Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов

Рассмотрена возможность экспериментальной проверки эксплуатационных параметров мишени. Данные условия реализованы на прототипе мишени, который может эксплуатироваться на базе ускорителя электронов КУТ-30 с энергией пучка до 35 МэВ. Проведено математическое моделирование энерговыделения в прототипе м...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Рудычев, Е.В., Прохорец, С.И., Федорченко, Д.В., Хажмурадов, М.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Теми:	Применение ускорителей
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15714
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов / Е.В. Рудычев, С.И. Прохорец, Д.В. Федорченко, М.А. Хажмурадов // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 173-177. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15714
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-157142025-02-09T09:57:47Z Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов Розрахунок енерговиділення прототипу нейтроноутворюючей мішені для експериментальної перевірки умов експлуатації джерела нейтронів The energy deposition calculation of neutron source target prototype for experimental studies of operational parameters of neutron source facility Рудычев, Е.В. Прохорец, С.И. Федорченко, Д.В. Хажмурадов, М.А. Применение ускорителей Рассмотрена возможность экспериментальной проверки эксплуатационных параметров мишени. Данные условия реализованы на прототипе мишени, который может эксплуатироваться на базе ускорителя электронов КУТ-30 с энергией пучка до 35 МэВ. Проведено математическое моделирование энерговыделения в прототипе мишени. Показано, что при соответствующих параметрах в прототипе мишени существуют зоны с энерговыделением, эквивалентным энерговыделению в реальной мишени. Розглянуто можливість експериментальної перевірки експлуатаційних параметрів мішені. Дані умови реалізовані на прототипі мішені, який може експлуатуватися на базі прискорювача електронів КУТ-30 з енергією пучка до 35 МеВ. Проведено математичне моделювання енерговиділення в прототипі мішені. Показано, що при відповідних параметрах в прототипі мішені існують зони з енерговиділенням, еквівалентним енерговиділенню в реальній мішені. Possibility of experimental studying of neutron source target operational parameters is considered. This prototype can work under lower electron beam energies. For example, KUT-30 acceleration facility with 35 MeV electron beam is suitable for such purpose. We provide an extensive mathematical simulation of energy deposition in the prototype target. Results indicate that in prototype there are areas with energy deposition equivalent to real target one. 2010 Article Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов / Е.В. Рудычев, С.И. Прохорец, Д.В. Федорченко, М.А. Хажмурадов // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 173-177. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15714 621.039.058 ru application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Применение ускорителей Применение ускорителей
spellingShingle	Применение ускорителей Применение ускорителей Рудычев, Е.В. Прохорец, С.И. Федорченко, Д.В. Хажмурадов, М.А. Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
description	Рассмотрена возможность экспериментальной проверки эксплуатационных параметров мишени. Данные условия реализованы на прототипе мишени, который может эксплуатироваться на базе ускорителя электронов КУТ-30 с энергией пучка до 35 МэВ. Проведено математическое моделирование энерговыделения в прототипе мишени. Показано, что при соответствующих параметрах в прототипе мишени существуют зоны с энерговыделением, эквивалентным энерговыделению в реальной мишени.
format	Article
author	Рудычев, Е.В. Прохорец, С.И. Федорченко, Д.В. Хажмурадов, М.А.
author_facet	Рудычев, Е.В. Прохорец, С.И. Федорченко, Д.В. Хажмурадов, М.А.
author_sort	Рудычев, Е.В.
title	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
title_short	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
title_full	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
title_fullStr	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
title_full_unstemmed	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
title_sort	расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Применение ускорителей
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15714
citation_txt	Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов / Е.В. Рудычев, С.И. Прохорец, Д.В. Федорченко, М.А. Хажмурадов // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 173-177. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT rudyčevev rasčeténergovydeleniâprototipanejtronoproizvodâŝejmišenidlâéksperimentalʹnojproverkiuslovijékspluataciiistočnikanejtronov AT prohorecsi rasčeténergovydeleniâprototipanejtronoproizvodâŝejmišenidlâéksperimentalʹnojproverkiuslovijékspluataciiistočnikanejtronov AT fedorčenkodv rasčeténergovydeleniâprototipanejtronoproizvodâŝejmišenidlâéksperimentalʹnojproverkiuslovijékspluataciiistočnikanejtronov AT hažmuradovma rasčeténergovydeleniâprototipanejtronoproizvodâŝejmišenidlâéksperimentalʹnojproverkiuslovijékspluataciiistočnikanejtronov AT rudyčevev rozrahunokenergovidílennâprototipunejtronoutvorûûčejmíšenídlâeksperimentalʹnoíperevírkiumovekspluatacíídžerelanejtronív AT prohorecsi rozrahunokenergovidílennâprototipunejtronoutvorûûčejmíšenídlâeksperimentalʹnoíperevírkiumovekspluatacíídžerelanejtronív AT fedorčenkodv rozrahunokenergovidílennâprototipunejtronoutvorûûčejmíšenídlâeksperimentalʹnoíperevírkiumovekspluatacíídžerelanejtronív AT hažmuradovma rozrahunokenergovidílennâprototipunejtronoutvorûûčejmíšenídlâeksperimentalʹnoíperevírkiumovekspluatacíídžerelanejtronív AT rudyčevev theenergydepositioncalculationofneutronsourcetargetprototypeforexperimentalstudiesofoperationalparametersofneutronsourcefacility AT prohorecsi theenergydepositioncalculationofneutronsourcetargetprototypeforexperimentalstudiesofoperationalparametersofneutronsourcefacility AT fedorčenkodv theenergydepositioncalculationofneutronsourcetargetprototypeforexperimentalstudiesofoperationalparametersofneutronsourcefacility AT hažmuradovma theenergydepositioncalculationofneutronsourcetargetprototypeforexperimentalstudiesofoperationalparametersofneutronsourcefacility
first_indexed	2025-11-25T14:40:06Z
last_indexed	2025-11-25T14:40:06Z
_version_	1849773642512072704
fulltext	УДК 621.039.058 РАСЧЕТ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ ПРОТОТИПА НЕЙТРОНОПРОИЗВОДЯЩЕЙ МИШЕНИ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ Е.В. Рудычев, С.И. Прохорец, Д.В. Федорченко, М.А. Хажмурадов Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина E-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua Рассмотрена возможность экспериментальной проверки эксплуатационных параметров мишени. Данные условия реализованы на прототипе мишени, который может эксплуатироваться на базе ускорителя электро- нов КУТ-30 с энергией пучка до 35 МэВ. Проведено математическое моделирование энерговыделения в прототипе мишени. Показано, что при соответствующих параметрах в прототипе мишени существуют зоны с энерговыделением, эквивалентным энерговыделению в реальной мишени. 1. ВВЕДЕНИЕ Новый источник нейтронов, основанный на под- критической сборке, управляемой ускорителем электронов, проектируется в Харьковском физико- техническом институте. Нейтронопроизводящая мишень является наиболее важной частью проекти- руемой установки. Мишень работает в достаточно тяжелых условиях с энергией пучка до 150 МэВ и средней мощностью пучка 100 кВт. Импульсный режим работы ускорителя может приводить к до- полнительным термомеханическим напряжениям в мишени. Для обеспечения безопасной работы уста- новки источника нейтронов при проектировании необходимо учитывать возможные термические и термомеханические нагрузки. В работе рассмотрена возможность экспериментальной проверки эксплуа- тационных параметров мишени. Данные условия могут быть реализованы на прототипе мишени, ко- торый может эксплуатироваться на пучке более низ- ких энергий, например, на базе ускорителя электро- нов КУТ-30 с энергией пучка до 35 МэВ. 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОТОТИПА МИШЕНИ Так как характеристики ускорителя КУТ-30 су- щественно отличаются от характеристик ускорите- ля, разрабатываемого для реальной мишени, необ- ходимо разработать прототип мишени таким обра- зом, чтобы результирующие термомеханические напряжения в реальной мишени и в прототипе были эквивалентны. Критерием моделирования была вы- брана удельная мощность пучка, подобранная в со- ответствии с удельной мощностью пучка для реаль- ной мишени. Исходя из этого критерия, диаметр пучка был выбран 1,2 см, а диаметр мишени – 1,25 см (пучок должен быть немного меньше диа- метра мишени). Удельная мощность пучка для про- тотипа мишени составила 2,2 кВт/см2. Исходя из технических требований, была выбра- на геометрия мишени, приведенная на Рис.1. Рис.1. Вариант геометрии мишени Мишень представляет собой 3 вольфрамовых диска различной толщины, между которыми нахо- дится вода. Моделирование алюминия было прове- дено с целью учета оболочки мишени. С учетом технических особенностей толщины вольфрамовых дисков следующие: первый и второй диски – 2 мм, третий диск – 28 мм. Толщина водяных каналов 2 мм. Толщина алюминиевой оболочки 1 мм. Расчеты энерговыделения в мишени проведены методом Монте-Карло при помощи двух независи- мых пакетов: MCNPX и PENELOPE [1,2]. Для предварительного анализа было рассчитано энерговыделение по глубине для вольфрамовой ми- шени при первичной энергии электронов 35 и 150 МэВ (Рис.2). Исходя из проведенных расчетов, можно сказать, что удельная энергетическая нагруз- ка на отдельные элементы мишени в случае пучка 35 МэВ будет значительно выше, так как почти вся энергия пучка будет выделяться в слое 7…8 мм, в отличие от случая 150 МэВ, где энерговыделение распределено до глубины 25…30 мм. ____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 3. Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.173-177. 173 Рис.2. Энерговыделение для вольфрама Для данной геометрии мишени и энергии пучка 35 МэВ была рассчитана плотность поглощенной энергии по глубине (Рис.3). Рис.3. Энерговыделение для вольфрама с учетом геометрии мишени Общая выделяемая мощность в мишени состави- ла порядка 7,5…7,7 кВт. Далее были проведены детальные расчеты мощ- ностей для каждого отдельного блока мишени, включая каналы охлаждения и алюминиевую обо- лочку. Данные по выделенной мощности в мишени представлены в Табл.1. Таблица 1 Удельное энерговыделение для элементов геометрии мишени Выделенная мощность, Вт Наименование блока мишени MCNPX PENELOPE Алюминиевый диск №1 130 127,5 Водяной канал №1 124 121,6 Вольфрамовый диск №1 2029 2126 Водяной канал №2 170 172 Вольфрамовый диск №2 1938 2095 Водяной канал №3 90,2 92 Вольфрамовый диск №3 2521 2938 Водяной канал №4 0,82 0,9 Алюминиевый диск №2 0,84 0,9 174 На Рис.4. приведено удельное распределение мощности в мишени. Данные проведенных расчетов можно использовать для решения термогидравличе- ской задачи по условиям охлаждения мишени. Де- тально рассматривался второй, наиболее энергона- пряженный диск. Весь диск разбит на 5 частей: 2 боковые шириной 0,25 см полной высоты, цен- тральная часть разбита на три части по высоте: верхняя и нижняя по 0,5 мм и центральная 1 мм (Рис.5). Для центральной части задано энерговыделение 2500 Вт/см3, для остальных четырех – 1500 Вт/см3. Скорость воды не менее 7 м/c. Распределение тем- пературы для наиболее энергонапряженного диска мишени приведено на Рис.6. Одной из задач прототипа мишени является изу- чение механико-термических напряжений под воз- действием пучка электронов. Следовательно, крите- рием соответствия реальной мишени и прототипа будет не удельная мощность пучка, а удельное рас- пределение энерговыделения в объеме мишени. Из расчетов для реальной мишени максимальное удельное энерговыделение в объеме мишени было около 1 кВт/см3. Поэтому для решения термогид- равлической задачи мы получаем консервативные результаты для условий охлаждения мишени, не- смотря на грубую разбивку мишени по зонам с раз- личным энерговыделением. Для получения характеристик энерговыделения в объеме прототипа мишени в пределах до 1 кВт/см3 возможны 2 принципиально разных подхода: пер- вый – увеличение площади прототипа, второй – уменьшение тока пучка. В рамках первого подхода было рассмотрено 2 варианта прототипа с диамет- ром 40 и 50 мм. В связи с тем, что значение тока не изменяется, следовательно, и выделенная мощность в прототипе не изменяется. Однако в связи с увеличением диа- метра прототипа мишени изменяется плотность вы- деленной энергии на 1 см3. Были проведены расчеты для мишени с диаметрами 40 и 50 мм. Данные энер- говыделения для 40 мм мишени представлены на Рис.7. Для реальной мишени удельное распределение удельного выделения было показано специалистами Аргонской национальной лаборатории [3]. Сравне- ние выделенной мощности реальной мишени с на- шими расчетами представлено на Рис.8. Расчеты показали, что энерговыделение во вто- ром и третьем диске реальной мишени коррелирует с энерговыделением в первом и втором диске прото- типа. Далее рассмотрим вариант расчета энерговыде- ления при уменьшении тока пучка. В этом случае возможно оставить первый вариант мишени диа- метром 25 мм и, соответственно, уменьшить ток пучка до 100 мкА. Проведенные расчеты показывают соответст- вующее уменьшение выделенной мощности в ми- шени и приведены в Табл.2. Удельное энерговыде- ление в мишени представлено на Рис.9. Сравнение данной конфигурации прототипа и реальной мише- ни представлено на Рис.10. Здесь аналогично получаем, что энерговыделе- ние во втором и третьем диске реальной мишени коррелирует с первым и вторым диском прототипа мишени. Рис.4. Удельное энерговыделение для системы мишени с учетом каналов охлаждения Рис.5. Модель для решения термогидравлической задачи Рис.6. Распределение температуры для наиболее энергонапряженного диска мишени Рис.7. Удельное энерговыделение системы прототипа мишени диаметром 40 мм 175 Рис.8. Сравнение энерговыделения прототипа диаметром 40 мм и реальной мишени Рис.9. Удельное энерговыделение системы мишени диаметром 25 мм с мощностью пучка 100 мкА Рис.10. Сравнение энерговыделения прототипа диаметром 25 мм при токе 100 мкА и реальной мишени Таблица 2 Удельное энерговыделение для элементов геомет- рии мишени при токе пучка 100 мкА Выделенная мощность, Вт 176 Наименование блока мишени MCNPX PENELOPE Алюминиевый диск №1 43,6 42,5 Водяной канал №1 41,4 40,5 Вольфрамовый диск №1 676,5 708,7 Водяной канал №2 56,6 57,3 Вольфрамовый диск №2 646 698,3 Водяной канал №3 30,1 30,7 Вольфрамовый диск №3 840,3 979,3 Водяной канал №4 0,27 0,3 Алюминиевый диск №2 0,28 0,3 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОТОТИПА МИШЕНИ 1. Показана принципиальная возможность соз- дания прототипа мишени с характеристиками энер- говыделения аналогичными характеристикам, полу- ченным для реальной мишени. 2. Проведено моделирование энерговыделения для прототипа мишени и рассмотрены варианты прототипов мишени с соответствующими парамет- рами. 3. Проведено моделирование распределения энерговыделения в объеме мишени с учетом крае- вых эффектов выноса энергии тормозным излучени- ем и с учетом каналов охлаждения и алюминиевой оболочки. 4. Рассчитаны мощности как для каждого объ- екта мишени, так и для всего комплекса в целом. 5. С целью дополнительной верификации ре- зультатов моделирование было проведено методом Монте-Карло на базе двух независимых пакетов: MCNPX 2.4.0 и PENELOPE 2006. 6. Получены предварительные данные для усло- вий охлаждения мишени. Вероятно, для более детального моделирования, непосредственно при создании прототипа, наиболее эффективной методикой будет вариация тока пучка ускорителя в зависимости от характеристик про- странственного распределения пучка и окончатель- но выбранного варианта геометрии мишени, так как данная вариация позволит максимально прибли- зиться к характеристикам реальной мишени. К тому же вариация тока пучка технически проще реали- зуема, чем вариация геометрии прототипа мишени. Необходимо также отметить, что данные Аргонской национальной лаборатории для энерговыделения в объеме мишени были получены для случая плоско- параллельного пучка электронов, соответственно моделирование прототипа мишени также было про- ведено с учетом данного приближения. В дальнейшем планируется провести моделиро- вание мишени с учетом реального распределения пучка электронов как для реальной мишени, так и для прототипа. 177 ВЫВОДЫ При помощи математического моделирования, основанного на методе Монте-Карло, были рассчи- таны характеристики прототипа мишени и пучка ускорителя таким образом, что энерговыделение в прототипе мишени при эксплуатации его на ускори- теле КУТ-30 будет соответствовать энерговыделе- нию в мишени, которая будет эксплуатироваться на высокоточном ускорителе с энергией 150 МэВ. Данные по энерговыделению позволяют сделать вывод о соответствии термомеханических напряже- ний в прототипе и в реальной мишени. Таким обра- зом, существует возможность провести испытания свойств мишени, используя ускоритель КУТ-30, что позволит экспериментально проверить характери- стики материала мишени на этапе проектирования высокоточного ускорителя. Авторы выражают особую благодарность Солдатову С.А. за предоставленные термогидравли- ческие расчеты, а также Лукьяновой В.П. за помощь в оформлении статьи. ЛИТЕРАТУРА 1. MCNP 2.4.0. RSICC computer code collection. Monte-Carlo N-Particle Transport Code System for multiparticle and higt energy application. CCC-715, 2002. 2. Penelope-2006: ACode Syctem for Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport. Work- shop Proceedings. Barcelona, Spain 4-7 July 2006. 3. Yousry Gohar, Igor Bolshinsky, et al. Accelerator- driven subcritical facility: Conceptual design devel- opment // Nucl. Inst. and Methods in Physics Re- search. 2006, A562, p.870-874. Статья поступила в редакцию 09.09.2009 г. THE ENERGY DEPOSITION CALCULATION OF NEUTRON SOURCE TARGET PROTOTYPE FOR EXPERIMENTAL STUDIES OF OPERATIONAL PARAMETERS OF NEUTRON SOURCE FACILITY Y.V. Rudychev, S.I. Prokhorets, D.V. Fedorchenko, M.A. Khazhmuradov Possibility of experimental studying of neutron source target operational parameters is considered. This proto- type can work under lower electron beam energies. For example, KUT-30 acceleration facility with 35 MeV elec- tron beam is suitable for such purpose. We provide an extensive mathematical simulation of energy deposition in the prototype target. Results indicate that in prototype there are areas with energy deposition equivalent to real target one. РОЗРАХУНОК ЕНЕРГОВИДІЛЕННЯ ПРОТОТИПУ НЕЙТРОНОУТВОРЮЮЧЕЙ МІШЕНІ ДЛЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ ПЕРЕВІРКИ УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ДЖЕРЕЛА НЕЙТРОНІВ Є.В. Рудичев, С.І. Прохорець, Д.В. Федорченко, М.А. Хажмурадов Розглянуто можливість експериментальної перевірки експлуатаційних параметрів мішені. Дані умови ре- алізовані на прототипі мішені, який може експлуатуватися на базі прискорювача електронів КУТ-30 з енер- гією пучка до 35 МеВ. Проведено математичне моделювання енерговиділення в прототипі мішені. Показа- но, що при відповідних параметрах в прототипі мішені існують зони з енерговиділенням, еквівалентним енерговиділенню в реальній мішені.

Расчет энерговыделения прототипа нейтронопроизводящей мишени для экспериментальной проверки условий эксплуатации источника нейтронов

Репозитарії

Схожі ресурси