нейтронопроизводящее устройство электроядерной установки

Формула изобретения

Нейтронопроизводящее устройство электроядерной установки, включающее корпус, набор облучаемых элементов и канал, подводящий пучок заряженных частиц, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде трех коаксиально расположенных с радиальными зазорами обечаек, причем внутренняя несущая обечайка выполнена в виде оболочки высокого давления, имеющей форму стакана, открытый конец которого герметично соединен с полостью канала, подводящего пучок заряженных частиц, и в боковой стенке она имеет сквозные отверстия, в которые прочно, жестко и герметично установлен набор облучаемых элементов, расположенных внутри упомянутой обечайки слоями, повернутыми друг относительно друга, причем каждый облучаемый элемент выполнен в виде трубчатого элемента, состоящего из двух тонкостенных коаксиально расположенных трубок, в пространстве между которыми размещен нейтронопроизводящий материал, а во внутренней трубке установлен дроссельный элемент, при этом средняя обечайка корпуса имеет сквозные отверстия в боковой поверхности, с каждым из которых через переходник герметично соединен один конец полости внутренней трубки соответствующего облучаемого элемента, причем один торец средней обечайки герметично соединен с концом внутренней обечайки, а ее противоположенный торец герметично соединен с торцом наружной обечайки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной техники и касается вопросов создания мощных источников нейтронов, которые могут быть использованы при трансмутации радиоактивных изотопов, получении энергии в подкритическом реакторе, исключающем возможность возникновения неконтролируемой цепной реакции деления, и в физических исследованиях.

Известен электроядерный метод генерации нейтронов, возникающих при облучении мишеней из различных веществ пучком заряженных частиц, ускоренных в ускорителе до энергии в несколько сотен мегаэлектронвольт (В.Г. Васильков, В.И. Гольданский, В.П. Джелепов, В.П. Дмитриевский “Электроядерный метод генерации нейтронов и производства расщепляющихся материалов”, журнал “Атомная энергия”, т.29, вып.3, стр.151-158, 1970).

Технические устройства, в которых используется электроядерный метод генерации нейтронов, называются электроядерными установками. Одним из основных элементов электроядерных установок является нейтронопроизводящее устройство, включающее мишень, генерирующую нейтроны при облучении заряженными частицами, и вакуумированный канал (ионопровод), подводящий пучок высокоэнергетических заряженных частиц к мишени.

Известна жидкометаллическая мишень электроядерной установки, отделенная от ионопровода охлаждаемой мембраной, представляющая собой контур циркуляции эвтектического сплава свинец-висмут, содержащий теплообменное оборудование, насосы и систему очистки жидкого метала (Б.Ф. Громов, Е.И. Ефимов, М.П. Леончук и др. “Жидкометаллическая свинцово-висмутовая мишень для высокоэнергетических протонов как интенсивный источник нейтронов в ускорительно управляемых системах”. Атомная энергия, т.80, вып.5, стр.400-407, 1996). Достоинством указанной мишени является отсутствие проблемы радиационной стойкости нейтронопроизводящего вещества, которое в случае жидкого металла не имеет кристаллической структуры, повреждаемой пучком заряженных частиц. Основным недостатком нейтронопроизводящего устройства с указанной мишенью является наличие сравнительно толстой мембраны, отделяющей мишень от ионопровода, в которой происходит паразитное поглощение заряженных частиц, сопровождающееся высокими уровнями радиационных повреждений и термических напряжений, что ведет к ограничению ресурса нейтронопроизводящего устройства.

Известна также конструкция нейтронопроизводящего устройства электроядерной установки с твердой мишенью, выполненной в виде набора плоских горизонтальных дисков из тантала (А.Г. Чухлов “Твердая мишень для электроядерной установки большой мощности” в сборнике: Международная конференция по электроядерным системам в перспективной ядерной энергетике, М., ГНЦ-РФ ИТЭФ 11-15 октября 1999 г., стр.151-154), принятая за прототип. Диски толщиной 30 мм, выполненные сварными из двух половин толщиной по 15 мм, имеют внутренние каналы для охлаждающего теплоносителя. Диски скреплены между собой цилиндрическими обечайками, междисковые полости соединены между собой и полостью ионопровода и в них поддерживается вакуум. Мишень размещается в корпусе высокого давления, кольцевой зазор между корпусом и мишенью разделен вертикальными перегородками на две полости, образующие напорный и сливной коллекторы для охлаждающего теплоносителя. Достоинством данного нейтронопроизводящего устройства является отсутствие мембраны, отделяющей полость ионопровода от мишени.

Недостатком указанного нейтронопроизводящего устройства является наличие сравнительно толстого диска из нейтронопроизводящего материала, в котором имеют место достаточно высокие термические напряжения, находящегося под внутренним давлением охлаждающего теплоносителя, что при наличии радиационных повреждений приводит к постепенному накоплению пластических деформаций в материале диска и ограничению ресурса мишени. Предлагаемая конструкция ограничивает выбор нейтронопроизводящего вещества для мишени требованиями высокой радиационной стойкости и термической прочности.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности нейтронопроизводящего устройства за счет расширения возможности выбора нейтронопроизводящего материала исходя из его ядерно-физических свойств при пониженных требованиях к прочностным характеристикам, а также на увеличение его ресурса за счет снижения температурных напряжений в конструктивных элементах, подверженных одновременно воздействию интенсивного потока заряженных частиц и давления охлаждающего теплоносителя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном нейтронопроизводящем устройстве электроядерной установки, включающем корпус, набор облучаемых элементов и канал, подводящий пучок заряженных частиц, корпус выполнен в виде трех коаксиально расположенных с радиальными зазорами обечаек, причем внутренняя несущая обечайка выполнена в виде оболочки высокого давления, имеющей форму стакана, открытый конец которого герметично соединен с полостью канала, подводящего пучок заряженных частиц, и в боковой стенке она имеет сквозные отверстия, в которые прочно, жестко и герметично установлен набор облучаемых элементов, расположенных внутри упомянутой обечайки слоями, повернутыми относительно друг друга, причем каждый облучаемый элемент выполнен в виде трубчатого элемента, состоящего из двух тонкостенных коаксиально расположенных трубок, в пространстве между которыми размещен нейтронопроизводящий материал, а во внутренней трубке установлен дроссельный элемент, при этом средняя обечайка корпуса имеет сквозные отверстия в боковой поверхности, с каждым из которых через переходник герметично соединен один конец полости внутренней трубки соответствующего облучаемого элемента, причем один торец средней обечайки герметично соединен с концом внутренней обечайки, а ее противоположенный торец герметично соединен с торцом наружной обечайки.

Выполнение мишени в виде набора трубчатых элементов, состоящих из двух коаксиально расположенных тонкостенных трубок, в пространстве между которыми помещен нейтронопроизводящий материал, позволяет снизить термические напряжения в элементе (внутренней трубке), нагруженном внутренним давлением охлаждающего теплоносителя, и разгрузить нейтронопроизводящий материал от давления теплоносителя, что приводит к увеличению ресурса и повышению эффективности нейтронопроизводящего устройства.

Размещение набора трубчатых облучаемых элементов во внутренней обечайке корпуса слоями, повернутыми относительно друг друга, повышают жесткость упомянутой обечайки, находящейся под наружным давлением охлаждающего теплоносителя.

Выполнение корпуса мишени в виде трех коаксиально расположенных с радиальными зазорами обечаек позволяет сформировать напорный и сливной коллекторы для теплоносителя, охлаждающего облучаемые элементы и корпус нейтронопроизводящего устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид нейтронопроизводящего устройства, а на фиг.2 - продольный разрез трубчатого элемента. Нейтронопроизводящее устройство состоит из корпуса и набора облучаемых элементов. Корпус устройства выполнен в виде трех обечаек: внутренней 1, средней 2 и наружной 3, коаксиально расположенных с радиальными зазорами 4, 5. Внутренняя несущая обечайка 1 выполнена в виде оболочки высокого давления, имеющей форму стакана, открытый конец которого 6 герметично соединен с фланцем 7 канала (ионопровода), подводящего пучок заряженных частиц, а противоположный конец герметично закрыт днищем 8. В боковой стенке внутренняя обечайка 1 имеет сквозные отверстия, в которые прочно, жестко и герметично установлен набор трубчатых облучаемых элементов 9, расположенных внутри упомянутой обечайки слоями, повернутыми друг относительно друга, например, на 90. Таким образом, внутренняя полость обечайки 1 корпуса, соединенная с ионопроводом, герметично изолирована от окружающей среды и вакуумирована.

Каждый трубчатый облучаемый элемент 9 состоит из двух тонкостенных коаксиально расположенных трубок 10, 11 (см. фиг.2), в пространстве между которыми размещен нейтронопроизводящий материал 12, и концевых деталей 13, которые обеспечивают крепление трубчатого элемента в отверстиях обечайки 1. В качестве нейтронопроизводящего материала могут быть использованы вольфрам, тантал, бериллий и его соединения, свинец, соединения урана и другие вещества, генерирующие нейтроны под воздействием заряженных частиц. В различных слоях набора облучаемых элементов может быть использован нейтронопроизводящий материал с различной плотностью и составом, чтобы обеспечить требуемое распределение интенсивности генерации нейтронов вдоль нейтронопроизводящего устройства.

Для обеспечения заданного расхода теплоносителя, охлаждающего облучаемый элемент 9, во внутренней трубке 11 установлен дроссельный элемент 14. Вид теплоносителя (газ, вода, жидкий металл и т.д.) выбирается в зависимости от типа и конструктивных особенностей электроядерной установки. Для организации циркуляции охлаждающего теплоносителя в нейтронопроизводящем устройстве служат обечайки корпуса 2, 3. Средняя обечайка 2 имеет сквозные отверстия в боковой поверхности, с каждым из которых через переходник 15 герметично соединен один конец внутренней трубки 11 соответствующего облучаемого элемента 9. С одного конца обечайки 2 имеется буртик 16, посредством которого она герметично соединена с глухим торцом внутренней обечайки 1, с противоположного конца обечайка 2 герметично соединена с торцом наружной обечайки 3 посредством буртика 17. Зазоры между внутренней обечайкой 1 и средней обечайкой 2, а также между средней обечайкой 2 и наружной обечайкой 3 образуют напорный и сливной коллекторы для теплоносителя, охлаждающего нейтронопроизводящее устройство.

Нейтронопроизводящее устройство электроядерной установки работает следующим образом. Пучок высокоэнергетических заряженных частиц из ускорителя по вакуумированному каналу через фланец 7 поступает внутрь обечайки 1, где облучает набор трубчатых элементов 9. Нейтронопроизводящий материал 12, находящийся внутри облучаемых элементов 9, под воздействием заряженных частиц генерирует быстрые нейтроны. Быстрые нейтроны, обладающие большой проникающей способностью, покидают нейтронопроизводящее устройство и попадают в устройства, определяющие специфику электроядерной установки, например, в активную зону подкритического ядерного реактора или в бланкет, содержащий трансмутируемые радиоактивные изотопы.

При поглощении заряженных частиц в элементах нейтронопроизводящего устройства выделяется тепло, которое отводится охлаждающим теплоносителем. В зависимости от конструктивного оформления электроядерной установки охлаждение нейтронопроизводящего устройства может осуществляться либо теплоносителем, охлаждающим и другие элементы установки, либо теплоносителем, циркулирующим по автономному контуру. Охлаждающий теплоноситель входит в зазор между внутренней 1 и средней 2 обечайками корпуса, проходит по внутренним трубкам 11 облучаемых элементов 9, через переходник 15 поступает в кольцевой зазор между средней 2 и наружной 3 обечайками корпуса и выходит из нейтронопроизводщего устройства.