Узел мишени компактного источника нейтронов Российский патент 2024 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к ядерной физике, в частности к конструкции узла мишени компактного источника нейтронов для использования в составе комплекса на основе ускорителя протонов.

В результате бомбардировки бериллия пучком протонов достаточной энергии (около 13 МэВ) в бериллии происходит генерация нейтронов. Облучение протонным пучком приводит к интенсивному нагреву бериллиевой мишени, что, в отсутствие достаточного теплоотвода, может привести к ее разрушению.

Из уровня техники известен Нейтронопродуцирующий мишенный узел (патент РФ №2778110 от 28.12.2021), содержащий неподвижную вакуумную камеру с входом для пучка протонов и выходом для пучка генерируемых нейтронов, вращающийся внутри нее полый барабан с бериллиевым кольцом, установленным на его торце на пути пучка протонов. Барабан выполнен с осевой трубой, закрепленной с возможностью вращения в отверстиях вакуумной камеры, а через эту трубу осуществлен ввод в барабан и вывод из барабана охлаждающей бериллиевое кольцо жидкости. Соосно с осевой трубой внутри вращающегося барабана установлена неподвижная крыльчатка, выполненная с возможностью направления потока охлаждающей жидкости на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого кольца, а также с возможностью препятствования вращению объема охлаждающей жидкости вместе с барабаном.

Недостатком данного узла является недостаточное охлаждение бериллиевых сегментов.

Задачей настоящего изобретения является создание узла мишени компактного источника нейтронов с эффективным отвода тепла от бериллиевой мишени в процессе ее облучения протонным пучком.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение отвода тепла с одновременным уменьшением слоя охлаждающей жидкости.

Технический результат достигается применением узла мишени компактного источника нейтронов согласно настоящему изобретению. Узел содержит вакуумную камеру, внутри которой расположен вращающийся корпус охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками и охлаждаемый барабан мишенной сборки, при этом корпус охлаждаемого барабана мишенной сборки выполнен в виде полого цилиндра с окошками в боковой поверхности, в каждом из которых установлена соответствующая бериллиевая ячейка, охлаждаемый барабан мишенной сборки выполнен с осевым каналом подачи охлаждающей жидкости, который разветвляется на радиальные каналы подачи охлаждающей жидкости к каждой упомянутой бериллиевой ячейке, причем место контакта охлаждающей жидкости, поступающей из указанного радиального канала, и бериллиевой ячейки выполнено в виде кармана, при этом в нижней части охлаждаемого барабана мишенной сборки выполнены спиралевидные каналы отведения охлаждающей жидкости от каждого кармана, перенаправляющие ее к центру указанного барабана, а торец указанного барабана в месте кармана выполнен в виде лопасти.

Дополнительной особенностью является то, что указанное вращение корпуса охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками и охлаждаемым барабаном мишенной сборки осуществляют по часовой стрелке.

Дополнительной особенностью является то, что спиралевидные каналы отведения охлаждающей жидкости от каждого кармана выполнены таким образом, чтобы движение охлаждающей жидкости от кармана происходило против направления движения корпуса охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками и охлаждаемым барабаном мишенной сборки.

Дополнительной особенностью является то, что упомянутый барабан установлен на вал, внутри которого выполнен цилиндрический канал отведения охлаждающей жидкости, внутри которого выполнен осевой канал подачи охлаждающей жидкости, причем каждый указанный спиралевидный канал соединен с упомянутым цилиндрическим каналом отведения.

На Фиг. 1 показана общий вид конструкции вакуумного узла бериллиевой мишени компактного источника нейтронов.

На Фиг. 2 показано направление движения охлаждающей жидкости внутри барабана.

На Фиг. 3 показан узел мишени компактного источника нейтронов.

На указанных фигурах позициями обозначены следующие элементы: вакуумная камера (1), вращающийся корпус (2) охлаждаемого барабана мишенной сборки, бериллиевык ячейки (3), охлаждаемый барабан (4) мишенной сборки, полый цилиндр (5), окошками (6), осевой канал (7) подачи охлаждающей жидкости, радиальные каналы (8) подачи охлаждающей жидкости, карман (9), спиралевидные каналы (10) отведения охлаждающей жидкости, лопасть (11), вал (12), цилиндрический канал (13) отведения охлаждающей жидкости, кольцо (14) прижимное, крышка (15) барабана верхняя, крышка (16) канала подачи охлаждающей жидкости, крышка (18) барабана нижняя, кольцо (19) прижимное, пучок (100) протонов, подача (200) охлаждающей жидкости, отвод (300) охлаждающей жидкости.

В вакуумную камеру 1 по трубе (протоноводу) с одной стороны вводится пучок 100 протонов, который падает на бериллиевый диск (ячейку) 3, смонтированный на внешнем ободе вращающегося барабана. В результате происходит генерация нейтронов, направление разлета которых составляет 4π стерадиан — во все стороны, без преимущественного направления. Установка замедлителей нейтронов осуществляется снизу и сверху от вакуумной камеры 1 со стороны облучаемого бериллиевого диска 3. Каналы отвода нейтронов направлены на замедлители. Вакуумная камера 1 имеет форму четырехугольной призмы и состоит из корпуса и двух крышек. В центре нижней крышки выполнен опорный узел вращения барабана, в который устанавливается вал барабана.

Сборный барабан представляет собой конструкцию, состоящую из внешнего стального корпуса 2 в виде кольца 5 диаметром 390 мм с выполненными в нем отверстиями (окошками) 6, направленными радиально к внешней поверхности для установки бериллиевых ячеек 3, представляющих собой цилиндрические стаканы, выполненные из биметалла сталь-медь и впаянных бериллиевых дисков диаметром 54 мм и толщиной 1,1 мм.

В центре корпуса установлен внутренний барабан 4, изготовленный из алюминия и имеющий специальные лопасти 11 на внешнем диаметре и специальные (спиралевидные) каналы 10 в нижней части для отвода воды (охлаждающей жидкости). В центре этого барабана выполнено отверстие с пазом для установки водоподводящей трубки. От центрального отверстия барабана радиально выполнены сквозные отверстия (каналы) 8 диаметром 10 мм, для направления воды к бериллиевым ячейкам 3. Вода, поступая по этим каналам 8, омывает бериллиевые сегменты, после чего захватывается внешними лопастями 11 барабана и перенаправляется по водоотводным каналам 10 к центральной части барабана, где по полому валу уходит во внешний объем. Внутренний барабан жестко зафиксирован в стальном корпусе и вращается вместе с ним.

Центральный паз для установки водоподводящей трубки герметично закрывается крышкой 16 канала подачи охлаждающей жидкости, в конструкции которой предусмотрены элементы, разбивающие общий поток поступающей воды на отдельные потоки, направленные к радиально выполненным отверстиям. Внутренняя полость барабана закрывается двумя алюминиевыми крышками (15 и 18). Герметичное вакуумплотное соединение крышек барабана с корпусом осуществляется за счет выполненных на корпусе и прижимных кольцах (14 и 19) кольцевых ножей (ConFlat-подобное уплотнение), которые прожимаются в тело алюминиевых крышек. В нижней крышке барабана выполнено отверстие с пазом для установки полого вала, который обеспечивает передачу вращения барабану и отвод воды из внутреннего объема.

С внешней стороны камеры на вал устанавливается магнитожидкостное уплотнение, обеспечивающее вакуумную герметичность соединения стенок камеры и полого вала барабана и позволяющее барабану свободно вращаться вокруг своей оси. В средней части полого вала барабана устанавливается подшипниковый узел, который ограничивает изгиб вала при приложенной к нему нагрузке от привода вращения. После подшипникового узла устанавливается торцевое уплотнение на вал, которое обеспечивает герметичное соединение водоотводящей части барабана с внешними трубами. На нижний конец водоподводящей трубки установлено торцевые уплотнение, которые в паре со специальным корпусом обеспечивают герметичное соединение вода-воздух.

Принцип работы системы

Вакуумная камера 1 является неподвижным элементом. Внешний привод сообщает непрерывное вращательное движение барабану 4, в результате чего бериллиевые сегменты 3 по очереди, сменяя друг друга, пересекают протонный пучок 100. Вращение барабана осуществляется по часовой стрелке.

Через вращающийся барабан внешним насосом непрерывно прокачивается вода или иной жидкий хладагент. Во время работы внутренняя полость барабана полностью заполнена водой. Вода подается через нижний фитинг 200 и водоподводящую центральную трубу и, проходя по центральным каналам внутреннего барабана, омывает бериллиевые окна 3 под прямым углом, после чего увлекается лопастями 11 и спиральными 10 каналами к выходу из барабана через полый вал 12.

В результате взаимодействия пучка протонов некоторой интенсивности с бериллием выделяется больше тепла, чем способна унести вода или любой другой известный хладагент. Вращение барабана с некоторой скоростью позволяет избежать перегрева и, как следствие, разрушения бериллиевых сегментов, подвергая их воздействию протонного пучка ограниченное время. Увеличивая скорость вращения барабана и диаметр составного бериллиевого кольца, при постоянной интенсивности пучка протонов, можно добиться поддержания приемлемой температуры каждого из бериллиевых сегментов. Охлаждение бериллиевых сегментов осуществляется протекающей водой, а меру нагрева в результате воздействия протонного пучка можно регулировать изменением скорости вращения барабана и изменением диаметра бериллиевого составного кольца, изменяя, таким образом, время экспозиции сегмента мишени в протонном пучке.

Предложенная конструкция узла мишени компактного источника нейтронов позволяет разрешить следующее техническое противоречие: с одной стороны, оптимальная толщина предзамедлителя (слоя воды) относительно центра протонного пучка составляет 1 см. Соответственно, допустимо иметь не более двух сантиметров воды в барабане. С другой стороны, толщина барабана не может составлять менее 60-80 мм по конструктивным соображениям - только диаметр самого бериллиевого сегмента составляет около 50 мм, при этом он впаян в биметаллическую оправку, еще более увеличивающей габарит (и вертикальный размер - толщину барабана, соответственно). Биметаллическая оправка вварена в стальной корпус барабана. На стальной корпус барабана сверху и снизу установлены алюминиевые крышки, еще более увеличивающие толщину барабана. С точки зрения нейтронно-физических соображений, толщина слоя воды, образующаяся в этом случае (около 60 мм) является избыточной и неприемлемой. Однако, такая толщина слоя воды является неизбежной по конструктивным соображениям - даже в случае принятия максимально компактных компоновочных решений, толщину (вертикальный размер) барабана, не удается сделать менее диаметра бериллиевого сегмента в оправке, в корпусе барабана, накрытым крышками. Уменьшать размер бериллиевого сегмента тоже не представляется возможным, поскольку при этом плотность мощности протонного пучка на единицу поверхности бериллиевого сегмента возрастает, что потребовало бы более эффективного охлаждения.

Техническое противоречие разрешается следующим образом: в конструкцию вводится монолитная алюминиевая деталь - барабан внутренний, совмещающая в себе несколько функций: функцию вытеснителя воды, функцию детали, в которой расположены каналы инжекторного водяного охлаждения и функцию детали, несущей на себе ребра, перенаправляющие потоки воды, охладившие бериллиевые сегменты и направляющиеся в стороны выходного отверстия. Поскольку алюминий является материалом, прозрачным для нейтронов, толщина вытеснителя может быть любой, и толщина барабана перестает иметь значение, а толщина слоя воды - предзамедлителя нейтронов может быть выбрана оптимальной, 1 см в данном случае.

Изобретение относится к конструкции узла мишени компактного источника нейтронов для использования в составе комплекса на основе ускорителя протонов. Узел содержит вакуумную камеру, внутри которой расположен вращающийся корпус охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками и охлаждаемый барабан мишенной сборки. Причем корпус охлаждаемого барабана мишенной сборки выполнен в виде полого цилиндра с окошками в боковой поверхности, в каждом из которых установлена соответствующая бериллиевая ячейка, охлаждаемый барабан мишенной сборки выполнен с осевым каналом подачи охлаждающей жидкости. Канал разветвляется на радиальные каналы подачи охлаждающей жидкости к каждой упомянутой бериллиевой ячейке, причем место контакта охлаждающей жидкости, поступающей из указанного радиального канала, и бериллиевой ячейки выполнено в виде кармана. В нижней части охлаждаемого барабана мишенной сборки выполнены спиралевидные каналы отведения охлаждающей жидкости от каждого кармана, перенаправляющие ее к центру указанного барабана, а торец указанного барабана в месте кармана выполнен в виде лопасти. Техническим результатом является увеличение отвода тепла с одновременным уменьшением слоя охлаждающей жидкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел мишени компактного источника нейтронов, содержащий вакуумную камеру (1), внутри которой расположен вращающийся корпус (2) охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками (3) и охлаждаемый барабан (4) мишенной сборки, отличающий тем, что

корпус (2) охлаждаемого барабана мишенной сборки выполнен в виде полого цилиндра (5) с окошками (6) в боковой поверхности, в каждом из которых установлена соответствующая бериллиевая ячейка (3),

охлаждаемый барабан (4) мишенной сборки выполнен с осевым каналом (7) подачи охлаждающей жидкости, который разветвляется на радиальные каналы (8) подачи охлаждающей жидкости к каждой упомянутой бериллиевой ячейке (3),

причем место контакта охлаждающей жидкости, поступающей из указанного радиального канала (8), и бериллиевой ячейки (3) выполнено в виде кармана (9),

при этом в нижней части охлаждаемого барабана мишенной сборки выполнены спиралевидные каналы (10) отведения охлаждающей жидкости от каждого кармана (9), перенаправляющие ее к центру указанного барабана (4), а торец указанного барабана в месте кармана выполнен в виде лопасти (11).

2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что указанное вращение корпуса охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками и охлаждаемым барабаном мишенной сборки осуществляют по часовой стрелке.

3. Узел по п. 2, отличающийся тем, что спиралевидные каналы (10) отведения охлаждающей жидкости от каждого кармана выполнены таким образом, чтобы движение охлаждающей жидкости от кармана происходило против направления движения корпуса охлаждаемого барабана мишенной сборки с установленными в нем бериллиевыми ячейками и охлаждаемым барабаном мишенной сборки.

4. Узел по п. 3, отличающийся тем, что упомянутый барабан установлен на вал (12), внутри которого выполнен цилиндрический канал (13) отведения охлаждающей жидкости, внутри которого выполнен осевой канал (7) подачи охлаждающей жидкости, причем каждый указанный спиралевидный канал (10) соединен с упомянутым цилиндрическим каналом (13) отведения охлаждающей жидкости.