Субкритические и нулевой мощности критические установки, более известные как ядерные штабели, являются важнейшим инструментом для проведения ядерных исследований и образовательных программ в университетах по всему миру. Первая подобная установка была продемонстрирована еще в 1942 году в Чикаго, что ознаменовало начало новой эры в области ядерной физики и технологий. За прошедшие десятилетия субкритические штабели стали основой для обучения студентов и проведения фундаментальных экспериментов по нейтронному излучению и ядерному рассеянию. Тем не менее, их роль выходила за рамки образовательных целей и постепенно переключалась на научные исследования, направленные на развитие новых материалов, технологий и ядерных процессов. Одним из ведущих учреждений, активно развивающих технологии субкритических штабелей, является Университет Пердью в США.
Здесь была проведена модификация существующего субкритического штабеля, направленная на расширение его функциональных возможностей и усиление исследовательского потенциала. Основным нововведением стала интеграция крупного тестового объема — тестовой платформы, объемом около 150 тысяч кубических сантиметров, что значительно превышает размеры подобных установок в других университетах страны. Такой объем создает уникальные условия для размещения разнообразных материалов, электронных компонентов и исследовательских образцов, что открывает новые горизонты для экспериментов. Тестовая платформа в штабеле позволяет систематически изучать влияние нейтронного и гамма-излучения на материалы и интегральные электронные устройства. Это особенно важно в условиях применения коммерчески доступной электроники в высокорадиационных средах, включая космические технологии и оборонную промышленность.
Возможность тесного контроля и точного измерения потоков нейтронов и гамма-излучения в установленной рабочей зоне позволяет получать данные, которые в дальнейшем могут применяться для обучения машинного интеллекта и создания цифровых двойников ядерных систем. Такие цифровые модели способствуют оптимизации процессов, повышению безопасности и эффективному управлению объектами ядерной энергетики и исследований. Для определения уровня и распределения нейтронного потока в модифицированном штабеле используются методы нейтронной активации металлических фольг, изготовленных из золота-197 и индия-115. Фольги помещают в разные точки тестового объема и всей конструкции штабеля, после чего фиксируют их активацию через гамма-спектроскопию. Дополнительно применяются кадмиевые оболочки для дифференциации тепловых и эпитеpмальных нейтронов.
Такой подход обеспечивает разделение нейтронного излучения на группы и более точную характеристику энергового спектра нейтронов в рабочей зоне. Полученные экспериментальные данные были сопоставлены с результатами компьютерного моделирования с использованием высокоточных методов Монте-Карло. Программы OpenMC и MCNP, каждая со своими особенностями, позволили воссоздать геометрическую и материальную структуру штабеля с детализацией до каждого блока графита и топлива. При этом были определены основные источники нейтронов — америций-бериллиевые и плутоний-бериллиевые нейтронные источники, размещенные внутри конструкции, которые обеспечивают запуск и контроль цепной реакции. Моделирование показало высокую степень соответствия с экспериментальными данными, подтверждая надежность моделей.
Результаты измерений указывают, что в тестовом объеме достигается суммарный нейтронный поток порядка 9,5 × 10^3 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду, а тепловой нейтронный поток достигает около 6,5 × 10^3 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Эти показатели свидетельствуют о достаточном уровне радиационного поля для проведения испытаний влияния и стойкости электронных компонентов и материалов под действием нейтронов и гамма-излучения. Особое внимание при проектировании конструкции уделялось выбору материалов, чтобы минимизировать образование долгоживущих радиоактивных изотопов, что важно для экологической и радиационной безопасности исследований. В качестве основного конструкционного материала тестовой платформы был выбран алюминий из-за короткого периода полураспада образующихся изотопов, а также низкого захвата нейтронов. Это значительно упрощает процесс утилизации экспериментального оборудования и снижает радиационное облучение обслуживающего персонала.
Модифицированный субкритический штабель Пердью становится универсальной научной платформой, которая помимо традиционной образовательной функции способна поддерживать широкий спектр исследований. Помимо изучения влияния радиации на электронику, он пригоден для проведения экспериментов по активации изотопов, что важно для медицинской и промышленной ядерной физики. Ограниченное производство небольших количеств изотопов (менее 1 кюри) открывает дополнительные возможности для исследовательских и учебных процедур без необходимости доступа к крупным исследовательским реакторам. Значимым направлением использования является интеграция результатов испытаний с алгоритмами искусственного интеллекта. Создание обширных наборов данных для машинного обучения позволяет разрабатывать продвинутые системы контроля, диагностики и управления ядерными установками.
Внедрение цифровых двойников на основе собранных экспериментальных и смоделированных данных способствует улучшению безопасности эксплуатации и снижению риска аварийных ситуаций. Одним из вызовов остается точное разделение нейтронных потоков по энергиям и учёт влияния высокоэнергетических (эпитеpмальных и быстрых) нейтронов, которые не полностью устраняются кадмиевыми покрытиями. На основе экспериментальных данных и моделирования выявлено, что профиль потока нейтронов варьируется в разных точках тестовой платформы, что требует дальнейших исследований и возможных корректировок расчетных методик. Также была проведена оценка гамма-фона с использованием сцинтилляционного детектора на основе иодида натрия. Это позволяет получить общее представление об энергетическом спектре гамма-излучения в зоне испытаний, что важно для комплексной оценки радиационной среды.
Однако для более детального анализа предполагается проведение экспериментов с высокочувствительными германиевыми детекторами с минимальным риском повреждения оборудования. В целом, модифицированный субкритический штабель Университета Пердью демонстрирует перспективы стать одним из ведущих инструментов для проведения малоэнергетических ядерных экспериментов в университетской среде. Возможность размещения крупногабаритных образцов и устройств, высокая точность измерений, а также интеграция современных компьютерных методов моделирования создают благоприятные условия для развития ядерной науки и технологии. Данные, полученные в результате испытаний и моделирования, открывают широкие возможности для междисциплинарных проектов. Это включает ядерную физику, материаловедение, электрофизику, а также применение машинного интеллекта в науке.
Кроме того, успехи, достигнутые в разработке и эксплуатации этого штабеля, могут быть масштабированы и интегрированы в другие исследовательские установки и центры по всему миру. Одновременно с расширением возможностей для исследований и обучения следует уделять внимание вопросам безопасности и утилизации. Минимизация образования долгоживущих радиоактивных отходов и защита персонала являются приоритетами, встроенными в проектные решения. Созданные материалы и конструкции подтверждают, что современные технологии позволяют безопасно и эффективно использовать субкритические установки в образовательных и научных целях. Со временем данная платформа также способна стать площадкой для проверки новых технологий в области ядерной безопасности, диагностики реакторов, а также для оценки влияния радиационного излучения на современные микроэлектронные компоненты и системы связи, что актуально для военного и космического применения.
Таким образом, модернизация субкритического штабеля в Университете Пердью представляет собой значительный шаг в развитии научно-исследовательских ресурсов университета и расширении роли подобных установок в мировой ядерной науке. Субкритические штабели, которые ранее рассматривались лишь как инструменты обучения, теперь становятся полноценными исследовательскими центрами, объединяющими эксперименты, моделирование и инновационные технологии. Продолжающиеся исследования и повышения точности моделирования, совместно с экспериментальными методами, будут способствовать глубокому пониманию сложных процессов в ядерных системах, стимулируя развитие новых приложений и укрепляя безопасность и надежность ядерных технологий будущего.
