Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ решили задачу эффективного и точного подсчета отдельных фрагментов (шариков) рабочего вещества на основе ароматического углеводорода мезитилена криогенного замедлителя нейтронов на импульсном реакторе ИБР-2. Использование криогенного замедлителя на основе мезитилена необходимо для получения высокоинтенсивных пучков низкоэнергетических («холодных») нейтронов с целью проведения исследований структуры и свойств сложных перспективных материалов (магнитные структуры, наноматериалы и т.п.) на экспериментальных установках реактора — нейтронных спектрометрах.

Новаторская идея специалистов Объединенного института позволяет контролировать сложный процесс пневмотранспорта твердых замороженных мезитиленовых шариков из дозирующего устройства в камеру криогенного замедлителя при очень низких (около 20 К) температурах, а также довольно точно, с погрешностью не более нескольких процентов, определять уровень загрузки камеры у активной зоны реактора.

Рисунок 1. Типовая схема криогенного замедлителя нейтронов: 1 — активная зона реактора; 2 — камера замедлителя; 3 — загрузочное устройство; 4 — циркулятор газовый; 5 — теплообменник; 6 — криогенная гелиевая установка; 7 — газгольдер; 8 — узел детектирования фрагментов сферической формы; 9 — оптоволоконный кабель излучения света; 10 — оптоволоконный кабель приема отраженного света; 11 — оптоволоконный цифровой усилитель сигнала; 12 — микроконтроллер; 13 — персональный компьютер; 14 — твердые фрагменты сферической формы; 16 — трубопровод; 18 — биологическая защита

Осуществление точного контроля за процессом заполнения мезитиленом при криогенной температуре такого ответственного элемента, как камера криогенного замедлителя, которая, к тому же, входит в состав оборудования реактора, является важной задачей, влияющей на его безопасную эксплуатацию, а также на условия проведения нейтронно-физических экспериментов на спектрометрах.

Новый оптический метод контроля движения шариков при криогенной температуре позволяет контролировать скорость загрузки, особенно при использовании новых дозирующих устройств с высокой скоростью подачи шариков, и своевременно обнаруживать затор в пневмотранспортном трубопроводе и принимать меры для его устранения.

Новый способ контроля заполнения камеры криогенного замедлителя основан на применении оптического сенсора, который прекрасно работает в условиях криогенных температур и имеет высокую скорость и точность подсчета. Использование нового метода позволяет полностью исключить такие проблемы, как недостаточный уровень загрузки камеры замедлителя, который может приводить к потере интенсивности нейтронного потока и изменении спектра нейтронов на выведенных пучках, что в свою очередь негативно отражается на постановке эксперимента по нейтронному рассеянию, или, наоборот, загрузка избыточного количества замороженных мезитиленовых шариков в камеру криогенного замедлителя, что может приводить к образованию затора в пневмотранспортном трубопроводе и, соответственно, необходимости экстренного отогрева камеры с мезитиленом прямо во время работы реактора на мощности.

Патент RU 2793964 на изобретение «Устройство для детектирования твердых фрагментов сферической формы шарикового холодного замедлителя нейтронов» был получен Объединенным институтом ядерных исследований 11 апреля 2023 года. Авторы: Алексей Галушко, Максим Булавин, Алмас Ыскаков, Константин Мухин, Виталий Скуратов, Иван Смелянский.