ПОДКРИТИЧЕСКИЙ МНОГОКАСКАДНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2005 года по МПК G21C1/28 

Область техники

Изобретение относится к области ядерной физики, а более конкретно к умножителям нейтронов, которые могут быть использованы для построения подкритических ядерных реакторов.

Предшествующий уровень техники

Существующие ядерные реакторы управляются с помощью различных механических устройств, поддерживающих реактор вблизи критического состояния. Это обстоятельство обусловливает потенциальную опасность любого ядерного реактора и создает многочисленные трудности при его конструировании и эксплуатации. Гораздо более безопасным способом получения больших нейтронных потоков является использование подкритических, неуправляемых сборок с внешним, независимым источником первичных нейтронов. Используя в качестве источника нейтронов современные ускорители и циклотроны, можно получать потоки порядка 10¹-10¹⁵ н/сек (Шведов О.В., Воловик А.И. и др. «О возможности производства радионуклидов при облучении нейтронами»; Сборник трудов всероссийской конференции «50 лет производства и применения изотопов в России»; 20-22 октября 1998 г., Обнинск). С помощью подкритических сборок обычного типа эти потоки можно увеличить еще в 10-20 раз (Деменьтьев Б.А. «Кинетика и регулирование ядерных реакторов» Атомиздат, Москва, 1976 г.) и довести их до 10¹⁵-10¹⁶ н/сек. Однако этого явно недостаточно для многих научно-исследовательских и энергетических целей. Например, для того чтобы гибридные электроядерные реакторы достигли энергетически выгодного КПД с учетом всех неизбежных потерь при преобразовании энергии ионного пучка в поток нейтронов, необходимо достичь коэффициента умножения нейтронов не менее 1000, а это уже невозможно с помощью обычных, неуправляемых подкритических систем. Однако имеется возможность создания безопасных подкритических сборок с большим коэффициентом умножения, основанных на других принципах прохождения нейтронов через специально организованную гетерогенную среду.

Принципы построения подкритических систем с большим коэффициентом умножения нейтронов известны и кратко изложены в работах Borst L.B., Phys. Rev., №107, 905, 1957; а также Дубовский Б.Г. «Секционированные реакторные системы», Атомная энергия, том 7, вып.5, стр.456, 1959 г. Они основаны на изменениях в спектрах нейтронов при их переходе из одной среды в другую за счет разных ядерно-физических свойств используемых материалов. Однако в этих работах не даны технические решения реализации заявленных принципов и не сделаны оценки возможных параметров таких конструкций.

Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения является изобретение, защищенное авторским свидетельством СССР №786619 класс МКИ G 21 C 1/28 под названием «Двухкаскадный умножитель нейтронов», авторы Колесов В.Ф., Малинкин А.А., приоритет 16.07.1979 г. В этом изобретении предлагается в качестве умножителя нейтронов использовать сферическую систему, состоящую из:

- центрального ядра из нептуния-237 (первый каскад умножения),

- сферических слоев из титана и вольфрама (замедлитель),

- внешней размножающей оболочки из сплава урана с молибденом, обогащенного по урану-235 до 36% (второй каскад умножения).

В прототипе использован принцип однонаправленного движения нейтронов от первого (внутреннего) каскада ко второму (внешнему) каскаду. За счет этого коэффициент умножения может достигать значений больше, чем в обычных подкритических сборках.

Однонаправленное движение, описанное в прототипе, осуществляется благодаря использованию в первом каскаде нептуния-237, имеющего порог деления по энергии падающих нейтронов около 0.4 МэВ, что исключает возможность деления этого материала от нейтронов, сбросивших свою энергию в слоях титана и вольфрама. Таким образом, нейтроны, родившиеся во втором каскаде, не вызывают делений в первом каскаде, так как они должны проходить через титан и вольфрам и терять свою энергию. В то же время нейтроны, родившиеся в первом каскаде и также прошедшие через титан и вольфрам, легко вызывают деления в уране-235, который не имеет порога по делению.

Ориентировочный коэффициент умножения, достигаемый в прототипе, составляет величину около 30. К сожалению, эта величина в описании прототипа не указана, она зависит от спектра первичных нейтронов и оценена нами по косвенным данным.

Устройство, выбранное прототипом, решает ограниченную задачу сокращения длительности нейтронного импульса и имеет следующие недостатки:

- в устройстве используется очень редкий материал (нептуний-237), не выпускаемый атомной промышленностью в значительных количествах;

- устройство имеет малый коэффициент умножения нейтронов;

- на основе прототипа нельзя сконструировать многокаскадную систему, т.к. следующий переход нейтронов из урана-235 в нептуний-237 будет связан со значительным ослаблением плотности потока нейтронов и сильным увеличением габаритов системы, объем которой из-за сферической конструкции растет пропорционально кубу диаметра.

Раскрытие изобретения.

Задача заключается в создании подкритического многокаскадного умножителя нейтронов, обладающего большим коэффициентом умножения, который может достигать значения 1000 и более, необходимого для построения электроядерных реакторов и других устройств, требующих больших нейтронных потоков. Первичный нейтронный поток предполагается получать от существующих ускорителей и циклотронов за счет реакций образования нейтронов при взаимодействии быстрых ионов с ядрами легких элементов.

Настоящая задача решается тем, что в подкритический многокаскадный умножитель нейтронов, содержащий слои замедлителей первого и второго типов и активный слой, согласно изобретению, введены дополнительные слои поглотителя нейтронов. Все слои выполнены в виде разнотолщинных плоских дисков, образующих последовательно соединенные каскады умножения. Каждый из каскадов умножения состоит из соосно установленных, примыкающих друг к другу дисков. Диски в каждом каскаде соединены в следующей последовательности: поглотитель нейтронов, замедлитель первого типа, замедлитель второго типа и активный слой. Поглотитель выполнен из материала бор-10. Первый замедлитель может быть выполнен из полиэтилена или воды, второй замедлитель выполнен из бериллия. Активный слой выполнен из урана-235 90% обогащения.

Размеры дисков поглотителя, замедлителей и активного слоя выбирают расчетным путем, исходя из обеспечения наиболее оптимального коэффициента умножения каждого каскада при сохранении безопасности.

Благодаря такому выполнению умножителя поток нейтронов, проходя по каскаду из дисков, увеличивается. При этом коэффициент умножения в целом подкритического многокаскадного умножителя нейтронов увеличивается с увеличением числа используемых каскадов и его значение может достигать 1000 и более.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена примерная схема конструкции умножителя. где изображены три каскада, хотя, в принципе, их число не ограничено, и по расчету система остается подкритической при любом числе каскадов. Каждый каскад состоит из слоев, которые отмечены цифрами 1, 2, 3, 4.

1 - Поглотитель первый слой, выполненный из материала В¹⁰ (бор-10), который может быть заменен эквивалентным слоем естественного бора.

2 - Замедлитель - второй слой, выполненный из полиэтилена (CH₂) или воды Н₂О).

3 - Замедлитель - третий слой, выполненный из бериллия (Be).

4 - Активный слой - четвертый слой, выполненный из урана-235 90% обогащения (U²³⁵).

На фиг.2 приведены расчетные кривые числа делений в зависимости от времени в четырех внутренних каскадах при шестикаскадной схеме описанного устройства при подаче на вход короткого импульса нейтронов. Данные для первого и последнего каскадов не приведены, т.к. они выпадают из общих закономерностей за счет краевых эффектов. По оси абсцисс отложена функция времени ln t в секундах, а по оси ординат - число делений в единицу времени в относительных единицах.

Варианты осуществления изобретения.

Устройство представляет собой цилиндр, состоящий из каскадов умножения, каждый из которых выполнен в виде чередующихся плоских дисков поглотителя 1, замедлителя 2, замедлителя 3, активного слоя 4. Принцип работы умножителя заключается в следующем. Поток быстрых нейтронов n1, показанный на фиг.1 в виде стрелок с левой стороны умножителя, падает от внешнего источника (не показан) на поглотитель 1 и без больших потерь проходит через него в замедлитель 2. В замедлителе 2 быстрые нейтроны сбрасывают свою энергию, проходят в замедлитель 3, где окончательно замедляются до тепловых энергий и подходят к активному слою 4. В этом активном слое 4 тепловые нейтроны поглощаются, вызывая деление урана-235, размножаются в нем в 10-20 раз, компенсируя все потери нейтронов на поглощение и рассеяние по пути от источника до урана. Количество нейтронов, образующихся в активном слое 4, не только компенсирует потери, но и создает запас нейтронов по сравнению с первоначальным количеством нейтронов, падающих на поглотитель 1 каскада. Тем самым создается коэффициент умножения каскада. Далее процесс повторяется во втором и последующих каскадах, так как в процессе деления в активном слое 4 каждого каскада вновь образуются быстрые нейтроны. Справа от умножителя показан выходящий поток быстрых нейтронов n2.

В обратном направлении быстрые нейтроны активного слоя 4 замедляются бериллием и полиэтиленом в замедлителях 3 и 4, превращаются в тепловые нейтроны и поглощаются поглотителем 1, не доходя до активного слоя 4 предыдущего каскада. Таким образом, реализуется принцип однонаправленного потока нейтронов, который обеспечивает возможность большого коэффициента умножения системы при сохранении ее устойчивости от малых изменений любых параметров устройства.

Из фиг. 2 видно, как по цепочке каскадов распространяется волна делений урана-235, которая пропорциональна потоку нейтронов в данном каскаде. Масштабы по оси абсцисс и ординат выбраны таким образом, что площади под кривыми пропорциональны числу делений.

Коэффициент умножения на каскад в этом устройстве по расчету равен 1.75. Если проэкстраполировать эти результаты до 12-го каскада, то полный коэффициент умножения будет около Q=1000, при длительности импульса 0.1 сек.

Более подробно для данного устройства были исследованы вопросы безопасности. Для шести каскадов при изменении массы всех активных слоев в виде урановых дисков на 1% коэффициент умножения изменяется в 1,5 раза и, следовательно, для 12 каскадов это изменение составит 2,25 раза. Таким образом, при коэффициенте умножения Q=1000 подкритический многокаскадный умножитель нейтронов эквивалентен по безопасности обычной критической сборке с Q=50. Хотя по формальным признакам данный умножитель нейтронов нельзя назвать полностью безопасным, но надо иметь в виду, что зависимость потока от изменения массы активного материала здесь носит совершенно другой характер по сравнению с обычными критическими сборками. Исходя из этого, аварийные ситуации могут привести к разрушению только последних каскадов. Кроме того, одновременное изменение критической массы во всех каскадах весьма маловероятно.

Промышленная применимость.

Таким образом, предлагаемое изобретение может служить основой для построения подкритического ядерного реактора с коэффициентом умножения Q=1000 при уровне безопасности, эквивалентной обычной критической сборке с коэффициентом умножения Q=50.

Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов относится к области ядерной физики, а более конкретно к умножителям нейтронов, которые могут быть использованы для построения подкритических ядерных реакторов. Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов содержит несколько примыкающих друг к другу каскадов умножения. Каскады умножения состоят из примыкающих друг к другу соосно разнотолщинных дисков. Диски выполнены из активного материала, замедлителей нейтронов двух типов и поглотителя нейтронов. Они чередуются в каскаде таким образом, что создается однонаправленное прохождение нейтронов и их умножение. Технический результат - обеспечение большого коэффициента умножения нейтронов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов, содержащий слои замедлителя первого и второго типов и активный слой, отличающийся тем, что в него введены дополнительно слои поглотителя нейтронов и все слои выполнены в форме разнотолщинных плоских дисков, образующих последовательно соединенные каскады умножения, при этом каждый каскад умножения состоит из соосно установленных, примыкающих друг к другу дисков в следующей последовательности: поглотитель нейтронов, замедлитель первого типа, замедлитель второго типа, активный материал.2. Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов по п.1, отличающийся тем, что поглотитель выполнен из материала бор-10, замедлитель первого типа - из полиэтилена или воды, замедлитель второго типа - из бериллия, а активный слой - из обогащенного до 90% урана-235.