НЕЙТРОНОРОЖДАЮЩАЯ МИШЕНЬ Российский патент 2000 года по МПК G21G4/02 H05H6/00 

Изобретение относится к источникам нейтронов для ядерных исследований, а более конкретно к электроядерным установкам (ЭЯУ) с энергией протонов ускорителя-драйвера не выше 75-100 МэВ или дейтронов до энергий 30-50 МэВ, и может быть использовано в мишенно-бланкетном комплексе с тяжеловодным замедлителем и теплоносителем.

Известно устройство нейтронорождающей мишени [1] для тяжеловодного бланкета, содержащее элемент для преобразования ускоренных заряженных частиц в нейтроны, выполненный из бериллия в форме полого конуса, обращенного вершиной вниз, с основанием конуса вакуумно-плотно и неразъемно соединенным с нижним торцом вакуумированного вертикального участка ионопровода так, что мишень служит дном участка, на поверхность конуса нанесено защитное алюминиевое покрытие, причем конус и нижняя часть ионопровода охвачены коническим соплом, обеспечивая возможность подачи воды для омывания наружной поверхности конуса и слива воды выше уровня мишени в окружающий резервуар.

Это устройство фактически является единственным известным в литературе из предназначенных для штатной эксплуатации в условиях сильного тока пучка (0,5 мА) и энергии протонов 36 МэВ или близкой к этому. Указанное устройство является наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков.

Недостатком устройства является функциональная перегрузка конической мишени, которая наряду с преобразованием заряженных частиц в нейтроны выполняет функцию стенки вакуумной камеры (ионопровода). Изделия из металлического бериллия обычно изготавливают методом порошковой металлургии. Воздействие протонов высокой интенсивности на стенку конуса приводит к образованию и накоплению структурных повреждений и, начиная с определенных значений накопленного флюэнса протонов, возникает опасность разрушения стенки, т.е. вакуумной течи, а затем разгерметизации по воде. Своевременная замена мишени требует замены всего вертикального участка ионопровода, что неэффективно, поскольку требует предварительного изготовления нескольких комплектов на кампанию, что дорого.

Техническим результатом заявленного решения является повышение надежности и увеличение ресурса мишени, а также ускорение процедуры замены мишени.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве элемент для приема пучка заряженных частиц дополняется цилиндрическим выпускным стаканом, выполняемым из алюминиевого сплава, неразъемно присоединяемым к нижнему торцу вертикального ионопровода, с тонким окном-донышком толщиной не более 1 мм; наружная цилиндрическая поверхность стакана обработана под плотную посадку; сам элемент для приема пучка заряженных частиц выполняется в виде сочетания цилиндра и конуса, цилиндрическая часть по внутренней поверхности обработана под плотную посадку на выпускной стакан, конический участок выполнен в виде усеченного конуса с кольцевой площадкой в области перехода конус-цилиндр; на кольцевую площадку уложена и к ней вакуумно-плотно присоединена круглая пластина входного окна, выполненного в виде столика на соосной с конусом трубчатой ножке, закрепленной в отверстии узкой части конуса и соединяющей области ниже конуса и выше пластины окна. Расстояние между выходным окном выпускного стакана и входным окном элемента приема пучка заряженных частиц 1-1,5 мм.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематически показан вертикальный разрез узла нейтронорождающей мишени, установленного в коническое сопло патрубка, ведущего от напорной камеры или отдельного тракта подкритического бланкета.

Дополнение элемента для приема пучка заряженных частиц цилиндрическим выпускным стаканом с тонким выпускным окном-донышком толщиной не более 1 мм, выполняемым из алюминиевого сплава, позволяет разделить вакуумную полость ионопровода и зону (p,n)-реакции, что понижает вероятность внезапной разгерметизации ускорителя, т.е. повышает надежность.

Кроме того, конструкция реализует вариант трехслойного окна - окно выпускного стакана, приемное окно конуса и между ними слой охлаждающей воды, поступающей из трубки-ножки окна-столика, позволяет обеспечить охлаждение окна, в котором выделяется тепло от частично поглощенной энергии пучка. Поток воды протекает по трубке-ножке, между пластинами окон, затем через выборки канавки внешней поверхности выпускного стакана и через сквозные отверстия в цилиндрической части приемного элемента изливается в общий объем бака бланкета.

Выполнение конической части в виде усеченного конуса с соосным отверстием в узкой части и пропуск через это отверстие трубки-ножки приемного окна создают условия для дополнительного охлаждения конуса и позволяют значительно снизить не только температуру, но и температурный градиент вблизи вершины конуса, т.е. уменьшить температурные напряжения в материале мишени. Это повышает ресурс мишени.

Это стало возможным за счет выполнения входного окна в виде столика на трубчатой ножке, соосной с конусом и пронизывающей узкую часть конуса, что сделало возможным дополнительное охлаждение как напряженной части конуса, так и окна.

Плотная посадка элемента приема пучка заряженных частиц на приемном стакане и фиксация от продольного сдвига позволяет оперативно крепить мишень и дистанционно снимать ее для замены при исчерпании ресурса, сохраняя ионопровод для дальнейшего использования.

Элемент для приема пучка заряженных частиц устроен следующим образом (см. чертеж). Вертикальный участок 1 ионопровода заканчивается цилиндрическим выпускным стаканом 2. Стакан неразъемно присоединен к нижнему торцу ионопровода и имеет тонкое выпускное окно-донышко, толщиной около 1 мм. Материал приемного стакана - алюминиевый сплав типа САВ или АВТ. Наружная поверхность стакана обработана под плотную посадку и по поверхности выполнены выборки-канавки вдоль образующих через равные угловые расстояния, создавая в сечении подобие звездчатой структуры. Элемент 3 для приема пучка заряженных частиц выполнен в виде сочетания цилиндра и конуса, внутренняя поверхность цилиндрической части обработана под плотную посадку на выпускной стакан, имеет сквозные отверстия в средней части и элементы фиксации для разъемного крепления на выпускном стакане, конический участок выполнен в виде усеченного конуса с кольцевой площадкой в области перехода конус-цилиндр. На кольцевую площадку уложена круглая пластина 4 входного окна, выполненного в виде столика на центральной трубчатой ножке 5, закрепленной в отверстии узкой части конуса 3 и соединяющую области ниже конуса и выше пластины окна-столика. Элемент для приема пучка заряженных частиц установлен в коническое сопло 6 с пружинными элементами 7 для центровки и фиксации. Поток охлаждающей воды 8 протекает как внутри трубки 5 между окнами 4,2 так и снаружи конуса 3. Полость 9 может быть заполнена гелием 4 - для компенсации наружного давления. Материал элемента приема пучка заряженных частиц и входного окна-столика - бериллий. Тип соединения - диффузионная сварка, сварка электронным лучом.

Нейтронорождающая мишень работает следующим образом. Приемная часть элемента для приема пучка заряженных частиц надвигается на выпускной стакан и крепится на нем фиксирующим приспособлением, например тремя винтами или байонетным соединением. Вертикальный участок ионопровода с элементом для приема пучка заряженных частиц устанавливается по оси структуры бланкета в воронке сопла и фиксируется от боковых перемещений пружинными элементами. Сформированный ускоренный протонный пучок падает по вертикальному ионопроводу на охлаждаемые выпускное и входное окна. Часть энергии протонов выделяется в виде тепла в материалах окон и воде (до 12%) и снимается водой. Вся энергия протонов (например, 30-36 МэВ) поглощается в стенке приемного конуса с толщиной 3 мм, угол конуса 24^o. Угол конуса выбирается из соображений теплоотвода и пробега протонов данной энергии в материале элемента для приема пучка заряженных частиц. Например, указанные параметры выбраны для пробега протонов с энергией 36 МэВ в бериллии - 7,9 мм. Максимальная температура бериллия при этих параметрах не превысит 100^oC при достаточном расходе воды через сопло. На ядрах материала элемента для приема пучка заряженных частиц (бериллий) происходит (p,n)-реакции. Быстрые нейтроны из мишени попадают в тяжелую воду, замедляются до тепловых энергий и вызывают деления в топливной композиции бланкета (подкритический размножитель нейтронов). Система нейтронной диагностики бланкета контролирует нейтронные потоки. Снижение выхода нейтронов (при прочих постоянных условиях) свидетельствует о том, что ресурс элемента для приема пучка заряженных частиц исчерпан. Вертикальный участок с элементом для приема пучка заряженных частиц выгружается, производится дистанционная замена приемной части элемента и рабочий цикл повторяется.

Экономическая эффективность мишени определяется повышением ресурса, надежности, возможностью быстрой замены приемного узла.

Использование: в мишенно-бланкетном комплексе с тяжеловодным замедлителем и теплоносителем, для повышения ресурса работоспособности мишени, повышения надежности и ускорения замены мишени. Сущность изобретения: узел мишени выполняется из двух частей - неразъемно присоединяемого к нижнему торцу вертикального ионопровода цилиндрического выпускного стакана, имеющего тонкое донышко-окно толщиной не более 1 мм для выпуска пучка, и надвигаемого на стакан элемента для приема пучка заряженных частиц в виде сочетания цилиндра и конуса, цилиндрическая часть по внутренней поверхности обработана под плотную посадку на выпускной стакан, имеет сквозные отверстия в средней части и элементы фиксации для разъемного крепления на выпускном стакане, коническая часть сверху вакуумно-плотно закрыта круглой тонкой пластиной входного окна, выполненного в виде столика на соосной с конусом трубчатой ножке, герметично закрепленной внизу в отверстии узкой усеченной части конуса и соединяющей области ниже конуса и выше пластины окна. Элемент для приема пучка заряженных частиц закреплен на выпускном стакане ионопровода так, что расстояние между выходным окном выпускного стакана и входным окном элемента приема пучка составляет 1-1,5 мм. 1 ил.

Нейтронорождающая мишень, содержащая элемент для приема пучка заряженных частиц, выполненный из бериллия в форме полого конуса, обращенного вершиной вниз, с защитным алюминиевым покрытием на поверхности конуса, соединенного с нижним торцом вертикального участка ионопровода, установленного в решетку бланкета так, что конус и нижняя часть ионопровода охвачены коническим соплом, обеспечивая возможность подачи воды для омывания наружной поверхности конуса и слива воды выше уровня мишени в окружающий резервуар, отличающаяся тем, что элемент для приема пучка заряженных частиц дополняется цилиндрическим выпускным стаканом, выполняемым из алюминиевого сплава, неразъемно присоединяемым к нижнему торцу вертикального ионопровода, с тонким окном-донышком толщиной не более 1 мм, наружная цилиндрическая поверхность стакана обработана под плотную посадку и по поверхности выполнены выборки-канавки вдоль образующей через равные угловые расстояния, создавая в сечении подобие звездчатой формы, элемент для приема пучка заряженных частиц выполняется в виде сочетания цилиндра и конуса, цилиндрическая часть по внутренней поверхности обработана под плотную посадку на выпускной стакан, имеет сквозные отверстия в средней части и элементы фиксации для разъемного крепления на выпускном стакане, коническая часть выполнена с кольцевой площадкой в области перехода конус-цилиндр, на кольцевую площадку уложена и к ней вакуумно-плотно присоединена круглая пластина входного окна, выполненного в виде столика на соосной с конусом трубчатой ножке, закрепленной в отверстии узкой части конуса и соединяющей области ниже конуса и выше пластины окна, элемент для приема пучка заряженных частиц закреплен на выпускном стакане ионопровода так, что расстояние между выходным окном выпускного стакана и входным окном элемента для приема пучка заряженных частиц составляет 1 - 1,5 мм.