Мишень ускорителя заряженных частиц

 

Использование: для получения высокопоточного импульсного источника нейтронов. Сущность изобретения: повышение надежности и ядерной безопасности достигается тем, что рабочая зона мишени, где установлены тепловыделяющие элементы 2, выполненные в виде стержней на основе актинидов, загерметизированных в оболочку 3, разделена перегородкой 5, установленной параллельно токоприемному окну, на две проточные камеры с оптимизированным отношением площадей сечений камер 0,15 0,17. Такое выполнение системы охлаждения позволяет осуществить эффективный теплоотвод от оболочки тепловыделяющих элементов во фронтальной камере, где данная оболочка имеет также интенсификаторы теплоотвода в виде сферических углублений лунок, и обеспечить стабильность качества мишени при длительной эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции нейтронных мишеней.

При проведении многих физических экспериментов используют высокоинтенсивные нейтронные источники для облучения высокоэнергетическим нейтронным потоком и γ -квантами различных материалов, образцов и конструктивных элементов термоядерных установок, а также для накопления радионуклидов, в частности для радиоизотопной диагностики.

В настоящее время для получения импульсных пучков нейтронов применяются, реакторы со стационарным полем нейтронов и прерывателем пучка, импульсные быстрые и тепловые реакторы, импульсные источники на основе конверсии заряженных частиц в нейтроны, импульсные источники на основе инициированной термоядерной реакции. Указанные импульсные источники существенно отличаются друг от друга выходом и спектром нейтронов, длительностью и частотой импульсов, условиями эксплуатации и др.

Нейтронный источник интенсивностью до 10¹³ н/с может быть получен при использовании реакции типа е-γ -n. При этом нейтронно-эмиссионная ядерная реакция происходит тогда, когда ускоренный пучок заряженных частиц взаимодействует с соответствующей мишенью, следствием чего является нагрев мишени.

Выход нейтронов из мишени до определенного предела растет с увеличением энергии заряженных частиц. Помимо этого выход нейтронов линейно увеличивается с повышением интенсивности пучка, т.е. выход нейтронов из мишени пропорционален количеству тепла, выделяемого в мишени при ее облучении пучком заряженных частиц.

При работе с мишенями для генерации мощных потоков тормозного излучения возникает ряд проблем, связанных с большой импульсной тепловой мощностью падающего на мишень пучка заряженных частиц большими удельными нагрузками на материал мишени в месте падения пучка заряженных частиц. При повышении допустимой величины удельной нагрузки в точке фокуса происходит либо расплавление, либо растрескивание материала мишени из-за тепловой усталости, наступающей вследствие нагрузок, имеющих место при эксплуатации импульсного ускорителя.

Известна конструкция мишени источника нейтронов [1] в которой материал мишени непрерывно приводят в движение относительно точки падения пучка протонов. Материал мишени располагают на окружности колеса с внутренним охлаждением.

Недостатком этой конструкции является необходимость сложной системы привода вращения и охлаждения мишени.

Известна также конструкция мишени для генерирования тормозного излучения заряженных частиц, выбранная в качестве прототипа [2] с контуром принудительного охлаждения, в корпусе которой расположены рабочие элементы из материала с большим атомным весом, между которыми расположены слои материала с хорошими теплофизическими свойствами с целью устранения опасности расплавления или растрескиванием рабочих элементов вследствие тепловой усталости, связанной с большой импульсной мощностью падающего на мишень пучка заряженных частиц.

Недостатком известной конструкции является то, что по соображениям эксплуатационной надежности элементов мишени допустимая мощность падающего на мишень пучка заряженных частиц не превышает 15 кВт, что ограничивает выход нейтронов из мишени, который растет пропорционально мощности подаваемого пучка заряженных частиц.

Целью изобретения является создание мишени ядернобезопасного высокопоточного импульсного источника быстрых нейтронов, а также стабильность ее качества при длительной эксплуатации.

Цель достигается тем, что в мишени использованы рабочие элементы в виде стержней на основе металлического урана, загерметизированных в тонкостенной оболочке, имеющей интенсифи каторы теплообмена, например, в виде сферических углублений лунок. Применение интенсификаторов теплообмена обеспечивает рабочим элементам высокие термомеханические эксплуатационные характеристики, позволяет увеличить тепловые нагрузки на поверхности рабочих элементов до величины, превышающей 15 МВт/м², а мощность подаваемого пучка электронов до 100 кВт.

Мишень является глубокоподкритичной сборкой элементов с К_эф < 0,98. В случае использования металлического урана 238 повышается качество мишени (поток нейтронов/тепловая мощность мишени) по мере накопления ядер Плутония по реакции U²³⁸+n _→ U²³⁹ - __→ Pu²³⁹ Cопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая мишень отличается тем, что рабочие элементы выполнены в виде стержней на основе урана 238, загерметизированных в рельефную оболочку, расположены в верхней части мишени, разделенной с помощью перегородки на две проточные камеры, а система охлаждения имеет две витые трубы для входа и выхода теплоносителя в рабочую зону, кроме того, торцы каждой трубы смещены относительно друг друга на расстояние не менее двух диаметров, причем между корпусом мишени и витыми трубами помещен материал биологической защиты. Таким образом, заявляемая мишень соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена мишень, продольный разрез; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1.

Мишень имеет крышку 1 и рабочие элементы 2 с оболочкой 3, расположенные в рабочей зоне. Элементы собраны в обоймы и расположены по треугольной решетке с шагом 5,4 ±0,05 мм. В обойме элементы крепятся с одного конца, что обеспечивает возможность их термического удлинения. Корпус 4 разделен перегоpодкой 5 на две проточные камеры. В мишени реализована двухходовая схема движения теплоносителя. Каналы для входа и выхода теплоносителя из рабочей зоны состоят из коллектора 6, трубы 7, корпуса 8, колен 10, представляющих собой витые трубы, причем торцы каждой из труб смещены относительно друг друга на расстояние двух диаметров трубы. Такая конструкция колен позволяет разместить в малом объеме две трубы, смещение торцов ликвидирует прямой прострел нейтронов из рабочей зоны. Фланцевое соединение состоящее, например, из кольца 9, гайки 11 и втулки 12, предназначено для стыковки со штангой механизма вертикального перемещения. Для биологической защиты используется свинцовая дробь 13, заполняющая свободное пространство между коленами труб и стенкой корпуса.

При работе линейного ускорителя пучок электронов подается в рабочую зону мишени, где при взаимодействии с ураном 238 происходит конверсия электронов через γ -кванты в нейтроны. С целью снижения потерь электронов на корпусе мишени в месте прохождения электронного пучка организована плоская площадка и толщина лобовой стенки уменьшена до 3 мм. Основное тепловыделение в мишени происходит в нескольких первых (по направлению пучка электронов) рядах рабочих элементов во фронтальной части мишени. Для повышения скорости воды, охлаждающей первые ряды рабочих элементов, с целью интенсификации теплосъема они отделены от основной массы элементов перегородкой. Вода поднимается по малой камере фронтальной части мишени и опускается по большой камере, где расположен основной массив рабочих элементов. В малой камере расположены 24 рабочих элемента диаметром 5 мм, имеющих на поверхности оболочек интенсификаторы теплообмена в виде сферических углублений лунок. В большой камере установлено 149 гладкоцилиндрических элемента.

Выполнение охлаждаемой поверхности оболочки твэл в виде сферических углублений лунок обеспечивает опережающий рост степени интенсификации теплообмена при десятикратно нарастающем уровне тепловой наг- рузки от тормозного излучения до значения q^К_S^р 60 с сохранением заданного уровня стабильности гидравлического сопротивления тракта охлаждающего теплоносителя в пределах 10% При испытаниях на линейном ускорителе электронов ЛУ-50 мишень обеспечила выход нейтронов 1,7˙10¹⁴ н/с, т.е. плотность потока нейтронов с поверхности 0,8˙10¹² ч/см² с примерно в 2,6 раза больше по сравнению с танталовыми конвертерами.

Формула изобретения

1. МИШЕНЬ УСКОРИТЕЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащая корпус с токоприемным окном пучка заряженных частиц, в рабочей зоне корпуса, соединенной с системой охлаждения, установлены ТВЭЛы, выполненные в виде стержней на основе актиноидов, загерметизированных в оболочку, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и ядерной безопасности мишени, обеспечения стабильности ее качества при длительной эксплуатации, рабочая зона разделена перегородкой, установленной параллельно токоприемному окну, на две проточные камеры с оптимизированным отношением проходного сечения в фронтальной камере, обращенной к токоприемному окну и соединенной с трубой для входа теплоносителя, к площади сечения теневой камеры, соединенной с трубой для выхода теплоносителя, составляющим 0,15 0,17, ТВЭЛы, расположенные в фронтальной камере, выполнены с рельефом на оболочке, при этом трубы для входа и выхода теплоносителя выполнены бифилярно-винтовыми с шагом винта не менее двух диаметров трубы, а между трубами и стенками корпуса мишени помещен материал биологической защиты.

2. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью повышения безопасности при критических тепловых нагрузках, рельеф охлаждаемой оболочки ТВЭЛа выполнен в виде сферических углублений-лунок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2