26. Исследования и разработки нового поколения портативных нейтронных генераторов с рекордными характеристиками для широкой сферы применения

Выполнение работ по теме:
«Исследования и разработки нового поколения портативных нейтронных генераторов с рекордными характеристиками для широкой сферы применения»,
выполняемой по Соглашению № 14.575.21.0169 от 26.09.2017 г. с Минобрнауки России.

Индустриальный партнёр: ООО «ХайТэк», г. Москва.

Цель проекта:

Целью проекта является разработка экспериментальных образцов портативных нейтронных генераторов с рекордными характеристиками для использования для объектов термоядерной и атомной энергетики, повышение эффективности добычи углеводородного сырья и других сфер применения. Задачи исследования структурированы в проекте по следующим направлениям: исследование разработка портативных нейтронных генераторов, отличающихся новыми подходами к генерации нейтронных потоков, исследование и разработка портативных нейтронных генераторов на основе СВЧ источников тяжелых нуклидов водорода, исследование новых технологий создания твердых мишеней, обеспечивающих значительное увеличение ресурса работы нейтронных генераторов, исследование и разработка газонаполненных нейтронных трубок обеспечивающих генерацию нейтронных импульсов с крутыми фронтами.

Основные результаты 1 этапа работ:

Теоретически исследованы возможности создания импульсных точечных источников с высоким выходом быстрых нейтронов наносекундной длительности на основе коллективного ускорения дейтронов внутри компактного сгустка лазерной плазмы. Представлено теоретическое исследование динамики коллективного ускорения дейтронов плазмы, образованной на дейтеросодержащей диэлектрической мишени мощным излучением импульсного лазера быстронарастающим аксиально-симметричным магнитным полем. Аналитически и численно показана возможность ускорения дейтронов в составе лазерно-плазменного сгустка до энергии ~ 100 кэВ, что позволит инициировать ядерные реакции (D+D) и (D+T) при реально достижимых параметрах нарастания магнитного поля в области размером ~ 1 см³. Представлено теоретическое исследование динамики коллективного ускорения дейтронов лазерной плазмы сильноточным электронным пучком в коаксиальной вакуумной дрейфовой трубе. Аналитически и численно показана возможность эффективного ускорения значительной доли дейтронов из лазерной плазмы отрицательным потенциалом электронного пучка, проходящего через плазменный сгусток в вакуумную дрейфовую трубу, с током превышающим предельное значение. При этом максимальная энергия дейтронов более чем в 10 раз превышает энергию электронов в пучке. Это позволит эффективно инициировать ядерные реакции (D + Be), (D + C), (D + Li) и другие реакции уже под действием протонов с различными спектрами быстрых нейтронов. Рассмотрены две конфигурации резонатора источника ионов нейтронного генератора: призматическая и цилиндрическая, а так же распределения полей на низших модах. Показано, что с точки зрения реализации необходимого магнитного поля для использования режима электронно-циклотронного резонанса, а также распределения электрического поля СВЧ волны предпочтительным является создание резонаторного блока на основе призматического резонатора. В этом случае более органически вписываются в конструкцию плоские постоянные магниты, которые к тому же при заданных размерах резонатора обеспечивают необходимую величину магнитного поля 875 Гс. Рабочей частотой СВЧ колебаний целесообразно установить 2.45 ГГц, которая обеспечивается полным набором выпускающих элементов волноводного тракта. Рабочие размеры резонатора составляют 90х45х83.5 мм³, тип колебаний Н₁₀₁. Для СВЧ тракта резонатор ионного источника представляет собой плазменную нагрузку с изменяемыми в процессе формирования разряда и извлечения заряженных частиц, входными характеристиками. Максимум передачи энергии достигается в режиме с К_св=1, реализация которого является нетривиальной задачей, особенно в присутствии такой нагрузки как СВЧ-плазма в резонаторе. Коэффициент связи волноводного тракта с резонатором до поджига разряда составляет от 3 до 10 в зависимости от типа разряда, вида и размера разрядной камеры. При поджиге разряда, из-за увеличения потерь энергии в разрядной камере, коэффициент связи уменьшается. Причем начальное его значение подбирается таким образом, чтобы затем он уменьшился до 1. На первом этапе моделирования работы СВЧ резонатора проводился расчет влияния различных конфигураций окна связи для выявления зависимости Ксв0 волноводного тракта с резонатором без плазмы от частоты СВЧ волны и размеров окна. Результатом расчетов было определение коэффициента отражения от окна связи. На втором этапе проведены расчеты резонатора с плазмой, которая представлялась в модели цилиндрическим телом с известной проводимостью и характерным размером 3 мм. Расчеты показали, что наличие дополнительных активных потерь не приводит к уменьшению коэффициента связи на выбранной частоте, но способны привести к его возрастанию при достаточно большой величине этих потерь. Для получения информации о динамике компонент СВЧ плазмы в скрещенных электрическом и постоянном магнитном полях составлены две траекторные модели движения электронов. Решение уравнений первой модели показало наличие двух частот (СВЧ и циклотронная), а так же существенное отличие траекторий от эллипса, хотя и имеющих периодическую структуру. Анализ результатов показа необходимость учета в уравнениях силы трения для учета диссипации энергии электрического поля СВЧ волны. В правой части уравнения второй модели кроме электрической силы со стороны СВЧ поля и силы Лоренца со стороны магнитного поля постоянных магнитов присутствует сила трения. Отметим, что при СВЧ мощности в резонаторе порядка 100 Вт напряженность магнитного СВЧ поля пренебрежимо мала в сравнении с полем постоянных магнитов. При значении коэффициента ионизации меньше 10-3 основной вклад в частоту упругих столкновений дают электрон-атомные соударения, а при этих же значениях больше 10-3 доминируют электрон-протонные соударения. Решение показывает, что на некоторой частоте имеет быть резонансная передача энергии электронам плазмы. С целью оптимального отбора параметров СВЧ источника ионов исследованы диссипативные физические процессы, сопровождающие элек-трический разряд при электронно-циклотронном резонансе. При этом показано, что ряд характеристик среды сильно зависит от эффектов, связанных с электронно-циклотронным резонансом. Показано, что для наиболее полного использования энергии поля необходима точная настройка частот, однако в этом случае энергия электронной компоненты будет составлять единицы кэВ и эффективность воздействия на газ резко понизится (возникает эффект убегающих электронов). Используя тензор диэлектрической проницаемости, определяются потери в среде (мнимые части компонент). Численные оценки показывают, что при СВЧ мощности порядка 10² – 10³ Вт коэффициент резонансного усиления должен иметь значения порядка 10³ – 10⁴. Разработана методика исследования свойств экспериментального образца слоя аккумулятора. Для оценки адгезионных свойств слоя аккумулятора выбраны методы растровой электронной микроскопии и термоциклирования, а также тест липкой лентой (скотч-тест). Для оценки способности слоя аккумулятора аккумулировать изотопы водорода в процессе его осаждения на молибденовую подложку выбран метод термодесорбционной спектрометрии. Разработаны критерии оценки слоя аккумулятора для его использования в ГНТ и ВНТ нейтронных генераторах. Проведено исследование свойств слоя аккумулятора согласно разработанной методике. Выполненв 1000 циклов термоциклирования экспериментального образца слоя аккумулятора в диапазоне температур 300-450^oC. Микроскопическое исследование образца после термоциклирования не выявило нарушений адгезии, отшелушивания покрытий, развития на поверхности трещин, каверн или других изменений рельефа. Выполнено тестирование образцов слоя аккумулятора методом скотч-теста. Микроскопическое исследование образца после проведения скотч-теста не выявило нарушений адгезии слоя аккумулятора к молибденовой подложке. Выполнена оценка способности слоя аккумулятора аккумулировать изотопы водорода в процессе его осаждения на молибденовую подложку. Для этого проведено термодесорбционное исследование напыленных образцов слоя аккумулятора. Установлено, что концентрация водорода остаточного газа установки, захваченного в слой-аккумулятор в процессе его нанесения, составляет ничтожно малую величину по сравнению с его сорбционной ёмкостью и никак не отразится на его способности аккумулировать ионы в процессе работы мишени нейтронной трубки. Сделан вывод о том, что лабораторный технологический регламент нанесения слоя аккумулятора, описанный в приложении Г, позволит сформировать слой аккумулятора для мишеней нового поколения нейтронных трубок с рекордными характеристиками.

Основные результаты 2 этапа работ:

Проведено теоретическое исследование влияния параметров магнитного поля на скорость дейтронов в экспериментальном образце коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем. Проведено экспериментальное исследование экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем для двух режимов:ускорение быстро нарастающим магнитным полем;ускорение сильным неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем. Проведено теоретическое исследование кинетики СВЧ разряда в режиме электронно-циклотронного резонанса в однородных полях, резонаторного блока экспериментального образца портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса, предусматривающее: анализ диссипации СВЧ мощности в плазме разряда; анализ кинетики плазменных компонент СВЧ разряда. Проведено теоретическое исследование возможностей сокращения фронта нейтронного импульса в газонаполненной нейтронной трубке на основе ячейки пеннинга, предусматривающее:влияние параметров затравки на фронт нейтронного импульса; влияние геометрии ячейки пеннинга на фронт нейтронного импульса; влияния магнитного поля на фронт нейтронного импульса;влияния напряжения на фронт нейтронного импульса. Проведено экспериментальное исследование экспериментального образца барьерного слоя, призванного предотвратить диффузию атомов изотопов водорода. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментального образца барьерного слоя, призванного предотвратить диффузию атомов изотопов водорода. Проведено экспериментальное исследование экспериментального образца генератора нейтронов на основе взаимодействия встречных коллективно ускоренных сгустков лазерной дейтерийсодержащей плазмы (плазменная нейтронообразующая мишень), предусматривающее: исследование режимов ускорения с целью достижения максимального нейтронного выхода;поиск и анализ режимов работы коллективного ускорителя дейтронов, обеспечивающих минимальную длительность нейтронного импульса. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментального образца генератора нейтронов на основе взаимодействия встречных коллективно ускоренных сгустков лазерной дейтерийсодержащей плазмы (плазменная нейтронообразующая мишень). Проведено теоретическое исследование кинетических процессов в плазме СВЧ разряда в полях резонаторного блока экспериментального образца портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса, предусматривающее: анализ кинетики плазменных компонент в неоднородных полях резонаторного блока нейтронного генератора с СВЧ источником ионов;анализ кинетики плазменных компонент с учетом поступления нейтрального газа и потери заряженных частиц в нейтронном генераторе с СВЧ источником ионов. Проведено теоретическое исследование режимов работы газонаполненной нейтронной трубки на основе ячейки пеннинга, обеспечивающих минимальный фронт нейтронного импульса, предусматривающее:поиск и анализ режимов работы газонаполненной нейтронной трубки, обеспечивающих минимальный фронт нейтронного импульса; разработка рекомендаций на параметры газонаполненной нейтронной трубки. Проведено экспериментальное исследование экспериментального образца внешнего барьерного слоя на поверхности нейтронообразующей мишени. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментального образца внешнего барьерного слоя на поверхности нейтронообразующей мишени.Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем, в составе: чертеж общего вида (по ГОСТ 2.125-2008); чертежи деталей (по ГОСТ 2.125-2008); оптические и электрические схемы (по ГОСТ 2.701-84).Изготовлен экспериментальный образец коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем в количестве 1 единицы.Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем.Разработан лабораторный технологический регламент нанесения экспериментального образца барьерного слоя, призванного предотвратить диффузию атомов изотопов водорода.Изготовлен экспериментальный образец барьерного слоя, призванного предотвратить диффузию атомов изотопов водорода, в количестве 3 единиц.Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца барьерного слоя, призванного предотвратить диффузию атомов изотопов водорода.Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца генератора нейтронов на основе взаимодействия встречных коллективно ускоренных сгустков лазерной дейтерийсодержащей плазмы (плазменная нейтронообразующая мишень), в составе:чертеж общего вида (по ГОСТ 2.125-2008); чертежи деталей (по ГОСТ 2.125-2008);оптические и электрические схемы (по ГОСТ 2.701-84).Изготовлен экспериментальный образец генератора нейтронов на основе взаимодействия встречных коллективно ускоренных сгустков лазерной дейтерийсодержащей плазмы (плазменная нейтронообразующая мишень) в количестве 1 единицы.Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца генератора нейтронов на основе взаимодействия встречных коллективно ускоренных сгустков лазерной дейтерийсодержащей плазмы (плазменная нейтронообразующая мишень).Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление резонаторного блока экспериментального образца портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса, в составе: чертеж общего вида (по ГОСТ 2.125-2008).Разработан лабораторный технологический регламент плазменного нанесения экспериментального образца внешнего барьерного слоя на поверхность нейтронообразующей мишени.Изготовлен экспериментальный образец внешнего барьерного слоя на поверхности нейтронообразующей мишени, в количестве 3 единиц.Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца внешнего барьерного слоя на поверхности нейтронообразующей мишени.

Поданна заявка на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 2018123784

Поданна заявка на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 2018136430

Поданна заявка на изобретение "Плазменный ускоритель" № 2018143486

Получен патент на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 179236

Получен патент на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 184106

Основные результаты 3 этапа работ:

Проведено теоретическое исследование динамики заряженных частиц в ионно-оптической системе экспериментального образца портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса:поиск и анализ геометрии ионно-оптической системы;анализ динамики заряженных частиц в плоской ионно- оптической системе;анализ динамики заряженных частиц в цилиндрической ионно-оптической системе. Проведено теоретическое исследование физических процессов в лазерно-плазменном диоде для генерации нейтронов с целью выявления режимов генерации нейтронов:исследование геометрии лазерно-плазменного диода;поиск параметров электрических и магнитных полей лазерно-плазменного диода. Проведено теоретическое исследование потоков перенапыления атомов материалов мишени и мишенного электрода в мишенном узле вакуумной нейтронной трубки. Проведено экспериментальноеисследованиеэкспериментального образца мишенного узла нейтронной трубки. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментального образца мишенного узла нейтронной трубки. Проведено экспериментальное исследование экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы импульсным электронным пучком для генерации наносекундных импульсов нейтронов, предусматривающее:измерение электрических и энергетических параметров узлов нейтронного генератора на основе коллективного ускорителя дейтронов электронным пучком;исследование потоков дейтронов на мишенный узел коллективного ускорителя дейтронов электронным пучком. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы импульсным электронным пучком для генерации наносекундных импульсов нейтронов. Проведено теоретическое исследование режимов работы ионного диода с импульсным напуском газа для генерации нейтронов, предусматривающее:анализ геометрических параметров ионного диода с импульсным напуском газа;определение режимов генерации нейтронов ионного диода с импульсным напуском газа. Проведено экспериментальное исследование экспериментального образца многослойной нейтронообразующей мишени. Проведен анализ результатов экспериментального исследования экспериментальногообразцамногослойной нейтронообразующей мишени. Проведено обобщение результатов ПНИ. Проведена оценка научно-практического уровня полученных результатов и технико-экономическое обоснование по их внедрению на объектах промышленности. Разработана эскизная конструкторская документации на изготовление экспериментального образца мишенного узла нейтронной трубки, в составе: чертеж общего вида. Изготовлен экспериментальный образец мишенного узла нейтронной трубки. Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца мишенного узла нейтронной трубки. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы электронным пучком для генерации наносекундных импульсов нейтронов в составе:чертеж общего вида;чертежи деталей;оптические и электрические схемы. Изготовлен экспериментальный образец коллективного ускорителя дейтроно в лазерной плазмы импульсным электронным пучком для генерации наносекундных импульсов нейтронов.Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы импульсным электронным пучком для генерации наносекундных импульсов нейтронов. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление ионно-оптической системы экспериментального образца портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса, в составе: чертеж общего вида. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса, в составе:чертеж общего вида;чертежи деталей. Разработан лабораторный технологический регламент плазменного нанесения экспериментального образца многослойной нейтронообразующей мишени. Изготовлен экспериментальный образец многослойной нейтронообразующей мишени.Разработана программа и методики экспериментального исследования экспериментального образца многослойной нейтронообразующей мишени. Разработаны предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР:
а) портативного нейтронного генератора с СВЧ источником ионов в режиме электронно-циклотронного резонанса;
б) коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем;
в) генератора нейтронов на базе взаимодействия встречных коллективноускоренныхсгустковлазерной дейтерийсодержащейплазмы(плазменная нейтронообразующая мишень);
г) многослойной нейтронообразующей мишени.

Разработано технико-экономическое обоснование разработки, технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей, и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики. Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка коллективного ускорителя дейтронов лазерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем и сильно неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем».

Подана заявка на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 2018123784

Подана заявка на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 2018136430

Подана заявка на изобретение "Плазменный ускоритель" № 2018143486

Подана заявка на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 2019117594

Подана заявка на полезную модель "Наносекундный генератор быстрых нейтронов" № 2019117593

Подана заявка на полезную модель "Импульсный источник ионов Пеннинга" № 2019118316

Получен патент на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 179236

Получен патент на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 184106

Получен патент на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 187270

Получен патент на полезную модель "Импульсный генератор нейтронов" № 192808

Получен патент на полезную модель "Наносекундный генератор быстрых нейтронов" № 192809

Получен патент на полезную модель "Импульсный источник ионов Пенннига" № 192776