ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
Баранов
РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
Центробежный метод разделения. В рамках постоянно ведущейся работы по развитию крупномасштабных экспериментов по двойному бета-распаду с применением обогащенных стабильных изотопов, проведена проработка некоторых вопросов методики физического эксперимента и технологических аспектов получения изотопа 76Ge. Выработанные предложения приняты как часть нового проекта GERDA.
Осуществлено укрепление технической базы для технологии разделения с использованием металлоорганических соединений. Проведены работы по получению малораспространенных изотопов, в частности 36S для ядерно-физических приложений. Продолжена разработка программного обеспечения для расчетов разделительных задач с их апробацией в практической деятельности.
Сформулированы физико-технические аспекты применения изотопов Германия в ИК-оптике и спинотронике и начато осуществление данных экспериментов.
ИЦР – метод разделения изотопов. Важным для совершенствования ИЦР-метода разделения изотопов остается исследование процессов, связанных со сбором обогащенного вещества на коллектор. Изучался отбор нагретых ионов на коллекторную систему с плоским коллектором обогащенного вещества. В экспериментах измерялось распределение плотности осадка лития и соответствующее распределение изотопного состава по поверхности плоского коллектора. Эксперименты показали, что в отсутствии задерживающего потенциала на коллекторной пластине плотность осадка на обеих ее поверхностях неоднородна. Формально распределение плотности осадка можно объяснить левым вращением плазменного столба (при наблюдении от источника плазмы). Показано, что неравномерность осаждения вызвана дрейфовыми движениями плазмы, возникающими в источнике, и не связана с включением вращающегося ВЧ поля, осуществляющего селективный нагрев ионов. При наличии задерживающего потенциала больше 20 В распределение плотности осадка на пластине становится однородным.
Теоретические работы были также посвящены проблеме сбора нагретых ионов. Показана зависимость разделительных характеристик коллектора от вида функции распределения селективно нагретых частиц. Предложен ряд новых конструкций коллекторных систем.
Фундаментальные и поисковые исследования атомного варианта лазерного разделения изотопов (АВЛИС) неодима. Обобщены результаты и проведен анализ экспериментов по разделению изотопов неодима методом селективной лазерной фотоионизации атомного пара.
Эксперименты по разделению изотопов неодима проводились с целью определения перспективности метода в отношении производства продукта обогащенного изотопом 150Nd до 70 %. Такой продукт в количестве нескольких десятков килограмм необходим для фундаментальных исследований двойного β-распада. Природная концентрация 150Nd — 5,6 %. Поскольку неодим не имеет летучих соединений, его изотопы не могут быть хорошо разделены развитым центробежным способом.
При наработке весовых количеств АВЛИС-методом, с увеличением производительности растет влияние деселектирующих процессов, таких, как рассеяние атомов в рабочем объеме и резонансная перезарядка. При работе с потоками пара неодима, имеющими значительную расходимость, следует принимать во внимание, что доплеровское уширение спектральной линии становится сравнимым с изотопическим сдвигом. В результате действия деселектирующих процессов концентрация целевого изотопа в продукте оказывается ниже концентрации, измеренной в контрольной масс-спектрометрической установке.
Для определения степени влияния различных деселектирующих процессов оказывается очень важным определить отношение I/D обогащенной в результате селективной фотоионизации составляющей продукта собранного на коллекторе I к составляющей с природной концентрацией D, что в свою очередь позволяет определить изотопный состав фотоионов в камере сепаратора, коэффициент извлечения целевого изотопа за счет фотоионизации и коэффициент рассеяния атомов в рабочем объеме. К сожалению, отношение I/D нельзя определить, используя только внешние параметры разделительной ячейки. Однако, это важное отношение может быть определено сравнением концентраций четных изотопов, полученных в продукте и измеренных в масс-спектрометре.
Влияние эффекта Доплера на селективность фотоионизации и эффективность фотоионизации целевого изотопа было исследовано в экспериментах с потоками пара, имеющими различные углы расходимости вдоль лазерного луча. В экспериментах использовались одномодовые лазеры на красителях. Применение одномодового лазера с шириной линии ~ 100 MHz позволяет существенно увеличить концентрацию целевого изотопа в фотоионах по сравнению с использованием многомодовых лазеров. Полученные результаты дали количественную информацию о степени уменьшения селективности фотоионизации и эффективности фотоионизации целевого изотопа при увеличении угла раскрытия потока пара вдоль направления луча лазера при конкретных параметрах лазерного излучения, использовавшихся в экспериментах. Уменьшение эффективности ионизации с увеличением угла коллимации связано с увеличением числа атомов целевого изотопа в крыльях доплеровского контура, для которых вероятность фотоионизации существенно меньше, чем для атомов, находящихся в центре контура, а уменьшение селективности связано с перекрытием доплеровски уширеных контуров линий поглощения разных изотопов.
В экспериментальных наработках получена производительность 25 мг/час продукта с концентрацией 150Nd — 65% при длине испарителя вдоль лазерного луча 30 см и половинном угле коллимации потока 30°, что находится в хорошем согласии с расчетом. Из расчета следует, что зависимость производительности при CP = 70 % от угла коллимации имеет максимум при половинном угле коллимации ~10°. На рис.1 представлены расчетные зависимости производительности для различных требуемых концентраций целевого изотопа в продукте. С увеличением требуемой концентрации производительность уменьшается, а оптимальная коллимация смещается в область меньших углов расходимости.
Рис.1 Расчетная зависимость производительности P исследованной ячейки длиной 30 см от половинн ого угла коллимации q потока пара при различных концентрациях изотопа 150Nd - в продукте. |
По результатам серии экспериментов с потоками пара с различной расходимостью вдоль лазерного луча, при фиксированных параметрах лазерного излучения можно определить оптимальную коллимацию, обеспечивающую максимальную производительность продукта с требуемой концентрацией целевого изотопа для выбранных параметров лазерного излучения. Для этого при выполнении экспериментов с различной коллимацией нет необходимости получать продукт с требуемой концентрацией. Кроме того, потоки питания в этих экспериментах также могут отличаться. Существенные требования, предъявляемые к этим экспериментам – сохранение параметров лазерного излучения (длин волн, спектральной ширины и интенсивностей), а также сохранение конфигурации зоны облучения атомов и многопроходной системы.
По результатам измерений внешних параметров разделительной установки – потоков питания, продукта, отвала и их концентраций удалось определить внутренние параметры, и тем самым выделить влияние лазерной фотоионизации, процесса рассеяния и влияние эффекта Доплера на производительность и селективность процесса. Это позволяет целенаправленно совершенствовать установку и достаточно уверенно предсказывать ее разделительные характеристики.
Рис. 2. Принципиальная схема 2-го модуля комплекса «Колонна». F, P, W – потоки питания, отбора и отвала соответственно. R1 и R2 – реакторы гомообмена. |
Рис. 3. Временные зависимости концентраций в отборах ступеней: C16O, C16O, C18O – в отборе 1-й ступени; C16O, C16O, C18O– в отборе 2-й ступени; C16O, C16O, C18O, (C18O – в отборе 3-й ступени. |
По программе разделения изотопов углерода методом криогенной ректификации окиси углерода на комплексе «Колонна» и изотопов кислорода методом вакуумной ректификации воды на комплексе «Вода» на комплексе «Колонна» запущен в работу второй разделительный модуль (Рис. 2 и 3), имеющий третью ступень высокого обогащения. Наработано более 2 кг оксида углерода с обогащением по 13С более 99 %. Смонтирован и подготовлен к испытаниям третий разделительный модуль для обогащения оксида углерода с 30 %-ым содержанием 13С. На комплексе «Вода» смонтирован и запущен в работу каскад из 22 разделительных колон, идет наработка 10%-ой по 18О воды.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Были продолжены работы по изучению процессов неводной химии применительно к решению проблем замкнутого топливного цикла ядерной энергетики.
1. Предложена укороченная схема газофторидного процесса регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ) легководных реакторов.
Газофторидная технология переработки ОЯТ в настоящее время продолжает привлекать внимание российских и международных специалистов, которые усматривают в ней потенциальную возможность занять место в замкнутом цикле ядерной энергетики (Итоги семинара COGEMA – РНЦ КИ, 14-15 января 2004 г, Москва). Активный интерес к фторидной схеме проявляет Япония (Хитачи). Эта компания высказала интересные технологические соображения и провела экономический анализ технологии. В энергетической программе IV генерации США опубликовали свои намерения о создании после 2008 года демонстрационной установки для исследований технологии на принципе летучести фторидов. В последние годы Минатом России инициировал перед институтами, культивирующими фторидные исследования, поиски технологии переработки ОЯТ, функционирующей полностью в безводном режиме. Цель состоит в сопоставлении его экономической и технической эффективности с пюрекс-процессом на основе проведения ТЭИ (Решение секции №2 НТС №4 Минатома от 16-18 июня 2004 г).
По нашим оценкам, из неводных методов на сегодня только газофторидная технология может обеспечить замыкание цикла ядерной энергетики с необходимой производительностью для завода РТ‑2 (1500 т/год) по переработке ОЯТ ВВЭР‑1000 и чистоту получаемого гексафторида урана в соответствии с международным стандартом ASTM C 996‑96. Проектные предложения в виде исходных данных уже поданы во ВНИПИЭТ, работа по аналитической оценке и сравнению схем продолжается.
Предложенная для проектной оценки технологическая схема является одной из модификаций газофторидного процесса переработки ОЯТ, в которой, после выделения UF6 в головной части процесса, последующие операции, такие как жидкометаллическая экстракция плутония и минорных актинидов или их осаждение в виде оксидов, проводятся во фторидной солевой среде.
При фторировании оксидов урана и плутония в пламенном аппарате при соответствующих условиях оба элемента могут быть возогнаны совместно в виде гексафторидов, за ними следуют легколетучие продукты деления и фториды средней летучести (Nb, Ru). Смесь фторидов проходит через форконденсатор и сорбент из NaF, где PuF6 селективно сорбируется на NaF и концентрируется. Гексафторид урана собирается в конденсаторах и подвергается сорбционно-дистилляционной очистке от продуктов деления и затем направляется на разделительный завод для корректировки изотопного состава урана до изотопного состава, задаваемого как по 235U (~4,0 %), так и по 232U (10–9) требованиями замыкания энергетического цикла.
Плутоний, зафиксированный на фтористом натрии, а также остаток шлаков нелетучих фторидов из пламенного аппарата растворяются в расплаве солей LiF-NaF-KF (температура плавления 500°C). Фторидные расплавы позволяют осуществить физико-химическую переработку этой части топлива (выделение плутония, разделение МА и лантанидов) и передачу МА и долгоживущих ПД на трансмутацию, например, в жидкосолевой реактор («ЖСР-мусорщик»), имеющий в качестве основы своего топлива также фторидный расплав.
В построении фторидной технологии переработки ОЯТ рассмотрен вариант с временным хранением (15‑20 лет) фторидного остатка («огарка») в алгоритме отложенного решения (рис. 4). В подтверждение реальности такого решения может быть использован положительный опыт тридцатилетнего хранения в контейнере шлаков от фторирования реального ОЯТ 60B с выгоранием 9‑10% в НИИАР.
Рис.4. Схема газофторидного процесса переработки ОЯТ с временным хранением фторидного остатка.
Проектная организация (ВНИПИЭТ), продолжая проработку предложенных схем, предварительно даёт им положительную оценку (Результаты ТЭИ, письмо ВНИПИЭТ № 000/ от 01.01.2001). Проводятся экспериментальные и теоретические исследования по дальнейшему совершенствованию фторидной технологии. За последние два года в РНЦ КИ и на СХК в этом отношении получены интересные результаты по двум направлениям. Одно из них - по способу снятия циркониевых оболочек ТВЭЛ с помощью хлора, другое - по изотопной коррекции регенерата урана по 232U и 235U, необходимой для обеспечения его рецикла.
2. Выработаны предложения по использованию изомолекулярного газа для выделения 232U из регенерата с возвратом последнего в топливный цикл ядерной энергетики.
Одним из основных препятствий в осуществлении рецикла урана является недопустимо высокое содержание в нём изотопа 232U. В энергетических тепловых реакторах, функционирующих в настоящее время, содержание 232U в однократно облучённом топливе »10 %, а требуемое обогащение регенерата до энергетической концентрации по 235U (от 1 до 4 %) приводит к 6‑7-кратному возрастанию содержания 232U. Повышение выгорания топлива приводит к ещё большему накоплению 232U.
Проблемы, связанные с присутствием 232U, вызваны высокой радиационной активностью его дочерних нуклидов. При малом периоде полураспада 232U (72 года) нарастание гамма-активных продуктов распада происходит достаточно быстро и осложняет использование регенерированного урана, как в технологии разделения изотопов, так и при фабрикации ядерного топлива. Необходимость снижения концентрации 232U в регенерированном уране до допустимого уровня (10–7 %) в настоящее время считается общепризнанной.
Изотопная коррекция урана, извлечённого из ОЯТ с целью рецикла регенерата, включая его очистку от 232U, может быть осуществлена на центрифугах по двухкаскадной схеме. На первом каскаде производится прямое обогащение регенерата по 235U с небольшим переобогащением, на втором - очистка от 232U.
Вследствие малой исходной концентрации 232U процесс извлечения этого изотопа на центрифугах сопровождается потерями 235U. Для снижения потерь 235U предложено использование газа-носителя («несущего» или изомолекулярного газа) – газообразного, инертного к гексафториду урана фреона с молекулярным весом 346, соответствующим молекулярному весу 232UF6. Такой газ может служить матрицей, в которой концентрируется 232U для совместного выведения из разделительных агрегатов (центрифуг). С помощью «несущего» газа можно, с одной стороны, обеспечить отборный режим работы второго каскада, а с другой - практически безотборный режим работы по отношению к гексафториду урана. Эти условия способствуют наиболее эффективному выводу из каскада самой «лёгкой» его компоненты.
Расчётное исследование влияния несущего газа с массой M = 346 а. е.м. на процесс выделения на втором каскаде изотопов 235U и 232U показало, что извлечение 235U в товарный продукт может достигать 99 % и более. При этом содержание 232U в товарном продукте составит величину 4,4´10–9 %.
В дальнейшем изучение проблемы обогащения уранового регенерата будет включать два аспекта: подбор соединения для использования в качестве газа-носителя и расчётное построение разделительного каскада для извлечения 232U с заданными концентрациями изотопов урана в лёгкой и тяжёлой фракциях каскада.
3. Разработан экспериментальный метод изучения пережигания минорных актинидов в среде расплавов фторидных солей (эксперимент «Ампула»).
Отработаны методики подготовки солевых композиций 7LiF(60 мол. %)-NaF (40 мол. %) с добавкой 237NpF4 (7,15 % масс.) и 7LiF(46,5 % мол.)-NaF(11,5 % мол.)-KF(42 % мол.) с добавкой 237NpF4 (7,3 % масс.). Приготовленные композиции заправлены в ампулы для испытаний на установке «АМПУЛА» в канале реактора «ИР-8» РНЦ КИ.
Исследована растворимость LaF3 в жидком растворе солевой композиции LiF (60 мол. %) – NaF (40 мол. %). Полученные данные о растворимости трифторида лантана в солевой композиции LiF (60 % мол.) - NaF (40 % мол.) позволили оценить весовую концентрацию фторида нептуния для заправки теплового макета «Ампула» солевой композицией на основе фторидов лития, натрия и калия с растворимым 237NpF3 или 237NpF4, а также определить оптимальный диапазон температур для получения однородного, жидкого раствора двух солевых композиций:
- LiF (60 % мол. )-NaF (40 % мол.) + 237NpFNpF4 (добавка); LiF (46,5 % мол)-NaF (11,5 % мол)-KF (42 % мол.) + 237NpF3- 237NpF4 (добавка).
Проведены исследования коррозионных характеристик образцов из сплава “MoNiCr”, разработанного на предприятии «Шкода» (Чешская Республика) в расплаве солей LiF-NaF и LiF-NaF-UF4 при температуре С в атмосфере аргона особой чистоты с абсолютным давлением 1,3-2 атм и при пониженном давлении (10мм Hg) в реакторе из стеклоуглерода или из сплава MoNiCr. Показано, что наличие примесей воды представляет опасность для конструкционного материала из сплава MoNiCr. Для уменьшения коррозионного воздействия расплавов фторидов на компоненты металлического сплава необходима тщательная осушка солевого расплава от примесей воды. Присутствие в солевом расплаве UF4 приводит к химическому взаимодействию растворенного UF4 с хромом. В результате, при циркуляции соли в контуре жидкосолевого реактора с температурным градиентом, хром из горячей зоны может переноситься и осаждаться в холодной зоне. Это создает условия для реализации механизма непрерывной коррозии конструкционных материалов на основе MoNiCr.
4. Исследованы электрохимические свойства имитаторов продуктов деления (циркония и лантанидов) во фторидных расплавах.
В газофторидной схеме переработки ОЯТ рассматривается вариант перевода высокоактивных отходов, образующихся в результате фторирования ядерного топлива, в твердую матрицу на основе солевых легкоплавких эвтектических фторидных композиций, таких как LiF-NaF, LiF-ZrF4, LiF-NaF-ZrF4 и т. д. Отличительная особенность метода хранения отходов в составе сплава на основе солевых фторидных композиций, заключается в возможности их дальнейшей переработки с целью отделения минорных актинидов от лантанидов во фторидных расплавах. Процесс разделения и выделения из фторидного расплава высокоактивных компонентов (Pu, минорные актиниды, продукты деления) может базироваться, например, на применении восстановительной экстракции плутония, минорных актинидов в жидкий висмут.
Это определяет необходимость изучения физико-химических свойств солевых композиций, служащих в качестве растворителей для радиоактивных веществ. Особое внимание уделяется определению составов фторидных солевых расплавов, обладающих приемлемыми физико-химическими свойствами (температура плавления, растворимость топливных компонентов и т. д.), исследованию электрохимических свойств расплавов, изучению поведения ионов тяжелых металлов в расплаве фторидов.
В рамках поставленной задачи исследовано поведение ионов циркония и лантанидов в расплавах на основе фторидов лития и натрия, а также оценка возможности переработки ОЯТ во фторидных расплавах, содержащих тетрафторид циркония, электрохимическим методом. Были исследованы следующие солевые композиции (состав в мол.%): LiF-NaF(60%-40%), LiF-ZrF4(67%-33%), NaF-ZrF4(59,5%-40,5%), LiF-NaF-ZrF4(29%-42%-29%), LiF-NaF(60%-40%) + ZrF4(1%), а также LiF-NaF(60%-40%) + ZrF4 + LaF3 + NdF3 (по 0,5%), LiF-NaF-ZrF4(29%-42%-29%) + NiF2(0,1%). Изучение электрохимических свойств солевых систем осуществляли вольтамперометрическим и потенциометрическим методами.
Обнаружено влияние состава расплава на потенциал выделения Zr на электродах, а также образование в расплаве комплексов ионов циркония различной валентности. Из полученных данных следует, что ионы циркония легко восстанавливаются на поверхности рабочего электрода, и цирконий может быть выделен из фторидного расплава.
5. Другие физико-химические исследования.
Исследованы характеристики многослойных металлокерамических фильтров для высокоэффективной фильтрации капельной жидкости (с радиоактивными примесями в том числе).
Проанализированы характеристики многослойных металлокерамических фильтров для очистки криогенных и сжиженных газов при температуре до -196 0С.
Разработан генератор высокодисперсного аэрозоля KI-NaI для медицинских целей.
Разработана новая технология конверсии двуокиси углерода, обогащенной по содержанию изотопа 13С, в моноокись углерода. Создана эффективная, простая в эксплуатации установка производительностью до 100 л/час по конверсии двуокиси углерода в моноокись углерода.
ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
Исследования развивались в нескольких направлениях. В частности, это:
- разработка методов и их аппаратурное оформление для экспресс-измерения следовых количеств UF6 и HF в реальной атмосфере;
- разработка и создание прототипа прибора для экспресс-измерения изотопного состава воды с использованием диодных лазеров (ДЛ) ближнего ИК-диапазона;
- разработка и создание прототипа прибора для измерения изотопического состава 12СО2/13CO2 с использованием техники диодной лазерной спектроскопии (TDLS).
Все перечисленные работы проводились совместно с Центром естественно-научных исследований Института общей физики им. РАН.
1. Разработка методов для измерения следовых количеств UF6 и HF в атмосфере.
Одним из наиболее опасных компонентов аварийных выбросов на объектах ЯТЦ является летучий UF6, представляющий собой наиболее химически активное соединение из всех известных фторсодержащих соединений урана. В случае аварийного выброса UF6 активно взаимодействует с атмосферной влагой, в результате чего образуются HF, UO2F2 и диспропорционирующий до уранил-фторида UOF4. Предварительное изучение динамики гидролиза UF6 в условиях, имитирующих реальную атмосферу, показало, что после выброса (утечки) UF6 в атмосферном воздухе в течение довольно длительного времени остается свободный гексафторид урана.
Разработаны аппаратные и программные средства для экспресс-измерения следовых количеств UF6 и HF в атмосфере. Для газоанализа HF использовался перестраиваемый диодный лазер с волоконным выводом излучения, который излучал в области 1,31 мкм. Использовалась многоходовая оптическая система с общей длиной оптического пути 39 м.
Для газоанализа UF6 использовался перестраиваемый ДЛ с l~7.68 мкм (центр поглощения полосы v1+v3 UF6). Общая длина оптического пути детектирования (измерения UF6 проводились в закрытом боксе) составляла 1,5 м.
Показано, что измеряемый порог концентраций для HF составил величину менее 2 ppb. При детектировании UF6 минимальная величина зарегистрированного поглощения пересчитывалась на оптическую трассу длиной ~ 50 м и составила величину концентрации ~ 250 ppb.
Проведена оценка чувствительности газоанализатора на UF6 при использовании квантово-каскадного ДЛ на 16 мкм (полоса поглощения v3), которая на длине L ~ 50 м составила величину менее 30 ppt. Величины концентраций, полученные для исследованных молекул, являются приемлемыми для мониторинга атмосферы вблизи объектов ЯТЦ.
2. Экспресс-измеритель изотопного состава воды с использованием ДЛ ближнего ИК-диапазона.
Изотоп 18О нашел широкое применение в медицине, прежде всего для диагностики методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ сканнеры) и в исследованиях различных процессов метаболизма в живых тканях – реакции окисления глюкозы, кинетику различных циклов взаимодействия, молочнокислую кинетику, метаболизм воды, витаминов, лекарственных препаратов. В первом случае используется вода с обогащением по 18О 95 % и выше, во втором с обогащением 10-15 %.
Производство обогащенной 18О воды методом вакуумной ректификации осуществляется в многоступенчатых каскадах, в каждом из которых установлено определенное количество насадочных колонн. Общее число колонн может составлять несколько десятков в зависимости от требуемой суммарной производительности. В каскаде, установленном в Институте Молекулярной физики РНЦ “Курчатовский Институт”, работает более 20-ти разделительных насадочных колонн при расчетной производительности 8 кг в год воды с обогащением по 18О - 95%. Для правильной работы каскада требуется регулярный анализ воды в каждой колонне, причем как в продукте, так и в отвале. Эти измерения определяют степень обогащения и степень исчерпывания – основные параметры работы разделительных колонн. Масс-спектрометрические измерения довольно дороги и продолжительны по времени, денситометрия – способ оперативный, но не обеспечивающий достаточной точности.
Впервые предложен прототип прибора для экспресс-измерения изотопного состава воды (H216O, H217O, H218O, HD16O, D216O) с использованием ДЛ ближнего ИК-диапазона. Использовался ДЛ с распределенной обратной связью (РОС) с длиной волны генерации l~1,39 мкм. Генерация ДЛ осуществлялась импульсами трапециевидной формы длительностью 0,5-1 мс с частотой повторения 2-5 кГц. Частотная область генерации, выбранная для регистрации пяти изотопов воды одновременно, составляла 7183.2-7185.0 см-1.
Пробы паров Н2О с различным изотопическим содержанием при давлении от 3 до 10 Торр запускались в зависимости от задачи («исчерпывание» или «обогащение») в кюветы с длиной 80 или 10 см. Кювета с длиной 80 см предназначалась для измерения изотопического состава воды при низком содержании изотопа 18О (от 0,05-0,5 %). Другая кювета использовалась для измерения изотопного состава высокого содержания 18О (0,5-99.9 %).
Регистрация спектров поглощения изотопов воды и их последующая обработка производилась с использованием платы ввода-вывода NI DAQ и ее драйверов, а так же пакета графического программирования LabVIEW. Время единичного интервала измерения коэффициентов изотопического отношения составляла ~ 0.2 сек. При 100 кратном накоплении и усреднении этих величин окончательная погрешность при определении коэффициентов изотопического состава воды составляла величину 0.2% от измеряемого параметра.
Рис. 5. Блок-схема детектора для измерения изотопического состава H2O.
|
|
На Рис.5 и 6 представлены блок-схема экспериментальной установки для исследования изотопического состава Н2О и общий вид узлов экспериментальной установки для измерения изотопов воды с системой отбора пробы.
Сделан вывод, что при проведении измерения изотопического состава H2O в режимах естественного содержания изотопов и большого обогащения по 18О (до 99%) необходим большой динамический диапазон измерения коэффициентов поглощения изотопов паров воды (более 4 порядков). Поэтому были выбраны два режима работы ДЛ: для «исчерпывания» (0,05-0,5% содержания 18О) и для большого обогащения 18О (0,5-99.9 %).
На рис.7 представлены спектры поглощения изотопов воды для этих режимов, записанные с помощью ДЛ.
3. Разработка и создание прототипа прибора для измерения изотопического состава 12СО2/13CO2 с использованием техники TDLS
В настоящее время все большее внимание уделяется разработке и внедрению в клиническую практику неинвазивных методов диагностики заболеваний. К таким методам, в частности, относится так называемый «дыхательный тест» - эффективный метод диагностики болезней желудочно-кишечного тракта. Он основан на измерении изотопного состава СО2 в выдыхаемом пациентом воздухе после приема им мочевины, меченной стабильным изотопом углерода 13С.
Впервые разработаны аппаратные и программные средства для экспресс-измерения концентрации 13СО2 по спектру поглощения СО2 в ближнем ИК диапазоне.
Использовался перестраиваемый диодный лазер (λ=1,6 мкм) с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения, а также многоходовая оптическая система с длиной оптического пути 42 м.
Регистрировались линии поглощения R4 12CO2 и Р12 13СО2, расположенные в частотном интервале 6232, 7-6232, 5 см-1. Измерялось отношение коэффициентов поглощения в этих линиях, по которому рассчитывалось отношение концентраций 13СО2 и 12СО2. Для определения абсолютной погрешности измерения изотопического отношения были проведены независимые калибровочные измерения пяти проб СО2 с разным изотопным составом с использованием как техники TDLS, так и масс-спектрометрии. Расхождение результатов измерений для разных проб с использованием разных методик не превышало 3%.
На рис.8 представлена блок-схема экспериментальной установки. ДЛ-модуль включал в себя диодный лазер с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения (длина волны генерации ДЛ λ=1,6 мкм). Многоходовая зеркальная система с базой 25 см и общей оптической длинной 42 м имела волоконный ввод излучения. Конструкция кюветы позволяла вакуумировать ее и заполнять исследуемым газом при пониженном давлении. На рис.9 представлены фотографии ДЛ и многопроходной оптической кюветы.
Рис.8. Блок-схема экспериментальной установки.
Рис. 9. ДЛ с волоконным выходом (λ=1,6 мкм) и многопроходная кювета с длиной оптического пути 42м.
На рис.10. представлен вид установки для измерения 13СО2/12СО2 с системой отбора пробы.
Накачка ДЛ осуществлялась импульсами трапециевидной формы. Величина импульса тока Iраб~80 мА, длина импульса 0,4-1 мс, частота повторения - 5 кГц. Сканирование частоты (Δv~2 см-1) происходило за счет изменения эффективного показателя преломления активной области лазера в течение импульса тока накачки.
Для проведения калибровки газоанализатора было изготовлено пять калибровочных смесей углекислого газа различного изотопического состава. Содержание изотопов углерода в этих смесях было предварительно измерено там же на масс-спектрометре. Независимые измерения, проведенные на ДЛ газоанализаторе и данные, полученные на масс-спектрометре, приведены в таблице 1.
Рис.10. Общий вид установки для измерения отношения 13СО2/12СО2
Таблица 1
№ пробы | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
13С/12C, % ДЛС | 3,97 | 3,47 | 2,46 | 2,97 | 1,08 |
13С/12C,% масс-спектр | 3,97 | 3,48 | 2,54 | 2,94 | 1,10 |
Статистический анализ приведенных данных позволяет определить величину систематической ошибки по разным циклам измерений одной и той же пробы, которая составила 1.2 ‰ (промилле). Для настоящей методики измерений она определяется погрешностью определения давления газовой смеси, составлявшей 0,5 Торр.
Показано, что методика определения изотопного состава выдыхаемого пациентом воздуха состоит из четырех основных этапов.
1. Нормализация спектра. Производится вычисление коэффициента поглощения и линеаризация частотной шкалы.
2. Фильтрация спектра. Фильтрация производится с использованием кросскорреляционных функций, а также фильтра Батерворда 2-го порядка.
3. Аппроксимация спектра. Она осуществляется второй производной доплеровского контура и линейной функцией.
Вычисление d-фактора. Находится отношение R интегральных коэффициентов поглощения 13СО2 /12СО2 и вычисляется величина d=(R/R0-1)*1000 0/00Сделан вывод, что программа, написанная в среде графического программирования LabVIEW, позволяет в реальном времени управлять процессом измерения и вычислять величину d. Время единичного измерения d составляет не более 0,2 сек. При 100 кратном накоплении и усреднении результатов единичных измерений относительная погрешность d не превышает 0,7 промилле, что является приемлемым для клинической практики.
Таким образом разработаны аппаратные и программные средства для экспресс измерения концентрации следовых количеств UF6 и HF и других опасных соединений в атмосфере, изотопического состава Н2О (H216O, H217O, H218O, HD16O, D216O), а также 13СО2/12СО2 по спектрам поглощения в ближнем и среднем ИК диапазоне с использованием принципов диодной лазерной спектроскопии.
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Проводились фундаментальные исследования в области физики конденсированного состояния вещества, комплексное изучение физических свойств материалов в сильных магнитных полях и при низких температурах, прикладные исследования по созданию новых материалов, разрабатывались новые методы диагностики.
В рамках исследования изотопических эффектов для манганитов с эффектом колоссального магнетосопротивления R1-xSrxMnO3 (R=Sm, NdTb, NdEu) было продемонстрировано, что вблизи перехода ферромагнетик-антиферромагнетик замена изотопа 16О на 18О значительно меняет фазовые диаграммы этих магнетиков, а именно, приводит к увеличению магнитной фазовой неоднородности, уменьшению ферромагнитной фазы, стабилизации диэлектрического антиферромагнитного состояния и в некоторых случаях вызывает переход металл-диэлектрик. При изучении индуцированного магнитным полем магнитного перехода в составах Pr0.7Ca0.3MnO3 и Sm0.475Sr0.525MnO3 обнаружено, что изотопическое замещение 16O↔18O приводит к существенному изменению фазовых H-T диаграмм в магнитных полях до 35 Тл и при температурах 4,2<T<300 K.
Проведены подробные исследования ядерного магнитного резонанса 17О в Nd0.5Sr0.5MnO3, Bi0.5Ca0.5MnO3, Bi0.5Sr0.5MnO3 в широком диапазоне магнитных полей и температур с целью выяснения структуры орбитального, зарядового и магнитного упорядочения. В частности, было получено микроскопическое подтверждение процесса "плавления" орбитального упорядочения сильным магнитным полем в Nd0.5Sr0.5MnO3. Измерение ЭПР и ФМР спектров в образцах Sm1-xSrxMnO3 и Sm0.2Ca0.8Mn1-xRuxO3 позволило выяснить тонкие детали их фазовых диаграмм.
Экспериментально подтверждена теоретическая модель локального магнитного перехода и локализации носителей заряда в аморфных сплавах (Gd, Y)xSi1−x. Для этого были использованы "локальный" экспериментальный метод - электронный спиновый резонанс совместно с магнитотранспортными измерениями.
Проведены систематические измерения электронного спинового резонанса, магнетосопротивления и эффекта Холла серии образцов (Gd, Y)xSi1−x разного состава (0<x<0,2) в широком интервале температур (4,2÷300 К) и магнитных полей (до 4 Тл). По результатам измерений оценен размер ферромагнитных неоднородностей (D ~ 10 A) и доля занимаемого ими объема образца. Магнитотранспортные эксперименты подтверждают, что особенности температурной и магнитополевой зависимости проводимости GdxSi1-x обусловлены изменением концентрации свободных носителей. Показано, что при гелиевых температурах в аморфных сплавах RexSi1−x наблюдается переход металл - диэлектрик перколяционного типа.
Совместно с университетом штата Вирджиния (США) проведены исследования эффекта переключения и памяти в самооупорядоченных наноструктурах с наночастицами CdS в матрице Al2O3.
В сотрудничестве с Институтом вакуумной техники (РФ) и итальянским Институтом науки и культуры IRST (Торонто, Италия) исследованы алмазоподобные пленки, легированные эрбием. Образцы исследованы посредством оптических, электрофизических и рентгеновских измерений. Обнаружены фотовольтаический и электролюминесцентные эффекты в инфракрасной области длин волн. Исследуется возможность получения электролюминесценции в данной системе.
Проводились исследования по влиянию водорода, содержащегося в образцах мартенситностареющей стали, на их механические свойства.
В двухслойных пленках Сr(50Å)/Со(200Å) обнаружен необычный планарный эффект Холла, симметричный по знаку изменения угла поворота магнитного момента в плоскости пленки. Изменение холловского сопротивления в условиях проявления этого симметричного эффекта достигает более 10 % и на два порядка превышает эффект анизотропного магнитосопротивления. Установлено, что наблюдаемый симметричный эффект связан с особенностями многодоменного состояния пленки Сo в двухслойных структурах Cr/Co.
Исследовано влияние магнитного поля на излучение квантовых каскадных лазеров на основе AlxGa1-xAs/GaAs квантовых ям (КЯ). Эксперименты проводились в полях (перпендикулярных КЯ) до 60 Тл, при которых разница между уровнями Ландау достигала 100 МэВ, заметно превышая энергию оптических фононов. Обнаружены гигантские осцилляции интенсивности излучения с изменением амплитуды в несколько порядков величины. Эффект объясняется трансформацией в магнитном поле электронного спектра от непрерывного (в 2D случае) к дискретному (в 0D случае), подобному спектру квантовых точек.
Исследована возможность формирования потенциального рельефа в полупроводнике путем создания на его поверхности металлической пленки, полученной селективным удалением атомов кислорода пучком ускоренных протонов из предварительно нанесенного оксида металла. Обнаружено, что при использовании этого метода формируется заметно больший барьер Шоттки на контакте W с GaAs (»1 эВ), чем при использовании обычной технологии нанесения металла (0,8 эВ для W/GaAs). Полученные данные свидетельствуют об отсутствии дефектной прослойки в подзатворной области структур, наиболее подвергаемой воздействию протонов.
С использованием лазерного испарения металлической мишени в процессе МОС-гидридной эпитаксии развит метод создания 2D структур, включающих δ – легированный Mn слой в GaAs и квантовую яму InxGa1-xAs, разделенные GaAs спейсером толщиной d = 3 ¸ 6 нм. Показано, что полученные структуры обладают ярко выраженными магнито-оптическими и магнитными свойствами вплоть до комнатных температур. При d = 6 нм в области низких температур (Т » 30 К) выявлен аномальный эффект Холла, который связывается с ионами Mn в GaAs и магнитным обменом между этими центрами и дырками КЯ, определяющим их спиновою поляризацию. При низких температурах обнаружены также особенности в поведении отрицательного магнитосопротивления, свидетельствующие о существенной роли в рассеянии носителей заряда квантовых интерференционных эффектов.
Методом осаждения из лазерной плазмы в вакууме получены пересыщенные эпитаксиальные пленки GaMnSb, содержание Mn в которых достигает »10 ат. %. Структурные исследования показали, что слои GaMnSb помимо ионов Mn, замещающих Ga, содержат ферромагнитные Mn-содержащие кластеры и контролируемые величиной Ts мелкие акцепторные дефекты типа GaSb. В отличие от ранее изученных однофазных GaMnSb систем (знак аномального эффекта Холла (АЭХ) отрицательный, а температура Кюри не превышает 30 К), в полученных пленках обнаружен АЭХ положительного знака, гистерезисный характер которого проявлялся при температурах вплоть до комнатной, причем тем сильнее, чем выше концентрация дырок. Необычное поведение АЭХ интерпретируется с позиции взаимодействия носителей заряда с ферромагнитными кластерами, которое в значительной мере определяется наличием барьеров Шоттки на их границе с полупроводниковой матрицей и усиливается с возрастанием концентрации дырок.
Исследованы неомические свойства квази-2D канала прыжковой проводимости, формируемого при эффекте поля в слоях p-Si в области пересечения уровня Ферми с примесной зоной. Установленная зависимость электропроводности s от продольного электрического поля E, имеющая пороговый характер, объясняется представлениями о нелинейном экранировании и неомических свойствах неупорядоченных систем со случайным кулоновским потенциалом. Нелинейная зависимость s(E) подтверждается особенностями мезоскопических флуктуаций недиагональной компоненты сопротивления, отражающими перестройку перколяционного кластера под действием продольного поля. Обнаружены долговременные релаксации проводимости при переходе от неомическового к омическому режиму, свидетельствующие о проявлении стекольных свойств данной системы.
Проведены исследования долговременной релаксации двумерной проводимости структур металл – нитрид – оксид - полупроводник. Показано, что долговременные релаксации проявляются только при наличии сильного флуктуационного потенциала, величиной которого в данных структурах можно управлять. Выявлен основной процесс, определяющий поведение проводимости в системе, - экранирование потенциала электронами канала, как свободными, так и локализованными в “ямах” потенциального рельефа. Временная зависимость проводимости имеет логарифмический вид, что характерно для систем типа «электронное стекло».
В рамках обобщенного приближения среднего поля, учитывающего пространственные флуктуации локального магнитного поля, исследован магнитный гистерезис и процесс размагничивания простой кубической решетки изинговских спинов. Показано наличие динамического фазового перехода.
В рамках обобщенного приближения среднего поля, учитывающего пространственные флуктуации локального магнитного поля, показано, что коллективный эффект дипольного взаимодействия в случайной трехмерной системе одинаковых стержнеобразных магнитных наночастиц с параллельными осями легкого намагничивания приводит к сдвигу релаксационных кривых намагниченности в сторону меньших времен, то есть к ускорению процесса релаксации. Кроме того, характер этого процесса зависит (через размагничивающее поле) от формы образца. Взаимодействие наногранул сказывается на процессе релаксации намагниченности случайной двумерной системы только в том случае, когда магнитные моменты гранул перпендикулярны плоскости системы.
Построена обобщенная теория среднего поля для неупорядоченных систем с RKKY-взаимодействием, основанная на расчете и анализе функций распределения случайных магнитных полей, которые создаются нерегулярно распределенными в пространстве магнитными моментами. Эти функции распределения найдены двумя способами: аналитически и путем статистической обработки результатов вычисления случайных полей в модельной системе. Для металлов, разбавленных магнитными примесями, показано, что если концентрация примеси превышает некоторую критическую величину, зависящую от типа решетки металла и формы образца, то основное состояние системы становится магнитно-упорядоченным. Найдена магнитная фазовая диаграмма системы, а также температурные зависимость ее магнитной восприимчивости, концентрационная зависимость температуры Кюри, температурная и концентрационная зависимости намагниченности и магнитной части теплоемкости системы.
Теория среднего поля обобщена для решеточных систем взаимодействующих магнитных моментов путем введения функции распределения случайных локальных магнитных полей для учета неэквивалентности различных узлов решетки. Аналитические и численные методы, соответствующие такому подходу, используются для описания ферромагнетизма немагнитных полупроводников с магнитными примесями.
Исследована динамика волн зарядовой плотности в квазиодномерном проводнике орто-TaS3. Сигнал, возникающий при движении волны зарядовой плотности в исследуемых образцах, регистрировался в реальном времени с помощью быстродействующего АЦП преобразователя. Для определения характера дефектов решётки, возникающих при движении конденсированного электронного состояния, проводится расшифровка регистрируемых сигналов.
Выполнялись работы с целью реализовать новый экспериментальный метод управления ядерными гамма-переходами – двойной оптико-гамма резонанс (ДОГР), сочетающий в себе преимущества двух самых точных методов современной физики – лазерной и мессбауэровской спектроскопии. Конкретная задача состояла в обнаружении теоретически предсказанных изменений в мессбауэровских спектрах активированного кристалла в условиях резонансного лазерного возбуждения оптического перехода мессбауэровских атомов.
Был смонтирован тандем из двух лазеров: аргоновый лазер накачки SP-171-18 на длину волны 532 нм с выходной мощностью около 10 Вт и перестраиваемый лазер на красителе SP-380D, обеспечивающий генерацию ~1 Вт мощности непрерывного излучения в диапазоне 550-620 нм. Созданный комплексный лазерно-мессбауэровский спектрометр для регистрации спектров ДОГР является уникальным.
Эксперименты проводились при комнатной, азотной и гелиевой температурах на самоактивированных кристаллах пентафосфата европия EuP5O14, в оптическом спектре которых имеется узкая (~0.02 нм) бесфононная линия 578.2 нм, отвечающая переходу 7F0 – 5D0. По результатам измерений сделаны следующие выводы:
При гелиевой температуре величина изомерного сдвига при лазерной накачке растет в сторону повышения валентности ионов европия до Eu4+, противоположной тому, которое было бы при нагреве кристалла, что работает в пользу наличия эффекта ДОГР;
При низких температурах для ядер 151Eu наблюдается систематическое уширение мессбауэровской линии примерно на 3%, которое могло бы свидетельствовать о наличии небольшого искомого Раби-расщепления, предсказываемого теорией ДОГР.
СЕНСОРНАЯ ДИАГНОСТИКА
Продолжается разработка технологии серийного изготовления полупроводниковых резистивных газовых сенсоров, методологических и метрологических основ их применения для определения содержания взрывоопасных и токсичных газов в воздухе производственных помещений и окружающей атмосфере. Завершены исследования чувствительности и динамических характеристик полупроводниковых газовых сенсоров к парам воды в воздухе. Использовались сенсоры на основе чистой SnO2 и на основе составов SnO2 + 3% La2O3 , SnO2 +3%Pd, SnO2 +3%Pd + Al2O3 (к. с.), SnO2 +3%La2O3 +1%Sb2O5 и SnO2 + 1%CuO. Исследования чувствительности проводились в диапазоне температур 200 – 600 0С при концентрации паров воды в воздухе, соответствующим значениям влажности 10, 40, 70 и 98 % RH при комнатной температуре. Динамические параметры изучались при влажности воздуха 10 и 98% RH в диапазоне температур 300 – 600 0С.
Установлено, что все исследованные структуры сенсоров, за исключением сенсоров на основе состава SnO2 + 1%CuO, обладают высоким быстродействием - выше 1 сек. при температуре нагрева 500 0С. Сенсоры на основе состава SnO2 + 1%CuO обладают более низким быстродействием, которое при температуре нагрева 600 0С составляет не более 3 сек. Продолжены работы по изучению свойств полупроводниковых сенсоров на основе МДП-структур со слоем твердого электролита. Исследованы образцы со слоем протонпроводящего электролита – гидрофосфата циркония, и подготовлены для дальнейшей работы образцы с эфиром вольфрамовой гетерополикислоты и поливинилового спирта. Показано, что образцы с гидрофосфатом циркония обладают удовлетворительной чувствительностью, но их стабильность недостаточна для практического применения.
Продолжены исследования микромощных сенсоров на основе мембран из оксида алюминия и мембран из оксида/нитрида кремния. Разрабатываемая микромашинная технология изготовления сенсоров в виде микроэлектронных чипов с тонкой мембраной из оксида алюминия позволяет получить сенсоры, потребляющие не более 70 мВт при детектировании токсичных газов как при работе в режиме полупроводникового, так и термокаталитического сенсора.
Исследование кинетики термокаталитической деструкции молекул газов проводилось с помощью реактора с никелевой спиралью в качестве деструктора. Температура деструктора варьировалась в диапазоне температур от комнатной до 1000 оС. В области температур до 750 оС при пропускании газовой смеси (0,2 % пропана в воздухе) преобладающим процессом является термодеструкция молекул пропана, при повышении температуры никелевого деструктора доминирующим процессом становится каталитическое окисление пропана. Как термодеструкция, так и окисление протекают на поверхности металлического деструктора (гетерогенный каталитический процесс). В газовой фазе рекомбинация продуктов термодеструкции не наблюдается.
Продолжена работа (совместно с ИОНХ РАН и МГУ им. Ломоносова) по изучению возможности создания полупроводниковых сенсоров для детектирования паров нитропроизводных ароматических углеводородов.
БЕЗОПАСНОСТЬ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА И ЭКОЛОГИЯ
Проведен цикл экспериментальных работ по международному Проекту MASCA-2, являющемуся продолжением работ по Проекту MASCA по проблемам тяжелых аварий на АЭС с реакторами типа ВВЭР с расплавлением активной зоны в соответствии с Матрицей экспериментов 4 «Исследование взаимодействия расплава кориума в окислительной атмосфере».
Проведен проверочный эксперимент (scoping test) на установке RCW-Ox в соответствии с Матрицей экспериментов 4: «Исследование взаимодействия расплава металлических сплавов с обломками кориума в инертной и окислительной атмосфере». В проверочном эксперименте в качестве окислительной среды использовалась смесь воздуха с аргоном в соотношении » 1:3. Основной целью эксперимента являлась проверка примененных в разработанной установке проточного метода исследования взаимодействия расплава металла с обломками кориума в окислительной среде, способа защиты вольфрамового нагревателя от воздействия окислителя и возможности анализа выходящих газов в режиме реального времени (on-line). Экспериментальная секция выполнена на базе верхней секции установки RCW и размещена в защитной камере комплекса РАСПЛАВ объемом 6,5 м3, заполненной аргоном при давлении 1.05 – 1.09 атм. Основным ее элементом является рабочий канал с тигельной сборкой, в которой размещены два установленных коаксиально тигля из диоксида циркония с засыпкой обломков кориума. Кроме того, в малом, внутреннем тигле помещена металлическая шайба. Процесс взаимодействия расплава металла с крупкой кориума осуществляется при непрерывной подаче смеси аргона с воздухом через слой засыпки частиц кориума. В дне каждого из тиглей имеются щелевые отверстия для сквозного прохода воздушно-аргоновой смеси через слой обломков кориума. В качестве нагревательного устройства в установке использовалась готовая сборка от предыдущей установки RCW-M, состоявшая из индуктора с токоподводами и вольфрамового нагревателя цилиндрической конфигурации. Теплоизоляция между индуктором и вольфрамовым нагревателем была выполнена двухслойной и состояла из слоя ZrO2 –порошка, прилегавшего к нагревателю и обмазки из глиноземистого многокомпонентного цемента (ГМЦ). Рабочий канал с экспериментальной тигельной сборкой размещается внутри вольфрамового нагревателя коаксиально с ним, при этом вольфрамовый нагреватель и индуктор находятся в защитной среде аргона и отделены от потока воздушно-аргоновой смеси керамической стенкой канала. Для предотвращения просачивания воздуха и примесей к вольфрамовому нагревателю через возможные трещины и неплотности в сочленениях деталей рабочего канала, давление аргона в защитной камере во время эксперимента должно поддерживаться на 0,01-0,005 атм. выше давления в рабочем канале. Для диагностики процессов нагрева-плавления, а также для технологического контроля работы узлов, установка оснащена необходимыми измерительными устройствами.
Проведен повторный эксперимент (основной, зачетный) на установке RCW-Ox в окислительной среде. Эксперимент проводился на модернизированной установке, описанной выше, с отличием в подаче воздуха в экспериментальный участок. Воздушная смесь подавалась снизу вверх через дебрис кориума (в проверочном эксперименте воздушная смесь подавалась сверху). Результаты экспериментов обработаны и переданы на металлографические исследования в ИЯР.
Разработан проект установки ORC-Ox, в которой в качестве окислительной среды используется водяной пар. Установка изготовлена и подготовлена к работе.
Проведены два эксперимента по исследованию взаимодействия оксида бора, входящего в состав регулирующих стержней реактора, с кориумом С-32. Целью исследований являлось взаимодействие расплавленного оксида бора с дебрисом в зависимости от степени окисления кориума, температуры и времени. Работы проводились на установке КОРПУС, расположенной в зд.103, основным узлом которой являлось нагревательное устройство, в котором размещался тигель из стали с возможностью нагрева до 1200 °С. В эксперименте использовалась крупка кориума С-32 массой 100 г с размером частиц от 1,2 до 3,5 мм, смешанной с 53,8 г мелкодисперсного порошка борной кислоты. (Предполагалось, что после дегидратации борной кислоты масса В2О3 составит требуемые по ТЗ 3% от массы кориума). Процесс проводился в инертной атмосфере (аргон высокой частоты). Экспериментально установлено, что при взаимодействии кориума С-32 с оксидом бора при температуре 1000 °С в течение 1 часа происходит восстановление В2О3 с образованием ZrB2 и элементарного бора; элементарный бор взаимодействует с материалом тигля, выполненным из малоуглеродистого Fe, с образованием тонкого и хрупкого слоя фазы, предположительно Fe2B, с высокой твердостью.
Продолжались работы по измерению свойств высокотемпературных расплавов в соответствии с матрицей экспериментов в Программе MASCA-2. Подготовлена установка ТИГЕЛЬ-М для измерения свойств «металлического тела», образующегося при расплавлении кориума со сталью в экспериментах на укрупненной установке РАСПЛАВ-RCW по предыдущей Программе MASCA. Разработан Проект новой установки МЕРА, в которой будут отсутствовать графитовые нагреватели, изоляция и другие детали, создающие «графитсодержащую инертную атмосферу» (аргон).
В рамках программы разработки жидкосолевого реактора-пережигателя плутония и радиоактивных отходов создана жидкосолевая петля для испытаний коррозионной стойкости и изучения процессов массопереноса конструкционных материалов в топливном контуре жидкосолевого реактора. Успешно завершены предварительные испытания элементов конструкций петли с солевой топливной композицией заданного состава при рабочих параметрах. Для коррозионных исследований отобраны никель-молибденовые сплавы, имеющие наибольшую коррозионную стойкость к расплавам солей различного состава. Отработана методика и проведены предварительные ресурсные коррозионные испытания выбранных сплавов в изотермических условиях с солью заданного состава с непрерывным контролем её Редокс-потенциала. Проведены исследования теплогидравлических характеристик контура циркуляции соли в петлевой установке и отработаны режимы проведения коррозионных испытаний. Подготовлена программа ресурсных коррозионных исследований стойкости конструкционных материалов жидкосолевого реактора на созданной петле в условиях естественной циркуляции топливной соли при параметрах, отвечающих режиму работы топливного контура реактора (температура топлива, градиент температуры, состав топливной соли, примеси продуктов деления и др).
В рамках программы создания новых технологий производства радионуклидов медицинского назначения продолжались работы на растворном реакторе АРГУС (совместно с коллективом ИЯР). Получены экспериментальные образцы раствора хлорида 89Sr, исследован состав радионуклидных примесей, оценена производительность технологии.
Демонстрация осуществимости предложенного способа производства 89Sr, выполненная на растворном реакторе АРГУС, подтвердила основные положения новой технологии и возможность получения целевого продукта необходимого качества. Показано, что состав радиоизотопных примесей раствора 89SrCl2 включает только элементы с атомной массой 91, 137, 140 и 141, в цепочках распада которых присутствуют газообразные элементы. Фильтрация газового потока многослойными металлокерамическими фильтрами снижает содержание примеси осколочных элементов до допустимого уровня; радиохимическая очистка раствора на DOWEX-50´8 или Sr-Resin обеспечивает выведение 137Cs, 140Ba, 140La; возможная примесь 90Sr в готовом растворе ниже порога чувствительности измерительной аппаратуры, верхняя граница которой 5×10-4∙%. Оценена суточная производительность растворного реактора мощностью 20 кВт - 0,2 Кюри 89Sr в сутки или » 50 Кюри в год, что сопоставимо с объемом производства 89Sr в реакторе БОР-60, мощностью 60 МВт.
Разработана технология и создана установка для перевода газообразного гексафторида урана, находящегося на длительном хранении в ловушках в твердое состояние (окись-закись урана). Получена пробная партия.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Развитие теории 2-бета – процессов и теории нейтрино.
Проводились исследования по теории индуцированных и спонтанных 2-бета - процессов. Систематически исследовалось приближение доминантности основного 1+- состояния промежуточного ядра (ДОС(GSD) - приближение) в случае двухнейтринных 2-бета - процессов, в рамках которого этот процесс представляется идущим в две стадии: возбуждения (реального или виртуального) основного состояния промежуточного ядра и его последующего бета-распада. При этом индуцированные и спонтанные процессы различаются физической областью энергетических переменных. Реальность этого приближения была подтверждена недавно новыми экспериментальными данными международной коллаборации NEMO-3 по двухнейтринному 2-бета - распаду Mo-100, доложенными на международной конференции NEUTRINO-04 (Париж, июнь 2004 г.), при этом на установке этой коллаборации были измерены не только время жизни указанного процесса, но и спектр одиночных электронов распада. Проведен детальный анализ механизма ДОС - приближения, показано, что как в электронно (нейтринно) - индуцированных 2-бета - процессах, так и в двухнейтринном 2-бета - распаде должен работать общий резонансный механизм возбуждения основного состояния промежуточного ядра, которое физически выделено, поскольку возбужденные уровни промежуточного ядра имеют большие g - и малые b - ширины, распадаются по g-каналу и не дают вклад в прямой 2-бета - процесс. Итоговые результаты по расчетам 1+- (ДОС) приближения собраны в работе, выполненной совместно с сотрудниками Братиславского университета. В ней впервые систематически исследованы и рассчитаны в этом приближении основные характеристики двухнейтринных 2-бета - процессов - время жизни и угловые корреляции лептонов - по каналам 2nb+b+- распада, однократного захвата 2nb+e и двукратного захвата - 2nee с переходом в основное 0+ и возбужденные 2+- состояния конечного ядра. При работе по выяснению указанного механизма сделан вывод, что приближение доминантности основного состояния промежуточного ядра может выполняться независимо от характеристики этого состояния: как в случае, когда реализуются разрешенные бета-переходы в доминирующее промежуточное состояние (типа 1+), так в случае переходов запрещенного типа. Этот вывод имеет важное значение, поскольку позволяет на базе исследуемого приближения провести оценку времени жизни 2n2b - перехода в 76Ge, двойной бета-распад которого в настоящее время исследуется особенно интенсивно, поскольку в 76Ge спин и четность основного состояния промежуточного ядра 76As равны 2-, т. е. имеют место уникальные запрещенные переходы первого запрета, матричные элементы которых можно определить по экспериментальным значению logft, не прибегая к модельно зависимым ядерным расчетам.
Подготовлены предложения по производству и по использованию в проекте GERDA, нацеленному на исследование безнейтринного двойного бета-распада Ge, специальных смесей изотопов германия, обедненных по 76Ge ("нулевой" опорный детектор) и обогащенных по 68Ge для исследования космогенезиса последнего.
Экспериментальные факты, свидетельствующие об отличии от нуля массы нейтрино, приводят к необходимости детального изучения майорановских свойств массивных нейтральных фермионов. В рамках этого направления на основе U(2)-симметрии, предложенной в 1957 г. Паули и действующей в пространстве компонент волновых функций, отвечающих частицам и античастицам, построена математическая модель, включающая левые и правые частицы, позволяющая исследовать их майорановские свойства. Показано, что в такой схеме для безмассовых частиц существует обобщение лептонного квантового числа нейтральных фермионов - обобщенный лептонный заряд. При переходе к случаю массивных частиц, обобщенный заряд, несмотря на нарушение симметрии, вводящее массы, продолжает существовать, и может быть использован как характеристика нейтральных частиц, учитывающая их майорановские свойства. При этом в случае частиц инверсных C-D классов (имеющих фазовый фактор пространственной инверсии с условием hP2=+1) обобщенный заряд и оператор массы описываются в единых терминах, а в случае частиц A-B классов (имеющих фазовый фактор с условием hP2=-1) возникает альтернатива - описание нейтральных частиц либо в терминах обобщенного заряда, либо в терминах массы. Таким образом, в рамках выбранной модели показано, что майорановское нейтрино может иметь разные свойства в зависимости от принадлежности его к двум указанным группам инверсных классов.
Коллапс Сверхновых. В качестве важного применения нейтринно - индуцированных процессов исследовано возбуждение состояний заряженного типа в 56Fe в детекторе LSD (Швейцария) нейтринным сигналом от SN 1987A. Согласно новой, ротационной модели коллапса Сверхновых, развиваемой группой (ИТЭФ), за пять часов до основной стадии должен возникать нейтринный импульс с энергиейМэВ и интенсивностью 0.1 от интенсивности основного взрыва. Предварительные оценки сечения взаимодействия нейтрино с ядрами 56Fe в заряженном канале, представленные нами ранее на международной конференции NANP - 03, показали, что серию импульсов LSD в 2.52 UT, можно интерпретировать как свидетельство наблюдения нейтрино от первой стадии коллапса. Совместно с теоретической группой ОИЯИ (Дубна), проведены расчеты возбуждения в ядре 56Fe состояний типа протон - нейтронная дырка в рамках современной квазибозонной модели ядра. Результаты этих расчетов согласуются с первыми, предварительными оценками и подтверждают вывод о возможности интерпретации серии импульсов, зарегистрированных детектором LSD 23.02.1987 г. за 4,5 часа до основного взрыва, как свидетельство наблюдения детектором LSD первой ротационной стадии коллапса Сверхновой SN 1987 A.
Физика кластеров. По программе фундаментальных и поисковых исследований атомного варианта лазерного разделения изотопов исследована и промоделирована методами молекулярной динамики нелинейная коллективная электронная динамика электронно-ионного кластера, включающего в совокупности порядка 103 частиц (ионов и электронов), который облучается инфракрасным линейно поляризованным импульсом фемтосекундного лазера. Разработанная модель включает практически все характерные особенности кластера, облучаемого сильными лазерными импульсами, такие как внутренняя и внешняя ионизация, расширение ионного остова, полное электронное ускорение и локальное электрическое поле. В случае, когда частота падающего излучения находится около трех - или пятифотоного резонанса с частотой возбуждения (вообще говоря, зависящей от времени) дипольного Ми плазмона в лазерно-ионизованном и расширяющемся кластере, как полное электронное ускорение, так и локальное электрическое поле, действующее на ионы внутри кластера, испытывают резонансное усиление на нечетных гармониках фундаментальной частоты. Подробно изучена временная эволюция этих нечетных гармоник в течение лазерного импульса для различных значений параметров взаимодействия кластера с лазерной волной. Присутствие четных гармоник низкого порядка (в частности, второй гармоники) в локальном электрическом поле кластера, действующего на ионы вне центра кластера, также обнаружено в результатах моделирования, что ясно указывает на эффективное возбуждение в кластере квадрупольного поверхностного плазмона. В результате взаимодействия с излучением мощного фемтосекундного лазера возникает кулоновский взрыв кластеров, после чего в горячей плазме реализуется термоядерная реакция, и генерируются нейтроны. Однако, время жизни плазмы мало (~ 10-10 с), поэтому предлагается удерживать плазму в магнитной ловушке. Произведены оценки параметров ловушки и показано, что выход нейтронов может быть увеличен на два порядка по сравнению с существующим.
Квантовые свойства ультрахолодных газов. Основное внимание уделялось поведению низкоразмерных систем. Так был проанализирован переход Мотта в системе параллельных одномерных бозе газов конечной длины, организованных в двумерную решетку с возможностью атомов туннелировать между соседними одномерными компонентами решетки. Установлено, что распределение по импульсам в плоскости решетки очень чувствительно к режиму взаимодействия в одномерных бозе газах и может использоваться для идентификации режима Тонка-Жирардо. Была продемонстрирована возможность создания двумерной оптической решетки Кагомэ и ее тримеризованной модификации, изучены свойства бозе и ферми газов в этих решетках, показано, что бозе газ демонстрирует переход Мотта при дробных числах заполнения, а однокомпонентный ферми газ при определенных условиях эквивалентен фрустрированному квантовому антиферромагнетику. При исследовании низкотемпературной фазовой диаграммы смеси бозе и ферми газов в оптической решетке в режиме сильного межатомного взаимодействия обнаружено, что отличительной особенностью такой системы является возможность формирования композитных фермионов - связанного состояния фермиона с одним или несколькими бозонами, возможные фазы которых включают в себя нормальную ферми жидкость, волну плотности, свертекучую жидкость и фермионный доменный изолятор. На основе метода среднего поля и численного моделирования были получены границы раздела фаз, а также детально проанализированы условия экспериментальной реализации фаз композитных фермионов и исследования их свойств.
Поведение бозе и ферми газов вблизи резонанса Фешбаха. Для слабо связанных двухатомных молекул (димеров), образованных в двухкомпонентном ферми газе с большой положительной длиной рассеяния между компонентами, предложен теоретический способ вычисления упругого рассеяния в системах атом-димер и димер-димер и неупругой столкновительной релаксации молекул на глубокий связанный уровень. Показана применимость предложенного метода в окрестности широкого резонанса Фешбаха, что открывает широкие возможности для манипулирования системой слабо связанных димеров фермионных атомов. Проанализирована система из трех бозе атомов с резонансным парным взаимодействием. Рассматривая случаи узкого и широкого резонансов Фешбаха, вычислена скорость трехчастичной рекомбинации на слабо связанный уровень и длина рассеяния атома на молекуле. Применяя термодинамический подход к описанию смеси атомов и молекул, были описаны экспериментальные результаты и определены оптимальные условия для реализации Бозе-Эйнштейновской конденсации молекул.
Свойства кластерной плазмы, возникающей при облучении кластерного пучка лазерным импульсом. Проанализированы основные процессы, происходящие в системе, составлена иерархия времен эволюции плазмы, дан анализ причин, приводящих к возникновению многозарядных ионов с зарядом, существенно превосходящим заряд таковых в однородной плазме. Установлено, что при высокой интенсивности основным механизмом ионизации является надбарьерная ионизация. Наличие дополнительного электрического поля заряженного кластера приводит к увеличению характерного заряда ионов до полутора раз, что соответствует увеличению интенсивности на один порядок. Анализируя процессы, приводящие к генерации гамма-излучения, обнаружено, что с увеличением размеров кластеров эффективность трансформации излучения повышается. Рассматривая три механизма, ответственные за появление гамма-излучения: фоторекомбинацию, диэлектронную рекомбинацию, возбуждение электронным ударом, мы установили, что основным механизмом генерации является последний. Рассчитаны энергетические и зарядовые спектры ионов при облучении кластерного пучка мощным ультракоротким лазерным импульсом, и продемонстрировано, что самосогласованное поле кластера, ионизованного лазерным импульсом, существенно влияет на параметры спектра ионов, образующихся после распада кластера. При этом средняя плотность связанных атомов в кластерном пучке, характер распределения кластеров по размерам и размер фокального пятна слабо влияют на форму распределения образующихся ионов, как по заряду, так и по энергии. Вместе с тем энергетический спектр образующихся ионов определяется средним размером кластеров. Рассматривалось взаимодействие сверхмощного ультракороткого лазерного импульса с гигантскими кластерами (микрокаплями), содержащими атомов и имеющими размер, сравнимый с длиной волны лазера. С учетом специфики микрокапельной мишени создана модель эволюции микрокапельной плазмы под действием мощного лазерного импульса и рассмотрены процессы, происходящие после его окончания. Теоретически показано, что формируемая плазма является перегретой, ее температура примерно равна потенциалу ионизации иона с характерным зарядом, причем параметры плазмы микрокапельной мишени нечувствительны к форме и длительности лазерного импульса. Теоретические выводы подтверждены экспериментальными рентгеноспектральными исследованиями, проведенными на 100-тераватной Тi:сапфировой лазерной системе в JAERI (Киото, Япония) при облучении микрокапель Kr и Xe лазерными импульсами с длительностью от 30 фс до 500 фс и интенсивностью от 6*1016 Вт/см2 до 2*1019 Вт/см2.
Развитие методов прикладного математического моделирования и их использование в исследованиях, связанных с описанием переноса электромагнитного излучения (в инфракрасной, видимой и УФ частях спектра) в детерминированных и стохастических гетерогенных средах. Завершена серия проводимых в течение последних трех лет научно-исследовательских работ, связанных с созданием замкнутой системы тематической обработки измерений лазерного ИК интерферометра IASI, атмосферного ИК-зондировщика нового поколения, планируемого к запуску на борту европейского спутника METOP-1 в октябре 2005 года. В частности, были разработаны, экспериментально протестированы и программно реализованы методы косвенного (на основе анализа регистрируемых спектров) определения следующих геофизических параметров: температуры подстилающей поверхности над сушей и морем, высотных распределений атмосферной температуры, влажности, объемных отношений смеси (а также общего атмосферного содержания) озона, метана, закиси азота и оксида углерода. Кроме того, разработаны и программно реализованы эффективные методы детектирования облачности в поле зрения IASI, а также процедура идентификации ее интегральных параметров (балл, температура верхней границы, оптическая толщина). На базе разработанных программных приложений создана и в рамках опытной эксплуатации успешно протестирована рабочая версия модульного прототипа процессора (МПП), обеспечивающая практическую реализацию замкнутых циклов наземной тематической обработки спутниковых измерений для различных практических приложений (оперативная космическая метеорология, климатические исследования, дистанционное изучение загрязнения окружающей среды). Исследования являются составной частью общей международной научной программы предполетных исследований IASI, поддерживаемой Европейской организацией по использованию метеорологических спутников (Eumetsat).
Также был проведена серия предварительных расчетно-теоретических работ по исследованию возможностей применения комплексных (т. е. основанных на использовании наземных и спутниковых измерений) методов дистанционного определения общего содержания и приземных концентраций CO2 и NO2 в условиях реального замутнения земной атмосферы.
Рис.11. Зависимости скорости λс цикла мюонного катализа в D/T смеси изотопов водорода от температуры Т и концентрации трития Сt. |
В области исследований по мюонному катализу (МК): Завершена обработка и предварительный анализ данных экспериментов, выполненных на фазотроне ЛЯП ОИЯИ по программе всесторонних исследований мюонного катализа реакций синтеза в D/T смеси. Измерения проведены в широком интервале температур (20–800 К), давлений (0,2–1,2 от плотности жидкого водорода) и концентраций трития (15–85 %). При анализе данных использовался пакет программ, разработанных в ЛТИ на основе метода Монте-Карло для описания кинетики процессов МК. Получены важные результаты, показывающие, что при температурах до 300 К образование dtm-молекул характеризуется линейной зависимостью от плотности смеси, что согласуется с теоретическими расчетами и подтверждает правильность предположений об основных механизмах протекания реакций. Однако при высоких температурах, скорость процессов образования мезомолекул dtm оказалась меньше расчетной, что свидетельствует о недостаточности знаний теории и для полного согласования с экспериментом требует дальнейшей, более детальной разработки моделей, описывающих образование мезомолекул в плотных смесях и при высоких температурах. Результаты зависимости скорости цикла λс от температуры Т смеси и концентрации трития Сt представлены на рис. 11.
Полученная новая информация позволит с помощью теоретических моделей извлечь фундаментальные характеристики элементарных процессов МК, знание которых позволит научно обосновать возможность практического использования МК с целью получения интенсивных потоков нейтронов (~ 1017 н/с) и наработки ядерного топлива. Кроме того, полученные результаты будут использоваться в различных областях физики микромира.
Исследования по проблеме трех тел: Развитый ранее подход к решению задаче трёх тел на основе гиперсферических эллиптических координат обобщён на случай ненулевого полного момента количества движения. Создана вычислительная программа для расчёта химических реакций в трёхатомных системах (атом + двухатомная молекула), на основе которой выполнен расчёт реакций Cl+HD®H+DCl и Cl+HD®D+HCl. Сравнение полученных результатов со значениями, найденными с помощью самой известной на сегодняшний день и широко используемой в мире программы ABC, показывает, что точность нового подхода выше, и он гораздо более эффективен в вычислительном плане. Это открывает новые возможности в изучении химических реакций и, в частности, позволит проводить недоступные старым методам расчёты реакций в трёхатомных системах с двумя тяжёлыми атомами.
Построена в коллинеарном приближении квазиклассическая теория неупругих процессов в трёхчастичных кулоновских системах. Показано, что основным механизмом неадибатических переходов в таких системах является T-серия скрытых пересечений. Обнаружен также новый механизм переходов, названный комплексной Т-серией. Особенностью этого нового механизма является отсутствие потенциального барьера, отделяющего реагенты от продуктов реакции, и неадибатический переход происходит в комплексной плоскости "быстрой" переменной. Предложенная теория даёт хорошее количественное согласие с результатами точного квантово-механического расчёта.
В области исследований физических принципов работы ускорительно-бланкетных систем (УБС) для пережигания радиоактивных отходов ядерного топливного цикла: Показана принципиальная возможность создания экспериментальной установки для пережигания минорных актинидов. Выполнен расчет каскадного подкритического жидкосолевого реактора для пережигания радиоактивных отходов ядерного топливного цикла.
Квантово-химические исследования: получено выражение для величины туннельного расщепления колебательного уровня энергии нежёсткой молекулы с двумя эквивалентными минимумами на поверхности потенциальной энергии. Метод расчёта развит на основе квазиклассического метода ВКБ с учетом членов ~ħ2 в разложении для волновой функции такой молекулы. Возможности метода продемонстрированы на примере расчёта туннельных расщеплений двух нижних уровней колебательно-инверсионного спектра молекулы NH3. Полученные результаты показывают, что разработанный метод приводит к существенно лучшему согласию с экспериментальными данными по сравнению с обычно используемым стандартным (линейным по ħ) приближением.
Проведен анализ данных по измерениям характеристик процесса b-распада 
в твёрдых плёнках T2 при температуре 1.6K, выполненных с целью обнаружения массы нейтрино. На основе теории внезапных возмущений развит метод расчета вероятности электронных возбуждений, возникающих в кристалле трития после b-распада одной из его молекул. Созданный метод расчета реализован в виде компьютерной программы, с помощью которой моделируются процессы электронного возбуждения при b - распаде в твёрдом тритии.
Ученый секретарь ИМФ
