачи /Шабалин-Анцупов!. Усовершенствованная позднее трех-экспоненциальная модель динамики успешно используется в настоящее время для анализа состояния реактора ИБР-2 и его диагностики Шопов, 1990, Пепелышев, Ками-онскийL Автором были инициированы и с его участием проведены экспериментальные и теоретические работы по анализу эффектов «теплового удара» в твэлах ИБРа /Ломидзе и dp, Ananiev / (теоретические исследования теплового удара были проведены Дж. Рэндлзом и В. Л. Ломидзе /Ломидзе, Randles/; в применении к импульсным реакторам самогасящегося действия детальные расчеты выполнены В. Ф. Колесовым /КолесовГ). Автор выполнил оценку ряда не очевидных эффектов реактивности в ИБРе, связанных с явлением теплового удара, в частности, возможность проявления отрицательного температурного коэффициента реактивности как положительного ///.
4
- Київ+380960830922