нейтроногенерирующее устройство
Классы МПК: | G21G4/02 источники нейтронов H05H3/06 генерирование нейтронных пучков |
Автор(ы): | Стависский Ю.Я., Асхадуллин Р.Ш., Мартынов П.Н., Сидоркин С.Ф., Симаков А.А., Сысоев Ю.М. |
Патентообладатель(и): | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно- производственное предприятие "Конверсцентр", Институт ядерных исследований РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-06-23 публикация патента:
27.06.2000 |
Изобретение относится к устройствам для получения нейтронов и может быть использовано в ускорительной технике. Устройство включает мишень из тяжелых материалов и систему ее охлаждения. Отличительной особенностью устройства является то, что система охлаждения выполнена в виде циркуляционного контура, заполненного галлием, снабженного системой обогрева и газовакуумной системой и содержащего последовательно установленные загрузочный бак, фильтр, побудитель расхода и теплообменник. Технический результат - обеспечение устойчивого теплогидравлического режима устройства и улучшение герметичности контура охлаждения. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Нейтроногенерирующее устройство протонного ускорителя, включающее мишень из стержней или пластин тяжелых материалов и систему ее охлаждения, отличающееся тем, что система охлаждения выполнена в виде циркуляционного контура, заполненного галлием, снабженного системой обогрева и газовакуумной системой и содержащего последовательно установленные загрузочный бак, фильтр, побудитель расхода и теплообменник, собственно мишень размещена между загрузочным баком и теплообменником. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала стержней или пластин мишени используют вольфрам. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала стержней или пластин мишени используют уран-238. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр содержит в качестве фильтрующего материала многослойную кремнеземную текстурированную ткань.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к устройствам для получения нейтронов и может быть использовано при проектировании и эксплуатации мишеней сильноточных протонных ускорителей (нейтронные источники, электроядерные и трансмутационные установки на основе Pb-Bi, Hg и Ga, мишени для производства изотопов и т.д.). Известно нейтроногенерирующее устройство, представленное в [1], в котором нейтроны образуются при воздействии протонов на мишень, содержащую сборку стержней или пластин из урана-238 (вольфрама) и охлаждаемую водой. Известное устройство имеет недостатки, связанные, в основном, с использованием в нем воды в качестве теплоносителя. Низкая температура кипения воды (100oC) и высокие значения упругости ее пара могут в ряде случаев приводить к неустойчивости теплогидравлического режима в параллельно охлаждаемых каналах мишени (кризис теплообмена) при работе с узким протонным пучком, а также к резкому повышению давления в системе охлаждения, вследствие чего возникает опасность разгерметизации устройства. Вода также обладает замедляющими свойствами по отношению к нейтронам, что в ряде случаев недопустимо (спектрометр по времени замедления в свинце). Перед авторами стояла задача разработки нейтроногенерирующего устройства, исключающего указанные недостатки. Поставленная задача решается тем, что разработанное устройство включает нейтроногенерирующую мишень из тяжелого материала (уран-238, вольфрам) и систему охлаждения, которая выполнена в виде циркуляционного контура, заполненного галлием. Циркуляционный контур содержит последовательно соединенные трубопроводами загрузочный бак галлия, фильтр, побудитель расхода, теплообменник. Мишень размещена между загрузочным баком и холодильником. На байпасе контура находится сливной бак галлия. Загрузочный бак галлия играет также роль компенсатора объема. Контур охлаждения мишени снабжен системой нагрева, газовакуумной системой, устройствами контроля температуры, давления и уровня теплоносителя, а также запорной арматурой (газовакуумные и жидкометаллические вентили). Галлий имеет низкую температуру плавления (29,8oC) и относительно высокую температуру кипения (2237oC). Поэтому не следует ожидать, как в случае с водой, ухудшения теплогидравлических режимов работы мишени. Галлий практически не замедляет нейтроны. Таким образом достигается технический результат. На фиг. 1 представлена функциональная схема нейтроногенерирующего устройства, где 1 - сливной бак галлия; 2 - загрузочный бак галлия; 3 - фильтр; 4 -электромагнитный насос; 5 - водяной теплообменник; 6 - мишень; 7 и 8 - контактные уровнемеры; 9 и 10 - мановакуумметры; 11 и 12 - жидкометаллические вентили; 13 и 14 - газовакуумные вентили. Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Пучок протонов от сильноточного ускорителя попадает на стержни мишени, с которых испускаются нейтроны (преимущественно испарительные). Нейтроны затем, как правило, используются вне мишени для проведения нейтронно-физических исследований и пр. Теплоотвод с энергонапряженных элементов мишени осуществляется принудительным подводом к ним жидкого галлия с температурой 50oC, нагревом его на несколько десятков градусов и последующим отводом на теплообменник, где температура теплоносителя снижается вновь до 50oC. Циркуляция галлия по контуру охлаждения мишени осуществляется с помощью побудителя расхода (электромагнитный насос). Снижение температуры жидкого металла в контуре осуществляется с помощью водяного теплообменника. Очистка теплоносителя от возможных полидисперсных и растворенных примесей осуществляется при его прокачивании через фильтр, содержащий в себе слой многослойной кремнеземной текстурированной ткани, например марки МКТТ-2,2.А. Обеспечение герметичности контура охлаждения мишени, поддержание избыточного давления инертного газа (аргон) в газовых полостях загрузочного и сливного баков, заполнение контура жидким галлием и, наоборот, освобождение контура от теплоносителя в предлагаемом устройстве осуществляются с помощью газовакуумной системы. Пример реализации работы устройства. В загрузочный бак 2 контура охлаждения вольфрамовой мишени 6 помещали 90 кг (15 л) металлического галлия чистотой 99,99 мас.%. Затем устройство герметизировали. Далее с помощью газовакуумной системы через вентиль 14 вакуумировали контур, а затем заполняли до его до давления 1,2 ата инертным газом (аргон). После этого закрыв вентиль 11, отсекали байпас сливного бака 1. Металл, расплавившись при 50oC, заполнял основной контур охлаждения мишенного устройства (вентиль 12 находился в открытом состоянии). Далее запускали в работу электромагнитный насос 4, собственно мишень, теплообменник 5. Расход жидкого металла по циркуляционному контуру поддерживался на уровне 0,3 м3/ч. Галлий охлаждал вольфрамовые стержни, разогревающиеся в процессе "высаждения" на них 30 кВт тепловой мощности протонного пучка. На выходе из мишени теплоноситель имел температуру 150oC. В теплообменнике "галлий - стальная стенка - вода", работающем по принципу прямотока и представляющем тип "труба в трубе", жидкий металл охлаждался вновь до 50oC. Расход воды через указанный элемент контура составлял 0,25 м3/ч. Далее галлиевый расплав, проходя через фильтр 3 с тканью МКТТ-2,2.А, очищался от возможных образовавшихся примесей. После чего жидкий металл попадал в компенсатор объема, а затем вновь поступал в мишень. В процессе работы устройства с помощью системы нагрева, газовакуумной системы и приборов контроля осуществлялось поддержание уровней давления в газовых полостях (1,2 ата) и температуры "холодной" стороны циркуляционного контура (50oC). Вольфрамовое нейтроногенерирующее устройство эксплуатировалось 2000 ч. После чего мишень была отключена от протонного пучка, а галлий с помощью газовакуумной системы через вентиль 11 был передавлен в сливной бак 1. Литература1. Булкин Ю. М. , Грачев М.И, Колмычков Н.В. и др. Комплекс источников нейтронов на основе протонных пучков Московской мезонной фабрики. IAEA-CN-46/52, с. 369-376.
Класс G21G4/02 источники нейтронов
Класс H05H3/06 генерирование нейтронных пучков