Импульсный ядерный реактор Советский патент 1981 года по МПК G21C1/26 

Изобретение относится к технике импульсных реакторов, широко применяемых в качестве мощных источников нейтронного и -Излучений . . Известны быстрые импульсные реакторы апериодического действия, рассчитанные на получение коротких мощных импульсов излучений, активная зона (АЗ) которых, выполнена из высокопрочных сплавов урана 1. Работа импульсных ядерных реакто ров основана на принципе саморегулирования, обеспечиваемого отрицательным коэффициентом реактивности связанным с тепловым расширением A3 2. Наиболее близким к предлагаемому является реактор, содержащий активную зону и отражатель, примыкающий к активной зоне и выполненный из по вижных блоков Гз. Недостатком известных импульсных реакторов является возбуждение в ко понентах их. A3 в процессе бкГстрого 1 азогрёва механических колебаний и динамических напряжений большей ам туды, следствием чего являются жест кие ограничения по динамическому теплояому удару, приводящие к низко му пределу.допустимых удельных энерговыдел.ений в материале A3 в импульсе и к значительной длительности импульса (длительность импульса в реакторах уменьшается с ростом удельного). энерговЕлделения .В известных быстрых импульсных реакторах вследствие отмеченных факторов удельное энерговыделенйе в области максимального разогрева A3 не превышает 7001200 Дж/см 300-500°сЛ а достигнутая минимальная ширина импульса излучений на половине Звысоты лежит в пределах 35-50 мкс. В современной физике и технике, однако, требуются импульсы более мощные и более короткие. Цель изобретения - повышение энерговыделения -в импульсе и сокращение его длительности. Это достигается тем, что активная . зона и-отражатель выполнены из однородных материалов с близкими акустическими свойствами и приблизительно ра;вными по тачвдине. В предлагаемом реакторе акустическая волна сжатия, .сформировавшаяся в A3 в процессе импульса мощности и несущая кинетическую энергию (т.е. энергию механических колебаНИИ), перемещается от центра к пери ферии , оставляя за собой йелодвижный материал и квазистатические напряжеиия сжатия, беспрепятственно переходит в блоки, отражается от внешней границы блоков и движется назад, в сторону A3, уже как волна растяжения. Вслед за приходом отраженной во ны к границе между блоками и A3, в момент, когда напряжения на этой гра нице становятся положительными, межд блоками и A3 возникает увеличивающийся со временем зазор, предотвраща щий переход отраженной волны в A3. На чертеже представлена схема предлагаемого ядерного реактора, Активная зона 1 реактора из высокотемпературного материала заключена в прчной в прочный металлический силовой корпус 2, выполненный в виде-двух полусфер . Металлические полусферические блоки 3 и 4 плотно сомкнуты с силовым корпусом A3, .но при толчке могут удаляться вверх-вниз от неподвижной 3, пока не затормозятся внешними амортизаторами (на чертеже не показаны) . Эти блоки воспринимают энергию упругой волны, сформировавшейся в A3 в процессе импульса мсадности. Возникакадий зазор между блоками 3,4 и силовым корпусом 2 предотвращает обратный переход волны в силоэой корпус 2. Назначение силового корпуса 2 сохранение целостности и компактност керамической A3 1 при наличии квазистатических напряжений и остатка упругой волны, не унесенного подвижными блоками 3,4. Силовой корпус 2 и подвижные блоки 3,4 изготовляют из прочных сплавов, содержащих небольшие количества ядерно делящихся веществ, например из сплавов урана естественного соста ва с молибденсм, Перевод реактора в надкритическо состояние с целью генерирования импульса мощности осуществляется с помощью быстрого (со скоростью 1-2м/ приближения к силовому корпусу блока 4. Если толщина блоковд у удовлетво ряет условию : -jr-K где Лдэ - радиус A3, С,,СаГ скорость звука в A3 и в б ;кё соответственно, ток моменту прихода отраженной вол ны к границе раздела A3 и блоков пр мая волна успевает полностью перейт из A3 в блоки ив момент возникнове ния зазора между блоками и A3 среда A3 находится практически в увподвижн(л состоянии. Блоки, получившие кинетическую энергию и механический импульс в процессе перехода в них прямой волны, удаляются от A3, пока не затормозятся на внешнем амортизаторе. В A3 остается лишь небольшая (1%} доля от всей возникшей в импульсе мощности кинетической энергии, обусловленная частичным ofrражением прямой волны в момент перехода ее в блоки и частичной дораэгрузкой квазистатических напряжений в A3 после возникновения зазора между ней и блоками. Вследствие передачи кинетической энергии блокам амплитуда динамических напряжений в A3, отнесенная к удельному энерговьщелеиию, в сравнении с известными быстрыми импульсными реакторами резко понижается. С другой стороны, в таком реакторе не вЪзникает жестких ограничений и по напряжениям в блоках, поскольку энергия колебаний в них рассредоточена в объеме, примерно на порядок превышающем объем A3. После ухода акустической волны и удаления блоков в A3 устанавливаются квазистатические напряжения, медленно изменяющиеся по мере перераспределения тепла вследствие эффектов теплопроводности. Хотя эти напряжения и значительны по величине, их ограничительная роль начинает сказываться jmuib при удельных энерговыделениях, во г чого раз превосходящих максимально возможное удельное энерговыделение в известных импульсных реакторах. Квазистатические напряжения в силовом корпусе (если таковой имеется) можно существенно уменьшить путем изготовления его из материалов, содержащих небольшие количества ядерно делящихся веществ,чем достигается спадающий в направлении радиуса разогрев силового корпуса в импул-ьсе мощности до небольших температур, относительное выравнивание напряжений (у по всей толщине силового корпуса и понижение величины этих напряжений (показателем степени опасности квазистатчческих напряжений величина (jj. , а не ц , поскольку, как правило, квазистатические напряжения (+ - растягивающие, а напряжения (ц - сжимающие). Приведенная картина распространения волны и свойства реактора с подвижными блоками реализуются в полном масштабе в предположении плотного контакта между отдельными частями реактора и прежде всего между A3 (или силовым корпусом) и блоками перед импульсом мощности. Наличие небольших зазорбв порядка десятых долей миллиметра) между компонентами реактора, однако, не приводит к осложнениям. Эти зазоры ликвидируются на первоначальной фазе расширения A3 при подходе к ним пологого переднего фронта волны. Следствием неплотного механического контакта является отражение обратно в A3 дополнительной малой доли кинетической энергии колебаний.

Расчеты показывают, что в реакторе можно получать импульсы мощности, длительность которых в. 3-4 раза меньше, а удельное энерговыделение в 10 раз больше/ чем в известных импульных реакторах.

Предлагаемый ядерный реактор, как и известные, является установкой

многократного действия. Частота повторения импульсов в нем определяется временем остывания компонент после импульса.

Формула изобретения

Импульсный ядерный реактор, содержащий активную зону и отражатель, примыкающий к активной зоне и выполненный из подвижных блоков, отличающийся тем, что, с целью повышения энерговьщеления в импульсе и сокращения его длительности, активная зона и отражатель выполнены из однородных материалов с близкими акустическими свойствами и приблизит . тельно равными по толщине.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

l. et dB. NucE.Sci. ana .VoE.ft, 1960, p.Ь91.

2.Fciis-fc burst reactor-s. леХ1СО, 1969.

3. Патент США If 3629010, кл. 176-87, 1971 (прототип).