Атомная энергетика

Энергетика
Реакторы с тяжелой водой под давлением
Проектные параметры и характеристики ВВЭР-СКД
Использование тория
реактор ВВЭР-СКД
Расчеты выгорания рабочих ТВС и ТВС с МА.
реактор БН-350
Конструкция реактора
Опыт эксплуатации РУ БН-350
Вывод из эксплуатации реактора на быстрых нейтронах БН-350
Баксанская нейтринная обсерватория
Основные типы реакторов, принятые к промышленной реализации
АЭС с уран-графитовыми канальными реакторами

Источник нейтринного излучения 51Cr для калибровки нейтринного телескопа

В Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) проводятся уникальные галлиевые эксперименты, которые в состоянии измерить основной компонент солнечного спектра нейтрино. Имея низкий порог энергии (233 кэВ при бета распаде 71Ga, что значительно ниже энергии нейтрино от термоядерного синтеза на солнце, которые предсказаны стандартными солнечными моделями) изотоп 71Ga (40%) активируется солнечными нейтрино с образованием нуклида 71Ge. С января 1990 г. в обсерватории проводятся российско-американские галлиевые эксперименты по измерению потока и спектра солнечных нейтрино, используя металлический галлий в жидком состоянии. Получаемый в экспериментах средний поток 67± 7 (взаимодействий – SNU), значительно ниже солнечных образцовых предсказаний 137 +8 SNU [4] и 125±5 SNU [5].

Сотрудничество GALLEX провело измерение солнечного потока нейтрино в водном растворе GaCl3 в 1991 г. и получила поток 70±7+4 SNU[6].

Другие два прецизионных солнечных эксперимента по измерению нейтрино, эксперимент с хлором [7] и эксперимент Kamiokande [8], имеют пороги более высокой энергии, и таким образом не в состоянии видеть весь поток нейтрино.

Эти четыре солнечных эксперимента по измерению солнечных нейтрино имеют противоречивые показания, которые не могут быть увязаны с текущими солнечными моделями по потоку и спектру солнечных нейтрино.

Эксперимент с галлием, вместе с другими радиохимическими экспериментами по измерению солнечных нейтрино, позволяет извлечь, очистить, и измерить несколько атомов (радиоактивного нуклида), которые были получены при взаимодействии нейтрино в нескольких тоннах жидкого галлия (Ga). Даже в 60 тоннах Ga представляется возможным извлечение нескольких десятков атомов 71Ge из 5 •1029 атомов Ga. Технология позволяет извлечение даже до 700 г устойчивого носителя германия добавленного в Ga в начале каждого эксперимента. Разработанная технология извлечения германия, с учетом этого суммирования, позволяет получить коэффициент разделения германия от Ga – 1 атом 71Ge в 1011 атомов Ga.

При использовании этой технологии возникают вопросы, сколько нужно иметь полезных процессов, которые используются в технологии и как они влияют на окончательный результат. Это понято, если бы химическая эффективность извлечения, эффективность подсчета, и методика анализа, были бы сделаны при известном потоке нейтрино низкой энергии. Такой тест мог бы устранить любые существующие проблемы, что атомы 71Ge получены облучением Ga нейтрино, могут быть химически не связаны с рекомбинациями молекул галлия (так называемая "горячая химия атома"). Способ облучения Ga нейтрино позволяет приводить эффективное извлечение 71Ge намного лучше, чем способ с добавлением естественного носителя германия. Этот метод подтверждает фундаментальное предположение в радиохимических экспериментах, что экстракционная эффективность извлечения атомов, полученных при взаимодействиях с нейтрино, является теми же самыми, как и атомы носителя.

Хотя прямой тест с хорошо откалиброванным источником нейтрино предоставляет существенную альтернативу радиохимическому методу, но многочисленные исследования были проведены с множеством химических и объемных измерений, которые основаны на введение и последующее извлечение известного количества устойчивого носителя германия. Был проведен тест, в котором носитель германия, соответствовал известному числу атомов 71Ge, который был добавлен к 7 тоннам Ga. Были проведены три стандартных эксперимента, позволивших получить, что при извлечении носителя и 71Ge, результаты измерений 71Ge идентичны в этих экспериментах.

Другой эксперимент был выполнен, чтобы проверить вероятность, что атомные взаимодействия не могут образовать 71Ge при химической форме взаимодействия. Есть вероятность, что это может произойти в жидком галлии, потому что метастабильная молекула Ga2 существует с энергией связи ~ 1,6 eV. В этом эксперименте радиоактивные нуклиды 70Ga и 72Ga были произведены в жидком галлии нейтринным облучением. Эти изотопы, с малым периодом бета распада, превращаются в нуклиды 70Ge и 72Ge. Нуклиды германия были извлечены из галлиевой ванны с использование стандартной технологии, затем их атомы были исследованы масс-спектрометрией. Результаты были сопоставимы с числом взаимодействий, которое, как ожидают, будет получено на известном нейтринном потоке и определено среднее сечение взаимодействий, таким образом, предполагая, что химические ловушки работают. Этот эксперимент не эксклюзивен, потому что максимальная энергия, переданная ядром 70Ge после испускания бета частицы 70Ga, составляет 32 eV, несколько больше, чем максимальная энергия 20 eV, полученных ядром 71Ge после воздействия нейтрино с энергией 747 кэВ (от нейтрино при бета распаде 51Cr) и значительно выше, чем максимальная ядерная энергия отдачи 6.1 eV после воздействия нейтрино с энергией 420 кэВ (при термоядерном синтезе).

Новые доказательства основаны на том, что эффективность извлечения была приемлема, и исходили из контроля начального удаления из галлия 68Ge космогенного происхождения. Этот нуклид был сгенерирован в Ga на земной поверхности при воздействии космических лучей. Когда Ga был перенесен в шахту, количество 68Ge космогенного происхождения сократилось.

Эти многочисленные проверки и вспомогательные измерения позволили удостовериться в принятой методологии, и что тест с искусственным источником нейтрино известной активности, позволит провести большинство проверок правильности радиохимических процедур, а для этого необходим источник нейтрино с энергией близкой энергии солнечных нейтрино.

Выбор нуклида для источника нейтрино

Многие нуклиды, которые после облучения нейтронами в реакторе с большой плотностью потока, такие как 51Cr, 65Zn, и 37Ar, могут использоваться как источники нейтрино для калибровки датчиков солнечных нейтрино. Радионуклид 51Cr при распаде испускает бета частицы и нейтрино с энергией, самой близкой к энергии солнечному нейтрино, к которым галлий является самым чувствительным, и является лучшим выбором для экспериментов с галлием.


 Схема перехода 51Cr в 51V с испусканием  электрона.

Распад 51Cr с электронным выходом 51Cr + e51V + ve, с периодом 27,7 суток. Схема распада 51Cr представлена на схеме. Переход (90.12 %) 51Cr в 51V (51Cr распадается с образованием нуклида 51V) и переход (9.88 %), при котором распадается к первоначально возбужденному нуклиду 51V, который также быстро распадается с эмиссией гамма - квантов с энергией 320 кэВ к первоначальному нуклиду. Принимая во внимание атомные уровни, с которыми могут произойти переходы, энергии нейтрино равные – 752 кэВ (9 %), 747 кэВ (81 %), 432 кэВ (1 %), и 427 кэВ (9 %), интенсивность источника 51Cr должна быть достаточно высокой, чтобы интенсивность потока нейтрино в массе галлия была бы значительно больше, чем поток солнечных нейтрино. Тогда источник по активности должен быть близок к 1 MKu, далеко превосходя большинства источников, произведенных ранее в реакторах. Поскольку 50Cr в естественном хроме имеется только 4.35 %, то необходимую активность 51Cr при облучении природного Cr в любом существующем ядерном реакторе получить невозможно. 

Необходимая активность при облучении может быть достигнута облучением только обогащенного по 50Cr хрома. Кроме того, использование обогащенного 50Cr уменьшает самоэкранирование во время облучения и уменьшает накопление 53Cr, среднее сечение которого для тепловых нейтронов очень велико. Хром, используемый в этом эксперименте, был обогащен до 92.4 % по 50Cr. Преимущество высокого обогащения состоит в том, что это позволяет получить источник большой активности (больше чем 1 кKu/g) и иметь маленькие физические размеры источника, таким образом можно получить высокий выход нейтрино.

9.3. Наработка 50Cr

Обогащение хрома было произведено в институте им. Курчатова И.В. методом газового центрифугирования оксидфлюрида хрома (CrO2F2). CrO2F2 был получен методом гидролиза оксида хрома (Cr2O3). Чтобы получить чрезвычайно компактный источник, окись хрома был переведен в металлический хром. Эта операция была сделана, нагревом смеси окиси хрома и графита высокой чистоты в водородной атмосфере; получающийся продукт был расплавлен в расплавленном Al2O3, чтобы удалить газообразные примеси. Из слитков металлического Cr были отлиты прутки размером – 1-3 мм, и этот хром был обработан водородом при 1200 °C в течение 24 часов, чтобы удалить остаточный кислород и азот.

Для реакторного облучения металлический Cr (обработанный по выше описанной технологии) был отлит в форме стержней 45 мм длиной диаметром 7 мм. Стержни Cr были помещены в плакированную молибденом стальную оболочку при небольшом давлении при комнатной температуре. Оболочка была сварена электронным лучом в вакууме. Эта оболочка с хромом была подвергнута очень высокому давлению при 1100 °C в течение 30 секунд и затем охлаждена при 1000 °C таким образом, чтобы диаметр стержней Cr был ~ 7 мм. Затем стальная оболочка была растворена в азотной кислоте и стержни хрома до желаемого размера, были обработаны искровым методом и механической обработкой. Далее, стержни были повторно кристаллизованы при 1000 ° C.

Процентное содержание нуклидов в естественном и обогащенном хроме приведено в таблице 6.

Таблица 6

Содержание нуклидов в естественном и обогащенном хроме

 Нуклид

  хрома

Естественный

хром, % содерж.

Обогащенный

Хром, % содерж.

 50Cr

  52Cr

 53Cr

 54Cr

 4,35

  83,79

 9,50

 2,36

 92,4±0,5

  7,6±0,4

 <0,5

 <0,5

Взвешенная плотность, степень детализации, и твердость получившихся стержней были очень близки к чистому бездефектному металлическому хрому. Свойства 50 стержней, которые были подготовлены для облучения, их микроструктура были чрезвычайно идентичны чистому металлическому хрому.

На всех стадиях химической обработки необходимо было минимизировать загрязнение Cr другими нуклидами, которые после облучения в реакторе будут радиоактивными. Чтобы быть уверенным, что побочное содержание примеси в стержнях Cr было удовлетворительным, каждый стержень был проанализирован масс-спектрометрией с лазерным испарением металла с поверхности стержней.[9].

Ядерные реакторы