СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ НЕЙТРОНАМИ Российский патент 1995 года по МПК G21K5/00 

Изобретение относится к ядерной технике, предназначено для облучения образцов материалов моноэнергетическими нейтронами при исследовании наведенной радиоактивности, возникающей при облучении нейтронами, и может быть использовано для образования трансурановых элементов; для осуществления интенсивного деления или возникновения цепной ядерной реакции в делящемся материале, когда число ядер в облучаемом делящемся материале значительно меньше его критической массы; для эффективного получения гелия и трития из лития-6, а также в других случаях, когда требуется облучение большим флюенсом моноэнергетических нейтронов.

Общепринятым, традиционным способом облучения образцов различных материалов является их облучение в экспериментальных каналах ядерного реактора, при ядерном взрыве, на нейтронных генераторах, изотопных источниках и т.д. т. е. когда источник нейтронов и облучаемая мишень по сравнению со скоростью тепловых нейтронов, равной 2200 м/с, практически неподвижны [1] При этом в большинстве практических случаев возникает необходимость в облучении материалов большим флюенсом моноэнергетических нейтронов. Такое облучение трудновыполнимо за исключением облучения тепловыми (Е_н ≅ 0,5 эВ) и быстрыми (Е_н ≈ 14 МэВ) нейтронами. Другие источники моноэнергетических нейтронов, например генератор Ван-де-Граафа, у которого энергия моноэнергетических нейтронов может изменяться от 10⁴ до 10⁶ эВ при выходе нейтронов 10⁶-10¹⁰ н/с, создают на облучаемом образце недостаточно высокие плотности потоков нейтронов. При этом в диапазоне энергий нейтронов от 0,025 до 10⁴ эВ практически полностью отсутствуют источники моноэнергетических нейтронов с существенной плотностью потока нейтронов на облучаемом образце (т.е. с плотностью потока нейтронов более 10⁶-10¹⁰ н/см² ˙c).

Целью изобретения является облучение образцов материалов интенсивным моноэнергетическим потоком нейтронов с заранее заданной величиной их энергии E_обл.

Для этого испускаемые точечным источником высокоэнергетические нейтроны сначала замедляются до тепловых или ультрахолодных энергий Е_зам, а затем в полученном поле тепловых ли ультрахолодных нейтронов с определенной скоростью (определяемой задачей эксперимента), в частности по круговой траектории вокруг точечного источника, начинает вращаться предварительно превращенный в газ или плазму облучаемый материал с такой относительной линейной скоростью v, что скорость (энергия) взаимного сближения замедленных нейтронов и перемещающихся ядер облучаемого материала совпадает с выбранной величиной энергии облучения Е_обл, причем для случая, когда движение замедленных нейтронов и облучаемого материала взаимно перпендикулярны, линейная скорость перемещения облучаемого материала связана с энергией облучения и энергией замедленных нейтронов соотношением
v c· , (1) где c скорость света, м/с;
Е_но энергия покоя нейтрона, эВ;
Е_обл. энергия облучения материала, эВ.

Это выражение получено из известного выражения для кинетической энергии движущейся частицы
E_кин= m_oC², (2) где m₀c² Е_но энергия покоя, эВ;
v скорость, м/с;
c скорость света, м/с;
m₀ масса покоя частицы.

Для того чтобы облучаемый материал не был слишком прозрачным и, кроме того, не происходило существенного экранирования нейтронного потока, т.е. для уменьшения массы бесполезно перемещаемого облучаемого материала, атомную плотность n_я и толщину облучаемого материала δ необходимо выбирать такими, чтобы кратность снижения плотности потока замедленных нейтронов перемещаемым облучаемым материалом удовлетворяла соотношению
1,01 ≅ K ≅ 100, (3) где K ; (4)
n_я атомная плотность облучаемого материала, яд/м³;
δ толщина облучаемого материала, м;
σ (Е_н(v*)) микроскопическое сечение взаимодействия нейтронов, перемещающихся со скоростью v, с неподвижным облучаемым материалом, барн;
v* скорость взаимного сближения нейтронов с энергией Е_зам с ядрами движущегося со скоростью v облучаемого материала, м/с;
v_н(Е_зам) скорость нейтронов, имеющих энергию, Е_зам, м/с.

Сущность изобретения заключается в том, что замедленные нейтроны практически стоят на месте, в то время как движущиеся с большой скоростью относительно замедленных нейтронов ядра облучаемого материала поглощают на своем пути почти все встречающиеся нейтроны.

Рассмотрим процесс образования замедленных нейтронов и характер их взаимодействия с движущимся облучаемым материалом.

Если, например, точечный источник быстрых нейтронов расположен в воде, то для этого случая на чертеже кривой 1 представлено распределение плотности потока замедленных до тепловых энергий нейтронов в зависимости от расстояния R до центра источника. Кривая 2 на чертеже показывает плотность потока тепловых нейтронов, проходящих через сферу радиуса R.

Из представленных на чертеже данных видно, что в диапазоне расстояний от 10 до 18 см плотность потока тепловых нейтронов, проходящих через сферу, практически равна выходу быстрых нейтронов из источника. Теперь для того, чтобы большинство проходящих через сферу тепловых нейтронов попало на облучаемый материал и кроме того, при этом их энергия (скорость) встречи имела наперед заданную величину, облучаемый материал превращают в газ или плазму и затем с заданной скоростью вращают вокруг точечного источника в полом канале, стенки которого должны быть прозрачны для тепловых нейтронов. Вращение облучаемого материала должно осуществляться по такой траектории, чтобы через облучаемый материал проходило как можно больше исходящих от источника и идущих к нему тепловых нейтронов (в идеале это будет сфера).

Количественной оценкой числа поглощенных в облучаемом материалe тепловых нейтронов может служить кратность снижения плотности потока этих нейтpонов, которая ориентировочно может быть получена из формулы
K , (5) где n_я число ядер в облучаемом материалe, яд/м³;
σ (Е_н) микроскопическое сечение поглощения нейтронов с энергией Е_н. барн;
δ толщина облучаемого материала, м.

Когда облучаемый материал движется со скоростью v, путь нейтронов, падающих перпендикулярно к направлению перемещения облучаемого материала, станет равным
L , (6) где v_н скорость нейтрона, м/с.

Т. е. нейтроны из-за большого пути в облучаемом материале имеют большую вероятность провзаимодействовать с ним.

Однако в связи с увеличившейся скоростью (энергией) взаимного сближения нейтронов с ядрами облучаемого материала, сечение взаимодействия (поглощения) необходимо брать для нейтронов, энергия которых рассчитана по формуле (2), причем скорость нейтронов в этом случае необходимо брать равной суммарной взаимной скорости сближения нейтронов с ядрами движущегося облучаемого материала. Исходя из этого, кратность снижения плотности потока замедлившихся и движущихся в облучаемом материалe нейтронов определяется формулой (4), которая получена из формулы (5) путем подстановки соответствующего сечения взаимодействия и длины пути нейтронов движущихся в облучаемом материалe.

Величина активности неподвижного образца, находящегося в поле нейтронов без учета выгорания и без учета изменения плотности потока нейтронов по объему образца, определяется формулой
Q₁= 1 e [Бк/кг] (7) где P распространенность облучаемого изотопа,
m масса, кг;
σ_акт сечение активизации, барн;
Ф плотность потока нейтронов, н/м²;
N_o число Авогадро;
А массовое число облучаемого изотопа;
λ постоянная распада образующегося радиоактивного нуклида, с^-1;
Т время облучения, с.

Величина активности перемещаемого в поле нейтронов облучаемого материала получается из формулы (6) при соответствующей подстановке сечения активизации и длины пути нейтронов в движущемся облучаемом материале. В этом случае активность перемещаемого облучаемого материала определяется формулой
Q₂= (1- e^-λT) , (8) где σ (Е_н(v*)) сечение активизации для нейтронов, имеющих скорость (энергию) v*, барн;
v* скорость взаимного сближения нейтронов с ядрами облучаемого материала, м/с;
v скорость перемещения облучаемого материала, м/с;
v_н(Е_зам) скорость нейтронов, имеющих энергию Е_зам, м/с;
Е_зам энергия замедленных нейтронов, м/с.

П р и м е р 1. Получение радиоактивных элементов например кобальта-60. Выберем энергию облучения Е_обл, равную энергии пика резонанса кобальта (Е_рез 132 эВ, σ_рeз 9700 барн), тогда скорость перемещения облучаемого кобальта, полученная из формулы (1), равна 1,6˙10⁵ м/с. Для данной скорости вращения облучаемого кобальта толщиною 1 см и ядерной плотностью 1˙10¹⁷ яд/см³ или, что то же самое толщиной 100 см и ядерной плотностью 10¹⁵ яд/см³ кратность снижения плотности потока тепловых нейтронов, рассчитанная по формуле (4), будет равна 1,07 (т.е. при такой плотности газообразного кобальта его равномерность облучения обеспечивается).

В качестве источника нейтронов используем нейтронный генератор с выходом 2˙10¹¹ н/с, из которых 90% превращаются в тепловые нейтроны на удалении 20 см от центра мишени, находящейся в баке с водой. Исходя из формулы (8), для простоты предположим, что газообразный кобальт представляет собой шаровый слой с радиусом 20 см и толщиною 1 см (объем 5˙10³ см³, масса кобальта 5˙10^-2 г, число ядер 5˙10²⁰), тогда из формулы (8) получим, что на момент конца облучения при облучении в течение 0,5 ч активность радиоактивного кобальта равна Q₂ 9,6˙10⁴ Бк для кобальта-60 или Q₂' 4,1˙10⁸ Бк для кобальта-60 m.

Для сравнения, при неподвижном облучаемом газообразном кобальте (сечение активации для тепловых нейтронов σ 36 барн) активность кобальта, рассчитанная по формуле (7), для аналогичного предыдущему примеру случаю равна Q₁ 4,8 Бк (Со⁶⁰) и Q₁' 2,1˙10⁴ Бк (Со^60m).

Из приведенных данных видно, что при облучении кобальта предлагаемым способом его активность в 2˙10⁴ раз больше, чем в том случае, когда он будет облучаться традиционным способом (т.е. тогда, когда мишень неподвижна), или же в 80 раз меньше, если облучать моноэнергетическими нейтронами, энергия которых равна энергии резонанса кобальта.

П р и м е р 2. Получение трансурановых элементов.

Из данных по получению трансурановых элементов на ядерных реакторах и при ядерных взрывах следует, что достаточно большой выход трансурановых элементов имеет место в том случае, когда на каждый атом мишени приходится примерно 100 нейтронов.

Исходя из этого, рассмотрим время облучения урана-238 предлагаемым способом. Выберем скорость перемещения облучаемого урана по резонансному пику с энергией 36,8 эВ ( σ_рез 36250 барн), которая будет равна 8,4˙10⁴ м/с (предполагая, что этот резонанс сохраняется в течение всего времени облучения).

Кратность снижения плотности потока тепловых нейтронов, рассчитанная по формуле (4), для скорости перемещения 8,4˙10⁴ м/с, толщине газообразного урана 1 см и ядерной плотности 6˙10¹⁷ яд/см³ будет равна 2,3 (те. ≈ 60% падающих на уран нейтронов поглотится в нем 1- 100.

Если использовать водо-водяной реактор мощностью 200 МВт, в котором рождается 1,5˙10¹⁹ н/с, и считать, что 20% нейтронов замедляется в воде, которые затем попадут на перемещающуюся мишень урана, из которых 60% поглотится в мишени, получим, что 1,8˙10¹⁸ н/с поглощается в мишени.

Если предположить, что мишень урана представляет собой шаровый слой толщиною 1 см и радиусом 50 см, то этом слое будет 1,9˙10²² ядер урана. Исходя из полученных данных, найдем время, в течение которого каждый атом мишени провзаимодействует со 100 нейтронами:
T 12,2 дня
Для сравнения, при аналогичном облучении, но при неподвижном облучаемом газообразном уране сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами будет в 13426 раз меньше , при этом путь, проходимый тепловыми нейтронами в облучаемом материале, уменьшится в 38,2 раза. Следовательно, время облучения увеличится в 5,1˙10⁵ раз, т.е. в этом случае каждый атом урана провзаимодействует со 100 нейтронами за 6,2˙10⁶ дней (или за 17000 лет).

П р и м е р 2. Осуществление интенсивного деления или возникновение цепной ядерной реакции в делящемся материале.

Если в предлагаемом способе облучения в качестве облучаемого материала использовать делящееся вещество, например плутоний-239 ( σ_тн 742 барна при Е_тн 0,025 эВ), то для рассмотрения процессов деления удобно пользоваться эффективным сечением деления W, которое представляет собой произведение значения сечения деления в резонансе σ_рез на кратность увеличения длины пути тепловых нейтронов в движущемся облучаемом материале К₁ и на плотность материала. Кратность увеличения длины пути нейтронов определяется формулой
K₁= , где v скорость перемещения облучаемого материала (формула 1);
V_тн скорость тепловых нейтронов.

Для разных значений энергии резонансов плутония-239 в таблице приведены значения скорости перемещения облучаемого материала v; кратность увеличения длины пути тепловых нейтронов в облучаемом материале К₁; эффективное сечение деления W (без учета плотности материала) и отношение эффективного сечения деления к сечению деления плутония-239 тепловыми нейтронами К₂.

Из представленных в таблице данных видно, что при облучении плутония-239 предлагаемым способом, используя для этой цели резонанс с энергией Е_рез 75,21 эВ, эффективное сечение деления возрастет примерно в 180 раз по сравнению, если плутоний облучать тепловыми нейтронами, или в 55 раз, если облучать моноэнергетическими нейтронами с энергией 75,21 эВ. Следовательно, приведенные данные показывают, что критическая масса плутония-239 для начала цепной ядерной реакции примерно в такой же степени может быть уменьшена при использовании предлагаемого способа облучения (т.е. минимальная критическая масса плутония-239 в водных растворах может быть уменьшена с 460 г практически до 2-3 г).

Использование: исследование наведенной радиоактивности, возникающей при облучении нейтронами, образование трансурановых элементов, осуществление интенсивного деления или цепной ядерной реакции в делящемся материале, эффективное получение гелия и трития из лития-6 и т.д. Сущность изобретения: для обеспечения преимущественно моноэнергетического облучения вначале нейтроны замедляют для тепловых или ультрахолодных энергий. Затем облучаемый образец перемещают со скоростью, значительно большей, чем у облучающих нейтронов, благодаря чему практически во столько же раз увеличивают путь нейтронов в образце. Если сечение взаимодействия не зависит от энергии, то во столько же раз возрастет и вероятность взаимодействия нейтронов с образцом. Предлагаемый способ позволяет за счет изменения скорости перемещения облучаемого материала проводить исследования по облучению материалов моноэнергетическими нейтронами различной энергии. Если облучаемый материал имеет ярко выраженный резонанс в сечении взаимодействия, энергия которого совпадает с энергией (скоростью) взаимного сближения нейтронов с ядрами движущегося материала, то в этом случае сечение взаимодействия будет определяться параметрами этого резонанса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ НЕЙТРОНАМИ, заключающийся в том, что материал облучают нейтронами требуемой энергии нейтронного источника, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности облучения материалов моноэнергетическими нейтронами с заданной величиной их энергии во время облучения, испускаемые нейтронным источником нейтроны предварительно замедляют до тепловых или ультрахолодных энергий, затем превращают в ионизированный газ или плазму облучаемый материал и облучение осуществляют путем перемещения его в поле замедленных нейтронов с такой относительной линейной скоростью, при которой энергия взаимного сближения замедленных нейтронов и перемещающихся ядер облучаемого материала совпвдают с требуемой знергией облучения, при этом атомную плотность n_я и толщину облучаемого материала δ выбирают такими, чтобы кратность K снижения плотности потока замедленных нейтронов в облучаемом материале удовлетворяла условию

где n_я атомная плотность облучаемого материала, яд/м³;
δ толщина облучаемого материала, м;
σ(E_н(V^*)) микроскопическое сечение взаимодействия нейтронов, перемещающихся со скоростью V^x с неподвижным облучаемым материалом, барн;
V^x скорость взаимного сближения нейтронов с энергией E_зам с ядрами движущегося со скоростью V облучаемого материала, м/с;
V_зам (Е_зам) скорость нейтронов, имеющих энергию Е_зам, м/с. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения максимального эффекта взаимодействия нейтронов с материалом, облучаемый материал перемещают с такой относительной скоростью V, при которой энергия взаимного сближения замедленных нейтронов и перемещающихся ядер облучаемого материала равна энергии резонансного пика взаимодействия облучаемого материала с нейтронами, при этом линейную скорость V перемещения облучаемого материала определяют из формулы

где c скорость света, м/с;
E_нo энергия покоя нейтрона, эВ;
Е_рез энергия пика резонансного взаимодействия облучаемого материала с нейтронами, эВ.