УМНОЖИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2019 года по МПК G21C1/24 

Изобретение относится к области ядерной физики, в частности к умножителям нейтронов, которые могут быть использованы в ядерных установках различного назначения.

Для ряда практических приложений, например, нейтронографических исследований, активации материалов, медицинских приложений нейтронозахватной терапии, необходимы интенсивные нейтронные потоки. В настоящее время подобные потоки генерируются импульсными нейтронными трубками, ускорителями различной конструкции, отводятся из действующего атомного реактора, либо получаются на устройствах, кратковременно формирующих сверхкритические сборки делящихся материалов. Описанные приёмы имеют свои недостатки: нейтронные трубки имеют ограниченный и сравнительно небольшой ресурс работы, ускорители и атомные реакторы любого типа и мощности весьма дороги в изготовлении и эксплуатации. В связи с этим практический интерес представляют конструкции, обеспечивающие постоянный поток нейтронов требуемой интенсивности.

Известно техническое решение, реализованное в конструкции умножителей нейтронов, раскрытое в пат. РФ2178209 С2, опубл. 10.01.2002, обеспечивающей размножение нейтронов в подкритических условиях, содержащей камеру (10), топливно-замедляющий узел (13) с мишенью (14) в средней части узла, в котором выполнено отверстие для потока нейтронов к мишени; для предотвращения утечки нейтронов из умножителя через трубку (4) предусмотрен коллиматор (5). Материал мишени проницаем для нейтронов малой энергии, которые рассеяны в обратном направлении от замедлителя и топлива. Результирующий поток нейтронов выводится через выходной канал (15). Выполнение умножителя нейтронов с такой структурой имеет ограничение по критичности ввиду относительно малых значений k (k<1) и, значит, по реактивности, ввиду обеспечения только подкритических условий, что ограничивает получения в умножителе потоков нейтронов с большим уровнем интенсивности.

Получение потоков нейтронов с большим уровнем интенсивности может быть реализовано с использованием подкритических систем на основе многокаскадных умножителей. Из пат. РФ2261485 С2, опубл. 27.09.2005, известно техническое решение, относящееся к подкритическому многокаскадному умножителю нейтронов, содержащему 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. Быстрые нейтроны последовательно проходят поглотитель, два замедлителя, в которых сбрасывают свою энергию, замедляются до тепловых энергий и подходят к активному слою. В активном слое тепловые нейтроны поглощаются, вызывая деление урана-235, размножаются в нем, компенсируя все потери нейтронов на поглощение и рассеяние по пути от источника до урана. 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. Группа из поглотителя и двух замедлителей не дают возможности обратного движения тепловых нейтронов в предыдущий каскад. Выполнение умножителей нейтронов по такой схеме позволяет решить задачу повышения уровня интенсивности потока нейронов, но приводит к увеличению габаритов умножителя, что ограничивает сферу его применения. Кроме того, устройство содержит большое количество высокообогащённого урана (более нескольких критических масс при компактном размещении) и потенциально опасно при разрушении.

Задачей настоящего изобретения является разработка умножителя нейтронов, обеспечивающего постоянный высокоинтенсивный поток нейтронов без существенного роста его габаритов и количества используемого топлива.

Техническим результатом является повышение интенсивности потока нейтронов, обеспечиваемой наличием сверхкритических зон размножения на тепловых нейтронах при общем количестве делящегося материала менее критической массы.

Указанный технический результат обеспечивается устройством умножителя нейтронов, содержащим

помещенные в систему биологической защиты блок размножения нейтронов с каналом подачи нейтронов от внешнего источника к активной зоне блока размножения нейтронов, и блок вывода усиленного потока нейтронов, в котором

блок размножения быстрых нейтронов включает в себя помещенные в герметизированный контейнер секцию размножения нейтронов и секцию вывода нейтронов, сообщающуюся с блоком вывода нейронов, причём

секция размножения нейтронов, окруженная слоем отражателя, выполнена в виде полого тела вращения, образованного

боковой стенкой, являющейся частью поверхности тора,

коническими верхней и нижней стенками, примыкающими к верхней и нижней кромкам боковой стенки, являющимися поверхностями усеченных конусов, с равными образующими, малые основания которых обращены навстречу друг другу, и

нижней круговой стенкой, примыкающей к верхней кромке нижней конической стенки, и кольцевой стенкой, примыкающей к нижней кромке верхней конической стенки, располагающихся друг относительно друга с пространственным зазором, причём

часть секции размножения нейтронов, ограниченная боковой стенкой и коническими верхней и нижней стенками, является отсеком активной зоны с топливным раствором в виде делящегося изотопа или смеси делящихся изотопов в замедлителе, а часть этой секции, ограниченная упомянутыми кольцевой и круговой стенками, является отсеком выхода нейтронов из отсека активной зоны,

секция вывода нейтронов размещена в упомянутом отсеке выхода нейтронов соосно секции размножения нейтронов между упомянутыми нижней круговой стенкой и верхней кольцевой стенкой отсека выхода нейтронов, ограниченная конической стенкой, являющейся поверхностью усеченного конуса, окружностью большего основания которого является окружность отверстия верхней кольцевой стенки отсека выхода нейтронов,

при этом геометрические параметры упомянутых секций определены на основе средней длины ln пробега термализации нейтрона в соответствующей загруженной активной среде, так, что

длина образующей упомянутых конических стенок с углом наклона 50-55° равна ln,

длина отсека активной среды по средней линии секции, лежащей в плоскости экватора торовой поверхности боковой стенки, больше ln,

диаметр упомянутой нижней круговой стенки равен 2,5ln,

диаметр окружности отверстия верхней кольцевой стенки равен 2,0ln,

высота пространственного зазора между нижней круговой и верхней кольцевой стенками составляет 0,5ln, а угол наклона образующей конической стенки отсека вывода нейтронов составляет 45°,

блок вывода усиленного потока нейтронов включает в себя нейтронную трубку, сообщающуюся с отверстием отсека вывода нейтронов секции размножения нейтронов, и анизотропный фильтр, закрывающий нейтронную трубку у её выходного сечения.

Размножающей средой активной зоны является топливный раствор в виде делящегося изотопа или смеси делящихся изотопов в форме гомогенного раствора в замедлителе, причём делящийся изотоп, выбран из группы, включающей в себя ²³⁹Pu и ²³⁵U, при этом общее количество делящегося изотопа в умножителе менее критического. Наиболее предпочтительным замедлителем/растворителем является вода.

Для компенсации потери реактивности в зоне размножения нейтронов путём возврата части нейтронного потока, направленного к секции вывода усиленного потока нейтронов умножитель дополнительно содержит группу выдвижных отражателей в герметичных цилиндрах, установленных в отсеке выхода нейтронов между отсеком активной зоны и секцией вывода усиленного потока нейтронов в нейтронную трубку.

Для обеспечения поддержания постоянства состава и температуры топливного раствора в зонах размножения и истечения нейтронов могут быть установлены системы охлаждения и блоки конверсии гремучего газа, а также система аварийного сброса топлива.

Остальные признаки настоящего изобретения будут понятны из последующего подробного описания изобретения.

Изобретение поясняется чертежами, на которых одинаковые элементы и части умножителя нейтронов обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

фиг. 1 – схематический вид умножителя нейтронов,

фиг. 2 – фронтальное сечение блока размножения (быстрых) нейтронов,

фиг. 3a – структура и геометрия образующей поверхности секции размножения нейтронов;

фиг. 3b – фронтальный разрез секции размножения нейтронов, показывающий поверхности секции размножения;

фиг. 4a – схематический вид сечения секции размножения нейтронов, на котором показаны геометрические параметры секции и зоны размножения нейтронов в отсеке активной зоны;

фиг. 4b – разрез по линии А-А секции размножения нейтронов на фиг. 4a;

фиг. 5 – схематический вид сечения блока размножения с топливной вставкой в нейтронной трубке;

фиг. 6 – схематический вид сечения блока размножения с топливной вставкой на выходе отсек вывода усиленного потока нейтронов.

Устройство умножителя нейтронов, схема которого показана на фиг. 1 содержит блок 1 размножения быстрых нейтронов с каналом 7 подвода нейтронов от внешнего источника к активной зоне блока размножения и блок 2 вывода усиленного потока быстрых нейтронов, которые окружены средством 6 биологической защиты.

Секция вывода усиленного потока нейтронов включает в себя нейтронную трубку 4 и анизотропный фильтр 5. Блок размножения быстрых нейтронов с нейтронной трубкой 4 размещён в герметизированном контейнере 3. Поток быстрых нейтронов выводится по нейтронной трубке 4 через анизотропный фильтр 5 к потребителю усиленного потока нейтронов.

Блок 1 размножения быстрых нейтронов, схема которого показана на фиг. 2, содержит секцию 8a размножения быстрых нейтронов с отсеком 8b выхода нейтронов и секцию 9 истечения усиленного потока нейтронов, размещенную в отсеке 8b выхода нейтронов.

Секция 8 размножения нейтронов выполнена в форме полого тела вращения, стенки которого формируют поверхность со сложным (комбинированным) профилем поперечного сечения секции. По существу поверхность секции 7 размножения нейтронов является результатом вращением вокруг вертикальной оси Op-Op данной секции образующей незамкнутого профиля, соответствующей профилю поперечного сечения этой секции до её оси Op-Op. Как показано на фиг. 3a, образующая поверхности секции размножения сформирована дугой 8c окружности, концы которой переходят в прямолинейные отрезки 8c1 и 8c2 равной длины с наклоном под углом α к средней линии lp-lp образующей профиля, которые, в свою очередь переходят в горизонтальные отрезки 8c3 и 8c4 соответственно, и разделены зазором h при этом отрезок 8c4 проходит до оси вращения Op-Op и больше длины отрезка 8c3, свободный конец которого удален на расстояние lh от оси Op-Op секции. В целом, как видно на фиг. 3b, показывающей фронтальный разрез секции 8 размножения нейтронов с секцией 9 вывода усиленного потока, секция 8 размножителя нейтронов содержит боковую стенку Пт, являющейся частью поверхности тора с профилем дуги 8c и диаметром De = 2Rp экватора поверхности тора, конические стенки Пкон, являющимися поверхностями усеченных конусов с верхней и нижней сторон секции (с углом конуса β = 90 – α), малые основания которых обращены навстречу друг другу, нижнюю круговую стенку Пкр, и верхнюю кольцевую Пк стенку, с диаметром отверстия dh = 2lh или другой подходящей плоской геометрической фигурой.

На фиг. 4a показано сечение по линии A-A, совпадающей со средней линией lp-lp секции, лежащей в экваториальной плоскости стенки секции размножения, образованной торовой поверхностью.

Пространство секции 8, ограниченное боковой стенкой Пт, являющейся поверхностью тора, и коническим верхней и нижней стенками Пкон образует отсек 8а для заполнения размножающей средой 8f, далее упоминаемый как отсек активной зоны. В качестве размножающей среды является топливный раствор например, в виде делящегося изотопа или смеси делящихся изотопов в форме гомогенного раствора в замедлителе, в котором в качестве делящегося вещества используется изотоп или смесь изотопов, таких как изотопы из группы ²³⁹Pu, ²³⁵U и др. при этом общее количество делящегося изотопа менее критического. Отсек 8a активной зоны имеет длину L в плоскости экватора торовой поверхности боковой стенки. Отсек 8b выхода нейтронов из отсека 8a активной зоны обеспечивает выход нейтронов к секции 9f вывода усиленного потока нейтронов и представляет собой круговую полость с отверстием верхней кольцевой стенки Пк, к которому примыкает нейтронная трубка 4 секции вывода усиленного потока нейтронов, и сплошной нижней круговой стенкой, и разделён с отсеком активной зоны круговой боковой стенкой из металла.

Отсек 8b представляет собой тело вращения, сечение образующей которого перпендикулярно оси вращения имеет форму прямоугольной трапецию со сторонами 0,25ln (верхнее основание трапеции), 0,75ln (нижнее основание трапеции), 0,5ln (боковая сторона трапеции, примыкающая к основаниям под прямым углом). Отсек изготовлен из малоактивируемой нержавеющей стали, либо циркония, либо иного сплава, имеющего высокую механическую прочность и малое сечение захвата нейтронов. Полость отсека заполнена гелием при давлении от 1 Па до 100 кПа.

Верхняя и нижняя стенки секции выхода нейтронов разделены пространством высотой равной упомянутому выше зазору h. = 0,5ln.

Секция умножения нейтронов окружена слоем отражателя 10, выполненного из графита или других материалов, обеспечивающих альбедо нейтронного потока не менее 0.7. Толщина слоя отражателя не превышает 50 см.

Секция 9 вывода усиленного потока нейтронов размещена в центральной части отсека 8b вывода нейтронов из отсека 8a активной зоны между верхней кольцевой стенкой и нижней круговой стенкой отсека вывода нейтронов и выполнена в виде полого отсека 9a, ограниченного конической стенкой, являющейся поверхностью усеченного конуса, соосного секции размножения 8, и открытого с верхней стороны по окружности его большего основания с диаметром, равным диаметру dh отверстия верхней кольцевой стенки канала 8b выхода нейтронов. Полость отсека 9a секции 9 истечения нейтронов заполнена топливным раствором в виде делящегося изотопа или смеси делящихся изотопов в форме гомогенного раствора в замедлителе 9f. Основное назначение секции вывода усиленного потока нейтронов состоит в обеспечении максимально возможной утечки быстрых и полутепловых нейтронов.

Геометрия секции 8 размножения нейтронов и секции 9 истечения нейтронов определены на основе средней длины ln пробега термализации быстрого нейтрона для выбранного вида топливного раствора.

Длина отрезков 8с1 и 8с2, соответствующих образующим конических стенок отсека 8a размножения нейтронов принимается равной длине ln пробега термализации нейтрона, длина L отсека 8a активной зоны секции размножения нейтронов по средней линии lp-lp, лежащей в плоскости экватора торовой поверхности боковой стенки Пт, больше ln, при этом угол α наклона образующей конической поверхности Пкон к средней линии lp-lp составляет 50-55°. Высота h отсека 8b выхода нейтронов из отсека активной зоны и секции 9 вывода нейтронов принимается равной 0,5ln. Размер отверстия в верхней стенке отсека 8b выхода нейтронов из отсека активной среды, равный диаметру окружности большего основания конической секции отсека 9a вывода усиленного потока нейтронов, принимается равным удвоенной величине средней длины пробега термализации нейтрона – 2ln, а ширина кольцевой поверхности верхней стенки отсека выхода нейтронов составляет 0,25ln. Угол наклона образующей конической стенки отсека 9a принят равным 45° и диаметр окружности меньшего основания конической стенки секции 9 вывода усиленного потока нейтронов будет равен ln для указанной выше высоте h отсека.

При таких геометрических параметрах в отсеке 8a активной зоны секции размножения нейтронов, в которой присутствуют три области размножения: область 8-1 сверхкритического размножения нейтронов, область 8-2 критического размножения нейтронов и область 8-3 подкритического размножения нейтронов и обеспечивается общая реактивность области размножения нейтронов менее 1. Приходящий в зону 9f нейтрон, любой энергии, способен вызвать только однократный акт деления и размножения, но не развитую цепную реакцию. Секция 9 истечения усиленного потока нейтронов при указанной геометрии конического отсека 9a обеспечивает максимальную утечку образовавшихся в ней быстрых нейтронов в пассивном режиме.

Длина ln среднего пробега термализации быстрого нейтрона зависит от материала замедлителя, применяемого в соединении делящегося вещества с замедлителем. В качестве примера, ниже приведены возможные значения ln среднего пробега термализации и их оптимальные значения, которые могут приниматься при расчёте геометрии блока размножения нейтронов, для трёх видов материала замедлителя, используемых в топливных растворах.

Материал
замедлителя Интервал
среднего пробега
ln, см Оптимальный
средний пробег
ln, см Вода (H₂O) 5-15 6 Тяжелая вода (D₂O) 8-30 11 Графит 15-40 19

Образованный таким образом блок размножения нейтронов представляет собой сверхкритический генератор геометрического типа, содержащий минимум одну зону сверхкритического размножения на тепловых нейтронах и содержащий общее количество делящегося материала менее критической массы.

Блок размножения использует внешний источник нейтронов, поток которых поступает по каналу 7 подачи нейтронов от внешнего источника в отсек 8a активной зоны с топливным раствором в виде делящегося материала в замедлителе, запуская цикл умножения нейтронов.

В отсеке 8b выхода нейтронов между отсеком 8a активной среды и секцией 9 истечения нейтронов в нейтронную трубку 4 размещены вставки 17 прерывания нейтронного потока. Вставки 17 прерывания нейтронного потока могут быть выполнены в виде выдвижных отражателей, помещённых в герметичные цилиндры из слабоактивируемой стали или циркония. Выдвижные отражатели изготовлены из графита, бериллия или их соединений и смесей. Цилиндр может быть выполнен диаметром 1-5 см, глубина погружения/выдвижения равна толщине вставки прерывания нейтронного потока. Выдвижные отражатели осуществляют возврат части нейтронного потока в область размножения отсека активной среды для компенсирования потери реактивности по мере выгорания топлива. Количество цилиндров может быть от 6 до 30 штук, каждый снабжён независимым приводом перемещения. На фиг. 4b, в качестве примера, показаны вставки 17 прерывания нейронного потока из восьми выдвижных отражателей, расположенных по периметру зоны 8b. По мере потери реактивности в области 8а размножения нейтронов выдвижные отражатели выдвигаются из гнёзд и обеспечивают возврат части нейтронного потока, направленного к секции вывода усиленного потока нейтронов.

Образующие при работе блока высокоэнергетические излучения вызывают радиолиз воды при их прохождении в водных растворах (соединений топливных изотопов), приводя к распаду воды на водород и кислород и появлению гремучего газа. Для предотвращения накопления гремучего газа отсек 8a секция размножения и отсек 9a секции вывода нейтронов оборудованы каталитическими блоками 12 и 14 конверсии гремучего газа, осуществляющей каталитическую конверсию гремучего газа обратно в воду на катализаторах группы платиновых металлов. Каталитический блок 12 установлен в зоне верхней кромки торовой поверхности боковой стенки отсека 8a активной среды секции 8 размножения, а каталитический блок 14 установлен на крышке отсека 9a. Каталитический блок 12 отсека активной среды может быть выполнен в виде кольца толщиной 1 см и высотой 3 см, а каталитический блок 14 может быть выполнен в виде кольца толщиной 1 см и высотой 3 см и диаметром 30-50 см.

Каталитический блок заполнен активированным углём, покрытым платиной в концентрации 0,1% от массы угля. Кромка кольца каталитического блока 12, граничащая с кромкой торовой поверхности отсека 8a активной среды, и кромка кольца каталитического блока 14, граничащая с поверхностью истечения нейтронов отсека 9a выполнены перфорированными и пропускающими воду. Выделяющийся при работе установки гремучий газ диффундирует в зону каталитического блока, претерпевает там обратное превращение и в виде водяного конденсата возвращается обратно в топливный раствор в отсеке активной среды и топливный раствор в отсеке вывода усиленного потока нейтронов. Каталитический блок также дополнительно осуществляет сорбцию и удаление из зоны реакции отравляющих элементов группы радиоактивных благородных газов.

Для обеспечения автоматического необратимого глушения установки в случае нештатного перегрева блок размножения может быть оборудован системой аварийного сброса топлива.

Система аварийного сброса топлива включает в себя трубку 15 аварийного сброса топлива, сообщающуюся с отсеком 8a активной среды размножения нейтронов, и ёмкость 16 аварийного слива топливного раствора. Трубка 15 аварийного сброса топлива может быть выполнена, например, из коррозионностойкой слабоактивируемой стали с внутренним диаметром 30-50 мм. Трубка 15 соединена с ёмкостью 16 аварийного слива топливного раствора, выполненного в виде герметичного сосуда, в котором находится сухая борная кислота или бура в количестве, достаточном для глубокой подкритичности топливного раствора при любых условиях и внешних воздействиях.

Усиленный поток быстрых нейтронов выводится из секции вывода усиленного потока нейтронов через нейтронную трубку 4, закрытую у выходного сечения анизотропным фильтром 5.

Нейтронная трубка 4 выполнена из слабоактивируемой стали или циркония; трубка вакуумирована, либо заполнена инертным газом, таким как гелий, неон или аргон, при давлении до 1 атмосферы. Принцип работы нейтронной трубки заключается в том, что попадающие в неё нейтроны не испытывают действия среды, так как трубка вакуумирована, и вследствие этого их свободный пробег определяется только их энергией.

Анизотропный фильтр 5 предназначен для обеспечения односторонней проходимости нейтронов в направлении из устройства и должен отсекать возможный возвратный поток по нейтронной трубке. Анизотропный фильтр выполнен из слоя поглотителя тепловых нейтронов и слоя замедлителя.

Материалы слоя замедлителя могут быть жидкими либо твёрдыми, а также растворами, дисперсными системами и композитными материалами такие как, например, вода, тяжёлая вода, парафин и родственные алканы с высокой температурой кипения, полиэтилен и родственные ему полимеры (полипропилен, полиизобутилен), суспензии полимеров в воде, растворы гидроксида лития, спиртов и полигликолей в воде, растворы полимеров в органических растворителях. Слой замедлителя имеет толщину, достаточную для замедления до тепловых скоростей (0,025-0,04 эВ) нейтронов с начальной энергией до 1 МэВ. В случае использования полиэтилена, либо родственных ему алканов, полиалканов, и их растворов и смесей необходимая толщина слоя составляет 90-100 мм. Предпочтительно использование литого полиэтилена, либо дисперсии полиэтилена в парафине с толщиной слоя 5-10 см.

Материалы слоя поглотителя (с большим сечением захвата тепловых нейтронов) могут быть жидкими или твёрдыми, а также композитами. такие как, например, элементарный бор, кадмий, редкоземельные элементы, а также их соединения, сплавы и композиты. Слой поглотителя имеет толщину, достаточную для поглощения потока 10¹⁴ нейтронов в секунду, т.е. суммарный поток по площади анизотропного фильтра. В случае использования металлического кадмия – это слой сплошного металла толщиной 20-25 мм, предпочтительнo, толщиной 10 мм.

Анизотропный фильтр расположен на выходе быстрых нейтронов из нейтронной трубки 4, слой поглотителя которого обращен к секции вывода 9 усиленного потока нейтронов. Корпус анизотропного фильтра выполнен из слабоактивируемых конструкционных материалов: полимеров, слабоактивируемой стали и имеет прочность достаточную для предотвращения утечки компонентов слоёв замедлителя и поглотителя. Поток быстрых нейтронов (2-4 МэВ) из источника падает на слой поглотителя и проходит его, не теряя энергии и интегральной интенсивности потока. Далее он падает на слой замедлителя и проходит его, теряя энергию, но мало теряя общую интенсивность потока, покидая устройство. Поток возвратных нейтронов (отражённых, генерированных активацией материалов за слоем замедлителя) падает на слой замедлителя и проходит его, замедляясь до энергии 0,025-0,04 эВ. При этом дополнительно происходит его рассеивание, но общая интенсивность падает мало. Далее замедленные нейтроны полностью поглощаются слоем поглотителя.

В слое замедлителя могут быть размещены каналы активного охлаждения, выполненными в виде энергонезависимых тепловых труб, с рабочим телом из ацетона, либо спирта. Слой поглотителя в виду его высокой теплопроводности при необходимости охлаждается за счёт отведения тепла за границы устройства теплопроводностью самого металла.

Анизотропный фильтр нейтронов, обеспечивает ослабление потока только при падении с определённого направления. В случае облучения нейтронами с других направлений, отличных от направления экранирования, существенного ослабевания потока не происходит, хотя нейтроны частично рассеиваются и замедляются на материалах устройства.

Блок размножения нейтронов и блок вывода усиленного потока нейтронов помещены в систему биологической защиты. Биологическая защита монтируется на месте эксплуатации установки, в том числе из местных материалов и не является самостоятельным модулем умножителя нейтронов.

Биологическая защита выполнена из комплекса материалов, обладающих способностью поглощать ионизирующие излучения различных типов. Защита многослойная, первый слой выполнен из борированного полиэтилена, толщиной не менее 5 см (то 4 до 10 см) и содержанием элементарного бора (либо его соединений) не менее 4% (массовых) (диапазон 3-15%).

Назначение первого слоя – полное поглощение нейтронов, проходящих через слой отражателя. Второй слой выполнен из сверхтяжёлого бетона, плотностью не менее 3,5, а предпочтительнее 4,5-5,2; бетон готовится путём введения в состав цементного вяжущего дроблёной железной руды, чугунной дроби и иных плотных металлических или рудных материалов. Толщина слоя не менее 20 см, предпочтительно 40 см. Диапазон 20-100 см. Назначение второго слоя – поглощение (вторичного) рентгеновского излучения и гамма-излучения.

Работа умножителя нейтронов

Через канал 7 подвода нейтронов, например в виде вводной трубки, в отсек 8a активной зоны вводится поток нейтронов от внешнего источника. Нейтроны могут быть тепловыми, промежуточными, либо быстрыми, а сам поток как постоянным, так и импульсным.

В отсеке активной зоны секции размножения нейтроны термализуются и поглощаются атомами топлива, растворённого в замедлителе (воде, тяжёлой воде, их смесях и суспензиях с графитом). При этом генерируются нейтроны второго поколения и идёт общее умножение интегрального нейтронного потока с коэффициентом умножения 2-2,8. Нейтроны второго поколения излучаются изотропно и через несколько актов деления распространяются по всему объёму секции размножения нейтронов.

Поскольку геометрические размеры отсека 8a активной зоны секции размножения и параметры отражателя 10 подобраны таким образом, то область умножения отсека 8a активной зоны без внешней подпитки нейтронами из источника подкритична за счёт излучения значительной части нейтронов в зону секции 9 вывода усиленного потока нейтронов.

В отсеке 8a активной зоны умножения формируются область сверхкритического размножения, область критического размножения и область подкритического размножения. Общая реактивность системы менее 1. Область сверхкритического размножения имеет такое геометрическое расположение и размеры, что половина нейтронов, рождающихся в ней уходит в зону истечения и в итоге покидают установку. Оставшаяся часть нейтронов проходит через топливный раствор, термализуется и генерирует волну вторичных нейтронов в области подкритического размножения. Нейтроны, родившееся в области подкритического размножения, излучаются в область сверхкритического размножения, где термализуются, вызывают деление топлива и замыкают цикл работы умножителя, и в отражатель. Отражённые нейтроны термализуются преимущественно в области критического размножения, откуда в свою очередь излучаются в область истечения и в отражатель. Нейтроны, родившееся в области критического размножения, преимущественно не вызывают деления материала в области сверхкритического размножения, так как покидают её до достижения термализации.

Нейтроны, попавшие в отсек выхода усиленного потока нейтронов вне зависимости от их начальной энергии, термализуются и вызывают акт деления топлива в зоне испускания. Нейтроны, родившиеся в зоне отсека выхода усиленного потока нейтронов покидают установку через нейтронную трубку 4, закрытую анизотропным фильтром 5.

Геометрия отсека 9a вывода усиленного потока нейтронов и наличие вставок 17 прерывания нейтронного потока в отсеке выхода нейтронов обеспечивают поток нейтронов в активную зону отсека размножения нейронов меньший, чем поступает из неё в зону отсека выхода усиленного потока нейтронов. Это обусловливает общую подкритичность системы, так как в связи с увеличенной утечкой нейтронов реактивность системы снижается и становится менее 1. Системы с такой реактивностью являются подкритическими и неспособными к самопроизвольной цепной реакции.

Во вставках 17 могут быть установлены дополнительные выдвижные отражатели, увеличивающие возврат нейтронов в активную зону отсека 8a размножения и тем самым регулирующие степень её подкритичности по мере выгорания топлива.

Трубы 11 и 13 системы охлаждения, блоки 12 и 14 конверсии гремучего газа также система аварийного сброса топлива 15-16, когда они установлены поддерживают постоянство состава и температуру топливного раствора в активных зонах умножения и истечения усиленного потока нейтронов. Система аварийного сброса топлива обеспечивает автоматическое необратимое глушение умножителя нейтронов в случае нештатного перегрева, который по каким-либо причинам возник в нем.

В рамках описанного выше варианта исполнения умножителя нейтронов работа установки начинается с инжекции нейтронов через канал 7 подвода нейтронов от внешнего источника которая проходит в активную зону отсека 8a секции размножения и вызывает акт деления делящегося материала, например ²³⁵U, ²³⁹Pu и их смесей с концентрацией по элементу в диапазоне 1-100 г/л, предпочтительный диапазон 1-10 г/л; оптимальный диапазон составляет 3-5 г/л. После этого, вторичные нейтроны изотропно рассеиваются по объёму активной зоны отсека 8a, вызывая вторичный акт деления преимущественно в области подкритического размножения. Количество третичных нейтронов растёт в сравнении со вторичными, однако общая плотность потока падает. Третичные нейтроны из области подкритического размножения примерно на 55% уходят в сторону отражателя (и отражаются обратно с потерей 30% интенсивности) и примерно на 40% излучаются в сторону области сверхкритического размножения. Основная мощность воспроизведения и усиления нейтронного потока происходит в циркуляции нейтронов между областями сверхкритического размножения и подкритического размножения. Место расположения канала 7 подвода нейтронов от внешнего источника не важно, так как в любом случае введенный пучок придёт замедленным в центр активной зоны.

Нейтроны из области сверхкритического размножения (третичные) вызывают акт деления делящегося материала и 4-е поколение нейтронов на 50% уходит в отсек 9 вывода усиленного потока нейтронов, где генерирует 5-е поколение нейтронов, покидающее умножитель нейронов через систему нейтронной трубки 4 и анизотропного фильтра 5.

Для повышения интенсивности усиленного потока нейтронов умножитель нейтронов может быть снабжен топливной вставкой. Топливная вставка может быть установлена в отсеке вывода усиленного потока нейтронов или на выходе отсека вывода усиленного потока нейтронов, или в их сочетании.

На фиг. 5 показано сечение умножителя нейтронов, в котором топливная вставка 18 установлена в отсеке 9a вывода усиленного потока нейтронов. Топливная вставка 18 установлена вертикально по оси отсека 9a и изготовлена из металла или сплава, содержащего высокообогащённый делящийся элемент в количествах, сопоставимых с количеством элементов в топливном растворе зоны истечения усиленного потока нейтронов.

В качестве материала топливной вставки 18 для данного варианта осуществления может быть использован металлический плутоний, либо компактные его соединения в форме: оксидов, карбидов, сплавов с иными металлами. Размеры топливной вставки, выполненной в виде цилиндра: диаметр 1-2 см, высота – 0,5 от средней длины ln пробега термализации и в зависимости от среды раствора топлива может выбираться из диапазонов 2-4 см, когда материалом среды раствора является лёгкая вода (Н₂О), 3-8 см, когда материалом среды раствора – тяжёлая вода (D₂О), и 8-11 см, когда материал среды раствора – графит; Предпочтительно в пределах каждого диапазона оптимальная высота соответственно упомянутым материалам среды раствора равна 3 см, 5,5 см, 9,5 см.

При такой геометрии и структуре умножителя нейтронов 4-е поколение нейтронов, по сравнению с вышеприведенным вариантом осуществления на 50% уходит в зону секции 9 выпуска усиленного потока нейтронов, где генерирует 5-е поколение нейтронов, в среде топливного раствора и топливной (металлической) вставке 18, покидающее умножитель нейтронов через систему нейтронной трубки 4 и анизотропного фильтра 5.

В таком варианте осуществления выход нейтронов увеличивается на 5-20%, а время работы установки – на 1-3 месяца.

На фиг. 6 показано сечение умножителя нейтронов, в котором топливная вставка 19 установлена на выходе отсека 9a вывода усиленного потока нейтронов. В таком варианте осуществления топливная вставка 19 располагается параллельно и соосно выходному отверстию отсека вывода усиленного потока нейтронов и выполнена из металлического плутония, либо компактных его соединений: оксидов, карбидов, сплавов с иными металлами.

Топливная вставка 19 выполнена в виде диска с диаметром, равным средней длине пробега ln пробега термализации нейтрона и в зависимости от среды раствора топлива может выбираться из диапазонов 5-7 см при использовании в качестве материала среды раствора лёгкой воды (Н₂О), 9-13 см при использовании в качестве материала среды раствора тяжёлой вода (D₂О), и 17-21 см при использовании в качестве материала среды раствора графита. Предпочтительно в пределах каждого диапазона упомянутых материалов среды раствора оптимальный диаметр составляет соответственно 6 см, 5-11 см и 19 см. Толщина диска может быть принята в диапазоне 1-20 мм, предпочтительно 2-3мм. Расстояние от топливной вставки до поверхности топливного раствора зоны утечки составляет от 0.5 от средней длины ln пробега термализации нейтронов в среде раствора топлива, и в зависимости от материала замедлителя может выбираться из диапазонов 2-4 см, когда материал среды раствора – лёгкая вода (Н₂О), 3-6 см, когда материал среды раствора – тяжёлая вода (D₂О), и 7-11, когда материал среды раствора – графит; предпочтительно в пределах каждого диапазона упомянутых материалом среды раствора оптимальное расстояние составляет соответственно 3 см, 5,5 см и 9,5 см.

В этом варианте осуществления по сравнению с предыдущим вариантом исполнения нейтроны из области сверхкритического размножения (третичные) вызывают акт деления делящегося материала и 4-е поколение нейтронов на 50% уходит в зону истечения 9, где генерирует 5-е поколение нейтронов, в среде топливного раствора и 6-е поколение нейтронов на топливной (металлической) вставке 19, покидающее установку через систему нейтронной трубки 4 и анизотропного фильтра 5.

В таком варианте осуществления выход нейтронов увеличивается на 20-40% при относительно малом увеличении времени работы умножителя нейтронов.

Описанный выше умножитель нейтронов и его отдельные варианты исполнения не ограничивают настоящее изобретение. Для специалистов в данной области техники могут быть понятны возможные модификации, изменения и усовершенствования, не выходящие рамки объема правовой охраны настоящего изобретения в соответствии с формулой изобретения.

Изобретение относится к умножителю нейтронов. Устройство содержит помещенные в систему биологической защиты блок размножения нейтронов с каналом подачи нейтронов от внешнего источника к активной зоне блока размножения нейтронов, и блок вывода усиленного потока нейтронов. Секция размножения нейтронов, окруженная слоем отражателя, выполнена в виде полого тела вращения, образованного боковой стенкой, являющейся частью поверхности тора, коническими верхней и нижней стенками, примыкающими к верхней и нижней кромкам боковой стенки, являющимися поверхностями усеченных конусов с равными образующими. Малые основания конусов обращены навстречу друг другу, и нижней круговой стенкой, примыкающей к верхней кромке нижней конической стенки, и кольцевой стенкой, примыкающей к нижней кромке верхней конической стенки, располагающихся друг относительно друга с пространственным зазором. Причём часть секции размножения нейтронов, ограниченная боковой стенкой и коническими верхней и нижней стенками, является отсеком активной зоны, а другая часть этой секции является отсеком выхода нейтронов из отсека активной зоны. Техническим результатом является повышение интенсивности потока нейтронов. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Умножитель нейтронов, содержащий помещенные в систему биологической защиты блок размножения нейтронов с каналом подачи нейтронов от внешнего источника к активной зоне блока размножения нейтронов и блок вывода усиленного потока нейтронов, в котором

блок размножения быстрых нейтронов включает в себя помещенные в герметизированный контейнер секцию размножения нейтронов и секцию вывода нейтронов, сообщающуюся с блоком вывода нейронов, причём

секция размножения нейтронов, окруженная слоем отражателя, выполнена в виде полого тела вращения, образованного

боковой стенкой, являющейся частью поверхности тора,

коническими верхней и нижней стенками, примыкающими к верхней и нижней кромкам боковой стенки, являющимися поверхностями усеченных конусов, с равными образующими, малые основания которых обращены навстречу друг другу, и

нижней круговой стенкой, примыкающей к верхней кромке нижней конической стенки, и кольцевой стенкой, примыкающей к нижней кромке верхней конической стенки, располагающихся друг относительно друга с пространственным зазором, причём

часть секции размножения нейтронов, ограниченная боковой стенкой и коническими верхней и нижней стенками, является отсеком активной зоны, а часть этой секции, ограниченная упомянутыми кольцевой и круговой стенками, является отсеком выхода нейтронов из отсека активной зоны,

секция вывода нейтронов размещена в упомянутом отсеке выхода нейтронов соосно секции размножения нейтронов между упомянутыми нижней круговой стенкой и верхней кольцевой стенкой отсека выхода нейтронов, ограниченная конической стенкой, являющейся поверхностью усеченного конуса, окружностью большего основания которого является окружность отверстия верхней кольцевой стенки отсека выхода нейтронов,

при этом геометрические параметры упомянутых секций определены на основе средней длины ln пробега термализации нейтрона в соответствующем топливном растворе активной зоны так, что

длина образующей упомянутых конических стенок с углом наклона 50-55° равна ln,

длина отсека активной среды по средней линии секции, лежащей в плоскости экватора торовой поверхности боковой стенки, больше ln,

диаметр упомянутой нижней круговой стенки равен 2,5ln,

диаметр окружности отверстия верхней кольцевой стенки равен 2,0ln,

высота пространственного зазора между нижней круговой и верхней кольцевой стенками составляет 0,5ln, а угол наклона образующей конической стенки отсека вывода нейтронов составляет 45°,

блок вывода усиленного потока нейтронов включает в себя нейтронную трубку, сообщающуюся с отверстием отсека вывода нейтронов секции размножения нейтронов, и анизотропный фильтр, закрывающий нейтронную трубку у её выходного сечения.

2. Умножитель по п. 1, в котором анизотропный фильтр выполнен двухслойным, слоя поглотителя и слоя замедлителя тепловых нейтронов, причём слой поглотителя выполнен толщиной 20-25 мм из материала, выбираемого из группы, включающей в себя элементарный бор, кадмий, редкоземельные элементы, а также их соединения, сплавы и композиты, а

слой замедлителя выполнен толщиной 90-100 мм из материала, выбираемого из группы, включающей в себя воду, тяжёлую вода, парафин и родственные алканы с высокой температурой кипения, полиэтилен и родственные ему полимеры, суспензии полимеров в воде, растворы гидроксида лития, спиртов и полигликолей в воде, растворы полимеров в органических растворителях.

3. Умножитель по п. 1, дополнительно содержащий вставки прерывания нейтронного потока в виде выдвижных отражателей в герметичных цилиндрах, установленных в отсеке выхода нейтронов между отсеком активной зоны и секцией вывода усиленного потока нейтронов в нейтронную трубку.

4. Умножитель по п. 3, в котором выдвижные отражатели изготовлены из материала, выбираемого из графита, бериллия или их соединений и смесей.

5. Умножитель по п. 1, в котором размножающей средой активной зоны является топливный раствор в виде делящегося изотопа или смеси делящихся изотопов в форме гомогенного раствора в замедлителе, причём делящийся изотоп выбран из группы, включающей в себя ²³⁹Pu и ²³⁵U, при этом общее количество делящегося изотопа менее критического.

6. Умножитель по п. 5, в котором концентрация по элементу делящегося изотопа составляет 1-100 г/л.

7. Умножитель по п. 5, в котором замедлителем является вода или тяжёлая вода, или графит.

8. Умножитель по п. 1, в котором секция размножения нейтронов и секция вывода нейтронов каждая снабжена системой охлаждения и блоком конверсии гремучего газа.

9. Умножитель по п. 1, содержащий дополнительно топливную вставку, размещенную вертикально в отсеке вывода усиленного потока нейтронов и соосно с ним, причём высота топливной вставки составляет 0,5 средней длины ln пробега термализации нейтрона в среде раствора топлива.

10. Умножитель по п. 9, в котором высота топливной вставки в отсеке вывода усиленного потока нейтронов выбирается в зависимости от материала среды раствора топлива из диапазона 2-4 см при использовании лёгкой воды (Н₂О), 3-8 см при использовании тяжёлой воды (D₂О), 8-11 см при использовании графита.

11. Умножитель по п. 1, содержащий дополнительно топливную вставку, размещенную на выходе отсека вывода усиленного потока нейтронов параллельно ему и выполнена в виде диска диаметром, равным средней длине пробега ln пробега термализации нейтрона и толщиной 1-20 мм, расположен на расстоянии 0,5 от средней длины ln пробега термализации нейтронов в среде раствора топлива.

12. Умножитель по п. 11, в котором диаметр топливной вставки на выходе отсека вывода усиленного потока нейтронов выбирается в зависимости от материала среды топливного раствора из диапазона 5-7 см при использовании лёгкой воды (Н₂О), 9-13 см при использовании тяжёлой воды (D₂О), 17-21 см при использовании графита.