облучательное устройство ядерного реактора канального типа

Формула изобретения

1. Облучательное устройство ядерного реактора канального типа, содержащее подвеску с несущим основанием и закрепленными на нем звеньями, содержащими радиоактивируемый материал, отличающееся тем, что звенья выполнены в виде цилиндров с двойными обечайками, расположенными концентрически относительно оси симметрии несущего основания, и снабжены проставками, установленными между обечаек без зазора, а радиоактивируемый материал помещен в виде столбиков между ними.

2. Облучательное устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина проставок определена из условия:

Ш_пр = (1,5-2,2) Ш_ст,

где Ш_пр - ширина проставки;

Ш_ст - ширина столбика.

3. Облучательное устройство по п.1, отличающееся тем, что обечайки и проставки выполнены из циркониевого сплава.

4. Облучательное устройство по п.1, отличающееся тем, что столбики радиоактивируемого материала сформированы из таблеток.

5. Облучательное устройство по п.1, отличающееся тем, что столбики радиоактивируемого материала имеют форму пластин или полустержней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной энергетики, касается, в частности, конструкции облучательных устройств для ядерных реакторов канального типа и может быть использовано для производства гамма-источников.

В настоящее время широко используются радиоактивные источники, получаемые в процессе облучения исходных материалов в ускорителях [1] и ядерных реакторах [2] . Известны также экспериментальные конструкции облучательного устройства (ОУ) реактора БН-600, используемые для получения радиоактивного кобальт-60. В данных конструкциях стартовый материал в виде таблеток помещен в ампулы из нержавеющей стали длиной 210 мм и диаметром 8,2х0,4 мм [3, 4]. Недостатком применения данной конструкции в реакторе РБМК-1000 (с невысокой плотностью потока нейтронов) является то, что при плотном расположении стартового материала в ОУ лишь небольшая его часть способна активно участвовать в процессе взаимодействия с нейтронами реактора, а большая часть остается недоступной для такого взаимодействия из-за эффектов самоблокировки, что не позволяет за время эксплуатации ОУ получать кобальт-60 с высокой удельной активностью (УА) в диапазоне 90-100 Ки/г. Известным методом повышения скорости накопления целевого нуклида является разблокировка стартовой мишени из облучаемого материала. Одним из способов такой разблокировки является применение составной мишени, в которой стартовый материал, например в виде шаров, равномерно распределен в слабо поглощающем нейтроны материале таким образом, что каждая из частей стартового материала представляет собой разблокированную мишень. Известны [5] составные мишени втулочного типа, где втулки из стартового материала вставлены одна в другую, а промежуток между ними заполнен слабо поглощающим нейтроны материалом. Известны также порошкообразные мишени, в которых стартовое вещество в виде порошка смешано с порошком из слабо поглощающего нейтроны материала в различных пропорциях.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является стержень дополнительного поглотителя с кобальтом (СДПК) [6]. Поглотитель нейтронов содержит несущий элемент (стержень), на котором закреплены звенья с ампулами, полностью заполненными таблетками из кобальта-59, соприкасающимися основаниями.

Недостатком наиболее близкого аналога является низкая скорость накопления кобалъта-60 и, как следствие, недостаточная удельная активность. За время его эксплуатации (5 лет) удается накопить кобальт-60 со средней УА 55 Ки/г.

Задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении наработки радиоактивного кобальта-60 в значительных объемах, с более высокой удельной активностью (90-100 Ки/г) и в более короткие сроки.

Сущность изобретения состоит в том, что в облучательном устройстве ядерного реактора канального типа, содержащем подвеску с несущим основанием и закрепленными на нем звеньями, предложено звенья выполнить в виде цилиндров с двойными обечайками, расположенными концентрически относительно оси симметрии несущего основания, и снабдить поставками, установленными между обечаек без зазора, а радиоактивируемый материал поместить в виде столбиков между ними. Для сохранения необходимой скорости накопления Со-60 и поддержания на достаточном уровне объема его производства ширина поставок определяется из условия:

Ш_пр=(1,52,2)Ш_ст,

где Ш_пр - ширина поставки,

Ш_ст - ширина столбика.

Для дополнительного увеличения скорости накопления Со-60 обечайки и поставки выполнены из слабо поглощающего нейтроны циркониевого сплава. Столбики радиоактивируемого материала могут формироваться как из таблеток, установленных на ребре, так и из пластин различной формы, полустержней, шариков, проволок различных диаметров, необходимых для создания гамма-источников (см. фиг.4).

В таблице 1 приведена зависимость отношения расчетной удельной активности (УА) кобальта-60 (Q) к максимально возможной УА (Qm) от толщины единичной кобальтовой пластины, не блокированной соседними пластинами из кобальта, при облучении ее в течение 5 лет потоком тепловых нейтронов плотностью 110¹⁴ н/см²с. В таблице 2 представлены расчетные значения средней удельной активности кобальтовых таблеток толщиной 1,5 мм для вариантов заявляемой конструкции ОУ с обечайками из стали и циркония и ближайшего аналога после облучения в реакторе в течение 1500 эфф. суток. На графике приведены расчетные зависимости удельной активности кобальта-60 в таблетках различной толщины от радиуса их расположения в ОУ. Толщина облучаемой таблетки (ОТ) и ширина поставки определяются на основании экспериментальных и расчетных данных с учетом следующих соображений:

- достижение необходимой УА Со-60;

- обеспечение необходимого объема производства Со-60;

- обеспечение технологичности изготовления таблеток и звена в целом.

Необходимой скоростью накопления кобальта-60 для реактора РБМК-1000 является скорость, позволяющая за период 5 лет получать Со-60 с удельной активностью более 90 Ки/г, при этом общий объем производства должен быть не менее 70% от уровня достигнутого при использовании ближайшего аналога. Таким образом, скорость накопления Со-60 должна быть поднята не менее чем в 1,7 раза. Анализ данных, представленных в таблицах 1 и 2 и на графике, показывает, что при использовании ОТ диаметром 6,8 мм, толщиной 1,5 мм (установленных на радиусе 37 мм) и циркониевых обечаек в звене и при соблюдении условия Ш_пр=(1,52,2)Ш_ст достигаются необходимые скорость и объем производства Со-60, а также технологичность изготовления ОТ и звеньев. Указанные размеры ОТ, радиус их расположения, оптимальная ширина поставок и использование в качестве материала для изготовления оболочек и поставок циркония (материала слабо поглощающего нейтроны) позволяют увеличить скорость накопления Со-60 более чем 1,7 раза, сохранив на необходимом уровне общий объем производства Со-60. Поставки, кроме того, являются своеобразными ребрами жесткости, предотвращающими смятие внешней обечайки давлением теплоносителя.

На фиг. 1, 2 изображены продольный и поперечный разрезы звена ОУ. Звено состоит из несущего основания 1, на котором с одной стороны расположено два шипа 2, а с другой - два паза 3, служащие для зацепления звеньев в ОУ с целью фиксации их от поворота. К несущему основанию при помощи четырех верхних 4 и четырех нижних 5 держателей крепится внутренняя обечайка 6 с поставками 7. Между внутренней 6 и наружной обечайкой 8 расположен столбик облучаемого материала 9. Столбики один от другого отделены посредством выфрезерованных во внутренней обечайке 6 поставок 7, установленных без зазора с внешней обечайкой 8 и являющихся для нее ребрами жесткости. Сверху и снизу столбики фиксируются верхней 10 и нижней 11 кольцевыми крышками.

Сборку звена ОУ осуществляют в следующей последовательности. Несущее основание 1 с приваренной внутренней обечайкой 6 вставляют во внешнюю обечайку 8 и приваривают нижнюю кольцевую крышку. Пространство между обечайками 6, 8 и поставками 7 заполняют ОТ 9. Затем устанавливают и приваривают верхнюю кольцевую крышку 10. В последующем звено используют в облучательном устройстве ядерного реактора фиг.3.

На фиг.3 изображено ОУ ядерного реактора, в котором используются звенья, изображенные на фиг.1, 2. ОУ состоит из несущего элемента 11, выполненного в виде стержня 12 с фиксирующим звенья конусом 13.

На фиг. 4 изображены возможные варианты (кроме ОТ) исполнения столбиков из радиоактивируемого материала: 14 - полуцилиндры, 15 - наборы пластин различной толщины, 16, 17 - проволоки разного диаметра, 18 - шарики или сечка. Для накопления кобальта-60 столбик облучаемого материала устанавливается в звено вместо ОТ. При изготовлении источника гамма-излучения из радиоактивного материала цилиндрический сердечник ампулы может формироваться из различных комбинаций облученного материала (например, из двух полуцилиндров).

Предложенное техническое решение позволит значительно (1,7 раза) увеличить скорость наработки кобальта-60 в реакторах РБМК.

Источники информации

1. Вестник Radntcy-Euroasia 1 (7), М., 1993 г.

2. В.А. Цыканов, Б.В. Самсонов. Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком. М.: Атомиздат, 1973 г.

3. В.В. Мальцев, А.И. Карпенко, И.А. Чернов, В.В. Головин. Опыт наработки радионуклида Со-60 в быстром натриевом реакторе БН-600 большой мощности. Конверсия в машиностроении 3, 2000 г.

4. Вестник Radntcy-Euroasia 1 (8), М., 1994 г.

5. Г.В. Киселев. Технология получения радиоактивных материалов в ядерных реакторах. Энергоатомиздат, 1990 г.

6. Патент 2107957, кл. G 21 С 7/10 - ближайший аналог.