ПОДКРИТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ Российский патент 2000 года по МПК G21G4/02 G21C1/30 

Изобретение относится к области ядерной техники, более конкретно - к устройствам для получения нейтронов - источникам нейтронов с использованием ускоренных заряженных частиц.

Известны электроядерные источники нейтронов, предназначенные для формирования нейтронных импульсов для исследовательских целей. В таких устройствах реализована схема: импульсный источник заряженных частиц - мишень для генерации нейтронов - подкритический реактор, используемый для размножения нейтронов. Например, известно устройство с микротроном в качестве драйвера, мишенью из тяжелого элемента, на которую направляют электроны драйвера для генерации фотонейтронов, и реактором БФС в качестве бланкета-размножителя [1].

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является техническое решение, реализованное на стадии концептуального проекта ADONIS [2]. Это решение сочетает применение в качестве драйвера сильноточного циклотрона, формирующего пучок протонов с энергией 150 MeV, использование магнитной системы транспортировки пучка на мишень, жидкометаллическую мишень на основе Pb-Bi эвтектики и нейтронный умножитель, состоящий из пластинчатых вторичных мишеней на основе U-235, охлаждаемых легкой водой. Количество мишеней ограничено заданным эффективным коэффициентом размножения в пределах 0,85-0,90.

Недостатком решения является применение вторичных мишеней в форме пластин, изогнутых цилиндрически, не допускающих значительного энерговыделения по причине термических деформаций. К недостаткам следует отнести и отсутствие средств защиты и контроля, предотвращающих выход реактивности за пределы заданных параметров активной зоны. Кроме того, отсутствие эффективного отражателя ограничивает функциональные возможности устройства только задачей производства изотопов.

Техническим результатом заявленного решения является реализация эффективного и многофункционального источника нейтронов на подкритическом размножителе малой мощности с импульсным драйвером. Количественно эффективность может быть оценена с помощью двух параметров, один из которых отношение достигаемого нейтронного потока к току пучка драйвера, а второй характеризует эффективность только размножителя, называется "качество" и равен отношению потока нейтронов, достигаемого в экспериментальном канале, к мощности активной зоны установки. Таким образом, целью предлагаемого устройства является повышение эффективности и "качества" источника нейтронов, расширение функциональных возможностей и повышение надежности.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве бланкет мишени (подкритический размножитель) выполняется в виде канальной структуры с расположением вертикальных топливных каналов в узлах гексагональной решетки с оптимальным шагом, в центре которой расположен канал ионопровода и узел мишени; теплоноситель, замедлитель и отражатель подкритического размножителя (бланкета мишени) выполняются из тяжелой воды, в отражателе размещается набор сухих экспериментальных каналов, включая вакууммированный канал большого диаметра, и устройство содержит средства для постоянного мониторинга подкритичности бланкета и систему аварийной защиты по сигналу достижения заданного предельного запаса подкритичности.

Выбор канальной структуры бланкета с использованием тяжелой воды в качестве теплоносителя, замедлителя и отражателя позволяют использовать отработанные и проверенные многолетней эксплуатацией конструкции тепловыделяющих элементов в составе кассеты топливного канала. Гексагональная топливная решетка с оптимальным шагом обеспечивает внутреннюю ядерную безопасность, поскольку, как следует из определения оптимального шага, любые нарушения структуры зоны приводят к уменьшению эффективного коэффициента умножения К_эфф, делая выход бланкета в критическое состояние невозможным.

Тяжелая вода обладает наименьшим сечением захвата, большой длиной замедления и наибольшей длиной диффузии нейтронов. Поэтому в отражателе из тяжелой воды при компактной активной зоне формируется широкий максимум радиального распределения потока тепловых нейтронов [3]. Расчеты авторов показывают, что при параметрах, приведенных в таблице, это можно использовать для создания экспериментального вакуумированного канала с диаметром d в диапазоне D/2 < d < D, где D - диаметр активной зоны. Такой канал позволяет размещать значительные объекты для облучения, изучения ядерных реакций в газах, оптимизации различных конструкций замедлителей для получения холодных нейтронов, материаловедческих исследований. Это существенно увеличивает функциональные возможности подкритических установок. Кроме того, тяжеловодный отражатель обеспечивает наибольшее качество бланкета при компактной зоне [там же, стр.55].

Подкритичность (1-К_эфф) (или запас подкритичности) тяжеловодного бланкета может изменяться при изменении количества топлива, а также при изменении уровня замедлителя. Поскольку поток нейтронов в экспериментальных каналах пропорционален величине J= 1/(1-К_эфф), то прямой путь повышения эффективности связан с разумным, т.е. гарантирующим ядерную безопасность, уменьшением подкритичности. Диапазон подкритичности от 5 до 2% можно рассматривать как вполне обоснованный с точки зрения точности расчетов и опыта эксплуатации. Однако в условиях исследовательской установки к средствам, обеспечивающим безопасность за счет конструкции, следует добавить систему, объединяющую средства измерения подкритичности бланкета и систему аварийной защиты, включающей ввод стержней - поглотителей в случае реактивностной аварии (например, в области экспериментальных каналов). При импульсном драйвере, обеспечивающем достаточно короткий импульс протонов с крутым фронтом, это можно осуществить, например, методами диагностики импульса тепловых нейтронов.

Постоянный мониторинг подкритичности по каждому импульсу драйвера позволит контролировать динамику собственно бланкета. Система мониторинга вырабатывает сигнал A3 (аварийной защиты) при недопустимом уменьшении запаса подкритичности. По этому сигналу вводятся поглотители, и бланкет переходит в состояние с К_эфф = 0,7 - 0,8. Дополнение подкритической сборки такой системой контроля и защиты позволит расширить рабочий диапазон и увеличить эффективность установки в 2 - 2,5 раза.

В результате совокупного действия всех признаков устройство становится более безопасным, чем ядерный реактор, и более эффективным, чем известные электроядерные источники (за счет обеспечения безопасной работы в условиях менее глубокой подкритичности), многофункциональным, в смысле применения нейтронов (за счет канала большого диаметра и огромных возможностей по вариации загружаемых объектов).

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показан вертикальный разрез подкритического источника нейтронов с элементами бланкета и выходными элементами канала транспортировки пучка от драйвера к узлу мишени. На фиг. 2 приведена схема загрузки бланкета, а на фиг. 3 показана блок-схема системы мониторинга глубины подкритичности бланкета, формирующей сигнал AЗ по нижнему пределу глубины подкритичности.

Подкритический источник нейтронов содержит ускоритель заряженных частиц (драйвер) - 1, поворотный магнит 2, ионопровод 3, узел 4 мишени, набор топливных каналов 5, напорную камеру 6, бак 7, замедлитель 8 и отражатель 9, большой экспериментальный канал 10, измерительные каналы 11, в которых установлены детекторы 12-1, 12-2,..., 12-К, блок 13 формирования сигнала, пропорционального току протонов на мишени, блок 14 формирования стартовых импульсов запуска счета, синхронных с началом импульса драйвера, блоки 15-1,.. ., 15-К для усиления выходных сигналов с детекторов, блок 16, объединяющий К независимых аналого-цифровых преобразователей (АЦП), процессор 17 и систему 18 аварийной защиты бланкета, управляющую вводом стержней-поглотителей 19.

Подкритический источник нейтронов работает следующим образом. Ускоритель-драйвер формирует пучок протонов с энергией от 30 до 150 МэВ и током от 0,5 до 5 мА. В качестве драйвера можно использовать циклотрон или линейный ускоритель. Вместо протонов можно использовать дейтроны с вдвое меньшей энергией. Это обеспечит примерно равный по сравнению с протонами выход нейтронов из мишеней на основе легких металлов. Пучок частиц с помощью поворотного магнита 2, направляется по ионопроводу 3 к узлу 4 мишени. Узел мишени окружен размножающей сборкой (бланкетом), состоящей из набора топливных каналов 5, размещенных в узлах гексагональной решетки с оптимальным шагом. Топливные каналы закреплены в воронках напорной камеры 6 и омываются изнутри под давлением, а снаружи свободной циркуляцией тяжелой воды, залитой в бак 7 и создающей область замедлителя 8 и отражателя 9, свободного от топливных каналов. В отражатель загружен большой экспериментальный канал 10. Диаметр канала может быть выбран от 250 мм до 450 мм. Тяжелая вода циркулирует от наружного бака в напорную камеру, далее через топливные каналы и сливается в бак бланкета, достигая точно определенного и заранее заданного уровня, а из бака поступает в теплообменник и далее по стандартной схеме двухконтурного охлаждения. В измерительных каналах 11 установлены детекторы 12-1, 12-2,..., 12-К нейтронов, включенные в систему обработки выходной информации в виде тока или импульсов. Блок 13 выдает сигнал, пропорциональный току протонов на мишени. Для конкретности рассмотрим токовый выход с нейтронных детекторов. Блок 14 формирует стартовые импульсы запуска счета, синхронные с импульсами драйвера. Блоки 15-1,..., 15-К усиливают выходные сигналы с детекторов. Блок 16 объединяет независимые АЦП, формирующие для каждого канала из К-штук коды, поступающие в процессор. Процессор 17 в реальном масштабе времени анализирует динамику потока нейтронов по показаниям каждого детектора, сравнивает скорости изменения потока в разных каналах с изменением тока протонов на мишени. Если пучок протонов не изменяется, а нейтронный поток изменяется со скоростью, соответствующей значению реактивности, превышающей допустимый предел, тогда процессор формирует сигнал аварийной защиты, который приводит к срабатыванию системы 18 аварийной защиты, вводящей в каналы аварийной защиты органы защиты, например, в виде стержней-поглотителей 19.

Экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется тем, что создается возможность проведения исследований на установке малой мощности, в безопасном режиме подкритичности, исключающем неконтролируемый разгон. Стоимость установки в основном определяется экономичностью применяемого драйвера.

Одним из применений изобретения может стать вывод из эксплуатации исследовательских реакторов и превращение их в безопасную установку для учебно-исследовательской работы. Современные сильноточные циклотроны на энергии порядка 30-50 МэВ могут быть размещены в прилегающих к реактору помещениях, например в части экспериментального зала.

Литература
1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. - М.: Энергоатомиздат, 1985, стр. 432-436.

2. Luc Van Den Durpel et al. The ADONIS-project: an accelerated driven operated sub-critical system, Proceedings of the Eighth International Conference on EMERGING NUCLEAR ENERGY SYSTEMS. June 24-28, 1996, Obninsk, Russia, IPPE, vol. 2, p. 526-532.

3. Бать Г. А. и др. Исследовательские ядерные реакторы. - М.: Энергоатомиздат, 1985, стр. 51-59.

Использование: в ядерной технике при использовании ускоренных заряженных частиц в источниках нейтронов для повышения эффективности (отношения потока нейтронов к току частиц пучка драйвера) и "качества" (отношения потока нейтронов к мощности активной зоны), расширения функциональных возможностей и повышения надежности на подкритическом размножителе малой мощности. Сущность изобретения: узел мишени, принимающий пучок импульсного драйвера, размещается в осевом канале вертикальной канальной структуры (бланкета) с расположением вертикальных топливных каналов в узлах гексагональной решетки с оптимальным шагом, в качестве теплоносителя, замедлителя и отражателя используют тяжелую воду, в отражателе размещается набор сухих экспериментальных каналов, включая вакуумированный канал большого диаметра d (d = D/2 - D, где D - диаметр активной зоны), устройство дополнительно содержит средства для постоянного мониторинга подкритичности бланкета и систему аварийной защиты по сигналу достижения заданного предельного запаса подкритичности. 3 ил., 1 табл.

Подкритический источник нейтронов, содержащий ускоритель-драйвер мишени, узел мишени и подкритический нейтронный размножитель из материала, делящегося на тепловых нейтронах, отличающийся тем, что подкритический нейтронный размножитель содержит средства для постоянного мониторинга подкритичности и систему аварийной защиты, вводящую органы защиты по сигналу достижения заданного предельного запаса подкритичности, и выполнен в виде канальной структуры с расположением вертикальных топливных каналов в узлах гексагональной решетки с оптимальным шагом, в центре которой расположен канал ионопровода и узел мишени, теплоноситель, замедлитель и отражатель подкритического нейтронного размножителя выполнены из тяжелой воды, в отражателе размещается набор сухих экспериментальных каналов, включая вакуумированный канал с диаметром d в диапазоне D / 2 < d < D, где D - диаметр активной зоны.