Двухкаскадный умножитель нейтронов Советский патент 1991 года по МПК G21C1/28 

Изобретение относится к области импульсных источников нейтронного и гамма-излучений, широко применяемых в физическом эксперименте.

Известны умножители нейтронов, состоящие из реактора, с управляемой кретичностью, и источника подсветки нейтронами. Основным недостатком этого известного устройства являются низкие потоки нейтронов в импульсе ,

Известны многокаскадные умножители нейтронов,- перспективные для осуществления импульсного режима с получением высоких потоков нейтронов в импульсе.

Работа известных многокаскадных умножителей нейтронов основана на использовании перепадов в коэффициентах прохождения нейтронов из одной активной зоны (A3) в другую (т.е. в прямом и обратном направлениях), обеспечиваемого так назьшаемыми нейтронными вентилями, пропускающими нейтроны преимущественно только в одном направлении, располагаемыми на

i

границе раздела между критическим

(Л реактором - источником подсветки нейтронами и первой подкритической сборкой, а также на границах раздела подкритических сборок - умножителей нейтронов.

Наиболее близким к предлагаемому

00 изобретению является двухкаскадный умножитель нейтронов, содержащий две

о активные зоны, выполненные из деляще05гося материала и разделенные нейтронным вентилем, содержащим замедлитель,

со слой кадмия и слой урана 235, пропускающим нейтронами преимущественно в направлении от урана к замедлителю.

Основной недостаток - низкая эффективность используемых вентилей, при практически реализуемых толщинах в лучщем случае пропускающих в оптимальном направлении лищь в пять-десять раз больше нейтронов, чем в противоположном направлении, и необходимость, замедления нейтронов, перемещающихся из одной A3 в другую, до промежуточных и тепловых энергий, что увеличивает время жизнинейтронов в каскадах и приводит, в совокупности с первым фактором, к затягиванию нейтронных переходных процессов в умножителе, ухудшающему характеристики импульса, В современной физике и технике, однако, требуются з ножители с малой длительностью нейтронных переходных процессов. Цель предлагаемого изобретения уменьшение длительности нейтронных переходных процессов. Поставленная цель достигается тем, что в известном двухкаскадном yM ножителе нейтронов, содержащем две активные зоны, выполненные из деляще гося материала, разделенные нейтронным вентилем, содержащим замедлитель первая активная зона выполнена из ,порогового делящегося материала, например, нептуния - 237,плутония - 240 урана-234,а вторая активная зона из непорогового, например, урана - 235, плутония - 239, а замедлитель вы полнен из материала с высоким атомным весом, например, из вольфрама или молибдена. V Выбор пороговых делящихся материалов типа нептуния - 237, плутония 240, урана - 234 и т.п. обусловлен тем, что из этих материалов, уже ос ваиваемых техникой, могут быть создан критические конфигурации с относитель но небол15шими размерами и массой. Выбор в качестве среды, разделяю щей.;, каскады материала с высоким атомным весом, например, вольфрама ил молибдена, определяется тем, что эти материалы отличаются большой замедляющей способностью в области высоких энергий нейтронов, очень незначительной замедляющей способностью в област низких энергий и малым сечением захва та..нейтронов. Назначение промежуточно среды вьшолняется такими материалами наилучшим образом. В предлагаемом уст ройстве устранены недостатки прототипа, с помощью этого устройства можно достичь значительно больших отличий в коэффициентах нейтронной связи между A3 и исключать фазу замедления нейтронов, перемещающихся из одной A3 в другую, до :Промежуточных и тепловых энергий. Действительно, слой материала с высоким атомным весом даже при больших толщинах, вследствие малого сече НИН захвата нейтронов в нем и незнач тельной роли упругого рассеяния в замедлении, хорошо пропускает нейтроны, по существу не выводит их из разряда быстрых и следовательно, не увеличивает значительно времени жизни нейтронов в каскадах. Вместе с тем этот слой в результате неупругого рассеяния эффективно сбрасывает энергию перемещающихся через него нейтронов ниже порога деления в названных пороговьк делящихся материалах (,4 МэВ) . После прохождения слоя подавляющая часть нейтронов уже неспособна вызвать деления в A3 из порогового делящегося вещества и :вследствие, этого выпадает из процесса ядерной цепной реакции в указанном каскаде. Однако эффективность нейтронов, прошедших слой в противоположном направлении и также потерявших значительную часть энергии, по отношению к ядерной цепной реакции во второй A3, вьтолненной из обычного (непорогового) делящегося вещества не понижается. . - Таким образом, сброс в слое инертного вещества энергии нейтронов в облась ниже порога деления не приводит к заметным последствиям в A3 из обычного делящегося вещества, а по отношению к A3 из порогового делящегося вещества практически равнозначен гибели этих нейтронов. При толщинах промежуточного слоя порядка 15-20 см за счет изменения энергетического спектра достигается примерно стократное уменьшение количества нейтронов,-способных делить на званные вьш1е пороговые делящиеся вещества. . Сказанное означает, что с помощью предлагаемого устройства в зависимости от толщины промежуточного слоя дей стзительно можно достигать очень больших отличий в коэффициентах нейтронной связи между каскадами, т.е. достигать реализации сдвоенных реакторных систем с практически односторонней связью между активными зонами И при этом удается исключить увеличивающее время жизни нейтронов в Kac-кадах замедление нейтронов, nepjSMeщающихся из одной A3 в другую, до промежуточных и тепловых энергий. Отмеченные осббенности предлагаемого устройства означают, в свою очередь, что с его помощью можно существенно . 5 уменьшить длительность нейтронных переходных процессов. На чертеже в качестве примера представлена схема устройства, действзпощего в качестве двухкаскадного бустера (усилителя) первичных н йтронов, создаваемых электронным пучком от мощного импульсного ускорителя. Геометрия устройства - сферически симметричная, основное назначение получение полей нейтронного излучения с высоким флюенсом и с возможно меньшей длительностью около внешней поверхности устройства. Первая A3 1 из металлического нептуния - 237 помещена в центре устройства, вторая A3 2 из сплава урана (обогащение 36%) с 10 мас.% молибдена - на его периферии. A3 1 заключена в герметичный титановый корпус 3 и окружена толстым слоем металлического вольфрама 4. Справа имеется цилиндрический канал 5, достигающий ти танового корпуса 3, служащий для под водки тормозного излучения 6 от внешней электронной мишени ускорителя (на чертеже не показана) к A3 1. Часть канала, приходящаяся на област занятую вольфрамом, в целях предотвращения прямого попадания надпорого вых нейтронов из A3 2 в 1, заложена легким замедлителем 7 типа LiH, хо рошо пропускаюдам гамма-кнанты. Тормозное излучение, проникая в A3 1, порождает-в ней по существу мгновенный (длительностью 30-100 не) импульс первичных нейтронов. Полное число этих нейтронов под воздействием излучений специального мощного ус корителя электронов составляет S и: 1-10 н. В условиях практически од носторонней связи между двумя A3 эти нейтроны размножаются в п, раз в A3 .1 и затем еще в п раз-в A3 2. Если п не слийком велико, получающийся выигрыш по длительности импульса при мерно равен п. Из расчетов следует, что представ ленное на чертеже устройство с -диаметром A3 1 16,5 см, внешним диаметром вольфра мового слоя 52,5 см и внешним диаметром A3 2 67., 7 см харак теризуется параметрами: и/(время жизни нейтронов в A3 1) . t( в A3 2)3,5 (коэффициент связи A3 2 с A3 1) 0,390;К,2( A3 1 с A3 2)2,03 X 10 (резкое отличие К,от К, обусловлено в основном примерно стократным перепадом в эффективных коэффициентах пропускания нейтронов через слой вольфрама вследствие пороговости нептуния - 237 и геометрическими факторами) . В этом устройстве максимальный импульс с локальным разогревом A3 1 до 600°С и A3 2 до характеризуется длительностью в A3 2 окоЛо 10 мкс (при уменьшении энерговыделения в A3 2 примерно пропорционально ему уменьшается и указанная длительность). В двухсекционном бустере с использованием способа-прототипа при той же геометрии A3 1, A3 2 перепад, в коэффициентах связи К был бы в 10-20 раз меньше, а величина времени жизни нейтронов в A3 2 - в 10 или более раз Bbmie. Соответственно длительность импульса в A3 2 при тех же энерговьщеленных в каскадах равнялась бы 700-1300 мкс. Таким образом, в предлагаемом устройстве в сравнении с прототипом импульсы укорачиваются в 70-130 раз. Следует отметить, что в отношении длительности импульса прототип уступает даже изолированной A3. 2. Если предположить, что в изолированной A3 2 создается то же самое количество (1 X 10) первичных нейтронов и в результате размноже.ния последних A3 2 разогревается до той же температуры (), то длительность импульса в ней будет равняться 314 мкс. Предлагаемое же, представленное на чертеже устройство позволяет и в сравнении с однокаскадным бустером, т.е. изолированной A3 2, уменьшить длительность импульса примерно в 30 раз. В качестве второго примера реализации предложения заявки может быть рассмотрена система, по конфигурации аналогичная представленной на чертеже, но отличающаяся от нее тем, что A3 1 функционирует в режиме импульс-. ного реактора и отсутствует боковой канал. В этом варианте устройство действует само по себе, без привязки к ускорителю электронов.i Малые размеры A3 1 и малая величина времени жизни нейтронов позволя ют получать весьма короткие по длительности импульсы в A3 1. Нейтроны от A3 1 размножаются в A3 2 практически без привнесения дополнительной затяжки во времени. Расчеты показали, что длительность импульса в A3 2 в этом случае равна 30 мко. В устройстве-прототипе и в этом варианте наблюдались бы импульсы в A3 2 длительностью 700-1300 мкс. Однокаскадная система, т.е. изолированная A3 2, действзтощая сама по себе в режиме импульсного реактора, характе788 ризовалась бы длительностью импульса порядка 150 МКС. Как видим, использование предложения данной заявки и во втором варианте двухкаскадного умножителя, а именно, в варианте двухкаскадного импульсного реактора, позволяет достигать укорочения импульсов в 25-40 раз в сравнении с прототипом и в 5 раз в сравнении с однокаскадной системой - изолированной A3 2, действующей в режиме импульсного реактора.

ДВУХКАСКАДНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ, содержащий две активные зоны, выполненные из делящегося материала, разделенные нейтронным вентилем, содержащим замедлитель, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью уменьшения длительности нейтронных переходных процессов, первая активная зона выполнена из порогового делящегося материала, а вторая - из непорогового, а замедлитель вьтолнен из материала с высоким атомным весом.