Устройство для формирования поля радиационного нагружения объектов при их испытании на радиационную стойкость

Изобретение относится к области физики трансформации реакторного излучения в различных материалах. Устройство выполнено в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием на объект, из набора пластин водородсодержащего замедлителя нейтронов, чередующихся с пластинами конвертора из материала, поглощающего тепловые нейтроны в реакции радиационного захвата. Диаметры большего и меньшего оснований конуса выбраны из условий затенения всего испытываемого объекта и средней его части от прямого излучения реактора соответственно. Высота конуса выбрана по критерию обеспечения заданной кратности ослабления нейтронов в средней части объекта. Изобретение позволят уменьшить неравномерность распределения нейтронов по длине испытываемого объекта и увеличить вклад дозы гамма-излучения в поле радиационного нагружения объекта. 4 ил.

 

Изобретение относится к области физики трансформации реакторного излучения в различных материалах. Оно может быть использовано при испытаниях объектов, особенно крупногабаритных, на радиационную стойкость. В качестве испытываемых объектов могут быть устройства-роботы, оснащенные радиоэлектронными блоками и выполняющие спецработы при чрезвычайных ситуациях (авариях) на исследовательских реакторах, атомных электростанциях или на кораблях с атомными энергетическими установками, а также отсеки летательных аппаратов или другой техники.

Потребность в разработке данного устройства обусловлена большими неравномерностями пространственного распределения излучений в реакторном помещении и необходимостью увеличения вклада гамма-излучения в поле радиационного нагружения объекта. Флюенсы нейтронов по длине объекта могут различаться до двух раз, а доза гамма-излучения в местах размещения объекта может быть на (30...50)% меньше требуемого значения, что недопустимо при проведении испытаний на радиационную стойкость.

Известно техническое решение по формированию полей проникающих излучений на исследовательском ядерном реакторе БАРС с помощью набора материалов из свинца, железа и полиэтилена для градуировки нейтронных детекторов [Севастьянов В.Д., Казанцев В.В. и др., Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 1994, вып.3-4, стр.65-68]. При этом ставилась задача сформировать на расстоянии 82 см от активной зоны (A3) реактора модельное опорное поле с определенными спектральными характеристиками нейтронов и малым вкладом сопутствующего гамма-излучения.

Техническое решение по А.С. №1762945 от 23.03.90 г. предназначено для формирования полей гамма-нейтронного излучений на реакторах с помощью бор- и титансодержащих фильтров для решения радиобиологических задач, когда требовалось выделить жесткую компоненту спектра нейтронов при небольшом вкладе гамма-излучения в суммарной дозе.

В работе Wang J., Wang В., Chen D., Luo Y. [The response of dogs to mixed neutron radiation research, 1991, №128, p.42-46] для формирования смешанных гамма-нейтронных полей и изменения соотношения компонентов излучений в радиобиологических экспериментах применялись свинцовые фильтры различной толщины.

В работе Колесова В.Ф. и Штарева С.К. [Вопросы атомной науки и техники. Серия: Импульсные реакторы и простые критические сборки, вып.2, М., 1988, стр.16] теоретически рассмотрены возможности усиления потоков быстрых нейтронов и гамма-квантов на реакторах с использованием вогнутых рефлекторов и плоских конверторов из полиэтилена с окисью кадмия.

Прототипом предлагаемого технического решения является устройство для облучения биологических объектов (Патент РФ №2226729 от 07.12.2002 г.), содержащее объемный замедлитель нейтронов из водородосодержащего материала с полостью для облучения биологических объектов и конвертор из Cd или Cd и W, преобразующий замедленные нейтроны в гамма-кванты и установленный в полости замедлителя.

Однако данное техническое решение, как и другие приведенные аналоги предлагаемого, не могут быть применены при испытаниях объектов на радиационную стойкость, поскольку не обеспечивают допустимую неравномерность поля излучений по длине объекта и требуемые соотношения флюенса нейтронов к дозе гамма-излучения. Кроме того, в устройстве-прототипе большие толщины замедлителя приводят к потере практически всех быстрых нейтронов и в рабочей полости формируется, в основном, поле гамма-излучения.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является уменьшение неравномерности распределения нейтронов по длине объекта и увеличение вклада дозы гамма-излучения.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство выполнено в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием на испытываемый объект, из набора пластин водородсодержащего замедлителя нейтронов (полиэтилена или органического стекла), чередующихся с пластинами конвертора (кадмия) в последовательности замедлитель-конвертор. При этом параметры конуса определены по следующим соотношениям:

где h - высота конуса;

D - диаметр большего основания конуса;

d - диаметр меньшего основания конуса;

L - длина испытываемого объекта;

l - расстояние от центра АЗ до устройства-формирователя поля;

R - расстояние от центра АЗ до объекта;

λ - длина релаксации нейтронов с энергиями более 0,1 МэВ в замедлителе;

К - задаваемая кратность ослабления нейтронов устройством-формирователем поля в средней части объекта;

е - основание натурального логарифма.

Перечень фигур:

Фиг.1. Устройство для формирования поля радиационного нагружения испытываемых объектов

1 - замедлитель;

2 - конвертор;

D - диаметр большего основания конуса;

d - диаметр меньшего основания конуса;

h - высота конуса.

Фиг.2. Схема радиационного нагружения объектов

1 - активная зона реактора;

2 - устройство для формирования поля радиационного нагружения объектов;

3 - испытываемый объект;

L - длина испытываемого объекта;

R - расстояние от центра АЗ до объекта;

l - расстояние от центра АЗ до устройства-формирователя поля;

h - высота конуса.

Фиг.3. Распределение дозы гамма-квантов по длине объекта

1 - с устройством-формирователем поля (полиэтилен + кадмий);

2 - с устройством-формирователем поля (без кадмиевых пластин).

Фиг.4. Распределение флюенса быстрых нейтронов по длине объекта

1 - без устройства-формирователя поля;

2 - с устройством-формирователем поля

Описание устройства

Устройство по фиг.1 состоит из набора пластин замедлителя 1 и конвертора 2. Оно устанавливается у АЗ реактора так, чтобы большее основание конуса затеняло всю длину испытываемого объекта от прямого излучения, а меньшее основание - только центральную часть объекта (примерно 20% длины), и было ориентировано меньшим основанием конуса к испытываемому объекту. Схема радиационного нагружения испытываемого объекта приведена на фиг.2.

Механизм действия устройства

Из физики взаимодействия нейтронов и гамма-квантов с веществом известно, что водородсодержащие материалы являются эффективными замедлителями нейтронов в результате их упругого рассеяния на ядрах водорода. Замедляясь до тепловых энергий (0,025 эВ), нейтроны поглощаются в конверторе (например, в кадмии) с образованием гамма-квантов в результате реакции радиационного захвата. При толщинах замедлителя <10 см процесс радиационного захвата характерен, в основном, для нейтронов с энергиями <0,1 МэВ, т.к. длина замедления этих нейтронов до тепловых энергий в водородсодержащих материалах мала и не превышает 4 см. Быстрые нейтроны с энергиями >0,1 МэВ при этих толщинах замедлителя практически не участвуют в процессе радиационного захвата, поскольку у них длина замедления до тепловых энергий значительно больше толщины замедлителя. Однако быстрые нейтроны эффективно ослабляются водородсодержащими материалами. Ослабляющие свойства материалов принято характеризовать кратностью ослабления нейтронов (К), а толщину материала удобно представлять в длинах релаксации нейтронов (λ). Это длина, при прохождении которой плотность потока нейтронов ослабляется в е раз. Для нейтронов исследовательских реакторов (по данным Кирюшкина А.И. и Шлокина Е.А. "Основы проектирования защиты реакторных установок") длина релаксации нейтронов в полиэтилене равна 7,2 см. Эти физические свойства явились основой при разработке предлагаемого устройства.

Результаты исследований топографии нейтронных полей на реакторе БАРС показали, что для уменьшения неравномерности распределения нейтронов по длине объекта (при L=5...6 м) до 30% кратность ослабления быстрых нейтронов набором пластин замедлителя и конвертора должна быть не менее 3. Тогда высота конуса или толщина набора пластин замедлителя и конвертора должны быть равны λ×К/е=7,2×3/2,72=7,9 см. Для объектов с L<3 м условие по снижению неравномерности до 30% выполняется при К=1,5. В этом случае h=7,2×1,5/2,72=4 см. Другим конструктивным элементом снижения неравномерности распределения нейтронов по длине объекта является определение диаметров оснований конуса по соотношениям (2), (3) из условий затенения всего испытываемого объекта и средней его части от прямого излучения реактора соответственно.

Увеличение вклада гамма-квантов в дозовую нагрузку на облучаемый объект обеспечивается чередованием пластин замедлителя и конвертора, что позволяет создать объемный источник жесткого вторичного гамма-излучения, подпитывающий гамма-излучение, идущее от АЗ реактора. Кроме того, чередование пластин замедлителя и конвертора в предлагаемом устройстве позволяет также более эффективно использовать для генерации гамма-квантов, в основном, медленные нейтроны с энергиями менее 0,1 МэВ, которые не участвуют в формировании дозовой нагрузки при испытании объекта.

Предложенное устройство (h=8 см, D=50 см, d=13,3 см) при 4 мм толщине пластины замедлителя и 0,5 мм толщине пластины конвертора апробировалось на реакторе БАРС при испытании объекта длиной 5 м, установленного на расстоянии 3 м от центра АЗ реактора. Результаты исследований, приведенные на фиг.3 и 4, показывают, что устройство позволяет уменьшить неравномерность распределения флюенса нейтронов по длине объекта до 25% и увеличить вклад дозы гамма-излучения до 30%.

Устройство для формирования поля радиационного нагружения объектов при их испытании на радиационную стойкость, содержащее замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала и конвертор нейтронного излучения из материала, поглощающего тепловые нейтроны в реакции радиационного захвата, отличающееся тем, что замедлитель и конвертор выполнены в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием на объект, из набора пластин, чередующихся в последовательности замедлитель-конвертор, а параметры конуса определены по следующим соотношениям:

где h - высота конуса;

D - диаметр большего основания конуса;

d - диаметр меньшего основания конуса;

L - длина испытываемого объекта;

l - расстояние от центра активной зоны реактора до устройства - формирователя поля;

R - расстояние от центра активной зоны реактора до объекта;

λ - длина релаксации нейтронов с энергиями более 0,1 МэВ в замедлителе;

К - задаваемая вероятность ослабления нейтронов устройством - формирователем поля в средней части объекта;

е - основание натурального логарифма.