В Лаборатории нейтронной физики продолжаются работы по созданию комплекса криогенных замедлителей, которые окружают шестигранник активной зоны реактора ИБР-2 с трех сторон. По завершении проекта эти замедлители будут формировать индивидуальный спектр нейтронного потока на 11 из 14 экспериментальных каналах реактора. Комплекс представляет собой набор из трех замедлителей, идентичных по принципу своей работы, но разных по форме и компоновке головных частей, каждая из которых разрабатывается индивидуально в зависимости от экспериментальных установок и методик исследования, для которых создается.

Замедлители имеют два основных режима работы — водяной и криогенный. При работе в криогенном режиме в качестве замедляющего вещества в криогенной камере используется смесь мезитилена с метаксилолом в объемной пропорции 3 к 1 в форме шариков диаметром 3,5-3,9 мм. Шарики загружаются в камеру потоком газообразного гелия при температуре 80-100 К, а затем охлаждаются до необходимой температуры для проведения экспериментов в пределах от 100 до 20 К. В 2012 году был установлен криогенный замедлитель первой очереди КЗ 202. К настоящему времени этот замедлитель отработал более 4000 часов на мощности ИБР-2, из них 1500 — с новой криогенной системой на основе рефрижератора Linde AG Kryotechnik мощностью 1200 при 10 К и рефрижератора НПО «Гелиймаш» КГУ 700/15. За время работы был проведен ряд исследований на выведенных пучках реактора, детально изучены нейтронно-физические характеристики замедлителя, проанализирована работа инженерных систем и программного обеспечения.

Параллельно продолжалось изготовление замедлителя второй очереди комплекса КЗ 201. Этот замедлитель занимает так называемое центральное направление и формирует спектр нейтронного потока для экспериментальных пучков №№ 1, 4, 5, 6, 9. Начиная от активной зоны реактора, головная часть замедлителя состоит из камеры с засыпкой карбида бора, которая предотвращает возвращение тепловых нейтронов обратно в активную зону, водяного предзамедлителя, где происходит первичное снижение энергии нейтронного потока, вакуумной рубашки криогенной камеры, самой криогенной камеры, где формируется поток холодных нейтронов, и водяного постзамедлителя, фокусирующего поток по направлениям.

В 2018 году этот замедлитель был изготовлен на предприятии ОАО «НПО Атом» и предоставлен нам для примерки на штатном месте (возле зоны реактора), заливки блока биологической защиты специальным бетонным составом и проверки камер и трубопроводов замедлителя на плотность и герметичность. Стоит отметить, что проверка на герметичность и плотность — одна из самых ответственных подготовительных работ, поскольку изделие это не разборное, и после заливки блока защиты бетоном устранить течи на подводящих инженерных трубопроводах не представляется возможным. В свою очередь, после первых испытаний работы замедлителя на мощности реактора алюминиевый сплав, из которого изготовлен замедлитель, активируется нейтронами и какая либо обработка или доработка становится также невозможной.

Испытание на герметичность проводят сотрудники ЛНФ В. А. Скуратов, Д. В. Зайцев и сотрудники НПО «Атом» В. И. Загулов и А. В. Анисовец

Расчет конфигурации головной части замедлителя проводился методом Монте-Карло (программа MCNP) с использованием дискретных констант из библиотеки ENDF — B/VII С.А.Куликовым и А.Д.Роговым в ЛНФ, разработчиком рабочих чертежей был Научно-исследовательский институт энерготехники имени Н.А.Доллежаля.

Также учитывая, что замедлитель центрального направления имеет возможность замены, требовалось разработать эффективные, обладающие минимальным теплопритоком разъемные криогенные соединения, позволяющие в короткое время проводить соединение (разъединение) замедлителя с криогенной системой и системой подачи замедляющего вещества, минимизируя действие ионизирующего излучения на обслуживающий персонал. Использовать уже имеющиеся в продаже байонетные или штыковые соединения было нельзя по причине их конструкции, предполагающей изменение диаметров внутреннего трубопровода, и наличия гибких частей, что недопустимо, учитывая специфику замедляющего вещества (шарики) и требований к его транспортировке в камеру замедлителя. Разработанные группой №2 МТО ЛНФ совместно с КБ ЛНФ соединения прошли успешные лабораторные испытания и были установлены не только на замедлитель, но и соединили все криогенное оборудование системы охлаждения замедлителей. При помощи Марины Михайловны Ваговой из ОЛИС ОИЯИ изобретение было запатентовано.

Второй по последовательности, но не по важности, — этап примерки замедлителя в рабочем положении, чтобы внешняя сторона головной части замедлителя была установлена в пределах 5 мм от стационарных отражателей ИБР-2 с минимальными отклонениями. Точность установки очень важна, так как влияет на поток нейтронов, который в итоге получит экспериментатор. К тому же на поверхность КЗ 201 с торцов смотрят два экспериментальных канала №1 и №9, и в случае, если замедлитель «не доедет» до своего рабочего положения, то эти каналы не получат желаемые нейтроны вовсе. «Посмотреть», как установлен замедлитель относительно активной зоны, технологической возможности нет, да и поля ионизирующего излучения имеют высокую активность (зона запрета), и поэтому для оценки расстояния установки головной части от активной зоны пользуются маркерами. Маркеры наклеивают на внешнюю сторону рабочей камеры КЗ 201, «подъезжают» к зоне, затем опускают замедлитель и замеряют замятие маркеров. При необходимости корректируют установку головной части относительно защитного блока, делают повторную примерку и уже после этого окончательно фиксируют положение рабочей камеры относительно защитного блока.

В случае с КЗ 201 потребовалось шесть таких примерок, после примерки летом 2019 года замедлитель был отправлен на доработку в НПО «Атом» и только в 2020-м был окончательно испытан, установлен в рабочее положение, подключен к системам инженерных коммуникаций, термометрии и программному обеспечению. Замедлитель КЗ 201 прошел цикл успешных испытаний без мощности реактора и в настоящее время работает в режиме водяного замедлителя на физический эксперимент.

Хочется отметить, что уникальны не только сам замедлитель, принцип его загрузки, форма рабочего вещества, но и целая инфраструктура (криогенная система охлаждения, оборудование термометрии, приборы контроля расхода, контроля движения шариков, программное обеспечение визуализации процесса и контроля, дозирующее устройство и т.д.). Уникальны и специалисты, обеспечивающие безаварийный и бесперебойный режим работы комплекса замедлителей и их инженерных систем. Примечательно, что коллектив, реализующий проект, занимается также улучшением систем замедлителя и разработкой, доработкой и внедрением новых узлов и устройств системы комплекса.

Один из ярких примеров таких разработок — метод регистрации движения шариков при загрузке замедлителя. Дело в том, что заглянуть в криогенную камеру во время загрузки нельзя, а заполнена камера или нет, станет ясно, только когда будет поднята мощность реактора и экспериментаторы начнут свои исследования. В случае, если окажется, что криогенная камера пуста (заторы в трубе, нарушение циркуляции гелия, разрушение или слипание шариков и т.д.) цикл исследований и реакторное время будут потеряны. Поэтому чрезвычайно важно вести контроль движения шариков в трубе еще в режиме загрузки. Ранее для этого применялся метод измерения давления перед шариком и после него. Такой способ работал стабильно, но не давал возможности зафиксировать каждый шарик, сильно зависел от флуктуаций расхода гелия и давал только принципиальный ответ — идут шарики или нет. Новый метод (оптический), предложенный коллегами из группы №6 НЭОКС ЛНФ, при лабораторных испытаниях давал замечательные результаты.

Настройкой узла подсчета шариков заняты А. В. Галушко, В. А. Скуратов, Н. О. Волнухин, А. Ыскаков, И. В. Жидков, Н. А. Буров, К. А. Мухин

Основная его идея состояла в установке в трубу подачи шариков излучателя и приемника света. Шарик, проходя, перекрывает световой поток, что и фиксирует вторичный прибор. Чувствительность метода составляет 0,3 с, что вполне достаточно для наших задач и позволяет отделить каждый шарик в потоке. Интересно отметить, что наибольшая чувствительность была найдена при установке излучателя и приемника под углом 450 друг к другу. Вероятно, здесь важную роль играет рассеяние света за счет радиуса трубки и траектория движения шарика. После лабораторных испытаний опытный образец был изготовлен и установлен на штатную систему КЗ 201, прошел успешные испытания при криогенных температурах, а предложенный способ ввода излучателя и приемника во внутреннюю трубу криогенного трубопровода позволяет легко юстировать или проводить замену узла в случае неполадок.

Подводя итог, стоит отметить, что работы по вводу комплекса криогенных замедлителей нейтронов идут полным ходом, а замедлитель КЗ 201 в соответствии с расписанием работы реактора ИБР-2 в ноябре 2020 года даст экспериментаторам свои первые холодные нейтроны.

Авторы статьи благодарят основных участников проекта — коллективы группы №2 МТО, группы №6 НЭОКС, КБ ЛНФ, отдельно благодарят за конструктивные консультации и замечания А.А.Белякова, А. В. Долгих, С. А. Куликова, Е. П. Шабалина, сотрудников НИКИЭТ, дирекцию ЛНФ и всегда помнят ушедших из жизни В. Д. Ананьева, А. А. Любимцева, А. П. Сиротина, чье участие в проекте, опыт и знания бесценны.

Константин Мухин, руководитель проекта КЗ,
Максим Булавин, начальник группы №6 НЭОКС ЛНФ,
фото предоставлены ЛНФ