Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron TechniquesJournal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron TechniquesПоверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования1028-09603034-5731The Russian Academy of Sciences69813910.7868/S3034573125050043ArticlesСтатьиResearch ArticleRotating Water-Jet-Cooled Target for Compact Neutron SourceВРАЩАЮЩАЯСЯ МИШЕНЬ С ВОДЯНЫМ ИНЖЕКТОРНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ КОМПАКТНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВShvetsP. VШвецП. В

Research and Educational Center "Functional Nanomaterials"

Научно-образовательный центр "Функциональные наноматериалы"

pshvets@kantiana.ruProkopovichP. AПрокоповичП. А

Research and Educational Center "Functional Nanomaterials"

Научно-образовательный центр "Функциональные наноматериалы"

pshvets@kantiana.ruFatyanovE. IФатьяновЕ. И

Research and Educational Center "Functional Nanomaterials"

Научно-образовательный центр "Функциональные наноматериалы"

pshvets@kantiana.ruSidorkinS. FСидоркинС. Фpshvets@kantiana.ruGoihmanA. YuГойхманА. Ю

Research and Educational Center "Functional Nanomaterials"

Научно-образовательный центр "Функциональные наноматериалы"

pshvets@kantiana.ruI. Kant Baltic Federal UniversityБалтийский федеральный университет имени И. КантаInstitute for Nuclear Research RASИнститут ядерных исследований РАН150520255NO5 (2025)№5 (2025)293608122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesИнститут физики твердого тела РАН, Российская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/1028-0960/article/view/698139

Compact neutron sources, including those based on bombardment of beryllium by a proton beam (for instance, DARIA project), assume using of targets with high thermal loading (~10 kW). To dissipate this heating power, we previously developed a concept of a rotating water-cooled target. Each proton pulse hit a new beryllium plate allowing distributing heating power over a large area and achieving good heat removal from the system. However, the cooling was not ideal; high water flow was required leading to significant pressures near beryllium segments and creating a threat of their destruction during the operation of the device. Here, we consider a new and more efficient concept of water cooling suggesting that water flows normally to the cooled surfaces (jet cooling). Thermodynamical numerical simulations allowed us to estimate maximum temperature of targets and water pressure near the beryllium segments depending on the cooling water flow. We showed a significant improvement of all parameters of the device compared to the old concept of target assembly.

Компактные источники нейтронов, в том числе основанные на бомбардировке бериллия протонным пучком (например, как в проекте DARIA), предполагают использование мишеней, в которых выделяется большое количество тепла (~10 кВт). Для отвода этой мощности нами ранее была предложена концепция вращающейся мишени с водяным охлаждением, в которой каждый протонный импульс приходился на новую бериллиевую пластину. Это позволило распределить тепловую мощность по большой поверхности и добиться приемлемого теплоотвода из системы. Однако охлаждение было не оптимальным: требовались большие потоки воды, создающие существенные давления около бериллиевых сегментов, что создавало угрозу их разрушения в ходе эксплуатации прибора. В настоящей работе рассмотрена новая, более эффективная, концепция водяного охлаждения, в которой потоки воды направлены перпендикулярно охлаждаемым поверхностям (инжекторное охлаждение). Проведены термодинамические расчеты, позволяющие оценить максимальную температуру мишеней и давление воды около бериллиевых сегментов в зависимости от расхода охлаждающей жидкости. В результате показано значительное улучшение всех характеристик устройства по сравнению со старой концепцией блока мишени.

compact neutron sourcetarget assemblynumerical modellingthermodynamical simulationsberylliumwater-cooled rotating targetwater jet coolingкомпактный источник нейтроновблок мишеничисленное моделированиетермодинамические расчетыбериллийводоохлаждаемая вращающаяся мишеньинжекторное охлаждениеРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения № 075-15-2022-830 от 27 мая 2022 г. (продолжение Соглашения № 075-15-2021-1358 от 12 октября 2021 г.)Iyengar P.K. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1987. V. 255. № 1–2. P. 253. https://www.doi.org/10.1016/0168-9002(87)91111-9Carpenter J.M. // EPJ Web Conf. 2020. V. 231. P. 01001. https://www.doi.org/10.1051/epjconf/202023101001Grigoriev S.V., Kovalenko N.A., Pavlov K.A., Moskvin E.V., Syromyatnikov V.G., Grigoryeva N.A. // Bull. RAS: Phys. 2023. V. 87. № 11. P. 1561. https://www.doi.org/10.3103/S1062873823703690Subbotina V.V., Pavlov K.A., Kovalenko N.A., Konik P.I., Voronin V.V., Grigoriev S.V. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2021. V. 1008. P. 165462. https://www.doi.org/10.1016/j.nima.2021.165462Skalyga V.A., Izotov I.V., Vybin S.S., Kulevoy T.V., Kropachev G.N., Sitnikov A.L., Grigoriev S.V. // J. Phys: Conf. Series. 2022. V. 2244. P. 012092. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/2244/1/012092Pavlov K.A., Konik P.I., Kovalenko N.A., Kulevoy T.V., Serebrennikov D.A., Subbotina V.V., Pavlova A.E., Grigorev S.V. // Crystallography Reports. 2022. V. 67. P. 3. https://www.doi.org/10.1134/S1063774522010096Kropachev G.N., Kulevoy T.V., Sitnikov A.L., Vinogradov S.V., Khabibullina E.R., Skachkov V.S., Sergeeva O.S. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2023. V. 17. P. 759. https://www.doi.org/10.1134/S1027451023040079Kilmetova I.V., Kozlov A.V., Kropachev G.N., Kulevoy T.V., Liakin D.A., Sergeeva O.S., Skachkov V.S., Stasevich Yu.B. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. V. 17. № 4. P. 772. https://www.doi.org/10.1134/s1027451023040067Yamagata Y., Hirota K., Ju J., Wang S., Morita S., Kato J., Otake Y., Takeami A., Seki Y., Yamada M., Ota H., Bautista U., Jia Q. // J. Radioanalyt. Nucl. Chem. 2015. V. 305. P. 787. https://www.doi.org/10.1007/s10967-015-4059-8Moroz A.R., Kovalenko N.A., Grigoriev S.V. // J. Neutron Res. 2022. V. 24. P. 1. https://www.doi.org/10.3233/JNR-220025Baxter D., Gutberler T., Otake Y., Ott F., Wang X. // J. Neutron Res. 2021. V. 23. P. 99. https://www.doi.org/10.3233/JNR-210012Terroh S., Sordo F., Magán M., Ghiglino A., Martinez F., de Vicente P.J., Vivanco R., Thomsen K., Períado J.M., Bermejo F.J., Abdnades A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2013. V. 724. P. 34. https://doi.org/10.1016/j.nima.2013.04.072Shvets P.V., Prokopovich P.A., Fatyanov E.I., Clemeniyev E.S., Moroz A.R., Kovalenko N.A., Golhman A.Yu. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2023. V. 17. P. 792. https://www.doi.org/10.1134/S102745102304016XAgostini B., Fabbri M., Park J.E., Wojtan L., Thome J.R., Bruno M. // Heat Transfer Engineering. 2007. V. 28. № 4. P. 258. https://www.doi.org/10.1080/01457630601117799COMSOL Multiphysics → v. 6.1 (2022). COMSOL AB, Швеция. www.comsol.com. Дата посещения 31.01.2025Abraham J.P., Sparrow E.M., Tong J.C.K. // Int. J. Heat Mass Transf. 2009. V. 52. P. 557. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.07.009