Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. Выпуск 27. Часть 2

Ф Г У П  
"РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР - 
ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ  
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ" 
Научно-исследовательское издание 
ВЫПУСК 27 
В двух частях 
Саров 
2022 

УДК 539.1(06) 
ББК  22.38 
    T78 
Т78 
     Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. Вып. 27.  
В 2 ч. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2022. – 382 с., ил. 
        ISBN 978-5-9515-0529-3 
        ISBN 978-5-9515-0531-6 (ч. 2) 
В сборнике «Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ» опубликованы результаты научных 
исследований, а также методических и проектно-конструкторских разработок 
в области прикладных задач теоретической физики, математического моделирования физических процессов, ядерной физики, физики ядерных реакторов, 
исследований по термоядерному синтезу, электрофизики, физики ускорителей, 
приборов и техники эксперимента, физики лазеров, гидродинамики, реологии, 
материаловедения, средств защиты от несанкционированных действий, электроники, радиотехники, оптоэлектроники. 
Главный редактор: академик РАН  Р. И. Илькаев 
Редакционный совет выпуска: академик В. П. Незнамов, д-р техн. наук Н. А. Билык, канд. физ.-мат. 
наук С. В. Воронцов, д-р физ.-мат. наук А. Е. Дубинов, д-р техн. наук А. И. Коршунов, канд. физ.-мат. 
наук С. В. Маврин, д-р техн. наук В. Н. Морозов, д-р техн. наук С. В. Колесников, д-р физ.-мат. наук 
Б. А. Надыкто, д-р физ.-мат. наук В. А. Раевский, д-р физ.-мат. наук В. Г. Рогачев, канд. физ.-мат. наук 
В. Г. Куделькин, д-р техн. наук Ю. И. Файков, канд. физ.-мат. наук В. В. Хижняков, д-р техн. наук  
П. Ф. Шульженко, Ю. М. Якимов, Е. В. Куличкова 
ISBN 978-5-9515-0529-3 
ISBN 978-5-9515-0531-6 (ч. 2) 
  © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2022 

ВЫПУСК 27 
Часть 2 

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА 3
Воинов М. А., Воронин В. В., Кулик В. В., Голубева О. А. 
Исследование возможности применения импульсного метода для 
измерения реактивности размножающих систем с отражателем .............  6
Никитин И. А., Богомолова Л. С., Хоружий В. Х., Богомолов А. В. 
Вопросы определения теплофизических и динамических параметров 
газовой среды в топливных блоках апериодического 
импульсного реактора БР-К1 .................................................................... 16
Дроздов И. Ю., Устюжанин П. В.
Модельное описание импульсных реакторов, используемое 
при расчетном сопровождении облучательных экспериментов ................  30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТРУДЫ  ÐÔßÖ-ÂÍÈÈÝÔ
ТРУДЫ  ÐÔßÖ-ÂÍÈÈÝÔ

ÐÀÇÄÅË
ßÄÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ, 
ÔÈÇÈÊÀ ßÄÅÐÍÛÕ 
ÐÅÀÊÒÎÐÎÂ 3
3

ЯДЕРНАЯ ÔÈÇÈÊÀ, ÔÈÇÈÊÀ ßÄÅÐÍÛÕ ÐÅÀÊÒÎÐΠ
ÓÄÊ 621.039.57 
DOI: 10.53403/9785951505316_2022_27_2_6 
Проведены эксперименты по регистрации  
в диапазоне от 0 до 40 мкс сигнала спада излучения активной зоны реактора ГИР2 при воздействии на нее внешнего интенсивного импульса нейтронов длительностью ~ 1 мкс. Исследовался интервал реактивности от подкритических (–7,5 β) до критических (+0,28 β) 
состояний реактора. Выяснено, что сигнал 
используемого детектора с пластмассовым 
сцинтиллятором зависит от реактивности  
и пропорционален изменению плотности термализованных нейтронов в конверторе реактора. Показано, что определение реактивности реактора ГИР2 на основании измерения 
спада сигнала сцинтилляционного детектора 
и известного выражения


1






возИсследование  
âîçìîæíîñòè  
ïðèìåíåíèÿ  
èìïóëüñíîãî ìåòîäà 
äëÿ èçìåðåíèÿ  
ðåàêòèâíîñòè  
ðàçìíîæàþùèõ  
ñèñòåì ñ îòðàæàòåëåì 
можно лишь для состояний с реактивностью 
не ниже ~ –3 β. 
Ì. À. Âîèíîâ, Â. Â. Âîðîíèí,  
Â. Â. Êóëèê, Î. À. Ãîëóáåâà 
Импульсные источники нейтронов высокой интенсивности являются мощным инструментом исследований в физике ядерных реакторов [1, 2]. Использование таких источников в сочетании с детекторами высокой разрешающей способности и современными средствами регистрации 
импульсных сигналов называется импульсным методом и позволяет выполнить широкий круг 
измерений. Основная цель импульсного метода – изучение поведения нейтронов после введения 
нейтронного импульса в изучаемую среду. В частности, импульсный метод широко используется 
для измерения реактивности подкритических и критических систем различной конфигурации [1]. 
Цель данной работы – изучение возможности применения импульсного метода к измерению реактивности компактных размножающих систем, имеющих активную зону (центральную 
часть) из обогащенного металлического урана и наружный отражатель.1 
Элементарная теория метода 
Принцип измерения реактивности с использованием импульсного источника нейтронов 
прост [1]: импульс нейтронов источника вводится в изучаемую подкритическую размножающую 
систему и наблюдается затухание плотности нейтронов в зависимости от времени. После завер Physics of Atomic Nuclei. 2019. Vol. 8. P. 1088 – 1094.1  
6

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÂÎÇÌÎÆÍÎÑÒÈ ÏÐÈÌÅÍÅÍÈß ÈÌÏÓËÜÑÍÎÃÎ ÌÅÒÎÄÀ… 
шения переходных процессов может быть измерена установившаяся постоянная спада мощности реактора 
.


 Соотношение между 

 и реактивностью получается из уравнения кинетики 
реактора 
dn
n
C
dt







        
 (1) 


1
,
i
i
i
где n – плотность нейтронов, 
1 k
l

 – время генерации мгновенных нейтронов, k – коэффициент размножения нейтронов в активной зоне (АЗ), l – время жизни нейтронов в АЗ,  = 0,007 – 
эффективная доля запаздывающих нейтронов, 
i
 – постоянная распада i-группы запаздывающих 
нейтронов, 
i
C  – концентрация предшественников i-группы запаздывающих нейтронов,  – реактивность (в единицах ). 
Поскольку рассматривается спад мгновенных нейтронов, вкладом предшественников запаздывающих нейтронов можно пренебречь. Тогда, согласно основному определению, постоянная 
спада 


1
1 dn
n dt







или 


1 .






        
  (2) 
При критичности на запаздывающих нейтронах  
к




и уравнение (2) можно переписать в виде 


к 1
.





     (3) 
Таким образом, измеряемая постоянная спада основной гармоники прямо пропорциональна 
реактивности. Константу пропорциональности можно получить по измерениям затухания импульса при критичности на запаздывающих нейтронах. 
Уравнение (2) не учитывает возможное изменение времени жизни и эффективной доли запаздывающих нейтронов в зависимости от реактивности. В обычных условиях, когда изменения 
реактивности невелики ( 0,1 ),

 изменением  и  в зависимости от реактивности можно пренебречь. Если изменения реактивности велики (несколько долларов), то следует вводить поправки 
на возможное изменение времени жизни нейтронов [1]. 
Для большинства практических приложений уравнения (2) и (3) с предполагаемой инвариантностью  и  удовлетворяют требованию точного определения реактивности. Однако необходима полная уверенность в том, что наблюдаемый спад является установившимся и соответствующим 

 [1]. 
Оборудование и аппаратура. Характеристика критической системы 
В качестве исследуемой размножающей системы в экспериментах использовалась АЗ импульсного реактора ГИР-2 [3] (рис. 1). 
7

ßÄÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ, ÔÈÇÈÊÀ ßÄÅÐÍÛÕ ÐÅÀÊÒÎÐΠ
 
Центральный 
 канал 
Верхний
 блок 
Верхний
 блок 
 
n--конвертор
Импульсный 
 блок 
Окно
Диафрагма 
Блок грубой 
 регулировки 
Опорный
 цилиндр 
Блок точной 
 регулировки 
 Опорная 
 плита 
 
Рис. 1. Активная зона реактора ГИР-2 
 
Центральная часть АЗ реактора ГИР-2 состоит из двух разделенных горизонтальной диафрагмой полусфер с вертикальным осевым отверстием, предназначенным для введения импульсного блока регулирования реактивности (ИБ). Верхний блок – неподвижная полусфера, состоящая из семи топливных полусферических оболочек различной толщины, вложенных одна в другую. В качестве топлива используется уран-молибденовый сплав (массовое содержание молибдена 
9 %). Нижний блок – подвижная полусфера (может перемещаться в вертикальном направлении) – 
состоит из блока грубой регулировки реактивности (БГР) и блока точной регулировки реактивности (БТР). По аналогии с верхней полусферой БГР собран из шести топливных полусферических 
оболочек, вложенных одна в другую. БТР является седьмой топливной оболочкой нижнего блока 
АЗ, которая имеет возможность собственного перемещения относительно БГР. Верхняя полусфера, 
БТР и БГР заключены в стальные оболочки (сталь марки 12Х18Н10Т). Для усиления гаммасоставляющей излучения в реакторе предусмотрен конвертор, который окружает центральную 
часть АЗ. Конвертирующий материал – гомогенизированная смесь полипропилена с окисью кадмия (массовое содержание окиси кадмия 6 %). 
С целью увеличения нейтронного выхода в одном из направлений в конверторе предусмотрено сквозное боковое окно диаметром 30 см, центр которого находится на уровне опорной диафрагмы, поддерживающей верхний блок.  
ИБ, выполненный из алюминия, имеет форму полого цилиндра, закрытого с торцов. При 
выполнении экспериментов ИБ находился в крайнем нижнем положении и не входил в состав 
изучаемой критической системы. 
Топливо – металлический обогащенный уран, легированный молибденом (9 %). Плотность 
~ 17,2 г/cм3. Обогащение по урану-235 в первых шести топливных оболочках верхнего блока  
и топливных оболочках БГР ~ 90 %. Обогащение по урану-235 в седьмой (внешней) оболочке 
верхнего блока и БТР 36 %. 
 
 
8

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÂÎÇÌÎÆÍÎÑÒÈ ÏÐÈÌÅÍÅÍÈß ÈÌÏÓËÜÑÍÎÃÎ ÌÅÒÎÄÀ… 
 
В ходе экспериментов реактивность устройства изменялась за счет перемещения блоков регулирования реактивности БГР и БТР посредством системы управления и защиты реактора. Контроль реактивности проводился штатным реактиметром ГИР-2. 
Импульсный источник нейтронов 
В качестве внешнего источника нейтронов использовался генератор импульсного потока 
нейтронов ИНГ-031. Устройство обеспечивало генерацию одиночных импульсов нейтронов длительностью на уровне 0,1 амплитуды импульса от 0,8 до 1,0 мкс и импульс синхронизации для 
запуска регистрирующей аппаратуры. Выход нейтронов в импульсе генератора составляет 


8
1,5
3,7 10


 частиц. Излучатель нейтронов устанавливался на уровне диафрагмы АЗ ГИР-2  
со стороны «нейтронного» окна конвертора. Расстояние до оси АЗ составляло 0,63 м (рис. 2). Высота над уровнем пола 1,4 м.  
 
 
1 
0,63 м
2
4 
1,2 м 
0,43 м 
1,2 м
3
 
Рис. 2. Схема размещения оборудования в экспериментах: 1 – АЗ ГИР-2,  
2 – ИНГ, 3 – мониторирующий детектор, 4 – рабочий детектор 
Регистрирующая аппаратура 
Из-за отсутствия детекторов нейтронов требуемой чувствительности и определенного временного разрешения в экспериментах использовался пластмассовый сцинтиллятор на основе  
полистирола. Измерения проводились одновременно по двум каналам со сцинтилляционными 
детекторами типа ССДИ8-2. Сцинтилляторы детекторов устанавливались вертикально на одной 
высоте с излучателем ИНГ. Для защиты от рентгеновского излучения на детекторы устанавливалась свинцовая защита толщиной 0,5 см. Один детектор (рабочий) устанавливался у АЗ с противоположной излучателю нейтронов стороны на расстоянии 0,43 м от оси АЗ. Второй детектор, 
мониторирующий выход нейтронов генератора, располагался дальше от АЗ со стороны излучателя ИНГ (см. рис. 2).  
 
 
9

ßÄÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ, ÔÈÇÈÊÀ ßÄÅÐÍÛÕ ÐÅÀÊÒÎÐΠ
 
Питание детекторов и контроль напряжения питания (3,3 кВ) ФЭУ детекторов обеспечивали блоки SPELLMAN SL-10, точность установки напряжения 1 %. В качестве регистраторов использовались осциллографы TDS-3012 (Tektronix), рабочая полоса частот 100 МГц. Длина кабельных линий связи ~ 20 м, тип кабеля РК75-4-15. Согласующая нагрузка на входе регистраторов 
75 Ом. 
Порядок проведения экспериментов 
Реактивность реактора, выведенного в необходимое состояние, измерялась с помощью 
штатной системы установки ГИР-2. Затем ИНГ генерировал импульс нейтронов и осуществлялась 
регистрация сигнала, формируемого физическими процессами в изучаемой системе. При слабом 
сигнале монитора эксперимент повторяли до появления сигнала, соответствующего наибольшему 
нейтронному выходу генератора. Измерения проводились в диапазоне от подкритических (–7,5 β) 
до надкритических (+ 0,28 β) состояний реактора с учетом запаздывающих нейтронов деления. На 
рис. 3 показана типичная для данных экспериментов форма сигналов детекторов при критическом 
(+ 0,002 β) состоянии реактора.  
 
20
6
18
5
16
14
4
12
10
3
8
2
6
Амплитуда рабочего сигнала, В 
4
1
Амплитуда мониторирующего сигнала, В 
2
0
0
510–6 
110–5 1,510–5
210–5 2,510–5
310–5 3,510–5 410–5 
Время, с 
 
 
 
Рис. 3. Форма сигнала детекторов в критическом состоянии реактора ГИР-2. Верхняя кривая – сигнал  
рабочего детектора, нижняя кривая – сигнал мониторирующего детектора 
Анализ результатов экспериментов 
Известно, что сигнал сцинтилляционного детектора зависит от энергии и вида регистрируемых частиц. В табл. 1 приведены значения относительной чувствительности используемых детекторов к нейтронам различной энергии и гамма-квантам 60Cо (1,17 и 1,33 МэВ). 
 
 
10