ОБЛУЧАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА КАНАЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2003 года по МПК G21G1/02 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, касается, в частности, конструкции облучательных устройств для ядерных реакторов канального типа и может быть использовано для производства гамма-источников.

В настоящее время широко используются радиоактивные источники, получаемые в процессе облучения исходных материалов в ускорителях [1] и ядерных реакторах [2] . Известны также экспериментальные конструкции облучательного устройства (ОУ) реактора БН-600, используемые для получения радиоактивного кобальт-60. В данных конструкциях стартовый материал в виде таблеток помещен в ампулы из нержавеющей стали длиной 210 мм и диаметром 8,2х0,4 мм [3, 4]. Недостатком применения данной конструкции в реакторе РБМК-1000 (с невысокой плотностью потока нейтронов) является то, что при плотном расположении стартового материала в ОУ лишь небольшая его часть способна активно участвовать в процессе взаимодействия с нейтронами реактора, а большая часть остается недоступной для такого взаимодействия из-за эффектов самоблокировки, что не позволяет за время эксплуатации ОУ получать кобальт-60 с высокой удельной активностью (УА) в диапазоне 90-100 Ки/г. Известным методом повышения скорости накопления целевого нуклида является разблокировка стартовой мишени из облучаемого материала. Одним из способов такой разблокировки является применение составной мишени, в которой стартовый материал, например в виде шаров, равномерно распределен в слабо поглощающем нейтроны материале таким образом, что каждая из частей стартового материала представляет собой разблокированную мишень. Известны [5] составные мишени втулочного типа, где втулки из стартового материала вставлены одна в другую, а промежуток между ними заполнен слабо поглощающим нейтроны материалом. Известны также порошкообразные мишени, в которых стартовое вещество в виде порошка смешано с порошком из слабо поглощающего нейтроны материала в различных пропорциях.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является стержень дополнительного поглотителя с кобальтом (СДПК) [6]. Поглотитель нейтронов содержит несущий элемент (стержень), на котором закреплены звенья с ампулами, полностью заполненными таблетками из кобальта-59, соприкасающимися основаниями.

Недостатком наиболее близкого аналога является низкая скорость накопления кобалъта-60 и, как следствие, недостаточная удельная активность. За время его эксплуатации (5 лет) удается накопить кобальт-60 со средней УА 55 Ки/г.

Задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении наработки радиоактивного кобальта-60 в значительных объемах, с более высокой удельной активностью (90-100 Ки/г) и в более короткие сроки.

Сущность изобретения состоит в том, что в облучательном устройстве ядерного реактора канального типа, содержащем подвеску с несущим основанием и закрепленными на нем звеньями, предложено звенья выполнить в виде цилиндров с двойными обечайками, расположенными концентрически относительно оси симметрии несущего основания, и снабдить поставками, установленными между обечаек без зазора, а радиоактивируемый материал поместить в виде столбиков между ними. Для сохранения необходимой скорости накопления Со-60 и поддержания на достаточном уровне объема его производства ширина поставок определяется из условия:
Ш_пр=(1,5÷2,2)Ш_ст,
где Ш_пр - ширина поставки,
Ш_ст - ширина столбика.

Для дополнительного увеличения скорости накопления Со-60 обечайки и поставки выполнены из слабо поглощающего нейтроны циркониевого сплава. Столбики радиоактивируемого материала могут формироваться как из таблеток, установленных на ребре, так и из пластин различной формы, полустержней, шариков, проволок различных диаметров, необходимых для создания гамма-источников (см. фиг.4).

В таблице 1 приведена зависимость отношения расчетной удельной активности (УА) кобальта-60 (Q) к максимально возможной УА (Qm) от толщины единичной кобальтовой пластины, не блокированной соседними пластинами из кобальта, при облучении ее в течение 5 лет потоком тепловых нейтронов плотностью 1•10¹⁴ н/см²с. В таблице 2 представлены расчетные значения средней удельной активности кобальтовых таблеток толщиной 1,5 мм для вариантов заявляемой конструкции ОУ с обечайками из стали и циркония и ближайшего аналога после облучения в реакторе в течение 1500 эфф. суток. На графике приведены расчетные зависимости удельной активности кобальта-60 в таблетках различной толщины от радиуса их расположения в ОУ. Толщина облучаемой таблетки (ОТ) и ширина поставки определяются на основании экспериментальных и расчетных данных с учетом следующих соображений:
- достижение необходимой УА Со-60;
- обеспечение необходимого объема производства Со-60;
- обеспечение технологичности изготовления таблеток и звена в целом.

Необходимой скоростью накопления кобальта-60 для реактора РБМК-1000 является скорость, позволяющая за период 5 лет получать Со-60 с удельной активностью более 90 Ки/г, при этом общий объем производства должен быть не менее 70% от уровня достигнутого при использовании ближайшего аналога. Таким образом, скорость накопления Со-60 должна быть поднята не менее чем в 1,7 раза. Анализ данных, представленных в таблицах 1 и 2 и на графике, показывает, что при использовании ОТ диаметром 6,8 мм, толщиной 1,5 мм (установленных на радиусе 37 мм) и циркониевых обечаек в звене и при соблюдении условия Ш_пр=(1,5÷2,2)Ш_ст достигаются необходимые скорость и объем производства Со-60, а также технологичность изготовления ОТ и звеньев. Указанные размеры ОТ, радиус их расположения, оптимальная ширина поставок и использование в качестве материала для изготовления оболочек и поставок циркония (материала слабо поглощающего нейтроны) позволяют увеличить скорость накопления Со-60 более чем 1,7 раза, сохранив на необходимом уровне общий объем производства Со-60. Поставки, кроме того, являются своеобразными ребрами жесткости, предотвращающими смятие внешней обечайки давлением теплоносителя.

На фиг. 1, 2 изображены продольный и поперечный разрезы звена ОУ. Звено состоит из несущего основания 1, на котором с одной стороны расположено два шипа 2, а с другой - два паза 3, служащие для зацепления звеньев в ОУ с целью фиксации их от поворота. К несущему основанию при помощи четырех верхних 4 и четырех нижних 5 держателей крепится внутренняя обечайка 6 с поставками 7. Между внутренней 6 и наружной обечайкой 8 расположен столбик облучаемого материала 9. Столбики один от другого отделены посредством выфрезерованных во внутренней обечайке 6 поставок 7, установленных без зазора с внешней обечайкой 8 и являющихся для нее ребрами жесткости. Сверху и снизу столбики фиксируются верхней 10 и нижней 11 кольцевыми крышками.

Сборку звена ОУ осуществляют в следующей последовательности. Несущее основание 1 с приваренной внутренней обечайкой 6 вставляют во внешнюю обечайку 8 и приваривают нижнюю кольцевую крышку. Пространство между обечайками 6, 8 и поставками 7 заполняют ОТ 9. Затем устанавливают и приваривают верхнюю кольцевую крышку 10. В последующем звено используют в облучательном устройстве ядерного реактора фиг.3.

На фиг.3 изображено ОУ ядерного реактора, в котором используются звенья, изображенные на фиг.1, 2. ОУ состоит из несущего элемента 11, выполненного в виде стержня 12 с фиксирующим звенья конусом 13.

На фиг. 4 изображены возможные варианты (кроме ОТ) исполнения столбиков из радиоактивируемого материала: 14 - полуцилиндры, 15 - наборы пластин различной толщины, 16, 17 - проволоки разного диаметра, 18 - шарики или сечка. Для накопления кобальта-60 столбик облучаемого материала устанавливается в звено вместо ОТ. При изготовлении источника гамма-излучения из радиоактивного материала цилиндрический сердечник ампулы может формироваться из различных комбинаций облученного материала (например, из двух полуцилиндров).

Предложенное техническое решение позволит значительно (1,7 раза) увеличить скорость наработки кобальта-60 в реакторах РБМК.

Источники информации
1. Вестник Radntcy-Euroasia 1 (7), М., 1993 г.

2. В.А. Цыканов, Б.В. Самсонов. Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком. М.: Атомиздат, 1973 г.

3. В.В. Мальцев, А.И. Карпенко, И.А. Чернов, В.В. Головин. Опыт наработки радионуклида Со-60 в быстром натриевом реакторе БН-600 большой мощности. Конверсия в машиностроении 3, 2000 г.

4. Вестник Radntcy-Euroasia 1 (8), М., 1994 г.

5. Г.В. Киселев. Технология получения радиоактивных материалов в ядерных реакторах. Энергоатомиздат, 1990 г.

6. Патент 2107957, кл. G 21 С 7/10 - ближайший аналог.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, касается, в частности, конструкции облучательных устройств для ядерных реакторов канального типа и может быть использовано для производства гамма-источников. Облучательное устройство ядерного реактора канального типа содержит подвеску с несущим основанием. На основании закреплены звенья. Звенья выполнены в виде цилиндров с двойными обечайками, расположенными концентрически относительно оси симметрии несущего основания. Звенья снабжены проставками, установленными между обечаек без зазора. Радиоактивируемый материал помещен в виде столбиков между проставками. Ширина проставок определяется из условия Ш_пр= (1,5-2,2)Ш_ст, где Ш_пр - ширина проставки, Ш_ст - ширина столбика. Обечайки и проставки выполнены из циркониевого сплава. Столбики радиоактивируемого материала могут формироваться из таблеток, пластин или полустержней. Использование изобретения позволит значительно (в 1,7 раза) увеличить скорость наработки кобальта-60 в реакторах РБМК. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Облучательное устройство ядерного реактора канального типа, содержащее подвеску с несущим основанием и закрепленными на нем звеньями, содержащими радиоактивируемый материал, отличающееся тем, что звенья выполнены в виде цилиндров с двойными обечайками, расположенными концентрически относительно оси симметрии несущего основания, и снабжены проставками, установленными между обечаек без зазора, а радиоактивируемый материал помещен в виде столбиков между ними.2. Облучательное устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина проставок определена из условия:

Ш_пр = (1,5-2,2) Ш_ст,

где Ш_пр - ширина проставки;

Ш_ст - ширина столбика.