РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1996 года по МПК G21C11/02 

Изобретение относится к ядерной энергетике для космических аппаратов, в частности к радиационным защитам (РЗ) ядерных энергетических установок (ЯЭУ), предназначенных для снижения уровня ионизирующего излучения нейтронов и фотонов от ядерного реактора до значений допустимых для полезной нагрузки космического аппарата.

Известен ряд конструкций таких РЗ, использующих в качестве материала легкого компонента (предназначенного для снижения уровня нейтронного излучения) гидрид лития, заполняющий литьевым способом металлический контейнер, а в качестве материала тяжелого компонента (предназначенного для снижения интенсивности фотонного излучения) уран 238, либо вольфрам. Расположение материалов в защите выполнено путем чередования слоев легкого и тяжелого компонент (Описание конструкции РЗ космической ЯЭУ. Конструкция и расчет на прочность космических электро-ракетных двигателей. М. Машиностроение, 1970, с. 83; Конструкции РЗ космической ЯЭУ. Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ. Л. Энергоиздат, 1987, с. 275 - 277).

Недостатком этих конструкций является отсутствие профилирования тяжелого компонента, приводящее к увеличению массы РЗ.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция РЗ, содержащая два слоя гидрида лития, заключенных в оболочки, между которыми располагается слой вольфрама или урана 238. Его толщина геометрически спрофилирована с учетом изменения интенсивности фотонного излучения по радиусу РЗ и различий в необходимых кратностей ослабления излучения в направлении защищаемого объекта космического аппарата и агрегатов ЯЭУ, например, холодильника-излучателя. В конструктивном плане РЗ представляет собой два контейнера с гидридом лития, соединенных между собой оболочкой, с прикрепленным к ней диском тяжелого компонента (Описание конструкции РЗ ЯЭУ SP-100 в сборнике "Seven Symposium on Spase Nuclear Power System. Proceeding (in two part). Part One. Albuquerque Convention Center, Albuquerque, New Mехico, USA, January 7 10, 1990, р. 121 124).

Недостатком этой конструкции является существенное уменьшение к периферии толщины слоя тяжелого компонента, в результате которого снижается прочность и становится невозможным использование диска тяжелого компонента в силовой схеме РЗ и, как следствие, увеличение массы конструкции, связанное с необходимостью дополнительного крепления материала тяжелого компонента. Альтернативным вариантом при геометрическом профилировании является переразмеривание, с целью обеспечения прочности конструкции, периферийного слоя тяжелого компонента, что в итоге также ведет к увеличению массы РЗ.

Задача изобретения снижение массы РЗ или эквивалентное увеличению времени эксплуатации ЯЭУ, в течение которого достигается заданный флюенс нейтронов и фотонов на полезной нагрузке космического аппарата.

Техническим результатом изобретения является увеличение прочности слоя тяжелого компонента без снижения защитных свойств РЗ и ухудшения ее массогабаритных характеристик.

Технический результат достигается тем, что в радиационной защите космической ядерной энергетической установки, содержащей слои нейтроннопоглащающего материала (гидрида лития), заключенного в оболочку и слоя, ослабляющего поток фотонов, последний выполнен составным, центральная часть в виде диска из материала с высокими ослабляющими фотоны свойствами, а периферийная в виде фланца из конструкционного материала, обладающего худшими свойствами ослабления фотонов, но высокими прочностными характеристиками, при этом толщина фланца выбрана с учетом толщины металлоконструкций контейнеров с гидридом лития при которой их суммарная толщина определена по формуле
H= 1/j(r)•ln{π•T(r)•R²•D_o/Y_o•D_d},
где ;
j(r) эффективное сечение ослабления дозы фотонов;
R максимальный радиус слоя, ослабляющего фотоны;
T(r)-δD/δS вклад элемента поверхности слоя ослабляющего фотоны в дозу на плоскости детектирования;
D_о доза фотонов для исходной композиции;
D_d допустимая доза фотонов.

На чертеже представлено продольное сечение РЗ.

Радиационная защита космической ЯЭУ (чертеж) содержит контейнеры с гидридом лития 1,2 и слой тяжелого компонента, центральная часть которого выполнена в виде диска 3 из урана 238, либо вольфрама, а периферийная в виде фланца 4 из нержавеющей стали, например Х18Н10Т. Элементы крепления 5 и 6 контейнеров 1 и 2, выполненные также из нержавеющей стали, служат дополнительной защитой от фотонов.

Предлагаемая РЗ функционирует следующим образом.

В связи с анизотропией излучения реактора в направлении плоскости детектирования и различий в необходимых кратностях ослабления излучения в направлении защищаемого объекта космического аппарата и агрегатов ЯЭУ, например холодильника-излучателя, центральная часть слоя тяжелого компонента, выполненная из урана 238 или вольфрама, ослабляет наиболее интенсивный поток фотонов и обеспечивает при этом максимальную кратность ослабления.

Периферийная часть, выполненная в виде фланца из нержавеющей стали, обладая худшей способностью к ослаблению фотонов, но ослабляющая менее интенсивный поток фотонов, и имея при этом большую по сравнению с диском урана 238 или вольфрама толщину, обеспечивает необходимую кратность ослабления.

Таким образом, предлагаемая конструкция РЗ, отвечая условиям прочности, обеспечивает в каждой точке плоскости детектирования максимально допустимую дозу ионизирующего излучения, позволяя тем самым достигнуть минимальных массогабаритных характеристик. Как показывает расчет, в зависимости от габаритов защищаемой зоны выигрыш в массе РЗ может составить 5 8%

Cущность изобретения: радиационная защита содержит слой гидрида лития, выполненный составным. В центральной части защиты размещен диск из материала с высокими ослабляющими фотоны свойствами. На периферии диска установлен фланец из конструкционного материала. Толщина фланца выбрана из зависимости, учитывающей, в частности, дозу фотонов и характеристики конструкционного материала. 1 ил.

Радиационная защита космической ядерной энергетической установки, содержащая слои нейтронно-поглощающего материала гидрида лития, заключенного в оболочку, и слоя, ослабляющего поток фотонов, отличающаяся тем, что слой, ослабляющий поток фотонов, выполнен составным, центральная часть в виде диска из материала с высокими ослабляющими фотоны свойствами, а периферийная в виде фланца из конструкционного материала, обладающего худшими свойствами ослабления фотонов, но высокими прочностными характеристиками, толщина фланца выбрана с учетом толщин металлоконструкций контейнеров с гидридом лития, при которой их суммарная толщина: фланца из конструкционного материала и оболочки контейнеров с гидридом лития определена по формуле
H = 1/J(r)•ln{П•T(r)•R²•D_o/Y_o•D_d},
где

J(r) эффективное сечение ослабления дозы фотонов;
R максимальный радиус слоя, ослабляющего фотоны;
T(r)-δD/δS вклад элемента поверхности слоя, ослабляющего фотоны, в дозу на плоскости детектирования;
D₀ доза фотонов для исходной композиции;
D_d допустимая доза фотонов.