Способ облучения материалов нейтронами

 

Использование: в ядерной технике для активации образцов и облучения ядер резонанскыми нейтронами. Сущность изобретения: нейтроны источника пропускают через замедлитель и дополнительный замедлитель, перемещаемый относительно замедлителя и облучаемого изделия, причем скорость дополнительного замедлителя выбирают из условия обеспечения заданной энергии облучающих нейтронов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для облучения образцов материалов нейтронами при исследовании состава образцов по величине и параметрам их наведенной радиоактивности.

Оно может быть использовано также для осуществления интенсивного деления вплоть до возникновения цепной ядерной реакции в делящемся материале при значительно меньшей критической массе делящегося вещества по сравнению с традиционным способом деления. (Например, когда используется только замедлитель или отражатель нейтронов).

Известен способ облучения материалов нейтронами, при осуществлении которого дополнительный замедлитель, находящийся в вакуумной камере, благодаря бесконтактному подвесу имеет возможность перемещения по замкнутой траектории, не касаясь стенок камеры [1].

Общепринятым, традиционным способом облучения образцов материалов является их облучение в экспериментальных каналах ядерного реактора, на нейтронных генераторах, изотопных источниках и т.д., т.е. тогда, когда источник нейтронов и облучаемая мишень практически неподвижны [2].

В большинстве практических случаев для получения большего эффекта облучения необходимым является облучение материала нейтронами с такой энергией, которая совпала бы с какой-нибудь энергией его резонансного взаимодействия.

Такое облучение трудновыполнимо, поскольку требует высокоинтенсивного нейтронного источника с энергией в области резонанса. В то же время, в наиболее выгодном для достижения этой цели диапазоне энергий нейтронов (от 0,025 до 10000 эВ) практически полностью отсутствуют высокоинтенсивные моноэнергетические источники нейтронов.

Целью изобретения является обеспечение возможности регулирования энергии замедленных нейтронов и повышение эффективности облучения для материалов, имеющих резонансное поглощение при энергии Е_рез.

Цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе облучения образца материала испускаемые нейтронным источником быстрые нейтроны предварительно замедляются до тепловых энергий в основном замедлителе, а затем начинают перемещать дополнительный замедлитель, который расположен внутри основного замедлителя в непосредственной близости от облучаемого материала, но находится в вакуумной камере и благодаря бесконтактному подвесу имеет возможность перемещаться по замкнутой траектории, не касаясь стенок камеры, с такой относительной линейной скоростью, чтобы энергия движущихся с этим замедлителем и находящихся с ним в тепловом равновесии нейтронов, образовавшихся от ускорения падающих на него тепловых нейтронов из основного замедлителя и замедленных в нем эпитепловых нейтронов нейтронного источника, стала равной требуемой величине энергии.

Тепловые нейтроны, образовавшиеся в движущемся дополнительном замедлителе, покидая его, будут падать на рядом расположенный облучаемый материал со скоростью, равной сумме скоростей их теплового движения и линейной скорости движущегося замедлителя.

Считая плоскими движущийся замедлитель и облучаемый материал, можно найти угол падения этих нейтронов на облучаемый материал (относительно его нормали) по формуле (1) где V - скорость покидающего движущийся замедлитель теплового нейтрона, м/с; V_зам - скорость замедлителя, м/с; f1, f2 - полярный и азимутальный (относительно направления движения замедлителя) углы, под которыми тепловой нейтрон покидает движущийся замедлитель, град.

Величина угла Θ характеризует путь, проходимый нейтроном полученной энергии в облучаемом материале. Например, если толщина облучаемого материала равна d, то путь, проходимый в нем нейтроном, равен d1 = d/cos(Θ) (2) Для того, чтобы получить от движущегося замедлителя наиболее интенсивный поток моноэнергетических нейтронов заданной энергии, а также исключить необходимость перемещения излишней массы дополнительного замедлителя, его толщину выбирают из условия D(0,001˙m)≅D≅D(m), (3) где m - максимальный выход тепловых нейтронов для данного типа дополнительного замедлителя от всего энергетического спектра нейтронов, падающих на него, %; D(m) - толщина перемещаемого замедлителя, соответствующая выходу тепловых нейтронов, равному m %, см.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы перевести практически все испускаемые нейтронным источником быстрые нейтроны в тепловую область энергии для того, чтобы затем можно было эффективно ускорить их движущимся дополнительным замедлителем до такой величины их энергии, которая необходима для облучения материала. При этом, благодаря тому, что выходящие из движущегося замедлителя нейтроны падают на облучаемый материал под большим углом к нормали, необходима меньшая толщина материала для их полного поглощения.

Рассмотрим процесс образования нейтронов с заданной величиной энергии по предлагаемому способу. Для этого рассмотрим процессы замедления и ускорения нейтронов.

Замедление нейтронов рассмотрим с использованием имеющихся характеристик спектра тепловых нейтронов в водородсодержащих материалах, например в воде.

Известно, что в воде на расстояниях более 10 см от точечного источника быстрых нейтронов, вне зависимости от энергетического спектра выходящих из него быстрых нейтронов, спектр тепловых нейтронов постоянен и имеет вид, представленный кривой 1 на фиг.1. (Тепловые нейтроны - нейтроны, энергия которых меньше 0,5 эВ). Из представленного чертежа видно, что плотность потока тепловых нейтронов с энергией 0,025 эВ примерно в 500 раз превосходит плотность потока тепловых нейтронов с энергией 0,5 эВ и более чем в 1000 раз плотность потока нейтронов более высоких энергий. При другом, более эффективном ( с меньшим поглощением и с большим содержанием водорода) замедлителе, чем вода, приведенные соотношения будут еще большими.

В то же время, из представленных на фиг.2 данных видно, что на удалении 12-16 см от точечного источника более 90% вышедших из источника быстрых нейтронов (кривая 1) превращаются в тепловые (кривая 2), то есть этим подтверждается высокая эффективность перевода быстрых нейтронов в тепловые (кривая 3 - плотность потока тепловых нейтронов (н/см²˙c).

Ускорение тепловых нейтронов до заданной энергии на движущемся дополнительном замедлителе рассмотрим на обратной задаче, т.е. предполагая, что дополнительный замедлитель неподвижен, а падающие на него тепловые нейтроны из основного замедлителя движутся с заданной скоростью и под определенным углом к нормали к дополнительному замедлителю. Принятые таким образом допущения позволили провести расчет по стандартной программе "Расчет одномерной защиты".

На фиг.3 кривой 1 представлены результаты расчетов относительного выхода плотностей потоков тепловых нейтронов из замедлителя (полиэтилена) различной толщины при падении на него под углом 78 град. нейтронов с энергией от 1,0 до 4,65 эВ (считая эту энергию заданной).

Такая величина угла получается при суммировании скоростей движущегося дополнительного замедлителя и покидающего его тепловых нейтронов, но при этом относительно облучаемого материала их энергия находится в диапазоне от 1,0 до 4,65 эВ.

На этом же чертеже кривой 2 представлены данные по плотностям потоков тепловых нейтронов, выходящих из дополнительного замедлителя различной толщины, полученных для случая изотропного падения на этот замедлитель нейтронов, энергия которых находится в диапазоне от 1,0 эВ до 10 МэВ со спектром замедления. На кривой 3 приведен суммарный поток тепловых нейтронов от дополнительного замедлителя.

Из представленных на фиг.3 данных видно, что максимальный выход тепловых нейтронов от всех падающих на замедлитель нейтронов составит m ≈ 50% при толщине полиэтилена 3,5 см. При этом максимальный выход тепловых нейтронов составит (m)т = 34% при толщине 1,5 см от нейтронов с энергией от 1,0 до 4,65 эВ, и m(б) = 18% при толщине 4,5 см от нейтронов, энергия которых более 1,0 эВ.

Таким образом, полученные данные показывают, что верхнюю границу толщины перемещаемого дополнительного замедлителя d необходимо брать равной d(m), а нижнюю выбирать из условия, когда количество нейтронов заданной энергии от дополнительного замедлителя не будет оказывать существенного влияния на облучаемый материал, то есть d < = (0,001˙m).

На основании полученных результатов на фиг.1 кривой 2 представлен вид низкоэнергетического спектра нейтронов, которым облучается материал. При этом изотропное облучение материала тепловыми нейтронами сохранилось, но их плотность потока уменьшилась примерно в два раза. Дополнительное облучение материала нейтронами с энергией ≈ 2 эВ (второй пик нейтронов со средней энергией эВ) происходит мононаправленно под углом, определяемым формулой (1).

Используя полученный низкоэнергетический спектр нейтронов, можно найти величину наведенной активности, например, индия при его облучении традиционным и предлагаемым способами.

Наведенная активность при облучении традиционным способом определяется формулой Q1 = P·A·((1-exp(-L·T))·(Ф(т)·S(акт. т)+Ф(p)·S(акт.р)))/M (4) где Р - относительное содержание стабильного изотопа в облучаемом материале; S(акт. т), S(акт. р) - сечение активации тепловыми и резонансными нейтронами, барн;
Ф(т), Ф(р) - плотность потока тепловых и резонансных нейтронов, н/см²;
А - число Авогадро;
L - постоянная распада, с^-1;
Т - время облучения, с;
М - массовое число облучаемого нерадиоактивного изотопа.

Наведенная активность при облучении предложенным способом определяется формулой
2T))·(Ф(т)·S(акт. т)+Ф(p)·S(акт. р)· (5) где V(p), V(т) - скорости резонансных и тепловых нейтронов соответственно, м/с.

Различие в величине активности образца, полученного предложенным и традиционным способами, будет равно
K = (Ф(т)·S(акт.т)+Ф(p)·S(акт.р)/(Ф(т)·
· S(акт.т)+Ф(p)·S(акт.p)) (6)
Так, например, активность образца из индия, облученного предложенным способом (энергия резонанса 1,45 эВ, скорость резонансных нейтронов 17000 м/с), будет в 440 раз больше, чем при облучении традиционным способом. При рассмотрении эффективности использования предложенного способа на делящихся материалах получим, что число делений в образце из плутония-239 будет в 7,5 раза больше (при использовании резонанса с энергией 0,3 эВ, скорость нейтронов 7600 м/с), чем при его облучении традиционным способом. При использовании резонансов более высоких энергий это различие может быть еще большим.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НЕЙТРОНАМИ, включающий пропускание нейтронов от источника через замедлитель, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности регулирования энергии замедленных нейтронов, между замедлителем и облучаемым материалом перемещают дополнительный замедлитель толщиной d, величину которой определяют из условия d₁(0,001m) < d < d₂(m), где m - максимальный выход тепловых нейтронов для дополнительного замедлителя, d₁(0,001m) - толщина замедлителя при выходе тепловых нейтронов, равном 0,001m, d₂(m) - толщина замедлителя при максимальном выходе тепловых нейтронов, равном m, причем скорость v замедлителя для заданной энергии замедленных нейтронов E_k определяют из следующего соотношения:
v=C ,
где C - скорость света;
m₀ - масса покоя нейтрона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности облучения для материалов, имеющих резонансное поглощение при энергии E_рез, скорость замедлителя определяют из следующего соотношения:
v_рез=C .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.04.2005

Извещение опубликовано: 10.03.2006        БИ: 07/2006

---