ЭЛЕКТРОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА С ВОДЯНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 2023 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к конструкциям электроядерных установок.

Широко известен электроядерный метод генерации нейтронов, которые рождаются при облучении мишеней из различных веществ пучком ионов (как правило, протонов), ускоренных в ускорителе до энергии порядка одного ГэВ и выше (см. В.Г. Васильков, В.И. Гольданский, В.П. Джелепов, В.П. Дмитриевский. «Электроядерный метод генерации нейтронов и производства расщепляющихся материалов», ж. «Атомная энергия», т.29, вып.3, 1970, стр. 151-158).

Устройства, в которых используется электроядерный метод генерации нейтронов, называются электроядерными установками. Одним из основных элементов электроядерной установки является нейтронопроизводящее устройство, которое содержит мишень, генерирующую нейтроны при облучении ее ионами, и ионопровод, образующий вакуумный канал, подводящий пучок высокоэнергетических ионов (как правило, протонов) к мишени.

Известна электроядерная установка, содержащая мишень из расплавленного свинца, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, бланкет, окружающий мишень и, частично, вакуумный канал, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения бланкета (см. В.Ф. Колесов. «Электроядерные установки и проблемы ядерной энергетики», «Вопросы атомной науки и техники», серия «Физика ядерных реакторов», 2014, вып.3, стр. 106-155). Бланкет в известном устройстве представляет собой сборку с графитовым замедлителем и носителем топлива в виде расплавленной соли NaF-ZrF4.

Основной недостаток известной электроядерной установки состоит в том, что бланкет содержит легкие элементы, на которых происходит рассеяние быстрых нейтронов, что приводит к необходимости использование сложного в эксплуатации теплообменного оборудования, обусловленного применением для охлаждения бланкета теплоносителя на основе тяжелых металлов.

Кроме этого коэффициент усиления по энергии в такой установке не соответствует современным требованиям.

Известная электроядерная установка принята в качестве ближайшего аналога заявленной электроядерной установки.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании технологически и энергетической выгодной электроядерной установки.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности реакции быстрых нейтронов в бланкете, в результате того, что подавляющее большинство нейтронов, рожденных в мишени, гарантированно вызывают реакцию деления.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания электроядерной установки, содержащей мишень, образованную тяжелым металлом в жидкой фазе, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, и бланкет, окружающий упомянутую мишень, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения упомянутого бланкета.

Упомянутые мишень и вакуумный канал герметично отделены от упомянутого бланкета, образованного природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе.

Внешний характеристический поперечный размер бланкета D_б и мишени D_м выбраны из соотношения , а теплообменник представляет собой резервуар с проточной водой.

В частном варианте выполнения, корпус упомянутого бланкета снабжен радиаторами.

В еще одном частном варианте выполнения, в качестве тяжелого металла использован металл, выбранный из группы, включающей в себя свинец, уран-238 и торий.

На фиг.1 показано схематичное изображение заявленной электроядерной установки.

Электроядерная установка, показанная на фиг.1, содержит мишень 1, выполненную, например, цилиндрической формы, ионопровод, образующий вакуумный канал 2 для подведения к мишени 1 релятивистских ионов, и бланкет 3, выполненный, например, цилиндрической формы, окружающий мишень 1 и, частично, вакуумный канал 2. Мишень 1, вакуумный канал 2 и бланкет 3 расположены на одной продольной оси.

Мишень 1 образована тяжелым металлом в жидкой фазе (например, свинцом, ураном-238 или торием). Мишень 1 и вакуумный канал 2 герметично отделены от бланкета 3 стенкой из нержавеющей стали. Вакуумный канал 2, кроме этого, герметично отделен стенкой из нержавеющей стали от резервуара 4 с охлаждающим теплоносителем, в качестве которого использована проточная вода.

Бланкет 3 образован природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе, препятствующем проникновению теплоносителя в зону, где происходит деление вещества бланкета 3.

Корпус бланкета 3 выполнен из тугоплавкой нержавеющей стали, используемой в ядерном реакторостроении, и может быть снабжен периферийными крыльями-радиаторами для улучшения отвода тепла из бланкета (условно не показаны).

Внешний характеристический поперечный размер D_б бланкета 3 и внешний характеристический поперечный размер D_м мишени 1 (в частном варианте, внешний диаметр бланкета 3 и мишени 1) выбраны из соотношения .

В других частных вариантах выполнения, бланкет 3 и мишень 1 могут иметь сферическую, эллиптическую, коническую и любую иную осесимметричную форму.

Конструктивное выполнение заявленной установки (в первую очередь, бланкета 3), в частности, соотношение внешних характеристических поперечных размеров мишени 1 и бланкета 3 гарантировано вызывает реакцию деления в бланкете 3 подавляющего большинства высокоэнергичных нейтронов, рожденных в мишени 1.

Это, в свою очередь, обеспечивает возможность использования технологически выгодного водяного теплоносителя, а не традиционно используемого теплоносителя на основе тяжелых металлов, который требует добавочного теплового контура и сложен технологически.

Заявленную установку используют следующим образом.

Ионы (протоны) с энергией 1-10 ГэВ поступают от ускорителя (не показан) по вакуумному каналу 2 на мишень 1. Протоны в мишени 1 производят нейтроны срыва, которые почти изотропно распространяются в бланкет 3. В бланкете 3 нейтроны вызывают реакцию деления с большим энерговыходом (порядка 200 МэВ на одно деление для обедненного урана). Кроме того, в конечном состоянии реакции деления появляются в среднем 2,5 нейтрона, которые продолжают затухающую цепную реакцию.

Выделенная энергия снимается с поверхности бланкета проточной водой. Экспериментально подтверждено, что использование жидкого свинца вместо проточной воды в качестве теплоносителя приводит к увеличению коэффициента усиления по выделенной в бланкете энергии менее, чем на 5%.

В таблице приведены коэффициенты усиления по энергии в зависимости от отношения диаметра бланкета 3 к диаметру мишени 1.

Из таблицы видно, что, начиная с коэффициент усиления по энергии практически не меняется.

Изобретение относится к конструкциям электроядерных установок. Электроядерная установка содержит мишень, образованную тяжелым металлом в жидкой фазе, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, и бланкет, окружающий упомянутую мишень, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения упомянутого бланкета. Мишень и вакуумный канал герметично отделены от упомянутого бланкета, образованного природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе. Причем внешний характеристический поперечный размер бланкета и мишени выбраны из соотношения а теплообменник представляет собой резервуар с проточной водой. Техническим результатом является повышение эффективности реакции быстрых нейтронов в бланкете. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электроядерная установка, содержащая мишень, образованную тяжелым металлом в жидкой фазе, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, и бланкет, окружающий упомянутую мишень, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения упомянутого бланкета, отличающаяся тем, что упомянутые мишень и вакуумный канал герметично отделены от упомянутого бланкета, образованного природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе, при этом внешний характеристический поперечный размер бланкета и мишени выбраны из соотношения а теплообменник представляет собой резервуар с проточной водой.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус упомянутого бланкета снабжен радиаторами.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве тяжелого металла использован металл, выбранный из группы, включающей в себя свинец, уран-238 и торий.