DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-263-271


УДК53.072; 53:004

ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ УСТРОЙСТВА ТЕРМАЛИЗАЦИИ НЕЙТРОНОВ НА ПУЧКОВОМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ КОРПУСНОМ РЕАКТОРЕ

Серебров А.П., Лямкин В.А., Коптюхов А.О., Онегин М.С., Коваленко А.Н.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Серебров А.П., Лямкин В.А., Коптюхов А.О., Онегин М.С., Коваленко А.Н. Теплообменник для устройства термализации нейтронов на пучковом исследовательском корпусном реакторе // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 2. С. 263–271. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-263-271


Аннотация
Для фундаментальных исследований на пучковом исследовательском корпусном реакторе проектируется установка термализации нейтронов — «источник ультрахолодных нейтронов». Для экспериментов нового поколения в областях физики слабых взаимодействий и астрофизики необходима статистическая точность, связанная с высокой плотностью ультрахолодных нейтронов. Для достижения высокой плотности гелий-4 в камере источника, который используется в качестве конвертора холодных нейтронов в ультрахолодные, должен находиться при температуре порядка 1 К. При использовании вакуумной откачки паров гелия-4 в источниках ультрахолодных нейтронов еще не удалось получить температуру ниже 1,4 К. Для достижения более низких температур необ- ходимое давление насыщенных паров должно составлять менее 50 Па, что невозможно ввиду гидравлических потерь. Предполагается использование теплообменника, в котором гелий-4 будет охлаждаться гелием-3. Это обосновано тем, что температуру гелия-3 эффективнее поддерживать вакуумной откачкой, так как давление его насыщенных паров на порядок выше, чем у гелия-4. Между двумя гелиями будет создаваться температурный напор за счет температурного скачка, описанного П.Л. Капицей, и теплового моста между капсулой с гелием и теплообменником. Для решения данной проблемы предложена оптимизация с использованием численного моделирования на основании математической модели тепловых процессов в камере со сверхтекучим гелием, учитывающая контактное тепловое сопротивление, описываемое моделью акустического рассогласования И.М. Халатникова с поправочным коэффициентом. Представлен пример такой оптимизации для источника ультрахолодных нейтронов, находящегося в Гатчине. Математическая модель реализована в универсальном решателе на основе метода конечных элементов. Предложены геометрические параметры теплообменника, в котором температурный напор составил 0,2 К, температура гелия-4 достигается вакуумной откачкой паров гелия-3 при давлении 850 Па. Снижение температуры с 1,4 до 1 К повысит плотность ультрахолодных нейтронов почти на порядок величины, что увеличит статистическую точность проводимых на пучковом исследовательском реакторе экспериментов с ультрахолодными нейтронами.

Ключевые слова: ультрахолодные нейтроны, источник ультрахолодных нейтронов, сверхтекучий гелий, двухжидкостная модель, реактор ПИК

Список литературы
  1. Ковальчук М.В., Аксенов В.Л., Драгунов Ю.Г. и др. Физический пуск реактора ПИК. Планы по подготовке энергетического пуска: сборник докладов международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики». М., 2012. С. 42.
  2. Серебров А.П., Васильев А.В., Варламов В.Е и др. Реактор ПИК и программа исследования фундаментальных взаимодействий // Вестник СПбГУ. Физикаи химия. 2015. Т. 2. № 4.С. 309–318.
  3. Серебров А.П., Лямкин В.А., Коптюхов А.О., Онегин М.С. Тепловой режим источника ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.2019. Т. 19. № 3(121). С. 538–545. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-3-538-545
  4. Lamoreaux K., Golub R. Experimental searches for the neutron electric dipole moment // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 2009. V. 36. N 10. P. 104002. doi: 10.1088/0954-3899/36/10/104002
  5. Chupp T.E., Fierlinger P., Ramsey-Musolf M.J., Singh J.T. Electric dipole moments of atoms, molecules, nuclei, and particles // Reviews of Modern Physics. 2019. V. 91. N 1. P. 015001. doi: 10.1103/RevModPhys.91.015001
  6. Алтарев И.С., Борисов Ю.В., Боровикова Н.В. и др. Поиск электрического дипольного момента нейтрона // Ядерная физика.1996. Т. 59. № 7. С. 1204−1222.
  7. Serebrov А.Р. Neutron beta-decay, Standard Model and cosmology // Physics Letters B. 2007. V. 650. N 5-6. Р. 321–324. doi: 10.1016/j.physletb.2007.05.047
  8. Young R., Clayton S., Filippone B.W., Geltenbort P., Ito T.M., Liu C.-Y., Makela M., Morris C.L., Plaster B., Saunders A., Seestrom S.J., Vogelaar R.B. Beta decay measurements with ultracold neutrons: a review of recent measurements and the research program at Los Alamos National Laboratory // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 2014. V. 41. N 11. P. 114007. doi: 10.1088/0954-3899/41/11/114007
  9. Mathews G.J., Kajino T., Shima T. Big bang nucleosynthesis with a new neutron lifetime // Physical Review D. 2005. V. 71. N 2. P. 021302. doi: 10.1103/PhysRevD.71.021302
  10. Wietfeldt F.E., Greene G.L. Colloquium: The neutron lifetime // Reviews of Modern Physics. 2011. V. 83. N 4. P. 1173–1192. doi: 10.1103/RevModPhys.83.1173
  11. Serebrov A.P., Varlamov V.E., Kharitonov A.G., Fomin A., Pokotilovski Yu., Geltenbort P., Butterworth J., Krasnoschekova I., Lasakov M., Tal'daev R., Vassiljev A., ZherebtsovO. Measurement of the neutron lifetime using a gravitational trap and a low-temperature Fomblin coating//Physics Letters B.2005. V. 605. N 1-2. P. 72−78.doi: 10.1016/j.physletb.2004.11.013
  12. Serebrov A.P., Kolomenskii E.A., Fomin A.K., Koptyukhov A.O., Krasnoshchekova I.A., Vasil’ev A.V., Prudnikov D.M., Shoka I.V., Chechkin A.V., Chaikovskii M.E., Varlamov V.E., Ivanov S.N., Pirozhkov A.N., Geltenbort P., Zimmer O., Jenke T., Van Der Grinten M., Tucker M. Experimental setup for neutron lifetime measurements with a large gravitational trap at low temperatures // Technical Physics. 2019. V. 64. N 2. P. 282–286. doi: 10.1134/S1063784219020191
  13. Abele H.The neutron ABC: Measurements of correlation coefficients in neutron beta-decay // Proc. 6th International UCN Workshop.2005. V. 110(4). P. 401.
  14. Darius G., Byron W.A., DeAngelis C.R., Hassan M.T., Wietfeldt F.E., Collett B., Jones G.L., Dewey M.S., Mendenhall M.P., Nico J.S., Park H., Komives A., Stephenson E.J. Measurement of the electron-antineutrino angular correlation in neutron β decay // Physical Review Letters. 2017. V. 119. N 4. P. 042502. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.042502
  15. Berezhiani Z., Bento L. Neutron - mirror - neutron oscillations: How fast might they be? // Physical Review Letters. 2006. V. 96. N 8. P. 081801. doi: 10.1103/PhysRevLett.96.081801
  16. Serebrov A.P., Aleksandrov E.B., Dovator N.A., Dmitriev S.P., Fomin A.K., Geltenbort P., Kharitonov A.G., Krasnoschekova I.A., Lasakov M.S., Murashkin A.N., Shmelev G.E., Varlamov V.E., Vassiljev A.V., Zherebtsov O.M., Zimmer O.Experimental search for neutron–mirror neutron oscillations using storage of ultracold neutrons // Physics Letters, Section B: Nuclear, Elementary Particle and High-Energy Physics.2008. V. 663. N 3. P. 181–185. doi: 10.1016/j.physletb.2008.04.014
  17. Серебров А.П., Коптюхов А.О., Лямкин В.А. Численное моделирование естественной конвекции жидкого дейтерия в условиях реакторной тепловой нагрузки // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2019. Т. 62. № 8. С. 741–748. doi: 10.17586/0021-3454-2019-62-8-741-748
  18. Huang Y.H., Chen G.B. A practical vapor pressure equation for helium-3 from 0.01 K to the critical point // Cryogenics. 2006. V. 46. N 12. P. 833–839. doi: 10.1016/j.cryogenics.2006.07.006
  19. Капица П.Л. Теплоперенос и сверхтекучесть гелия-II // ЖЭТФ. 1941. Т. 11. № 6. С. 58.
  20. Халатников И.М. Теория сверхтекучести. М.: Наука, 1971. 320 с.
  21. Darve C., Patankar N.A., Van Sciver S.W. A3-Dmodelofsuperfluid helium suitable for numerical analysis // Proc.22nd International Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference (ICEC-ICMC). 2008. P. 261–266.
  22. Bottura L., Darve C., Patankar N.A., Van Sciver W. A method for the three-dimensional numerical simulation of superfluid helium // Journal of Physics: Conference Series.2009.V. 150.P. 012008. doi: 10.1088/1742-6596/150/1/012008
  23. Leung K.K.H.Development of a new superfluid helium ultra-cold neutron source and a new magnetic trap for neutron lifetime measurements: PhD thesis.Technical University of Munich, 2013. 279 p.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2020 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика