ЭЛЕКТРОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к области ядерной физики, более конкретно к источникам нейтронов для ядерных исследований и трансмутации радиоактивных отходов.

Известны проекты электроядерных бланкетных систем и установок, содержащих ускоритель заряженных частиц, предпочтительно протонов, канал для транспортировки заряженных частиц к мишени, узел мишени и размножающий бланкет, окружающий узел мишени. Бланкеты в разных решениях отличаются по материалу замедлителя, конструкции и содержат различные виды топлива от обогащенного урана [1] до расплавленных солей, содержащих торий [2] или непосредственно радиоактивные отходы [3].

Одной из проблем создания электроядерных систем является компоновка горизонтального линейного ускорителя (или циклотрона с горизонтально выведенным пучком) и бланкета с вертикальной загрузкой топлива. Как правило, конструкция бланкета в точности соответствует традиционной конструкции реактора за исключением канала ввода пучка протонов. Этот канал по соображениям симметрии и сохранения традиционной компоновки активной зоны располагают по оси бланкета. Этот подход в значительной мере определяет недостатки указанных выше решений. Во-первых, при центральном расположении канал загрузки мишени является в то же время последним участком магнитного канала для транспортировки протонов к мишени. Во-вторых, бланкет состоит из вертикальных топливных каналов, размещенных в непосредственной близости от канала мишени. При этом доступ к топливным каналам закрыт поворотным магнитом, который обеспечивает поворот пучка протонов от первоначально горизонтального направления к вертикальному направлению канала мишени. Таким образом, для замены канала мишени или проверки одного из топливных каналов, находящихся непосредственно под поворотным магнитом, необходимо демонтировать прецизионно настроенную магнитную систему, включающую собственно поворотный магнит и фокусирующие элементы, например квадрупольные линзы, установленные после магнита для последней корректировки формы пучка. Учитывая, что для эффективной установки с высокими потоками нейтронов требуются сильноточные пучки достаточно высокой энергии, например пучок протонов с энергией в области 30-100 МэВ, можно ожидать, что ресурс мишени будет составлять от одной до пяти недель. Это означает, что в среднем каждый месяц надо заменять канал мишени, демонтируя поворотный магнит и линзы и подвергая при этом персонал воздействию излучения, поскольку поворотный магнит активируется в потоке нейтронов, формируемом каналом мишени, смотрящим непосредственно в центр активной зоны. Указанные особенности конструкции сокращают время непрерывной эксплуатации установки, снижают ее надежность, повышают стоимость эксплуатации и делают ее весьма опасной с радиационной точки зрения.

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является электроядерный генератор нейтронов [4], содержащий ускоритель заряженных частиц, узел мишени, вертикальный размножающий бланкет, канал ввода пучка заряженных частиц, содержащий ионопровод, поворотный магнит и фокусирующие линзы. Используемая в этом решении энергия протонов составляет 36 МэВ. Ток пучка протонов 0,5-1,0 мА. Материал мишени - бериллий. Бланкет является тяжеловодным, т.е. замедлителем, отражателем нейтронов и теплоносителем является тяжелая вода. В конструкции генератора нейтронов содержатся все перечисленные выше недостатки. Диаметр активной зоны составляет около 500 мм. Тень от нависающего поворотного магнита имеет средний размер более 700 мм. Если ток пучка составляет 0,5 мА, а площадь боковой поверхности конической мишени около 400 см², то плотность потока составит около 10¹³ протонов/см²/с. При предположительном флюэнсе материала мишени 10¹⁹ протонов/см² (энергия протонов 36 МэВ) ресурс составит около 20 суток. Надо еще учесть воздействие на мишень быстрых и тепловых нейтронов, распределение и значения температурных напряжений по глубине бериллия для уточнения значения флюэнса, при котором бериллиевое изделие, изготовленное методами порошковой металлургии, в данных условиях теряет свою прочность или изменяет структуру. Полученное выше значение ресурса представляется реалистичным. Это означает частичную разборку установки и замену канала мишени каждые три недели. Учитывая активацию поворотного магнита и других элементов канала транспортировки протонов в потоке нейтронов, излучаемых активной зоной через канал мишени, можно сделать вывод, что установка с такими особенностями будет практически неработоспособной или, по крайней мере, нерентабельной.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение ресурса непрерывной работы и повышение радиационной безопасности электроядерной установки с драйвером промежуточной энергии (до 100 МэВ).

Поставленная цель достигается тем, что в электроядерной установке промежуточной энергии, содержащей ускоритель заряженных частиц, узел мишени, вертикальный размножающий бланкет, канал ввода пучка заряженных частиц, содержащий ионопровод, поворотный магнит и фокусирующие линзы, корпус бланкета выполнен с боковым вертикальным секторным вырезом, а узел мишени, ионопроводы, поворотные магниты и фокусирующие линзы канала ввода пучка заряженных частиц вмонтированы в разъемный блок защиты и выполнены в виде единого блока-модуля, снабженного стыковочным разъемом и приводом, позволяющим вводить блок-модуль с защитой в боковой вертикальный секторный вырез бланкета; на входе в блок-модуль установлен магнит-делитель, распределяющий ускоренные частицы в два или более каналов ввода пучка, при этом узел мишени выполнен в виде вертикального колеса, установленного в вакуумном кожухе, вакуумно-плотно соединенном с ионопроводами каналов ввода пучка, ориентированными под углом к плоскости колеса, снабженного приводом, обеспечивающим его вращение; блок-модуль совмещен с набором шиберных пластин, которые оснащены приводами и системой синхронизации для поочередного ввода в секторную прорезь бланкета при выдвижении из нее блока-модуля или поочередного вывода из нее по мере ввода блока-модуля в секторную прорезь бланкета.

Блок-модуль разъемно соединен с магнитом-делителем пучка. Магнит-делитель пучка делит пучок на две или более частей, направляя их в два или больше внутренних каналов ввода пучка. Каждый из этих каналов внутри модуля содержит поворотный магнит, настроенный на угол отклонения пучка, например 30-60^o, и необходимые фокусирующие элементы (линзы). Колесо выполняется в виде полого диска, на кольцевой периферии плоскостей которого с обеих сторон крепятся кольцевые элементы собственно мишени, толщина и радиальная ширина которых достаточна для полного поглощения пучка протонов используемой энергии. Внутри диска расположены защитные элементы из нейтронозамедляющих и нейтронопоглощающих материалов, служащие также для формирования полости циркуляции теплоносителя внутри колеса мишени. Подача охлаждающей воды внутрь диска и вывод воды из него осуществляется через вал колеса, установленный с помощью подшипников в корпусе вакуумного кожуха. Колесо снабжено приводом, обеспечивающим его вращение под пучком протонов.

Причинно-следственная связь цели изобретения с введенными признаками изобретения.

Выполнение узла мишени и канала ввода пучка заряженных частиц (например, протонов), включающего поворотные магниты и фокусирующие линзы, в виде единого модуля, вмонтированного в разъемный блок защиты, позволяет транспортировать протоны к мишени по ломаной линии, исключая прямой прострел нейтронов из активной зоны по каналу ввода пучка. Совмещение блока-модуля мишени с набором шиберных пластин позволяет выводить его из секторного выреза корпуса бланкета без угрозы облучения персонала, поскольку синхронизация вывода блока-модуля с порядным вводом шиберных пластин обеспечивает защиту персонала на время данной операции.

Выполнение узла мишени в виде вертикального колеса, установленного под углом к каналу ввода пучка заряженных частиц, позволяет увеличить полную площадь мишени и ограничить время нагрева данного сектора мишени временем его прохождения через пучок, что определяется угловой скоростью вращения колеса и его радиусом. По сравнению с конической мишенью прототипа коэффициент увеличения ресурса мишени при равных углах скольжения пучка относительно поверхности мишени составит

где D - максимальный диаметр облучаемых пучком кольцевых элементов, d - диаметр пучка, α - угол скольжения пучка, ν - частота вращения колеса, n - число внутренних каналов. При отношении диаметров, равном 12,5, к частоте вращения 1,5 оборота в секунду и числе внутренних каналов 2 получаем фактор k = 118. Это позволяет практически уравнять ресурс мишени и ресурс бланкета и избавиться от частых перегрузок узла мишени. Периодический контроль состояния рабочего слоя мишени (поверхность, облучаемая протонами) может производиться со стороны внешней (по отношению к бланкету) части вакуумного кожуха с помощью специального вакуумного ввода оптоволоконной системы с подсветкой.

Устройство мишени для ускоренного пучка заряженных частиц в виде колеса известно [5], [6]. В предлагаемом решении основным отличием является расположение узла мишени в секторном вырезе бланкета, причем существенно вертикальное расположение колеса. Размещение блока-модуля, сочетающего в себе узел мишени в виде колеса, изогнутые каналы ввода протонов и элементы защиты, в вертикальном вырезе бланкета позволяет приблизить мишень к области бланкета, занятой топливом, и в то же время не препятствует обслуживанию топливных каналов или их ремонту. Наличие поворотных магнитов в составе блока-модуля обеспечивает возможность подавления обратного излучения из активной зоны, снижая радиационную опасность при штатной эксплуатации. Предложенная совокупность признаков позволяет уравнять эксплуатационные ресурсы узла мишени и бланкета, доводя их до 6-8 лет. Это исключает необходимость частой замены узла мишени, что повышает работоспособность и рентабельность установки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показано горизонтальное сечение бланкета и блока-модуля в рабочем состоянии. На фиг. 2 приведен вертикальный разрез бланкета в положении, когда секторный вырез бланкета частично занят набором шиберных пластин, защищающих от нейтронов и гамма-квантов.

Электроядерная установка содержит вертикальный бланкет 1 с вертикальным секторным вырезом 2 и блок-модуль 3, размещенный в секторном вырезе. Бланкет может быть, например, тяжеловодным или легководным канальной структуры с обогащенным топливом. Блок-модуль включает мишень 4, выполненную в виде кольцевых элементов на периферии колеса 5, снабженного узлом 6 ввода и узлом 7 вывода теплоносителя и приводом 8 вращения и внутренние каналы ввода пучка, состоящие из выходных участков 9-1 и 9-2, поворотных магнитов 10-1 и 10-2 с фокусирующими линзами и входных участков 11-1 и 11-2. При этом компоненты блока-модуля вмонтированы в разъемную нейтронопоглощающую защиту 12, боковая поверхность которой соответствует по форме и размерам секторному вырезу бланкета. Входные разъемы каналов ввода пучка присоединены к магниту-делителю 13. Участок 14 внешнего ионопровода через фланцевый разъем 15 подключен к ускорителю 16. Блок-модуль снабжен приводом 17 и системой 18 шиберных пластин, замещающих блок-модуль в секторном вырезе бланкета при его выдвижении.

Электроядерная установка работает следующим образом. Ускоритель 16 производит пучок заряженных частиц, например протонов, необходимой энергии и ограниченной расходимости. Пучок протонов через участок 14 ионопровода попадает в магнит-делитель 12 и расходится на два (или более) пучка, поступающих в участки 11-1 и 11-2 внутренних каналов ввода. В результате прохождения через С-образные поворотные магниты 10-1 и 10-2 пучки отклоняются от первоначального направления на некоторые углы, например 30^o, и по участкам 9-1 и 9-2 попадают на периферийные кольцевые элементы 4 колеса 5, выполненные из материала с максимальным выходом нейтронов при данной энергии протонов. Толщина кольцевого элемента мишени и угол падения протонов, задаваемый параметрами поворотных магнитов, выбираются из требования полного поглощения пучков протонов в мишени. Привод 8 обеспечивает вращение колеса и равномерное распределение нагрева по его поверхности, а узел 6 ввода и узел 7 вывода теплоносителя обеспечивает теплосъем со всей внутренней поверхности колеса.

Настройка систем проводки пучка в блоке-модуле совместно с узлом мишени и магнитом-делителем пучка производятся отдельно от бланкета до монтажа элементов защиты. После получения проектных параметров устанавливаются все элементы защиты и блок-модуль приобретает законченный вид. Затем выполняется операция ввода блока модуля в вертикальный вырез бланкета и монтаж внешних участков ионопровода.

Экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется увеличением ресурса непрерывной работы, что исключает необходимость проведения весьма дорогих операций по частой замене узла мишени с применением сложных устройств. Это снижает эксплуатационные расходы в десятки раз.

Литература.

1. L. Van Den Durpel et al. The ADONIS-project: an accelerator driven operated subcritical system. The Eighth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems. ICENES'96. June 24-28, 1996, Obninsk, Russia, Institute of Physics and Power Engineering. Proceedings, vol.2, 526-532.

2. С. Rubbia. CERN Concept of ADS. Feasibility and motivation for hybrid concepts for nuclear energy generation and transmutation. IAEA-TC-903.3 Proceedings of the International Atomic Energy Agency Technical Commitee Meeting. Madrid, Spain, 17-19 September 1997. 1998. Ciemat pp. 26-171.

3. Т. Takizuka, T. Sasa, К. Tsujimoto. Hybrid System concepts for nuclear waste transmutation. Ibid., 345-356.

4. O.V. Shvedov et al. The ITEP electro-nuclear neutron generator. Journal of Moscow Physical Society, 6 (1996) 99-111.

5. Н. Ebinger, H. Kroll, G. Luthardt, Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen. Patentschrift DE 28 07 374 С2, G 21 G 4/02, 21.02.78.

6. G. Bauer. Target fur Spallationsneutronenquellen. Patentschrift DE 28 50 069 С2, G 21 G 4/02, 18.11.78.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, а именно к источникам нейтронов для экспериментальных исследований, и может быть использовано для повышения ресурса и снижения радиационной опасности электроядерной установки промежуточной энергии (до 100 МэВ). Для достижения технического результата предлагается интегрировать канал ввода пучка заряженных частиц, узел мишени и биологическую защиту в единый блок-модуль и разместить этот модуль в вертикальном вырезе бланкета. При этом узел мишени выполнен в виде колеса, установленного вертикально. Колесо установлено в вакуумном кожухе, вакуумно-плотно соединенном с ионопроводами каналов ввода пучка, ориентированными под углом к плоскости колеса. Колесо снабжено приводом, обеспечивающим его вращение. Блок-модуль совмещен с набором шиберных пластин, которые оснащены приводами и системой синхронизации, что обеспечивает поочередный ввод пластин в секторную прорезь бланкета при выдвижении из нее блока-модуля или поочередного вывода пластин по мере ввода блока-модуля в секторную прорезь бланкета. Блок-модуль снабжен приводом, позволяющим передвигать блок-модуль при возникновении нештатных ситуаций. На входе в блок-модуль установлен магнит-делитель пучка, позволяющий распределять пучок на два или более каналов. Каналы ввода пучка содержат поворотный магнит и фокусирующие элементы. Все элементы каналов вмонтированы в блок биологической защиты, исключая прямой прострел нейтронов и гамма-квантов из активной зоны. Большая площадь зоны, облучаемой протонами, и вращение колеса, охлаждаемого изнутри, позволяют достичь при нормальных эксплуатационных режимах увеличения ресурса непрерывной работы узла мишени до 5-8 лет, т.е. уравнять его с ресурсом бланкета, что делает эксплуатацию установки более надежной и рентабельной. За счет искривленной траектории заряженных частиц в каналах ввода, вмонтированных в защиту, исключается прямой прострел ионизирующих излучений из зоны, что снижает активацию внешних узлов и облучение персонала при ремонтных работах. 2 ил.

Электроядерная установка, содержащая ускоритель заряженных частиц, узел мишени, вертикальный размножающий бланкет, канал ввода пучка заряженных частиц, содержащий ионопровод, поворотный магнит и фокусирующие линзы, отличающаяся тем, что корпус бланкета выполнен с боковым вертикальным секторным вырезом, а узел мишени, ионопроводы, поворотные магниты и фокусирующие линзы канала ввода пучка заряженных частиц вмонтированы в разъемный блок защиты и выполнены в виде единого блока-модуля, снабженного стыковочным разъемом и приводом, позволяющим вводить блок-модуль с защитой в боковой вертикальный секторный вырез бланкета; на входе в блок-модуль установлен магнит-делитель, распределяющий ускоренные частицы в два или более каналов ввода пучка, при этом узел мишени выполнен в виде вертикального колеса, установленного в вакуумном кожухе, вакуумно-плотно соединенном с ионопроводами каналов ввода пучка, ориентированными под углом к плоскости колеса, снабженного приводом, обеспечивающим его вращение; блок-модуль совмещен с набором шиберных пластин, которые оснащены приводами и системой синхронизации для поочередного ввода в секторную прорезь бланкета при выдвижении из нее блока-модуля, или поочередного вывода из нее, по мере ввода блока-модуля, в секторную прорезь бланкета.