К вопросу о ртутной мишени в ESS
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"