Двухкаскадный умножитель нейтронов

Двухкаскадный умножитель нейтронов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ÄÄSUÄÄ 786619

А1 (51)5 G 21 С 1/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 2796179/25 (22) 16. 07. 79 (46) 15.08.91. Вюл. у 30 (72) В.Ф.Колесов и А.А.Иалинкин (53) 621.039.555(088 ° 8) (56) Дементьев B.À. Кинетика и регулирование ядерных реакторов. Атомиздат, M., 1973, стр. 6.

Дубовский В,.Г. Секционированные реакторные системы. Атомная энергия, том 7, вып. 5, 1959 r., стр. 456.

Изобретение относится к области импульсных источников нейтронного и гамма-излучений, широко применяемых

s 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 (АЗ) в другую (т.е. в прямом и обратном направлениях), обеспечиваемого так называемыми нейтронными вентилями, пропускающими нейтроны преимущественно только в одном направлении, располагаемыми на

2 (54) (57) ДВУХКАСКАДНЫЙ УИНОЖИТЕЛЬ НКЙТРОНОВ, содержащий две активные зоны, выполненные из делящегося материала, разделенные нейтронным вентилем, со» держащим эамедлитель, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения длительности нейтронных переходных процессов, первая активная зона выполнена из порогового делящегося материала, а вторая — из непорогового, а замедлитель выполнен из материала! с высоким атомным весом.

9 границе раздела между критическим реактором — источником подсветки нейтронами и первой подкритической сбор- Се кой, а также на границах раздела подкритических сборок — умножителей нейтронов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухкаскадный (ф умножитель нейтронов, содержащий две ф активные зоны, выполненные из деляще- @ гося материала и разделенные нейтронным вентилем, содержащим замедлитель, 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 лучшем случае пропускающих в оптимальном направлении лишь в пять-десять раз больше нейтронов, чем в противоположном направлении, и необходимость замедления нейтронов, перемещающихся из одной АЗ в другую, до промежуточных и тепловых энергий, что увеличи786619 вает время жизни нейтронов в каскадах и приводит, в совокупности с первым

A фактором, к затягиванию нейтронных переходных процессов в умножителе, 5 ухудшающему характеристики импульса.

В современной физике и технике, од-. нако, требуются умножители с малой длительностью нейтронных переходных процессов.

10 .Цель предлагаемого изобретения— уменьшение длительности нейтронных переходных процессов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двухкаскадном ум-15 ножителе нейтронов, содержащем две активные зоны, выполненные из делящегося 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- 5 полнен из материала с высоким атомным весом, например, из вольфрама или молибдена.

Выбор пороговых делящихся материалов типа нептуния — 237, плутония—

240, урана — 234 и т.п. обусловлен тем, что из этих материалов„ уже осваиваемых техникой, могут быть созданы . критические конфигурации с относительно небольшими размерами и массой.

Выбор в качестве среды, разделяющей:." каскады материала с высоким атомным весом, например, вольфрама или молибдена, определяется тем, что эти материалы отличаются большой замедляющей способностью в области высоких

40 энергий нейтронов, очень незначительной замедляющей способностью в области низких энергий и малым сечением захва= та,.нейтронов. Назначение промежуточной

45 среды выполняется такими материалами наилучшим образом. В предлагаемом устройстве устранены недостатки прототипа, с помощью этого устройства можно ! достичь значительно больших отличии в коэффициентах нейтронной связи меж50 ду АЗ и исключать фазу замедления нейтронов, перемещающихся из одной

АЗ в другую, до промежуточных и тепловых энергий.

Действительно, слой материала с

55 высоким атомным весом даже при больших толщинах, вследствие малого сече-: ния захвата нейтронов в нем и незначительной 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 пороговых делящихся материалах (0,4 МэВ) .

После прохождения слоя подавляющая часть нейтронов уже неспособна вызвать деления в АЗ 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 А3, выполненной 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 А3 из обычного делящегося вещества, а по отношению к А3 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 названные выше пороговые делящиеся ве» щества.

Сказанное означает, что с помощью предлагаемого устройства в зависимости от толщины промежуточного слоя действительно 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 каскадах замедление нейтронов, перемещающихся из одной АЗ в другую, до . промежуточных и тепловых энергий,, Отмеченные особенности предлагаемого устройства означают, в свою очередь, что с его помощью можно существенно

786619

5 !

О

20

45 уменьшить длительность нейтронных переходных процессов.

На чертеже в качестве примера представлена схема устройства, действующего в качестве двухкаскадного бустера (усилителя) первичных нейтронов, создаваемых электронным пучком от мощного импульсного ускорителя. Геометрия устройства — сферически симметричная, основное назначениеполучение полей нейтронного излучения с ВысОким флюенсом и с ВОзможно меньшей длительностью около внешней поверхности устройства.

Первая АЗ 1 из металлического нептуния - 237 помещена в центре устройства, вторая А3 2 из сплава урана (обогащение 367) с 10 мас.Х молибдена — на его периферии. А3 1 заключена в герметичный титановый корпус 3 и окружена толстым слоем металлического вольфрама 4. Справа имеется ци- . линдрический канал 5, достигающий титанового корпуса 3, служащий для подводки тормозного излучения 6 от внешней электронной мишени ускорителя (на чертеже не показана) к А3 1.

Часть канала, приходящаяся на область, занятую вольфрамом, в целях предотвращения прямого попадания надпорого вых нейтронов из АЗ 2 в 1, заложена легким замедлителем 7 типа LiH, хорошо пропускающим гамма-кванты.

Тормозное излучение, проникая в

А3 1, порождает-в ней по существу мгновенный (длительностью 30-100 нс) импульс первичных нейтронов, Полное число этих нейтронов под воздействием излучений специального мощного ускорителя электронов составляет S< м 1 ° 10 н. В условиях практически од.носторонней связи между двумя АЗ эти нейтроны размножаются в и< раз в АЗ .1 и затем еще в п2 раз-в АЗ 2, Если п не слишком велйко, получающийся вьигрыш по длительности импульса nput мерно равен и, .

К<< (коэффициент связи АЗ 2 с АЗ 1)=

=0,390;

К 2(-"" АЗ 1 с АЗ 2)=2,03 х 10 (Pe9Koe отличие К ат К, обусловле2 но в основном примерно стократным перепадом в эффективных коэффициентах пропускания нейтронов через слой вольфрама вследствие пороговости нептуния — 23? и геометрическими факторами).

В этом устройстве максимальный импульс с локальным разогревом А3 1 до

600 С и АЗ 2 до 700 С характеризуется длительностью в А3 2 около 10 мкс (при уменьшении энерговыделения в

А3 2 примерно пропорционально ему уменьшается и указанная длительность).

В двухсекционном бустере с использованием способа-прототипа при той же геометрии А3 1, А3 2 перепад. в коэффициентах связи К„, К2 был бы в 10-20 раз меньше, а величина времени жизни. нейтронов в А3 2 — в 10

25. или более раз выше. Соответственно длительность импульса в АЗ 2 при тех же энерговыделенных 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 А3. 2. Если предположить, что в изолированной АЗ

2 создается то же самое количество (1 Х 10 ) первичных нейтрбнов и в результате размножения последних АЗ 2 разогревается до той же температуры (700 С), 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 АЗ 2, уменьшить длительность импульса примерно в 30 раз.

B качестве второго примера реализации предложения заявки может быть рассмотрена система, по конфигурации

5р- аналогичная представленной на чер55

Из расчетов следует, что представленное на чертеже устройство с .диаметром А3 1 16,5 см, внешним диаметром вольфрамового слоя 52,5 см и внешним диаметром АЗ 2 67,7 см характеризуется параметрами: у(время жизни нейтронов в АЗ 1)

=4 К10 с;

АЗ 1 функционирует в режиме импульсного реактора и отсутствует боковой канал. В этом варианте устройство действует само по себе, без привязки к ускорителю электронов. I

Малые размеры АЗ 1 и малая величина времени жизни нейтронов позволяют получать весьма короткие по дли786б19

Техред А.Кравчук, Корректор C.HIermaP;

Редактор Е.Гиринская

Заказ 3437 Тираж 251 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 тельности импульсы в АЗ 1. Нейтроны от АЗ 1 размножаются в АЗ 2 практически без привнесения дополнительной затяжки во времени. Расчеты показали, что длительность импульса в АЗ 2

5 в этом случае равна 30 мко:.

В устройстве-прототипе и в этом варианте наблюдались бы импульсы в

АЗ 2 длительностью 700-1300 мкс. Однокаскадная система, т.е. изолированная А3 2, действующая сама по себе в режиме импульсного реактора, характеризовалась 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 pas в сравнении с однокаскадной системой — изолированной А3 2, действующей в режиме импульсного реактора.