?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

В комментариях к посту по ускорительному источнику нейтронов ESS возникла интересная дискуссия про мишень, из которой извлекаются нейтроны на ESS. Изначально моя позиция была, что вольфрамовое вращающееся колесо возникло не по зеленой прихоти, а из инженерных соображений. И вот, изучая всякие презентации на эту тему я нашел интересные свидетельства этого.

Сегодня в мире есть всего три ускорительных источника нейтронов с мегаваттной или околомегаваттной мощностью на мишени - японский JSNS мощностью до 1 МВт, швейцарский SINQ примерно такой же мощностью, и американский SNS добравшийся до пиковой мощности в 1,5 мегаватта.


Американцы и японцы используют в своих источниках ртутные мишени для потока высокоэнергичных протонов. Протоны раскалывают ядра ртути, рождая ливни частиц, в т.ч. нейтронов, которые охлаждаются и отводятся. Казалось бы, использование в таких условиях жидкой мишени гораздо проще, чем твердой: ведь луч ГЭвных протонов обладает чудовищной эрозивной мощность. Однако действительность сложнее фантазии, как обычно. В отчете Oak Ridge National Laboratory всплывают интересные проблемы, связанные с ртутной мишенью:

кавитация.



На месте вращающегося колеса ESS в SNS установлен "утиный нос" через который прокачивается поток ртути, встречающийся с мегаваттом протонного луча. Так же, как и в проекте европейского источника, здесь сверху и снизу от мишени установлен замедляюще-отражательный комплекс, после которого нейтроны раздаются в систему нейтроноводов. Все это великолепие расположено в бункере биозащиты.



Внутри "утиного носа" организовано движение ртути на приличной скорости, снаружи мишень охлаждается водой. В центральном канале мишени и происходит торможение протонов, идущих вдоль красных стрелок на правом изображении. При теоретически высокой жизнестойкости, на практике в лаборатории Оак Риджа уже заменили больше 10 подобных мишеней.



Три самых быстро умерших мишеней были заменены из-за течи ртути, в данной случае не просто токсичной, но высокорадиоактивной. Для поиска причины такой быстрой смертности в горчей камере в снятой мишени взяли образцы материала...



И обнаружили очень серьезные повреждения на внутренней оболочке со стороны входа протонного луча! Причем эти повреждения гораздо сильнее, чем могли нанести протоны за время работы мишени.



Эксперименты показали, что причиной такой эрозии оболочки из нержавеющей стали является кавитация - вскипание ртути под воздействием протонного сгустка, с последующим схлопыванием пузырков, и разрушением ударными волнами от этого схлопывания металла мишени. Это стало неприятным сюрпризом для эксплуатации SNS, т.к. хотя замена мишени является штатной операцией, она занимает две недели и менять мишени в 3-4 раза чаще, чем было запланированно раньше не очень-то и здорово.

Кстати, для замены мишени она откатывается назад, в камеру ртутной петли



Которая представляет из себя, фактически, горячую камеру. В ней мишень разбирается манипуляторами и выводится через специальный туннель наверх, где помещяется в контейнер для захоронения.


Реальный вид камеры ртутной петли, мишень отведена в позицию обслуживания, видны расстыкованные трубы для циркуляции ртути. Так же можно разглядеть различные манипуляторы для удаленного обслуживания.

Видимо от осознания масштабов геммороя а так же с учетом гораздо больше мощности протонного луча ESS, думаю, выбор вращающегося вольфрамового колеса с ориентировочным сроком жизни в пять лет был сделан европейцами вполне осмысленно, а не потому что их заставили политики.


Мощность ESS (синия линия) против остальных нейтронных источников (цветные кривые)

Кстати, и сами американцы для расширения SNS вторым мишенным комплексом рассматривают вариант вращающегося вольфрама, отмечая его долгожительство:



Кстати интересно, что швейцарцы в своем схожем по характеристикам источнике использую свинцовую мишень, охлаждаемую водой.



P.S. Подбирая данные для данного поста наткнулся на полный технический проект ESS, мимо которого я каким-то чудом прошел мимо в первый раз. Думаю, там можно найти еще обоснований в пользу вольфрамового колеса и против ртутного "носа"

Comments

( 41 comments — Leave a comment )
antontsau
Feb. 4th, 2016 07:20 pm (UTC)
а как там с химией? Облучили ртуть, поперли из нее нейтроны, а что осталось? А непредсказуемо что, дикая смесь всей таблицы Менделеева, включая всякие неприятные щелочные металлы и свободные галогены, и как оно реагирует с окружающей действительностью малопонятно и непредсказуемо. Подозреваю, что и с этим там должны быть заметные проблемы.

А вращающееся колесо имеет все шансы огрести проблемы с прочностью, по тем же причинам - что там внутри напревращалось никому неизвестно, и вместо известного материала получилась дичайшая каша.
tnenergy
Feb. 4th, 2016 07:30 pm (UTC)
Вы посчитайте просто на досуге - там за 5 лет работы несколько десятков грамм вольфрама сточится. Да и сделано это колесо гораздо хитрее, чем просто кованный кусок - в соответствующем посте есть картинка.
antontsau
Feb. 4th, 2016 07:50 pm (UTC)
Проблема не сколько сточится, а сколько непоймичего добавится. Как та самая ложка говна в бочке меда.
(no subject) - tnenergy - Feb. 4th, 2016 08:07 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antontsau - Feb. 4th, 2016 08:42 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 4th, 2016 08:48 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antontsau - Feb. 4th, 2016 11:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - 0x8 - Feb. 5th, 2016 07:00 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
(no subject) - savechenkov - Feb. 6th, 2016 02:16 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
(no subject) - 0x8 - Feb. 6th, 2016 11:42 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 5th, 2016 07:17 am (UTC) - Expand
(no subject) - savechenkov - Feb. 6th, 2016 01:57 am (UTC) - Expand
(no subject) - antontsau - Feb. 6th, 2016 05:21 am (UTC) - Expand
alex_bykov
Feb. 4th, 2016 07:26 pm (UTC)
Кстати, "о птичках"...
по-моему, эффект кавитации под воздействием пучка высокоэнергетических частиц не рассматривается ни в одном проекте ADS-систем, а ведь, допустим, MYRRHA - это свинцовый теплоноситель в качестве первичной мишени, тут даже сканирующий пучок может не помочь... А, казалось бы, смежные области.
tnenergy
Feb. 4th, 2016 07:34 pm (UTC)
Re: Кстати, "о птичках"...
Я вот знаю, для льющейся литиевой мишени IFMIF этот эффект вскипания учитывали - ну им нужна строгая однородность. Там был сложный tradeoff между толщиной, скоростью потока лития и нагрузками на конструкцию.

Странно, если ADS этого не учитывают, у них же target window для для MYRRHA напряженное получается, а уж в индустриальных установках, где будет 100 мегаватт непрерывно...
derkanat
Feb. 4th, 2016 08:39 pm (UTC)
кавитация в воде, это я понимаю, в воде растворен кислород.
кавитация в ртути, как-то не очень. там тоже присутствует кислород?

не можете прояснить?
antontsau
Feb. 4th, 2016 08:45 pm (UTC)
Кавитация это чистая механика, создание пузыря в зоне вакуума или высокого давления пара - перемещение его в условия помягче - схлопывание - бумм инерциальный удар от несжимаемой жидкости, резко остановившейся самой ап себя.
derkanat
Feb. 4th, 2016 08:46 pm (UTC)
а в пузыре что? должен быть какой-то газ
(no subject) - antontsau - Feb. 4th, 2016 08:48 pm (UTC) - Expand
(no subject) - derkanat - Feb. 4th, 2016 09:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antontsau - Feb. 4th, 2016 09:13 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 4th, 2016 08:49 pm (UTC) - Expand
(no subject) - derkanat - Feb. 4th, 2016 08:53 pm (UTC) - Expand
Ярослав Веременко
Feb. 4th, 2016 08:59 pm (UTC)
Как я понимаю под воздействием луча ртуть раскидывает и получается маленький пузырек наполненный вакуумом, который сразу же схлопывается с большой ударной волной которая и разрушает стенки мишени.
texconten
Feb. 4th, 2016 10:03 pm (UTC)
Каждый раз, когда я слышу о "большой экспериментальной физике", мне вспоминается любимое музыкальное произведение моего батюшки: "Копаясь в мощном синхрофазотроне, мы открываем адские миры". Мегаватт в пучке. Охренеть можно.
tnenergy
Feb. 5th, 2016 06:26 am (UTC)
Импульсно там десятки мегаватт в пучке. А в ESS будет 125 мегаватт.
(no subject) - texconten - Feb. 5th, 2016 03:22 pm (UTC) - Expand
pz_true
Feb. 5th, 2016 02:36 am (UTC)

а че просто не лить ртуть струей, или капельками?

tnenergy
Feb. 5th, 2016 06:27 am (UTC)
Переменчивость яркости источника нейтронов - это то, с чем пытаются бороться.
vlkamov
Feb. 5th, 2016 04:35 am (UTC)
Ртутное колесо
Варианты
- сплав
- замороженая ртуть
- колесо наполненное ртутью
tnenergy
Feb. 5th, 2016 07:18 am (UTC)
Re: Ртутное колесо
Сложно держать ртуть замороженной под мегаваттом луча.
Re: Ртутное колесо - vlkamov - Feb. 5th, 2016 07:25 am (UTC) - Expand
Re: Ртутное колесо - tnenergy - Feb. 5th, 2016 07:29 am (UTC) - Expand
Re: Ртутное колесо - vlkamov - Feb. 5th, 2016 07:40 am (UTC) - Expand
Re: Ртутное колесо - tnenergy - Feb. 5th, 2016 07:55 am (UTC) - Expand
Re: Ртутное колесо - vlkamov - Feb. 5th, 2016 08:10 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
Re: Ртутное колесо - tnenergy - Feb. 5th, 2016 11:32 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
( 41 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
Powered by LiveJournal.com