Преимущество нейтронов как инструмента исследований конденсированных сред перед другими видами излучений определяется возможностью выбора их энергии и длины волны, близкими к характерным энергиям и расстояниям в изучаемом объекте. Нейтронные пучки из отражателя реактора обладают достаточной интенсивностью в интервале 10^-3-10^-1 эВ (100 -1 Å), что перекрывает лишь малую часть области возможных интересов. Сдвиг спектра нейтронов в сторону меньших энергий с помощью замедлителя, охлажденного до температур жидкого водорода, позволяет изучать низкоэнергетические возбуждения до 10^-9 эВ и крупномасштабные структуры с характерными размерами до 104 Å. Не менее важным является увеличение нейтронного потока в области энергий 0,1-1,0 эВ. В динамике конденсированных сред это дает возможность исследования внутренних колебаний молекул, оптических фононов и магнонов, стонеровских возбуждений, экситонов, в структурных исследованиях - измерения минимальных размеров порядка атомного радиуса.

Для проведения исследований, требующих жесткого спектра нейтронов, на реакторе ПИК будет установлен источник горячих нейтронов (ИГН), который представляет собой высокотемпературный графитовый рассеиватель нейтронов. В результате столкновений нейтронов с ядрами горячего графита спектр нейтронов сдвигается в сторону больших энергий. Вывод нейтронов для использования в физических экспериментах осуществляется с помощью горизонтального экспериментального канала ГЭК-8.

Комплекс устройств, обеспечивающих безопасное функционирование ИГН, представляет собой установку ИГН. Установка ИГН состоит из следующих основных частей:
- реакторной части, включающей в себя все устройства, расположенные в шахте реактора: капсулу ИГН с графитовым блоком, штангу с кареткой, обеспечивающую фиксацию капсулы в заданном месте отражателя вблизи канала ГЭК - 8, крышку канала, которая удерживает в висячем положении капсулу ИГН вместе с кареткой и штангой, и головную часть канала ИГН, представляющую собой закрытый герметичным колпаком набор арматуры, измерительных устройств и предохранительных клапанов, обеспечивающий технологические переключения и безопасность эксплуатации ИГН;
- внереакторной части, включающей в себя технологическую систему установки ИГН, пульт управления элементами технологической системы, систему контрольно-измерительных приборов, автоматики и сигнализации.

Головная часть канала ИГН соединяется трубопроводом с технологической системой.

2. РЕАКТОРНАЯ ЧАСТЬ ИГН

2.1 Капсула ИГН

Капсула ИГН представляет собой двустенный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами, в котором размещен высокотемпературный рассеиватель нейтронов - графитовый блок в теплоизоляции из графитового войлока, рис.1.

2.1.1. Рассеиватель нейтронов

Рис.1 Капсула источника горячих нейтронов Из материалов, которые можно было бы использовать в качестве высокотемпературного рассеивателя нейтронов (Ве, ВеО, графит), предпочтение было отдано графиту. Несмотря на то, что в области температур 800 - 1000оС выигрыш в потоке горячих нейтронов для Ве и ВеО в 1,3 раза выше, чем для графита [1], эти вещества были исключены из рассмотрения: Ве имеет низкую температуру плавления (1280оС) и не обеспечивает необходимый уровень энергии горячих нейтронов, ВеО исключена из рассмотрения из-за токсичности, проблем радиационного повреждения и малого значения коэффициента теплопроводности.

Графит представляет собой технологичный высокотемпературный материал с хорошими нейтроннофизическими свойствами и используется в качестве высокотемпературного рассеивателя в ИГН реакторов FR-2 (Karlsruhe), GHFR (Grenoble), Orphee (Saclay). Следует отметить, что размеры графитового блока, соответствующие полной термализации нейтронов, сравнительно велики, и такой блок внес бы существенное возмущение в нейтронный поток отражателя реактора. Поэтому размеры графита выбираются скорее из конструктивных соображений. В предлагаемом варианте графитовый блок имеет цилиндрическую форму. Высота его выбрана равной 30 см, что обеспечивает достаточное превышение над высотой донышка горизонтального экспериментального канала ГЭК-8 (20 см). По данным работы [2] увеличение диаметра графитового блока с 11 см до 20 см увеличивает выход горячих нейтронов на 15%. По данным расчетов, представленным в [3], для условий реактора ПИК увеличение диаметра графитового блока с 16 см до 20 см при температуре 1900 К увеличивает выигрыш в потоке нейтронов с длиной волны 0,5 Å всего лишь на 6%. Поэтому диаметр блока выбран 20 см, где размер слабо влияет на выход горячих нейтронов.

Графитовый блок изготовлен из целого куска графита плотностью 1,7 г/см³, близкого по своим характеристикам к графиту марки ВПГ. Вес блока 17 кг. В блоке имеются три вертикальных сквозных отверстия диаметром 10 мм для свободного выхода газа из объема графитового войлока, расположенного ниже графита. Температура графитового блока измеряется в трех сечениях по высоте с помощью высокотемпературных W-Re-термопарных датчиков.

Для установки датчиков в графитовом блоке предусмотрены 3 канала с вставленными в них стаканами из Mo. Выводы термопарных датчиков проходят в трубопроводе внутренней полости капсулы в головную часть ИГН, где соединяются с выводами электрических разъемов. Необходимая температура графита обеспечивается только за счет радиационного нагрева. Накопление энергии Вигнера в графитовом блоке при работе реактора в течение длительного времени на малых мощностях, при которых температура графита недостаточна для отжига накапливающихся дефектов в структуре графита, не приводит к опасным всплескам температуры при выходе реактора на полную мощность.