Использование метода твердотельных трековых детекторов ядер для исследования нейтронно-физических характеристик систем, управляемых ускорителем

УДК 539.1.075:539.16

Использование метода твердотельных трековых детекторов ядер для иссле- 

дования нейтронно-физических характеристик систем, управляемых ускори- 
телем / И. В. Жук [и др.] ; под общ. ред. И. В. Жука, С. И. Тютюнникова ; На- 
циональная академия наук Беларуси, Объединенный институт энергетических 
и ядерных исследований – Сосны. – Минск : Беларуская навука, 2021. – 165 с. –  
ISBN 978-985-08-2794-4.

В книге изложена теория образования треков и охарактеризованы модели их формиро
вания при травлении. Представлены теоретические основы методики измерения различных 
нейтронно-физических величин с использованием твердотельных трековых детекторов ядер. 
Показан принцип работы электроядерных установок, управляемых ускорителем, и приведены 
основные цели изучения подобных систем.

Выполнены различные эксперименты на разнообразных подкритических системах, явля- 

ющихся моделями электроядерных установок для трансмутации радиоактивных отходов и производства атомной энергии.

Предназначена для научно-технических работников, магистрантов, аспирантов и студен
тов соответствующих специальностей учреждений высшего образования.

Табл. 34. Ил. 89. Библиогр.: 190 назв.

А в т о р ы:

И. В. Жук, С. И. Тютюнников, О. В. Бухал, К. В. Гусак, А. С. Потапенко,  

А. А. Сафронова, В. А. Воронко, В. В. Сотников

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук М. Л. Жемжуров

доктор физико-математических наук Ю. А. Федотова

ISBN 978-985-08-2794-4 
           © ГНУ «Объединенный институт энергетических  

 
 
 
 
 
 и ядерных исследований – Сосны»  

 
 
 
 
 
 НАН Беларуси, 2021

 
 
 
 
             © Оформление. РУП «Издательский дом  

 
 
 
 
 
 «Беларуская навука», 2021

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ADS
– accelerator driven system (электроядерные установки (системы), управляе
мые ускорителем)

АЗ
– активная зона

АЭС
– атомная электрическая станция

ДПР
– дочерний продукт распада

ДРАО – долгоживущие радиоактивные отходы
ДСцС – двойной сцинтилляционный спектрометр
МВП
– метод времени пролета

ММК – метод Монте-Карло
НФХ
– нейтронно-физические характеристики

НЦ
– нитрат целлюлозы

ОИЯИ – Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна, Российская Фе
дерация

ОЯТ
– отработавшее ядерное топливо

ПК
– поликарбонатные пластики

ППДН – полупроводниковый детектор нейтронов
ПС
– пропорциональные счетчики

ПЭТФ – полиэтилентерефталатные пластики
РАО
– радиоактивные отходы

ТВС
– тепловыделяющая сборка

ТТД
– твердотельные трековые детекторы

ТТДя
– твердотельные трековые детекторы ядер

ХТ
– химическое травление

ЭЛЯУ – электроядерные установки
ЭХТ
– электрохимическое травление

ЯРТ
– ядерные релятивистские технологии

ВВЕДЕНИЕ

История твердотельных трековых детекторов (ТТД) берет начало с авгу
ста 1958 г., когда Юнгом, сотрудником Центра исследований в области атомной энергии в Харуэлле (Великобритания) было обнаружено, что на кристаллах LiF, облучаемых в контакте со слоем урана тепловыми нейтронами, после 
химической обработки выявляются углубления – лунки травления (короткая 
публикация в журнале «Nature») [1]. Плотность этих углублений находилась 
в полном соответствии с числом осколков деления ядер урана, которые попадали на кристалл. Это позволяло сделать вывод о том, что каждое углубление 
образуется вокруг области повреждений кристалла осколками деления. 

Годом позже (в 1959 г.) Силк и Барнс из того же института сообщили о пря- 

мом наблюдении поврежденных осколками участков в слюде [2]. Повреждения имели вид тонких протяженных треков при наблюдении в электронный 
микроскоп. Наблюдения Силка и Барнса вскоре привели к открытию травления треков частиц и помогли создать чарующую ауру вокруг треков частиц  
в твердых телах.

В 60-х годах группа в составе Флейшера, Прайса и Уокера, работавших  

в Исследовательской лаборатории фирмы General Electric в Скутуктэди (штат 
Нью-Йорк), впервые осуществила разработку метода ТТД [3, 4]. Они применили методику травления, предложенную Юнгом, к облученной слюде,  
а затем и к большому набору других твердых веществ (стекло, пластик, кристаллы минералов). Пионеры в области изучения твердотельных трековых детекторов ядер (ТТДя) Флейшер, Прайс и Уокер работали над исследованием 
применения данного метода в различных областях науки и техники. В 1975 г. 
появилась сейчас считающаяся классической монография Флейшера с соавт.  
«Треки ядер в твердых веществах», в которой описано применение ТТДя  
в археологии, астрофизике, биофизике, цитологии, физике элементарных частиц, геохронологии, металлургии, ядерной физике, дозиметрии и многих дру- 
гих областях. 

Метод ТТДя нашел широкое применение во многих областях исследований  

благодаря ряду преимуществ:

природные материалы. Среди всех известных трековых детекторов излу
чений только ТТДя существуют как природные вещества, например, минерал 
слюда. Их можно использовать для исследований в геологии и космологии;

долговременное хранение информации, что позволяет считывать треки, 

оставленные тяжелыми ядрами космических лучей миллиарды лет назад;

воздействие тепловых и динамических процессов. Детекторы отличаются 

простотой в использовании, механической прочностью, не подвержены воздействию света и относительно умеренному нагреванию;

пороговая чувствительность. Различные материалы обладают разными 

пороговыми значениями регистрации частиц (по энергии и заряду), что используется при определении спектра энергии и заряда. Такой же подход применяется и при травлении детекторов; 

интегрированная природа записи треков. Ввиду того, что экспозиция де
текторов может составлять достаточно долгий промежуток времени, метод 
ТТДя можно использовать для регистрации редких явлений;

простота и стойкость к внешним условиям делают их особенно привлека
тельными для исследований во внешнем пространстве, например, на шарахзондах на больших высотах – при регистрации галактических космических 
лучей, а исключительная неприхотливость способствует их применению в качестве персональных дозиметров;

отсутствие электронной аппаратуры. Подсчет числа треков и их анализ 

можно проводить с помощью одного микроскопа;

небольшая геометрия, прочность, низкая цена. Детекторы могут быть лю
бых размеров, вплоть до мкм в диаметре, что часто делает их единственной 
доступной детектирующей системой в ограниченном объеме или в труднопроходимых местах. Гранулы минералов, пластики, стекла, использующиеся 
в качестве детекторов, травители имеют низкие цены.

Долговечность, простота и четко выраженные пороговые свойства чувстви
тельности детекторов способствовали их широкому применению во многих 
областях фундаментальных и прикладных исследований, перечислим наиболее значимые применения.

Исследование метода ТТДя Флейшером, Прайсом, Уокером и их коллегами 

началось с изучения метеоритов. Они использовали данный метод для освоения следов реликтового космического излучения, оставленных в кристаллах 
метеоритов. Космические лучи состоят на ~99,9 % из протонов и α-частиц, 
но кристаллы метеоритов не регистрируют их, иначе весь кристалл был бы 
пронизан треками этих частиц. Поэтому исследования концентрировались на 
изучении треков, оставленных тяжелыми (с зарядом Z ~20 и 28) и очень тяжелыми (с зарядом Z ˃ 28) компонентами космических лучей. Чтобы определить природу треков различных космических лучей необходимо повторить 
треки известных тяжелых ионов (разгоняемых на ускорителях) в различных 
конкретных кристаллах и изучить форму этих треков, что является довольно 
громоздкой процедурой. Обнаружено, что заряд и энергетический спектр космического излучения 4·109 лет назад не на много отличался от полученного 
теперь [5].

Метод трековых детекторов превосходно подходит для регистрации ред
ких процессов, таких как испускание радием 223Ra кластера 14C. Он приме

няется для обнаружения естественных сверхтяжелых элементов и изучения 
свойств синтезированных изотопов и элементов.

Большую работу провели различные лаборатории мира, изучая с помощью  

метода ТТД частоту фрагментации, сечения взаимодействий, аномалий в поперечных размерах фрагментов быстрых ядер при высокоэнергетических столкновениях. Различные сборки облучали тяжелыми ионами, а оставленные треки 
в трековых детекторах внимательно изучали. Так были определены сечения взаимодействий различных высокоэнергетических реакций, важных не только для 
ядерной физики, но и для космологических исследований.

Применение метода трековых детекторов в фундаментальных исследова
ниях можно расширить, к примеру, изучением магнитных монополей и внегалактической антиматерии, природного ядерного реактора в Окло, небарионных элементарных частиц и др.

Помимо фундаментальных исследований метод ТТДя получил широкое 

применение в прикладных исследованиях.

Данный метод используется в геологических и археологических исследо- 

ваниях, в результате которых с помощью усовершенствованной методики можно 
сделать выводы об изменениях температуры камней во времени. Все минералы содержат незначительное количество 238U, который распадается. Продукты  
деления образуют повреждения в кристаллах, которые можно посчитать после  
соответствующей обработки исследуемого материала. Поскольку число делений  
ядер в год фиксировано, все, что нужно для определения возраста камня, это 
найти количество 238U в кристалле. Помимо 238U в кристалле есть и 235U с большим сечением деления тепловыми нейтронами в известном соотношении. Для 
выявления количества 238U в кристалле необходимо облучить этот кристалл 
тепловыми нейтронами и уже по известному количеству 235U определить количество 238U.

Осколки спонтанного деления 238U (или любого делящегося нуклида) мож
но регистрировать, используя химическое травление (ХТ) в большинстве непроводящих минералов, входящих в состав горных пород. Это обстоятельство наряду с фактом, что уран является распространенным в геологических 
минералах следовым элементом с концентрацией примерно 10–6…10–9 г/г,  
открывает возможность для широкого применения метода датировки горных 
пород [6, 7].

Тот факт, что высокие температуры могли изменять форму трека, исполь- 

зовался для того, чтобы прийти к заключению об изменении температуры камня.  
По различной длине сохранившихся треков можно сделать вывод о различных 
тепловых режимах камня. Таким способом был изучен подъем горных пород 
из земной коры, так как кристаллы остывают по мере прохождения через нее.

Метод ТТД может применяться для поиска нефти. Нахождение мест зале- 

гания нефти путем бурения скважин – очень дорогостоящая процедура, бурление на каждый километр стоит миллионы долларов. Известно, что оптималь

ным режимом для образования легких гидрокарбонатов (таких как нефть) из 
примитивных органических материалов является температура ~100–200 °C 
и высокое давление. Оказалось, что именно в таком «температурном окне» треки 
продуктов деления в кристаллах апатита имеют отличительную форму (они 
выжигаются). Исследования показали, что по уменьшению длины треков в кристаллах апатита можно сделать вывод о местах залегания нефти.

Еще одним примером применения метода ТТДя является медицина, а именно 

бор-нейтронозахватная терапия – избирательное уничтожение клеток злокачественных опухолей путем накопления в них стабильного изотопа 10B и последующего облучения эпитепловыми нейтронами. В результате поглощения 
нейтрона бором происходит ядерная реакция с большим выделением энергии 
в клетке, что приводит к ее гибели. При планировании лечения с помощью 
ТТДя-мониторов исследуется пространственное распределение α-частиц, образующихся в результате реакции 10B(n, α)7Li. 

Одним из ранних применений методики травления треков было производ- 

ство фильтров с размером пор, соизмеримым с диаметром молекул. Такая разработка основывалась на том факте, что вслед за прохождением частицы с вы- 
сокой энергией через тонкий детектор, после соответствующего травления  
в детекторе образовывалась пора. Полученные таким способом пленки нашли широкое применение в промышленности, медицине, исследовании окружающей среды, что еще больше расширило сферу применения ТТДя. Микрофильтры используются в цитологии, для очистки воды, для контроля качества 
аэрозолей, разделения смешанных жидкостей и газов и пр.

Метод ТТДя широко применяется для мониторинга эманации природно
го радиоактивного газа 222Rn. Ядра радона постоянно возникают в природе 
при радиоактивном распаде материнских ядер (238U, 235U, 232Th). Ввиду химической инертности радон относительно легко покидает кристаллическую решетку «родительского» минерала и попадает в подземные воды, природные 
газы и воздух. Метод ТТДя чаще всего используется для измерения уровней 
радона в домах, местах общего пользования, шахтах, пещерах.

Уже более чем 40 лет ТТДя применяются в радиационной дозиметрии для 

мониторинга α-излучения и нейтронного излучения.

В промышленности ТТДя применяют для дефектоскопии металлов.
Следует отметить, что развитие ТТДя тесно связано с ядерной физикой.  

С помощью ТТДя можно исследовать характеристики ядерных реакций тяже- 
лых ионов в низких областях энергии, такие как: полное и парциальное сечение, распределение угла упругого рассеяния, определение механизмов реакций глубоко неупругого рассеяния и последовательного деления, распределение кинетической энергии, угловое распределение продуктов реакции в промежуточной и конечной стадиях. 

Применение ТТДя в основных исследованиях, связанных с ядерной фи
зикой, больше относились к изучению деления ядер. Начиная с наблюдения 
треков деления в слюде, трековые детекторы использовались для получения  

данных по времени жизни и периодам полураспада спонтанных делений составных ядер, сечений делений и высоты порога деления. За этим этапом работ последовало изучение деления тяжелых ядер, используя в качестве налетающих частиц тяжелые ионы и другие заряженные частицы.

Метод успешно применяется также для изучения ядерных реакций в высо
ких областях энергий. 

Более подробно рассмотрим применение ТТДя в изучении электроядерных 

систем (ADS-систем). 

За последние несколько десятков лет наблюдается заметный интерес  

к ADS-системам, и как с применением таких систем можно решить тревожащие человечество проблемы. Назовем две из них – это производство электроэнергии с помощью ADS-систем и обращение с долгоживущими радиоактивными отходами (ДРАО). 

Идея получения энергии на подкритических атомных станциях, что по
зволяет избежать повторения Чернобыля, принадлежит итальянскому ученому К. Руббиа. ADS-системы довольно просты и работают в подкритическом 
режиме с коэффициентом размножения нейтроном меньше 1. Такая принципиально безопасная концепция сочетает в себе ускоритель и подкритичный 
ядерный реактор, в котором принципиально не может произойти неконтролируемая цепная реакция.

Нерешенность проблемы утилизации ОЯТ, содержащего накопленные долго- 

живущие радиоактивные продукты деления и минорные актиниды, является  
одним из серьезных препятствий для развития традиционной атомной энергетики. На сегодняшний день отработанные тепловыделяющие сборки (ТВС), 
содержащие ОЯТ, не подвергаются переработке, а просто размещаются в комплексе пристанционных хранилищ действующих АЭС, ожидая разработки 
эффективных технологий переработки и создания соответствующих производственных мощностей. В качестве основного способа снижения активности 
реализуется просто их длительная выдержка.

Загрузка блока ВВЭР-1000 составляет ~80 т UO2 (~70 т урана). За 60 лет 

эксплуатации одного блока выгружается ~1600 т ОЯТ, содержащих в сумме 
~16,6 т трансурановых элементов, из которых ~16,0 т – изотопы плутония. 
При сегодняшних технологиях в процессе переработки 1 т ОЯТ (~0,1 м3)  
образуется ~45 м3 жидких высокоактивных радиоактивных отходов (РАО), 
~150 м3 среднеактивных и ~2000 м3 низкоактивных.

В замкнутом ядерном топливном цикле ожидается образование ежегодно 

в результате переработки до 25 м3/ГВт высокоактивных отходов, 50–100 м3/ГВт  
среднеактивных и до 700 м3/ГВт низкоактивных отходов. На хранилище Юкка  
Маунтин (США) емкостью 70 000 т ОЯТ было выделено ~96,2 млрд долл. США. 
Т. е. стоимость обращения с ОЯТ составляет ~1374 $/кг только капитальных 
затрат, не считая транспортных и эксплуатационных. Стоимость загрузки топлива на три года ВВЭР-1000 ~94 млн долл. США или ~1175 $/кг.

Таким образом, обращение с ОЯТ получается значительно дороже свежего 

топлива.

Исследования, проведенные в различных ядерных центрах России и дру
гих стран, указывают на принципиальную возможность уничтожения ДРАО 
в потоках нейтронов. В технической литературе этот способ получил название «ядерная трансмутация». Концептуальные исследования свидетельствуют о перспективности электроядерного способа производства нейтронов для 
трансмутации ДРАО. Этот способ заключается в использовании подкритического реактора (бланкета) с внешним источником нейтронов в виде нейтронопроизводящей мишени и ускорителя частиц. Такой тип установок называют 
ADS-системами. Помимо возможности уничтожения РАО с помощью ADS-си- 
стем можно производить энергию.

Реальной перспективой решения вышеупомянутых проблем является ис
пользование более жесткого, чем делительный, спектра нейтронов.

Для практической реализации этого пути предложена принципиально но
вая схема электроядерного метода, основанная на ядерных релятивистских 
технологиях (ЯРТ). В новой схеме предлагается вернуться к глубоко подкритической активной зоне (АЗ) из природного или обедненного урана и/или тория, как это и предполагалось делать в многочисленных работах по электроядерному бридингу, выполненных в разные годы, в первую очередь в ОИЯИ. 
Разработана концепция ЯРТ-энергетики, которая реализует эту схему.

В новой схеме предложено повысить энергию первичного протонного пуч
ка до 10–20 ГэВ. Это позволяет снизить на порядок требуемый ток ускорителя при той же мощности пучка, значительно повысить долю энергии пучка, 
идущую на нейтронообразование, и жесткость нейтронного поля в объеме АЗ. 
При этом, в отличие от «классической» электроядерной технологии, существенно проще решаются проблемы охлаждения нейтронопроизводящей мишени и организации окна ввода пучка.

В рамках схемы ЯРТ-энергетики может быть экономически и экологиче
ски эффективно решена проблема утилизации отработавших ТВС реакторов типа ВВЭР и РБМК, содержащих ОЯТ, без их сложной радиохимической 
переработки и разделения. При этом возможно одновременно существенно 
повысить технико-экономические показатели блока ядерной релятивистской 
электростанции и обеспечить значительное снижение долгоживущей активности и объемов захораниваемых РАО.

Исследованием ADS-систем занимались в CERN (Швейцария) и в ОИЯИ. 

Для исследования основных нейтронно-физических характеристик (НФХ) проводимых экспериментов в данной области в ОИЯИ применяли метод ТТДя. 

Метод ТТДя обладает рядом преимуществ по сравнению с другими мето
дами, позволяющих использовать его при исследованиях характеристик нейтронных полей в размножающих системах:

простота обработки;
широкий температурный диапазон;
малые размеры, дающие свести возмущения нейтронного поля к минимуму;

неограниченная память информации и возможность выполнения измере
ний в режиме offline, что позволяет проводить одновременно большое количество измерений;

высокая эффективность (до 100 %) и чувствительность (методом ТТДя мож
но проводить измерения в потоках нейтронов в ~103 раз ниже, чем активационным методом);

возможность многократного использования источника осколков деления 

(радиатора);

низкая стоимость детекторов и методики в целом, так как при обработке 

детекторов не требуется дорогостоящее оборудование;

высокая дискриминационная способность, позволяющая проводить измере
ния нейтронных полей на фоне высокой интенсивности других частиц, в частности, γ-излучения высокой интенсивности и β-излучения.

К недостаткам метода ТТД стоит отнести лишь трудоемкость обсчета де
текторов и влияние состояния поверхности контакта источника осколков деления с детектором на результат. Последний недостаток легко устраняется посредством шлифовки и полировки поверхности источника осколков деления.

В данной монографии описывается теория образования треков в детекто- 

рах и механизмы формирования треков при травлении (геометрия треков). Приведены теоретические методики определения важнейших НФХ подкритических систем, управляемых ускорителем. Кратко изложена классификация 
ADS-систем. Представлены результаты проведенных авторами экспериментов  
по нахождению нейтронно-физических величин подкритических систем, управляемых ускорителями с различными мишенями и геометрией от простой  
к сложной.