Устройство для формирования пространственного распределения нейтронного излучения исследовательских ядерных реакторов Российский патент 2025 года по МПК G01T3/02 

Изобретение относится к технике создания поля нейтронного излучения при проведении испытаний объектов на радиационную стойкость в полях излучений исследовательских ядерных реакторов (далее - ИЯР), являющихся мощными источниками нейтронного излучения.

К объектам испытаний относятся изделия радиоэлектронной аппаратуры (далее - РЭА), используемые в образцах военной и специальной техники (далее - ВВСТ), предназначенных для функционирования в радиационных полях с большими дозовыми нагрузками, например, при ядерных взрывах (далее - ЯВ) или авариях на ядерно-опасных объектах.

Для оценки радиационной стойкости РЭА ее облучают на ИЯР с учетом реальных уровней воздействия нейтронного излучения при ЯВ. При этом в соответствии с требованиями нормативных документов неравномерность воспроизведения флюенса нейтронов с энергией больше 0,1 МэВ (далее - флюенса нейтронов) по площади и объему не должна превышать 30%.

Для достижения максимального значения флюенса нейтронов объект испытаний располагают на минимально возможном расстоянии от ИЯР, например для ИЯР ПРИЗ-М ФГКУ «12 ЦНИИ» Минобороны России это расстояние составляет 104 см, и даже в этом случае продолжительность облучения объекта испытаний может достигать нескольких суток. Однако, при таком расположении не удается воспроизвести допустимую неравномерность воспроизведения флюенса нейтронов по площади и объему для большинства блоков РЭА. Для обеспечения допустимой неравномерности при облучении объект испытаний удаляют от ИЯР, но при этом поток нейтронов уменьшается пропорционально квадрату расстояния от ИЯР до объекта испытаний, что увеличивает время проведения испытаний в десятки раз, а проведение некоторых испытаний делает невозможным.

К тому же при испытаниях объектов в нейтронных полях, отличных от поля нейтронного излучения ЯВ, время облучения пересчитывается в соответствии с нормами испытаний.

Известны трансформаторы излучений реакторов с помощью n-у конверторов коробчатого типа [1] и цилиндров [2], изготовленных из водородосодержащих материалов (полипропилена, полиэтилена) с окисью кадмия [1] или пластин металлического кадмия толщиной 1 мм [2], размещаемых вблизи активной зоны исследовательских реакторов. Эти устройства существенно увеличивают долю гамма-излучения, однако они практически не влияют на равномерность поля нейтронного излучения. Кроме того указанные конверторы существенно смягчают спектр нейтронного излучения, что при проведении испытаний является нецелесообразным, так как приводит к увеличению норм испытаний, а следовательно увеличению времени проведения испытаний.

Известно устройство для формирования поля радиационного нагружения объектов при их испытании на радиационную стойкость по патенту №2284068 от 20.09.2006 г., выполненное в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием на объект, из набора пластин водородосодержащего замедлителя нейтронов, чередующихся с пластинами конвертора из материала, поглощающего тепловые нейтроны в реакции радиационного захвата. Недостатками данного устройства являются то, что оно снижает флюенс нейтронов и смягчает спектр нейтронного излучения. Снижение флюенса нейтронов происходит за счет увеличения расстояния от ИЯР до объекта испытаний, вызванного тем, что устройство располагается между реактором и объектом испытаний, и применением водородосодержащего замедлителя нейтронов. Смягчение спектра нейтронов также вызвано применением водородосодержащего замедлителя нейтронов.

Известен способ одновременного воспроизведения заданных значений флюенса нейтронов и экспозиционной дозы гамма-излучения на исследовательских реакторах по патенту №2641890 от 23.01.2018 г., основанный на формировании в испытательном объеме реактора поля гамма-нейтронного излучения с использованием конверторов тепловых нейтронов в гамма-кванты, расположенных вне сектора прямого воздействия излучений реактора симметрично активной зоны. Способ позволяет увеличить вклад экспозиционной дозы гамма-квантов до 3,5 раз, а вклад флюенса нейтронов до 1,15 раз. Недостатком данного способа является то, что он практически не влияет на параметры неравномерности поля нейтронного излучения по удаленности от реактора. Кроме того при использовании указанного способа происходит смягчение спектра нейтронов, вызванное использованием в конверторах водородосодержащих материалов.

Известно устройство для формирования параметров излучений в испытательном объеме исследовательского реактора по патенту №2755143 от 13.09.2021 г., представляющее собой многослойную конструкцию из набора листов водородосодержащего материала - замедлителя быстрых нейтронов, чередующихся с листами из материала, поглощающего медленные нейтроны с образованием гамма-квантов, выполненную в форме полого шарового сегмента из съемных листовых блоков, размещенных на каркасе из радиальных дуг и вертикальных колец. Устройство позволяет увеличить флюенс нейтронов в 1,16-1,25 раз, однако оно практически не влияет на значение неравномерности поля нейтронного излучения по удаленности от реактора, а также смягчает спектр нейтронов за счет использования в конверторе водородосодержащих материалов.

Наиболее близким по техническим признакам к предлагаемому устройству (прототипом) является отражатель нейтронов ядерного реактора по патенту №2344503 от 20.01.2009 г., содержащий герметичный чехол из конструкционного материала, внутри которого расположен блок из бериллия для отражения и замедления нейтронов в ядерных реакторах. Недостатком данного устройства является то, что оно не изменяет параметры поля нейтронов за пределами активной зоны реактора (в месте размещения объекта испытаний). Также использование бериллия для отражения и замедления нейтронов приводит к существенному смягчению спектра нейтронов и как следствие увеличению норм испытаний и времени проведения испытаний.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение размеров испытательного объема до 2,7 раза, при этом обеспечивается распределение флюенса нейтронов с допустимой неравномерностью не более 30% по площади и объему в испытательном объеме при одновременном увеличении флюенса нейтронов до 1,93 раза, и сохранении спектрально-энергетических характеристик нейтронного излучения. Это позволяет облучать объекты испытаний большего размера и сократить время проведения испытаний.

Технический результат достигается тем, что испытываемый объект размещают на минимально возможном расстоянии от ИЯР в свинцовом коробе (отражателе) кубической формы с размерами 100×100×100 см, толщиной каждой стенки 10 см и с одной открытой стороной, ориентированной на активную зону ИЯР, после чего облучают излучением ИЯР. Увеличение флюенса нейтронов и уменьшение неравномерности его распределения достигается рассеянием (отражением) нейтронов свинцовым коробом, а сохранение спектрально-энергетических характеристик нейтронного излучения обеспечивается приемлемым совпадением энергии падающего и рассеянного свинцовым коробом нейтронного излучения.

Схема размещения свинцового короба относительно ИЯР приведена на фиг. 1а) - изометрическая проекция, б) - вид с боку, где 1 - ИЯР, 2 - свинцовый короб с одной открытой стороной, 3 - испытательный объем с требуемыми спектрально-энергетическими характеристиками нейтронного излучения и допустимой неравномерностью распределения флюенса нейтронов, R - расстояние от центра активной зоны ИЯР до открытой стороны свинцового короба (для ИЯРПРИЗ-М равно 104 см), r - глубина испытательного объема, а - ширина и высота испытательного объема.

Результаты исследований неравномерности распределения флюенса нейтронов от ИЯР ПРИЗ-М в испытательном объеме шириной и высотой а=70 см, расположенного внутри свинцового короба с одной открытой стороной, с внешним размером 100×100×100 см и толщиной стенок 10 см, на расстоянии 104 см от открытой стороны короба до центра активной зоны ИЯР ПРИЗ-М, и в том же испытательном объеме, без свинцового короба, приведены на фиг. 2, где 4 - допустимая неравномерность распределения флюенса нейтронов, 5 - неравномерность распределения флюенса нейтронов в испытательном объеме со свинцовым коробом, 6 - неравномерность распределения флюенса нейтронов в испытательном объеме без свинцового короба, r - глубина испытательного объема, δ - неравномерность распределения флюенса нейтронов. Предлагаемое устройство позволяет увеличить испытательный объем до 2,7 раза за счет увеличения его глубины с 15 см до 40 см.

Результаты исследований спектрально-энергетических характеристик нейтронного излучения от реактора ПРИЗ-М для этого же испытательного объема приведены на фиг. 3, где 7 - энергетический спектр нейтронного излучения в испытательном объеме без свинцового короба, 8 - энергетический спектр нейтронного излучения в испытательном объеме со свинцовым коробом, ϕ_n(Е) - доля нейтронов в энергетическом диапазоне, Е - энергия нейтронов. Предлагаемое устройство практически не влияет на энергетический спектр нейтронного излучения в испытательном объеме, отличие в средней энергии спектров с использованием свинцового короба и без него составляет не более 5%.

Для определения коэффициента усиления флюенса нейтронов в испытательном объеме рассчитаны значения флюенса нейтронов с использованием свинцового короба Ф_Pb и без его использования Ф_возд. Коэффициент усиления флюенса нейтронов в испытательном объеме К_ф рассчитывался как отношение Ф_Pb к Ф_возд. Расчетные данные для испытательных объемов различной глубины приведены в таблице.

Использование свинцового короба позволяет увеличить флюенс нейтронов в испытательном объеме до 1,93 раз.

Достоинством предлагаемого устройства является одновременное увеличение размеров испытательного объема до 2,7 раза с обеспечением допустимой неравномерности распределения флюенса нейтронов, что позволяет облучать объекты испытаний большего размера, и усиления флюенса нейтронов до 1,93 раз с сохранением спектрально-энергетических характеристик нейтронного излучения, что позволяет сократить время проведения испытаний.

Устройство востребовано для проведения испытаний блоков РЭА на радиационную стойкость к действию флюенса нейтронов при ЯВ или авариях на ядерно-опасных объектах.

Источники информации

1 Кувшинов М.И., Кошелев А.С., Смирнов И.Г. и др. Трансформация излучений быстрых нейтронов импульсных реакторов БИР-2М, БР-1, БИГР с помощью n-γ конверторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика ядерных реакторов. 1992. Выпуск 2. С. 3.

2 Васильев А.В., Ненадышин Н.Н., Романенко А.А. Конвертор гамма-нейтронного поля импульсного ядерного реактора Барс-4 // Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2007». Выпуск 8. - М.: МИФИ., 2007. - 270 с. С. 169.

Изобретение относится к технике создания поля нейтронного излучения при проведении испытаний объектов на радиационную стойкость в полях излучений исследовательских ядерных реакторов (далее - ИЯР). Устройство представляет собой отражатель нейтронов, выполненный в форме свинцового короба с размерами 100×100×100 см, толщиной каждой стенки 10 см и одной открытой стороной. Причем отражатель размещают вокруг испытательного объема ИЯР, ориентируя его открытой стороной на активную зону ИЯР. Техническим результатом является увеличение размеров испытательного объема до 2,7 раза, при этом обеспечивается распределение флюенса нейтронов с энергией более 0,1 МэВ с неравномерностью не более 30% по площади и объему испытательного объема при одновременном увеличении флюенса нейтронов с энергией более 0,1 МэВ до 1,93 раза и сохранении спектрально-энергетических характеристик нейтронного излучения. 3 ил.

Устройство для формирования пространственного распределения нейтронного излучения исследовательского ядерного реактора (ИЯР), представляющее собой отражатель нейтронов, размещенный вокруг испытательного объема ИЯР, отличающееся тем, что он выполнен в форме свинцового короба с размерами 100×100×100 см, толщиной каждой стенки 10 см и внутренним испытательным объемом шириной и высотой 70 см, глубиной 40 см, при этом свинцовый короб выполнен с одной открытой стороной, ориентированной на активную зону ИЯР ПРИЗ-М, и размещен на расстоянии 104 см от открытой стороны короба до центра активной зоны ИЯР ПРИЗ-М.