устройство расщепления для создания нейтронов

Формула изобретения

1. Устройство расщепления для получения нейтронов, содержащее мишень расщепления (63, 78), которая образует нейтроны при взаимодействии с пучком (64, 78) частиц, первую камеру (84), содержащую мишень расщепления, средства (86) генерирования пучка частиц, вторую камеру, в которой распространяется пучок частиц в направлении мишени расщепления вдоль оси (X) распространения, герметичную перегородку (74, 92), через которую может проходить пучок частиц, при этом указанная герметичная перегородка отделяет первую камеру и вторую камеру, простираясь до этой оси распространения, и переносящую тепло жидкость (78, 95), предназначенную для циркуляции в первой камере для охлаждения мишени расщепления, отличающееся тем, что пучок частиц является полым и окружает ось (X) распространения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частицы выбраны из группы, содержащей протоны, ядра дейтерия, ядра трития, ядра гелия 3 и ядра гелия 4.

3. Устройство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что радиальное распределение плотности потока в пучке является по существу гауссовым и смещено от оси симметрии пучка.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что средства генерирования выполнены с возможностью создания полого пучка частиц.

5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что средства (30) генерирования выполнены с возможностью создания полого пучка частиц из сплошного пучка (26) частиц.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что мишень (63) расщепления является твердой.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что мишень (63) расщепления содержит несколько последовательных элементарных мишеней (62), при этом каждая элементарная мишень содержит коническую пластину, снабженную центральным отверстием (65).

8. Устройство по любому из п.6 или 7, отличающееся тем, что предусмотрено пространство между герметичной перегородкой (92) и мишенью (63) расщепления для циркуляции переносящей тепло жидкости (95).

9. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что мишень (78) расщепления является жидкой и образует переносящую тепло жидкость.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что мишень (78) расщепления перемещается в первой камере вдоль оси (X) распространения и в направлении распространения пучка (88) частиц.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что мишень (78) расщепления перемещается внутри первой камеры вдоль оси (X) распространения и в направлении, противоположном направлению распространения пучка (88) частиц.

12. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что мишень расщепления имеет ось симметрии вращения, которая совпадает с осью (X) распространения.

13. Устройство по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что герметичная перегородка (92) является выпуклой в направлении внутреннего пространства первой камеры.

14. Устройство по любому из пп.1-13, отличающееся тем, что герметичная перегородка имеет ось симметрии вращения, которая совпадает с осью (X) распространения.

15. Устройство по любому из пп.1-14, отличающееся тем, что содержит также в первой камере направляющие средства (96) для переносящей тепло жидкости, по меньшей мере, в направлении герметичной перегородки (92).

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к устройству расщепления для создания нейтронов.

Устройство используется для применения в областях, в которых необходим источник интенсивного нейтронного излучения.

Изобретение применимо, в частности, для исследований в области физики, в медицине и для ядерных превращений материалов.

Уровень техники

Расщепление относится к взаимодействию частиц и, в частности, протонов, выходящих из ускорителя с большой энергией, равной около 200 МэВ или более, с ядром мишени.

Это взаимодействие создает нейтроны, например 30 нейтронов на 1 ГэВ падающего протона, когда мишень выполнена из жидкого свинца. Около 80% этих нейтронов образуются в результате испарения, а остальные нейтроны образуются вследствие внутриядерных каскадных процессов. Спектр этих нейтронов имеет максимум около 3,5 МэВ.

Мишень для расщепления может быть твердой или же может быть жидкой. Она может быть также толстой или тонкой.

Жидкая мишень расщепления представляет собой переносящую тепло жидкость. Она обычно состоит из тяжелого металла в жидком состоянии, например, выбранного из жидкого свинца, эвтектики свинца, висмута и ртути.

Эта жидкая мишень охлаждает последнюю поверхность раздела, отделяющую ее от вакуумной камеры, при этом частицы, которые будут взаимодействовать с этой мишенью, циркулируют в вакуумной камере, или в любой другой буферной зоне, введенной между этой вакуумной камерой и мишенью.

На фиг.1 показан продольный разрез известного устройства расщепления, содержащего мишень 2 расщепления, выполненную из жидкого тяжелого металла. Это устройство содержит также камеру 4, в которой циркулирует мишень расщепления. Позицией 6 обозначена зона расщепления.

На одном конце этой камеры 4 предусмотрен вход 8 для холодной жидкости, переносящей тепло (мишени), а на другом конце камеры - выход 10 для горячей жидкости, переносящей тепло.

Показана также вакуумная камера 12, внутри которой проходит пучок 14 частиц, который взаимодействуют с мишенью в зоне 6 расщепления. Эта вакуумная камера отделена от камеры 4 первым окном 16, образующим мембрану, которая охлаждается циркулирующей водой.

Предусмотрено также второе окно 18 выпуклой формы, которое является выпуклым внутрь камеры 4. Это второе окно 18 проходит от первого окна 16 внутрь камеры и взаимодействует с окном 16 для образования герметичной перегородки, ограничивающей буферную зону 20 или промежуточную зону, в которой может также создаваться вакуум.

Это второе окно 18 образует мембрану, охлаждаемую мишенью 2 расщепления.

Выпуклая форма этого окна обусловлена необходимостью направлять жидкость, входящую через входную трубу 8 в направлении зоны 6 расщепления, что минимизирует застойную зону n, в которой охлаждение неэффективно.

Предусмотрена также сетка 22, которая направляет поток от жидкой мишени и которая расположена в камере 4 между вторым окном 18 и зоной 6 расщепления.

Можно видеть, что мишень расщепления и второе окно 18 имеют симметрию вращения относительно оси X, вдоль которой проходит пучок 14 частиц.

В показанном примере выполнения этот пучок, который проходит последовательно через первое и второе окна и сетку 22 перед взаимодействием с жидкой мишенью в зоне 6 расщепления, и поток этой жидкой мишени в зоне 6 имеют одно и то же направление.

Известны также устройства расщепления с использованием твердых мишеней расщепления.

Устройство этого типа содержит окно, в котором удерживается твердая мишень и которое находится на одной линии со средствами ускорения пучка частиц, при этом сама мишень предназначена для получения нейтронов посредством расщепления и выполнена, например, в виде пластин, конусов, стержней, труб или микрошариков, и жидкость переноса тепла, которая охлаждает мишень расщепления. Свойства каждого из этих устройств определяются его термическими, гидравлическими, механическими и нейтронными параметрами.

Для твердой мишени, поставляющей тепловые нейтроны, переносящей тепло жидкостью может быть вода. Почти невозможно обеспечить, чтобы среда, окружающая мишень расщепления, имела спектр быстрых нейтронов.

На фиг.2 показаны изменения плотности D1 потока пучка частиц, используемого с известной мишенью расщепления, в зависимости от расстояния R до центральной оси этого пучка.

Пучок этого типа, для которого плотность потока имеет распределение приблизительно в ступенчатой форме (кривая I) или в форме колокола (кривая II), вызывает сильные термомеханические напряжения в герметичной перегородке, отделяющей мишень расщепления от вакуума, в котором распространяется пучок, а также в мишени, когда мишень является твердой, за счет большого градиента плотности потока.

Этот пучок частиц имеет максимум на оси симметрии мишени в зоне, в которой переносящая тепло жидкость циркулирует очень слабо (смотри кривую III на фиг.2, которая является кривой изменения скорости V жидкости в зависимости от R). Следовательно, на герметичной перегородке имеется горячая точка, которая ограничивает характеристики мишени расщепления и может представлять опасность нарушения герметичности.

В некоторых устройствах расщепления, включая показанное на фиг.1 устройство, наличие этой зоны, в которой переносящая тепло жидкость циркулирует очень слабо на центральной оси пучка частиц, приводит к необходимости устанавливать сетку 22, которая непосредственно облучается пучком и обеспечивает возможность направления потока так, чтобы ограничивать длину этой зоны, в которой скорость переносящей тепло жидкости очень мала.

Как и все элементы, расположенные на центральной оси пучка, сетка подвергается облучению этим пучком и ее механические и тепловые характеристики ухудшаются со временем. Однако эта сетка не вносит вклада в расщепление и ее объем такой, что при возникновении любого повреждения эта сетка в свою очередь повреждает или даже разрушает мишень расщепления, в частности, при частичном или полном перекрытии контуров переносящей тепло жидкости.

Охлаждение с помощью циркуляции сильного потока воды в мембране 16, выполненной обычно из стали, регулирует нарастание температуры, вызванное прохождением пучка.

В мишени, подвергаемой воздействию интенсивного пучка, наличие тяжелого материала непосредственно за окном 18 приводит к поглощению окном 18 части энергии пучка. Это происходит систематически при жидких мишенях.

Охлаждение окна 18 возможно только на одной поверхности окна, и это окно (или любое другое окно) необходимо охлаждать с помощью самой жидкой мишени.

Если пучок частиц имеет максимум плотности потока в точке, в которой скорость мишени, образующей переносящую тепло жидкость, является минимальной, то образуется горячая точка.

Следует отметить, что устройства расщепления описаны также в источниках [1] и [2], которые, также как другие источники, приведены в конце данного описания.

Сущность изобретения

Целью данного изобретения является устранение указанных выше недостатков известных устройств расщепления, а именно минимизация термомеханических ограничений для главных компонентов этих устройств, и в частности, герметичной перегородки, отделяющей мишень расщепления от камеры, в которой создается вакуум и через которую проходит пучок частиц перед достижением мишени.

Точнее, целью данного изобретения является создание устройства расщепления для получения нейтронов, при этом устройство содержит:

- мишень расщепления, которая образует нейтроны при взаимодействии с пучком частиц,

- первую камеру, содержащую мишень расщепления,

- средства генерирования пучка частиц,

- вторую камеру, в которой распространяется пучок частиц в направлении мишени расщепления вдоль линии распространения (что, очевидно, требует создания низкого давления ниже 10^-8 Па в этой второй камере),

- герметичную перегородку, через которую может проходить пучок частиц и которая отделяет первую камеру и вторую камеру и достигает этой оси распространения, и

- переносящую тепло жидкость, предназначенную для циркуляции в первой камере, для охлаждения мишени расщепления,

при этом это устройство характеризуется тем, что пучок частиц является полым и окружает ось распространения.

Частицы предпочтительно выбраны из группы, содержащей протоны, ядра дейтерия, ядра трития, ядра гелия 3 и ядра гелия 4.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройства, согласно изобретению, радиальное распределение плотности потока в пучке частиц в поперечной полуплоскости, ограниченной осью распространения, является приблизительно гауссовым и смещено от оси симметрии пучка. Эта система характеризуется минимальной плотностью потока на центральной линии пучка.

Плотность потока этого типа в пучке минимизирует концентрацию механических напряжений.

В соответствии с первым частным вариантом выполнения устройства, согласно изобретению, средства генерирования выполнены с возможностью создания непосредственно полого пучка частиц.

В соответствии со вторым частным вариантом выполнения, средства генерирования выполнены с возможностью создания полого пучка частиц из сплошного пучка частиц.

Мишень расщепления в данном изобретении может быть твердой.

В этом случае, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения, мишень расщепления содержит несколько последовательных элементарных мишеней, при этом каждая из элементарных мишеней содержит коническую пластину, в которой имеется центральное отверстие.

Элементарная мишень этого типа имеет форму, хорошо согласованную с полым пучком и с потоком переносящей тепло жидкости.

Если мишень расщепления является твердой, то предпочтительно предусмотрено пространство между герметичной перегородкой и мишенью расщепления для циркуляции переносящей тепло жидкости.

И наоборот, в данном изобретении можно использовать жидкую мишень расщепления, при этом эта мишень образует также переносящую тепло жидкость.

В этом случае, согласно первому частному варианту выполнения изобретения, мишень расщепления перемещается в первой камере вдоль оси распространения и вдоль распространения пучка частиц.

Согласно второму частному варианту выполнения, если мишень расщепления является жидкостью, то мишень расщепления перемещается внутри первой камеры вдоль оси распространения и в направлении, противоположном направлению распространения пучка частиц.

Согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, ось симметрии мишени расщепления совпадает с осью распространения.

Герметичная перегородка предпочтительно является выпуклой внутрь первой камеры.

В данном изобретении герметичная перегородка предпочтительно имеет ось симметрии вращения, которая совпадает с осью распространения.

Устройство, согласно изобретению, предпочтительно содержит также в первой камере направляющие средства для переносящей тепло жидкости, по меньшей мере в направлении герметичной перегородки.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание изобретения на примерах выполнения, служащих лишь иллюстрацией и не имеющих ограничительного характера, со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает продольный разрез известного устройства расщепления, описание которого было приведено выше;

фиг.2 - радиальное распределение плотности потока в пучке частиц, который используется в известном устройстве расщепления;

фиг.3 - радиальное распределение плотности потока в пучке частиц, который можно использовать в устройстве расщепления, согласно данному изобретению;

фиг.4 - развертывающее устройство, используемое для получения полого луча, который можно использовать в изобретении;

фиг.5 - радиальное распределение плотности потока в пучке частиц, который поступает в развертывающее устройство;

фиг.6 - различные системы установки расщепления;

фиг.6А - схему получения двух разных конфигураций потока переносящей тепло жидкости и пучка частиц в устройстве, согласно изобретению, с симметрией вращения вокруг оси падающего пучка частиц;

фиг.7 - частичный разрез конической пластины, которую можно использовать в изобретении в качестве элементарной мишени расщепления;

фиг.8 - мишень расщепления, которую можно использовать в изобретении и которая образована из пакета таких элементарных мишеней;

фиг.9 - расположение части переносящей тепло жидкости между мишенью, показанной на фиг.8, и герметичной перегородкой, отделяющей эту мишень от вакуумной камеры, из которой приходит пучок частиц; и

фиг.10-12 - частные варианты выполнения устройства, согласно изобретению.

Подробное описание частных вариантов выполнения

В примерах выполнения изобретения, описание которых приведено ниже, используется полый пучок частиц, называемый также кольцевым пучком частиц, в котором радиальное распределение плотности потока является приблизительно гауссовым. На фиг.3 показано изменение этой плотности D2 в зависимости от расстояния R от оси полого пучка.

Это является средством для решения двух следующих проблем:

- ограничения градиента плотности потока для исключения чрезмерных внутренних механических напряжений в ключевых компонентах устройства расщепления и мишени расщепления в случае использования твердой мишени, и

- смещения максимальной энергии с оси симметрии мишени для исключения проблем с охлаждением.

Кольцевое распределение плотности потока в пучке частиц можно получать с использованием магнитных оптических средств, которые расположены на внутренней стороне герметичной перегородки.

На фиг.4 показано создание полого пучка частиц. На фиг.4 показана вакуумная камера 24, которая продолжает ускоритель частиц (не изображен), выполненный с возможностью формирования сплошного пучка 26 частиц и ускорения этого пучка. Эта вакуумная камера (снабженная не изображенными средствами для создания вакуума) образует изгиб, на котором расположен криволинейный магнит 28. После этого криволинейного магнита предусмотрена магнитная система 30, выполненная с возможностью выполнения вращательного развертывания высокой частоты для получения полого пучка 32 частиц с осью X, из сплошного пучка 26.

Вакуумная камера 24 заканчивается выпуклой герметичной перегородкой 38.

Эта перегородка является наружной стороной буферной перегородки 36, если она имеется (в данном случае взаимодействующей с перегородкой 38 для ограничения опорной зоны 34 на фиг.4), и расположена внутри камеры 40, содержащей мишень расщепления.

Толщина и материал, из которого выполнены каждая из перегородок 36 и 38, выбраны, естественно, так, чтобы пучок 32 мог проходить через эти перегородки.

На фиг.5 показаны изменения плотности D3 потока в сплошном пучке 26 частиц в зависимости от расстояния R от центральной оси пучка на выходе из отклоняющего магнита 28. Можно видеть, что пучок 26 является приблизительно гауссовым.

После развертывающей системы 30 и, в частности, на мишени расщепления, пучок частиц становится полым, при этом распределение плотности в этом полом пучке показано на фиг.3.

Магнитная система 30, расположенная на внутренней стороне герметичной перегородки 38, расположена на траектории частиц высокой энергии, которые рассеиваются обратно мишенью расщепления. Поэтому система предпочтительно состоит из материалов, которые не очень чувствительны к облучению и активации. Криволинейный магнит 28 защищает ускоритель частиц от этих рассеянных частиц высокой энергии.

Следует отметить, что другие устройства, согласно изобретению, могут быть выполнены без криволинейного магнита. В этом случае используется вакуумная камера, которая является по существу прямолинейной на стороне входа магнитной развертывающей системы 30.

Развертывание, возможное с помощью системы 30, предпочтительно удовлетворяет условиям, указанным в источнике [3].

В другом примере выполнения, вместо формирования полого пучка частиц из ускоренного сплошного пучка, полый пучок формируется источником частиц и затем этот полый пучок разгоняется. Дополнительная информация по этому поводу содержится в источнике [4].

Следует отметить, что можно предусмотреть направляющие средства в камере 40, например ребра для направления охлаждения на герметичную перегородку 38, с целью исключения необходимости очень часто заменять эту перегородку 38.

Дополнительно к этому, в устройстве, согласно изобретению, мишень расщепления предпочтительно охлаждать с помощью принудительной конвекции независимо от того, является ли мишень твердой или жидкой.

Кроме того, в устройстве, согласно изобретению, полый пучок частиц может входить в мишень расщепления под любым углом, сверху или снизу, наклонно или горизонтально.

На фиг.6 показано несколько систем, каждая из которых является примером установки расщепления с использованием изобретения.

Эта установка содержит:

- систему 42, которая поставляет полый пучок частиц и которая включает криволинейный магнит 28 и систему 30 развертки, показанную на фиг.4,

- устройство 44 расщепления, согласно изобретению, в которое направлен полый пучок,

- систему 46, содержащую контуры транспортировки переносящей тепло жидкости,

- теплообменную систему 48, которая принимает горячую переносящую тепло жидкость 50 из устройства 44 и подает холодную переносящую тепло жидкость в это устройство через систему 46,

- систему 54 с рабочей зоной, содержащей облучаемые средства или ядерное топливо и/или изотопы, подлежащие ядерному превращению, и принимающую нейтроны 56, созданные с помощью устройства расщепления,

- систему 58 для очистки контуров и для обработки радиоактивных потоков, которая соединена с системой 46 контуров транспортировки переносящей тепло жидкости, и

- систему 60 для осушения этих контуров.

Эта дренажная система 60 является полезной для операций запуска, остановки и обслуживания установки, а также во время поломок или помех в этой установке.

Система 58 используется для удаления нежелательных элементов из установки, таких как тяжелые радиоактивные загрязнения и радиоактивные газы и, в частности трития.

В устройстве, согласно изобретению, ускоренные частицы являются предпочтительно легкими (заряженными) частицами, такими как протоны, дейтроны, тритоны, ядра гелия 3 и ядра гелия 4.

Например, можно использовать протоны с энергией Ер, равной приблизительно 600 МэВ, для обеспечения компромисса между эффективностью расщепления нейтронов, повреждением герметичной перегородки и других структур мишени, активацией ускорителя за счет частиц, потерянных вследствие эффекта пространственного заряда, и активацией устройства расщепления, включая биологическое экранирование и заземление.

В зависимости от конфигурации, эту энергию Ер можно регулировать в диапазоне от 200 МэВ до нескольких ГэВ.

Интенсивность пучка, поставляемого ускорителем, определяется потребностью пользователей устройства расщепления в нейтронах расщепления и может изменяться, например, между 0,5 мА и несколькими сотнями мА.

Таким образом, в устройстве, согласно изобретению, с симметрией вращения относительно оси падающего пучка частиц можно получить две разные конфигурации потока переносящей тепло жидкости и пучка частиц (как показано на фиг.6А, на которой кривая I представляет скорость V жидкости, а кривая II - плотность D потока луча) за счет использования кольцевого пучка частиц при сохранении симметрии вращения вокруг оси луча.

Кроме того, в устройстве, согласно изобретению, с использованием твердой мишени расщепления можно отделять охлаждение герметичной перегородки от охлаждения мишени, что обеспечивает большее число степеней свободы для направления переносящей тепло жидкости.

Согласно изобретению, предпочтительно использовать конические пластины для образования твердой мишени расщепления. Пример выполнения этих пластин показан на фиг.7.

В центре каждой пластины 62а имеется отверстие 65, через которое переносящая тепло жидкость может рассеивать тепло, создаваемое в этой пластине.

Мишень 63 расщепления образована с использованием нескольких таких пластин 62, расположенных друг за другом, так что полученный узел 63 имеет симметрию вращения вокруг оси Х полого пучка 64 частиц, как показано на фиг.8 и 9.

Пластины 62 расположены друг за другом, так что угловой сектор, воспринимаемый освещенной частью пластины со стороны зоны, в которой используются источники нейтронов, и со стороны перегородки 74 на фиг.9 (нейтроны обратного рассеивания) занят не освещенной частью пластины и наоборот.

Таким образом, спектр источника теряет энергию в этой части мишени перед достижением полезной зоны, так что повреждение может быть ограничено структурными материалами, когда это повреждение обусловлено нейтронами наивысшей энергии.

Дополнительно к этому, количество обратно рассеиваемых нейтронов является минимальным, так что срок службы перегородки 74 увеличивается (фиг.9) и можно ограничить повреждение структур ускорителя перед мишенью.

Следует отметить, что стрелки 66 на фиг.8 обозначают переносящую тепло жидкость.

Как показано на фиг.7, пластины имеют оболочку, и между элементарной мишенью расщепления, состоящей из конической пластины 70, выполненной, например, из вольфрама, и оболочкой 72 этой элементарной мишени, например, оболочкой из стали или алюминиевого сплава, предусмотрено полое пространство 68 для обеспечения расширения элементарной мишени во время использования.

Следует отметить, что толщина пластины 70 изменяется от одной пластины к другой для сглаживания осевого распределения источника нейтронов.

При твердой мишени, аналогичной показанной на фиг.8, возникают проблемы, связанные с коррозией, вызванной переносящей тепло жидкостью. Для твердых мишеней расщепления предпочтительно используют воду в качестве переносящей тепло жидкости в случае бланкета, когда необходимы тепловые нейтроны, или жидкий натрий в случае, когда не требуются тепловые нейтроны. Технологии, связанные с этими типами жидкости, являются управляемыми.

Реакции расщепления в переносящей тепло жидкости являются нежелательными, поскольку они уменьшают эффективность нейтронов установки и способствуют полной или локальной активации контуров (за счет повторных отложений).

Однако известны технологии очистки контуров, загрязненных нежелательными веществами, как для натрия, так и для воды.

Кроме того, переносящие тепло газы, такие как диоксид углерода или гелий, почти не реагируют с падающими частицами вследствие низкой плотности этих газов, что улучшает эффективность без создания помех для работы всей установки.

Таким образом, твердая мишень расщепления имеет то преимущество, что она локализует радиоактивность в этой мишени (которая снабжена оболочкой) и в системах очистки контуров. Пространственное расположение элементов этой мишени расщепления совместимо с системой манипулирования, предусмотренной для этих элементов.

Жидкие мишени расщепления предпочтительно состоят из материалов, у которых атомная масса является высокой и которые применяются в чистом виде или в виде эвтектики, так что они являются жидкими при температурах, совместимых с механическим и химическим поведением материалов, используемых в мишени и в соответствующих контурах.

Например, можно использовать ртуть, свинец и эвтектики свинца. Главным преимуществом эвтектики, такой как свинец-висмут с 45% по массе свинца и 55% по массе висмута, наряду с ее низкой температурой плавления является то, что ее плотность не изменяется во время изменения фазы. Обычно, предпочтительным является отсутствие висмута, поскольку висмут можно легко активировать в полоний 210 и другие долгоживущие радиоактивные изотопы.

Сечение неупругих реакций (n, nx) свинца, в частности реакций (n, 2n), для нейтронов с энергией свыше 6,22 МэВ является средством максимизации эффективности источника.

В некоторых устройствах исключается применение ртути вследствие ее высокой коррозийности. При температуре окружающей среды неподвижная ртуть растворяет около 1 мм стали в год.

Свинец и сплавы свинца являются также коррозийными для сталей, что является причиной предпочтительного применения твердых мишеней с оболочкой.

Можно использовать чистый или легированный свинец для ограничения эффектов коррозии за счет управления концентрацией кислорода в жидком свинце. Рабочие условия задают диапазон концентрации кислорода, выше которого свинец и примеси окисляются и выпадают в осадок, а ниже которого свинец корродирует сталь. Затем сталь растворяется в контуре и может осаждаться в холодных зонах или же в зонах, где скорость переносящей тепло жидкости является низкой. Такие отложения могут вызывать блокирование контуров.

Наконец, материалы, используемые в изобретении, являются прозрачными для нейтронов в главном спектре мишени. Таким образом, чистый или легированный свинец может быть подходящим для мишеней с быстрым или тепловым спектром, если даже некоторые естественно присутствующие изотопы можно удалять с помощью разделения изотопов вследствие их большого сечения захвата нейтронов.

Ртуть и вольфрам лучше подходят для мишеней с по существу быстрыми спектрами в том смысле, что эти два элемента более способны захватывать нейтроны в тепловом диапазоне.

В данном изобретении мишень расщепления (которая содержит зону расщепления) является локализованной и обеспечивает только прохождение нейтронов источника.

Структуры, включенные в эту мишень, являются прозрачными для нейтронов и в нормальных или ухудшенных условиях обеспечивают максимально возможную локализацию материалов. Таким образом, любая система механической изоляции для зоны расщепления определяет мишень.

Биологическое экранирование для присутствующих и операторов устройства расщепления выбирается в соответствии с действующими предписаниями.

Ускоренные частицы останавливаются мишенью расщепления для максимизации эффективности.

Нейтронное экранирование, которое предусмотрено для устройства, согласно изобретению, также способствует решению проблемы защиты от заряженных частиц.

Положение мишени расщепления в системе, в которой она установлена (например, активная зона реактора атомной энергии или реактора ядерных превращений, замедлитель ядерного реактора или сеть элементов, которые могут создавать тритий), предпочтительно определяется посредством максимизации весового коэффициента *, который определен в источнике [5].

Ниже приводится описание преимуществ, обеспечиваемых изобретением.

Использование мишени расщепления с кольцевым пучком частиц является простым и эффективным средством рассеяния тепла, создаваемого в герметичной перегородке или окне, отделяющем мишень расщепления от наиболее близкой к этой мишени расщепления вакуумной зоны (без сложной геометрической формы и без необходимости сетки 22 на фиг.1, которая подвергается облучению пучком).

Устройство, согласно изобретению, может быть также выполнено с возможностью работы со слабым потоком или с фронтальным потоком переносящей тепло жидкости, без использования потока переносящей тепло жидкости для охлаждения чувствительных компонентов в устройстве. Для этого необходимо лишь обеспечить прохождение переносящей тепло жидкости через зону, на которую не воздействует расщепление.

Эти преимущества относятся в основном к герметичной перегородке, которая является наиболее сильно нагружаемой частью системы. Эта герметичная перегородка должна выдерживать очень низкое давление, обычно порядка 10 ^-9 Па, на стороне, с которой приходит пучок частиц, и давление переносящей тепло жидкости на другой стороне. Давление переносящей тепло жидкости является очень большим, обычно более 5×10 ⁶ Па, когда эта жидкость является водой или газом, и порядка 10⁵ Па, когда переносящая тепло жидкость является жидким металлом.

Кроме того, введение слоя переносящей тепло жидкости между герметичной перегородкой и мишенью расщепления является средством для уменьшения доли рассеиваемых обратно нейтронов вблизи этой герметичной перегородки. Это обусловлено эффектом пространственного угла и тем фактом, что переносящая тепло жидкость рассеивает нейтроны.

На фиг.9 показан продольный разрез герметичной перегородки или окна 74, за которым следует комплект 63 конических лопаток 62 с центральным отверстием, при этом эти лопатки установлены вдоль направления Х устройства (оси распространения пучка частиц).

Слой переносящей тепло жидкости, которая циркулирует между герметичной перегородкой 74 и конической пластиной 62, наиболее близкой к герметичной перегородке, обозначен условно двумя стрелками 66, наиболее близкими к этой перегородке. Стрелкой 76 обозначены рассеиваемые обратно нейтроны. Система из лопаток 62 может уменьшить количество этих нейтронов в направлении центральной линии пучка в направлении перегородки 74. На фиг.9 показан также падающий пучок 64 частиц.

На фиг.10 показан продольный разрез устройства расщепления, согласно частному варианту изобретению.

В этом примере выполнения устройство образует часть гибридного реактора для ядерных превращений или производства энергии, при этом мишень 78 расщепления является жидким металлом и образует переносящую тепло жидкость, а поток этой жидкости имеет утечку.

Показана активная зона 80 (расщепляющаяся часть) реактора, в которой установлено устройство. На каждой стороне активной зоны 80 имеется камера 82.

Показана также камера 84, в которой циркулирует мишень 78 расщепления, и один конец вакуумной камеры 86, в которой распространяется полый пучок 88 частиц в направлении зоны расщепления. Эта зона ограничена штрихпунктирной линией 90 внутри камеры 84.

Конец вакуумной камеры 86 образован имеющей выпуклую форму герметичной перегородкой 92, выполненной, например, из стали, которая является выпуклой внутрь камеры 84 и которая обеспечивает прохождение пучка 88 через нее.

Форма перегородки 92 является приблизительно полусферической для исключения концентрации механических напряжений.

Средства 89 генерирования полого пучка не изображены. Дальнейшие подробности в этом отношении показаны на фиг.4.

Стрелками 94 обозначена циркуляция мишени из жидкого металла. Эта циркуляция происходит вдоль оси распространения пучка и вдоль направления распространения пучка.

Эта ось Х является осью симметрии вращения камеры 84 и герметичной перегородки 92.

Показаны также ребра 96, закрепленные на внутренней перегородке 84 вблизи герметичной перегородки 92. Расстояние между этими ребрами достаточно для прохождения без помех пучка 64 частиц. Эти ребра образуют направляющую для потока жидкой мишени и тем самым для переносящей тепло жидкости.

Эта направляющая жидкости улучшает турбулентность и тем самым обмен тепла у герметичной перегородки 92.

Стрелки 98 на фиг.10 обозначают нейтроны, образованные в зоне расщепления.

Установка, в которой установлено устройство, показанное на фиг.10, запускается последовательно. Первая стадия состоит в нагревании переносящей тепло жидкости до рабочей температуры в несколько стадий в резервуаре хранения (не изображен), а затем переносящую тепло жидкость вводят в контуры (не изображены), предусмотренные для ее циркуляции. Затем запускают насосы (не изображены) для циркуляции жидкости. Следующей стадией является запуск ускорителя частиц (не изображен) с очень низкой интенсивностью и затем увеличивают мощность для минимизации нагрузок на различные структуры в установке.

Одну и ту же процедуру используют для остановки и для запуска в обратном порядке.

Активация жидкой переносящей тепло среды и индуцированная остаточная мощность предотвращают застывание переносящей тепло жидкости. Независимо от конфигурации, размеры устройства расщепления выбираются так, что остаточная мощность после плановой или случайной остановки может быть рассеяна с помощью пассивного средства, такого как естественная конвекция.

Интенсивность ускорителя определяется потребностями применения нейтронов после завершения повышения мощности.

В случае применения реактора для генерирования электричества или ядерных превращений реактивность и мощность (измеренные на основании данных о входной и выходной температуре переносящей тепло жидкости и информации из системы управления нейтронами) задают интенсивность пучка.

В случае использования источника нейтронов для фундаментальных физических исследований или технологических испытаний мощность, извлекаемая из мишени расщепления, является управляемой.

На фиг.11 показан продольный разрез другого частного варианта выполнения устройства, согласно изобретению, снова с использованием жидкой металлической мишени расщепления, однако с фронтальным потоком вместо потока утечки для этой жидкой мишени и тем самым для переносящей тепло жидкости.

Поэтому этот поток происходит в направлении, противоположном распространению пучка 88 частиц.

Устройство, показанное на фиг.11, является идентичным устройству, показанному на фиг.10, за исключением того, что отсутствуют ребра 96 и у конца камеры 84, противоположного концу с перегородкой 92, устройство содержит главную трубчатую направляющую 100 потока, ось которой является осью симметрии вращения устройства (совпадающей с осью Х распространения пучка 88 частиц), и отверстия 102 на каждой стороне этой главной направляющей потока.

Внутренний диаметр пучка частиц больше наружного диаметра этой главной направляющей потока.

Жидкая мишень расщепления (переносящая тепло жидкость) входит в камеру 84 через направляющую 100 потока и отверстия 102.

На фиг.12 показан продольный разрез устройства, согласно другому частному варианту выполнения изобретения.

Это устройство является идентичным с устройством, показанным на фиг.10, за исключением того, что оно не имеет ребер 96 и что мишень расщепления в нем является твердой.

В устройстве, показанном на фиг.12, поток 95 переносящей тепло жидкости, обозначенный стрелками 95, проходит в том же направлении, в котором распространяется пучок 88 частиц.

Мишень 63 расщепления содержит несколько конических элементарных мишеней 62 с центральным отверстием, подобно мишени на фиг.7. Эти мишени 62 идентичны друг другу и расположены друг за другом в камере 84 вдоль оси Х распространения пучка, которая является также осью симметрии вращения мишени расщепления и герметичной перегородки 92.

Диаметр, общий для всех отверстий 65, меньше внутреннего диаметра пучка 88, и мишени 62 имеют большой общий диаметр, который больше наружного диаметра пучка 88.

Предусмотрены средства (не изображены) для крепления каждой элементарной мишени 62 к внутренней перегородке камеры 84.

Переносящая тепло жидкость 95 циркулирует вокруг герметичной перегородки 92 между герметичной перегородкой и элементарной мишенью 62, наиболее близкой к этой герметичной перегородке, и между другими элементарными мишенями 62.

За счет своей конической формы все эти элементарные мишени можно использовать также для направления потока переносящей тепло жидкости.

Зона расщепления, ограниченная линиями 90 на фиг.10 и 11 и элементарными концевыми мишенями на фиг.12, предпочтительно расположена так, чтобы максимизировать нейтронную эффективность устройства расщепления.

В случае устройств, согласно фиг.10-12, может быть предусмотрен механический или магнитный насос для обеспечения принудительной конвекции переносящей тепло жидкости.

Источники информации

1. US 5160696 (С.D.Bowman).

2. US 5774514 (С.Rubbia).

3. J.M.Lagniel. «Различные части ускорителя - от источника протона до пучка в 1. ГэВ». GEDEON Workshop «Какой ускоритель для какого DEMO?», страницы 1-24, Aix en Provence (Франция), 25-26 ноября 1999.

4. US 5811943 (A.Mishin и др.).

5. M.Salvatores и др. Nuclear Science and Engineering, 126, страницы 333-340 (1997).