НЕЙТРОНОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК G21G4/02 H05H3/06 

Изобретение относится к устройствам для получения нейтронов и может быть использовано при проектировании и эксплуатации мишеней сильноточных протонных ускорителей (нейтронные источники, электроядерные и трансмутационные установки на основе Pb-Bi, Hg и Ga, мишени для производства изотопов и т.д.).

Известно нейтроногенерирующее устройство, представленное в [1], в котором нейтроны образуются при воздействии протонов на мишень, содержащую сборку стержней или пластин из урана-238 (вольфрама) и охлаждаемую водой.

Известное устройство имеет недостатки, связанные, в основном, с использованием в нем воды в качестве теплоносителя. Низкая температура кипения воды (≈100^oC) и высокие значения упругости ее пара могут в ряде случаев приводить к неустойчивости теплогидравлического режима в параллельно охлаждаемых каналах мишени (кризис теплообмена) при работе с узким протонным пучком, а также к резкому повышению давления в системе охлаждения, вследствие чего возникает опасность разгерметизации устройства. Вода также обладает замедляющими свойствами по отношению к нейтронам, что в ряде случаев недопустимо (спектрометр по времени замедления в свинце).

Перед авторами стояла задача разработки нейтроногенерирующего устройства, исключающего указанные недостатки.

Поставленная задача решается тем, что разработанное устройство включает нейтроногенерирующую мишень из тяжелого материала (уран-238, вольфрам) и систему охлаждения, которая выполнена в виде циркуляционного контура, заполненного галлием. Циркуляционный контур содержит последовательно соединенные трубопроводами загрузочный бак галлия, фильтр, побудитель расхода, теплообменник. Мишень размещена между загрузочным баком и холодильником. На байпасе контура находится сливной бак галлия. Загрузочный бак галлия играет также роль компенсатора объема. Контур охлаждения мишени снабжен системой нагрева, газовакуумной системой, устройствами контроля температуры, давления и уровня теплоносителя, а также запорной арматурой (газовакуумные и жидкометаллические вентили).

Галлий имеет низкую температуру плавления (29,8^oC) и относительно высокую температуру кипения (2237^oC). Поэтому не следует ожидать, как в случае с водой, ухудшения теплогидравлических режимов работы мишени. Галлий практически не замедляет нейтроны. Таким образом достигается технический результат.

На фиг. 1 представлена функциональная схема нейтроногенерирующего устройства, где 1 - сливной бак галлия; 2 - загрузочный бак галлия; 3 - фильтр; 4 -электромагнитный насос; 5 - водяной теплообменник; 6 - мишень; 7 и 8 - контактные уровнемеры; 9 и 10 - мановакуумметры; 11 и 12 - жидкометаллические вентили; 13 и 14 - газовакуумные вентили.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Пучок протонов от сильноточного ускорителя попадает на стержни мишени, с которых испускаются нейтроны (преимущественно испарительные). Нейтроны затем, как правило, используются вне мишени для проведения нейтронно-физических исследований и пр. Теплоотвод с энергонапряженных элементов мишени осуществляется принудительным подводом к ним жидкого галлия с температурой ≈50^oC, нагревом его на несколько десятков градусов и последующим отводом на теплообменник, где температура теплоносителя снижается вновь до ≈50^oC.

Циркуляция галлия по контуру охлаждения мишени осуществляется с помощью побудителя расхода (электромагнитный насос). Снижение температуры жидкого металла в контуре осуществляется с помощью водяного теплообменника.

Очистка теплоносителя от возможных полидисперсных и растворенных примесей осуществляется при его прокачивании через фильтр, содержащий в себе слой многослойной кремнеземной текстурированной ткани, например марки МКТТ-2,2.А.

Обеспечение герметичности контура охлаждения мишени, поддержание избыточного давления инертного газа (аргон) в газовых полостях загрузочного и сливного баков, заполнение контура жидким галлием и, наоборот, освобождение контура от теплоносителя в предлагаемом устройстве осуществляются с помощью газовакуумной системы.

Пример реализации работы устройства. В загрузочный бак 2 контура охлаждения вольфрамовой мишени 6 помещали 90 кг (15 л) металлического галлия чистотой 99,99 мас.%. Затем устройство герметизировали. Далее с помощью газовакуумной системы через вентиль 14 вакуумировали контур, а затем заполняли до его до давления 1,2 ата инертным газом (аргон). После этого закрыв вентиль 11, отсекали байпас сливного бака 1. Металл, расплавившись при ≈50^oC, заполнял основной контур охлаждения мишенного устройства (вентиль 12 находился в открытом состоянии). Далее запускали в работу электромагнитный насос 4, собственно мишень, теплообменник 5. Расход жидкого металла по циркуляционному контуру поддерживался на уровне 0,3 м³/ч. Галлий охлаждал вольфрамовые стержни, разогревающиеся в процессе "высаждения" на них 30 кВт тепловой мощности протонного пучка. На выходе из мишени теплоноситель имел температуру ≈150^oC. В теплообменнике "галлий - стальная стенка - вода", работающем по принципу прямотока и представляющем тип "труба в трубе", жидкий металл охлаждался вновь до ≈50^oC. Расход воды через указанный элемент контура составлял 0,25 м³/ч. Далее галлиевый расплав, проходя через фильтр 3 с тканью МКТТ-2,2.А, очищался от возможных образовавшихся примесей. После чего жидкий металл попадал в компенсатор объема, а затем вновь поступал в мишень.

В процессе работы устройства с помощью системы нагрева, газовакуумной системы и приборов контроля осуществлялось поддержание уровней давления в газовых полостях (1,2 ата) и температуры "холодной" стороны циркуляционного контура (≈50^oC).

Вольфрамовое нейтроногенерирующее устройство эксплуатировалось 2000 ч. После чего мишень была отключена от протонного пучка, а галлий с помощью газовакуумной системы через вентиль 11 был передавлен в сливной бак 1.

Литература
1. Булкин Ю. М. , Грачев М.И, Колмычков Н.В. и др. Комплекс источников нейтронов на основе протонных пучков Московской мезонной фабрики. IAEA-CN-46/52, с. 369-376.

Изобретение относится к устройствам для получения нейтронов и может быть использовано в ускорительной технике. Устройство включает мишень из тяжелых материалов и систему ее охлаждения. Отличительной особенностью устройства является то, что система охлаждения выполнена в виде циркуляционного контура, заполненного галлием, снабженного системой обогрева и газовакуумной системой и содержащего последовательно установленные загрузочный бак, фильтр, побудитель расхода и теплообменник. Технический результат - обеспечение устойчивого теплогидравлического режима устройства и улучшение герметичности контура охлаждения. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Нейтроногенерирующее устройство протонного ускорителя, включающее мишень из стержней или пластин тяжелых материалов и систему ее охлаждения, отличающееся тем, что система охлаждения выполнена в виде циркуляционного контура, заполненного галлием, снабженного системой обогрева и газовакуумной системой и содержащего последовательно установленные загрузочный бак, фильтр, побудитель расхода и теплообменник, собственно мишень размещена между загрузочным баком и теплообменником. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала стержней или пластин мишени используют вольфрам. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала стержней или пластин мишени используют уран-238. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр содержит в качестве фильтрующего материала многослойную кремнеземную текстурированную ткань.