RU2261485C2 - Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов - Google Patents
Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2261485C2 RU2261485C2 RU2003114543/06A RU2003114543A RU2261485C2 RU 2261485 C2 RU2261485 C2 RU 2261485C2 RU 2003114543/06 A RU2003114543/06 A RU 2003114543/06A RU 2003114543 A RU2003114543 A RU 2003114543A RU 2261485 C2 RU2261485 C2 RU 2261485C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- subcritical
- moderator
- multiplication
- neutrons
- Prior art date
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 4
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-BJUDXGSMSA-N Boron-10 Chemical compound [10B] ZOXJGFHDIHLPTG-BJUDXGSMSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 11
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 8
- JFALSRSLKYAFGM-OIOBTWANSA-N uranium-235 Chemical compound [235U] JFALSRSLKYAFGM-OIOBTWANSA-N 0.000 description 7
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 5
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFNLGNPSGWYGGD-IGMARMGPSA-N neptunium-237 Chemical compound [237Np] LFNLGNPSGWYGGD-IGMARMGPSA-N 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000711 U alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов относится к области ядерной физики, а более конкретно к умножителям нейтронов, которые могут быть использованы для построения подкритических ядерных реакторов. Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов содержит несколько примыкающих друг к другу каскадов умножения. Каскады умножения состоят из примыкающих друг к другу соосно разнотолщинных дисков. Диски выполнены из активного материала, замедлителей нейтронов двух типов и поглотителя нейтронов. Они чередуются в каскаде таким образом, что создается однонаправленное прохождение нейтронов и их умножение. Технический результат - обеспечение большого коэффициента умножения нейтронов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области ядерной физики, а более конкретно к умножителям нейтронов, которые могут быть использованы для построения подкритических ядерных реакторов.
Предшествующий уровень техники
Существующие ядерные реакторы управляются с помощью различных механических устройств, поддерживающих реактор вблизи критического состояния. Это обстоятельство обусловливает потенциальную опасность любого ядерного реактора и создает многочисленные трудности при его конструировании и эксплуатации. Гораздо более безопасным способом получения больших нейтронных потоков является использование подкритических, неуправляемых сборок с внешним, независимым источником первичных нейтронов. Используя в качестве источника нейтронов современные ускорители и циклотроны, можно получать потоки порядка 101-1015 н/сек (Шведов О.В., Воловик А.И. и др. «О возможности производства радионуклидов при облучении нейтронами»; Сборник трудов всероссийской конференции «50 лет производства и применения изотопов в России»; 20-22 октября 1998 г., Обнинск). С помощью подкритических сборок обычного типа эти потоки можно увеличить еще в 10-20 раз (Деменьтьев Б.А. «Кинетика и регулирование ядерных реакторов» Атомиздат, Москва, 1976 г.) и довести их до 1015-1016 н/сек. Однако этого явно недостаточно для многих научно-исследовательских и энергетических целей. Например, для того чтобы гибридные электроядерные реакторы достигли энергетически выгодного КПД с учетом всех неизбежных потерь при преобразовании энергии ионного пучка в поток нейтронов, необходимо достичь коэффициента умножения нейтронов не менее 1000, а это уже невозможно с помощью обычных, неуправляемых подкритических систем. Однако имеется возможность создания безопасных подкритических сборок с большим коэффициентом умножения, основанных на других принципах прохождения нейтронов через специально организованную гетерогенную среду.
Принципы построения подкритических систем с большим коэффициентом умножения нейтронов известны и кратко изложены в работах Borst L.B., Phys. Rev., №107, 905, 1957; а также Дубовский Б.Г. «Секционированные реакторные системы», Атомная энергия, том 7, вып.5, стр.456, 1959 г. Они основаны на изменениях в спектрах нейтронов при их переходе из одной среды в другую за счет разных ядерно-физических свойств используемых материалов. Однако в этих работах не даны технические решения реализации заявленных принципов и не сделаны оценки возможных параметров таких конструкций.
Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения является изобретение, защищенное авторским свидетельством СССР №786619 класс МКИ G 21 C 1/28 под названием «Двухкаскадный умножитель нейтронов», авторы Колесов В.Ф., Малинкин А.А., приоритет 16.07.1979 г. В этом изобретении предлагается в качестве умножителя нейтронов использовать сферическую систему, состоящую из:
- центрального ядра из нептуния-237 (первый каскад умножения),
- сферических слоев из титана и вольфрама (замедлитель),
- внешней размножающей оболочки из сплава урана с молибденом, обогащенного по урану-235 до 36% (второй каскад умножения).
В прототипе использован принцип однонаправленного движения нейтронов от первого (внутреннего) каскада ко второму (внешнему) каскаду. За счет этого коэффициент умножения может достигать значений больше, чем в обычных подкритических сборках.
Однонаправленное движение, описанное в прототипе, осуществляется благодаря использованию в первом каскаде нептуния-237, имеющего порог деления по энергии падающих нейтронов около 0.4 МэВ, что исключает возможность деления этого материала от нейтронов, сбросивших свою энергию в слоях титана и вольфрама. Таким образом, нейтроны, родившиеся во втором каскаде, не вызывают делений в первом каскаде, так как они должны проходить через титан и вольфрам и терять свою энергию. В то же время нейтроны, родившиеся в первом каскаде и также прошедшие через титан и вольфрам, легко вызывают деления в уране-235, который не имеет порога по делению.
Ориентировочный коэффициент умножения, достигаемый в прототипе, составляет величину около 30. К сожалению, эта величина в описании прототипа не указана, она зависит от спектра первичных нейтронов и оценена нами по косвенным данным.
Устройство, выбранное прототипом, решает ограниченную задачу сокращения длительности нейтронного импульса и имеет следующие недостатки:
- в устройстве используется очень редкий материал (нептуний-237), не выпускаемый атомной промышленностью в значительных количествах;
- устройство имеет малый коэффициент умножения нейтронов;
- на основе прототипа нельзя сконструировать многокаскадную систему, т.к. следующий переход нейтронов из урана-235 в нептуний-237 будет связан со значительным ослаблением плотности потока нейтронов и сильным увеличением габаритов системы, объем которой из-за сферической конструкции растет пропорционально кубу диаметра.
Раскрытие изобретения.
Задача заключается в создании подкритического многокаскадного умножителя нейтронов, обладающего большим коэффициентом умножения, который может достигать значения 1000 и более, необходимого для построения электроядерных реакторов и других устройств, требующих больших нейтронных потоков. Первичный нейтронный поток предполагается получать от существующих ускорителей и циклотронов за счет реакций образования нейтронов при взаимодействии быстрых ионов с ядрами легких элементов.
Настоящая задача решается тем, что в подкритический многокаскадный умножитель нейтронов, содержащий слои замедлителей первого и второго типов и активный слой, согласно изобретению, введены дополнительные слои поглотителя нейтронов. Все слои выполнены в виде разнотолщинных плоских дисков, образующих последовательно соединенные каскады умножения. Каждый из каскадов умножения состоит из соосно установленных, примыкающих друг к другу дисков. Диски в каждом каскаде соединены в следующей последовательности: поглотитель нейтронов, замедлитель первого типа, замедлитель второго типа и активный слой. Поглотитель выполнен из материала бор-10. Первый замедлитель может быть выполнен из полиэтилена или воды, второй замедлитель выполнен из бериллия. Активный слой выполнен из урана-235 90% обогащения.
Размеры дисков поглотителя, замедлителей и активного слоя выбирают расчетным путем, исходя из обеспечения наиболее оптимального коэффициента умножения каждого каскада при сохранении безопасности.
Благодаря такому выполнению умножителя поток нейтронов, проходя по каскаду из дисков, увеличивается. При этом коэффициент умножения в целом подкритического многокаскадного умножителя нейтронов увеличивается с увеличением числа используемых каскадов и его значение может достигать 1000 и более.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлена примерная схема конструкции умножителя. где изображены три каскада, хотя, в принципе, их число не ограничено, и по расчету система остается подкритической при любом числе каскадов. Каждый каскад состоит из слоев, которые отмечены цифрами 1, 2, 3, 4.
1 - Поглотитель первый слой, выполненный из материала В10 (бор-10), который может быть заменен эквивалентным слоем естественного бора.
2 - Замедлитель - второй слой, выполненный из полиэтилена (CH2) или воды Н2О).
3 - Замедлитель - третий слой, выполненный из бериллия (Be).
4 - Активный слой - четвертый слой, выполненный из урана-235 90% обогащения (U235).
На фиг.2 приведены расчетные кривые числа делений в зависимости от времени в четырех внутренних каскадах при шестикаскадной схеме описанного устройства при подаче на вход короткого импульса нейтронов. Данные для первого и последнего каскадов не приведены, т.к. они выпадают из общих закономерностей за счет краевых эффектов. По оси абсцисс отложена функция времени ln t в секундах, а по оси ординат - число делений в единицу времени 
в относительных единицах.
Варианты осуществления изобретения.
Устройство представляет собой цилиндр, состоящий из каскадов умножения, каждый из которых выполнен в виде чередующихся плоских дисков поглотителя 1, замедлителя 2, замедлителя 3, активного слоя 4. Принцип работы умножителя заключается в следующем. Поток быстрых нейтронов n1, показанный на фиг.1 в виде стрелок с левой стороны умножителя, падает от внешнего источника (не показан) на поглотитель 1 и без больших потерь проходит через него в замедлитель 2. В замедлителе 2 быстрые нейтроны сбрасывают свою энергию, проходят в замедлитель 3, где окончательно замедляются до тепловых энергий и подходят к активному слою 4. В этом активном слое 4 тепловые нейтроны поглощаются, вызывая деление урана-235, размножаются в нем в 10-20 раз, компенсируя все потери нейтронов на поглощение и рассеяние по пути от источника до урана. Количество нейтронов, образующихся в активном слое 4, не только компенсирует потери, но и создает запас нейтронов по сравнению с первоначальным количеством нейтронов, падающих на поглотитель 1 каскада. Тем самым создается коэффициент умножения каскада. Далее процесс повторяется во втором и последующих каскадах, так как в процессе деления в активном слое 4 каждого каскада вновь образуются быстрые нейтроны. Справа от умножителя показан выходящий поток быстрых нейтронов n2.
В обратном направлении быстрые нейтроны активного слоя 4 замедляются бериллием и полиэтиленом в замедлителях 3 и 4, превращаются в тепловые нейтроны и поглощаются поглотителем 1, не доходя до активного слоя 4 предыдущего каскада. Таким образом, реализуется принцип однонаправленного потока нейтронов, который обеспечивает возможность большого коэффициента умножения системы при сохранении ее устойчивости от малых изменений любых параметров устройства.
Из фиг. 2 видно, как по цепочке каскадов распространяется волна делений урана-235, которая пропорциональна потоку нейтронов в данном каскаде. Масштабы по оси абсцисс и ординат выбраны таким образом, что площади под кривыми пропорциональны числу делений.
Коэффициент умножения на каскад в этом устройстве по расчету равен 1.75. Если проэкстраполировать эти результаты до 12-го каскада, то полный коэффициент умножения будет около Q=1000, при длительности импульса 0.1 сек.
Более подробно для данного устройства были исследованы вопросы безопасности. Для шести каскадов при изменении массы всех активных слоев в виде урановых дисков на 1% коэффициент умножения изменяется в 1,5 раза и, следовательно, для 12 каскадов это изменение составит 2,25 раза. Таким образом, при коэффициенте умножения Q=1000 подкритический многокаскадный умножитель нейтронов эквивалентен по безопасности обычной критической сборке с Q=50. Хотя по формальным признакам данный умножитель нейтронов нельзя назвать полностью безопасным, но надо иметь в виду, что зависимость потока от изменения массы активного материала здесь носит совершенно другой характер по сравнению с обычными критическими сборками. Исходя из этого, аварийные ситуации могут привести к разрушению только последних каскадов. Кроме того, одновременное изменение критической массы во всех каскадах весьма маловероятно.
Промышленная применимость.
Таким образом, предлагаемое изобретение может служить основой для построения подкритического ядерного реактора с коэффициентом умножения Q=1000 при уровне безопасности, эквивалентной обычной критической сборке с коэффициентом умножения Q=50.
Claims (2)
1. Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов, содержащий слои замедлителя первого и второго типов и активный слой, отличающийся тем, что в него введены дополнительно слои поглотителя нейтронов и все слои выполнены в форме разнотолщинных плоских дисков, образующих последовательно соединенные каскады умножения, при этом каждый каскад умножения состоит из соосно установленных, примыкающих друг к другу дисков в следующей последовательности: поглотитель нейтронов, замедлитель первого типа, замедлитель второго типа, активный материал.
2. Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов по п.1, отличающийся тем, что поглотитель выполнен из материала бор-10, замедлитель первого типа - из полиэтилена или воды, замедлитель второго типа - из бериллия, а активный слой - из обогащенного до 90% урана-235.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003114543/06A RU2261485C2 (ru) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003114543/06A RU2261485C2 (ru) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003114543A RU2003114543A (ru) | 2004-12-20 |
| RU2261485C2 true RU2261485C2 (ru) | 2005-09-27 |
Family
ID=35850237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003114543/06A RU2261485C2 (ru) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2261485C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689399C1 (ru) * | 2018-06-19 | 2019-05-28 | ВАВИЛИН Андрей Владимирович | Умножитель нейтронов |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1128073A (en) * | 1965-07-07 | 1968-09-25 | Atomic Energy Commission | Moderator reflector fast neutron reactor core |
| SU786619A1 (ru) * | 1979-07-16 | 1991-08-15 | Предприятие П/Я Г-4665 | Двухкаскадный умножитель нейтронов |
| RU2159968C1 (ru) * | 1999-03-16 | 2000-11-27 | Государственный научный центр Российской Федерации - Институт теоретической и экспериментальной физики | Подкритический источник нейтронов |
| RU2228553C2 (ru) * | 2002-05-06 | 2004-05-10 | Федеральное унитарное государственное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова" | Нейтронопроизводящее устройство электроядерной установки |
-
2003
- 2003-06-26 RU RU2003114543/06A patent/RU2261485C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1128073A (en) * | 1965-07-07 | 1968-09-25 | Atomic Energy Commission | Moderator reflector fast neutron reactor core |
| SU786619A1 (ru) * | 1979-07-16 | 1991-08-15 | Предприятие П/Я Г-4665 | Двухкаскадный умножитель нейтронов |
| RU2159968C1 (ru) * | 1999-03-16 | 2000-11-27 | Государственный научный центр Российской Федерации - Институт теоретической и экспериментальной физики | Подкритический источник нейтронов |
| RU2228553C2 (ru) * | 2002-05-06 | 2004-05-10 | Федеральное унитарное государственное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова" | Нейтронопроизводящее устройство электроядерной установки |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689399C1 (ru) * | 2018-06-19 | 2019-05-28 | ВАВИЛИН Андрей Владимирович | Умножитель нейтронов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Willis et al. | Experimental neutron scattering | |
| Berezinsky et al. | Signatures of topological defects | |
| Bulos et al. | Total Cross Sections and Angular Distributions for π−+ p→ η 0+ n from Threshold to 1151 MeV | |
| Bychenkov et al. | Nuclear reactions triggered by laser-accelerated high-energy ions | |
| Wadsworth et al. | Decreasing collectivity in smoothly terminating bands in the A∼ 110 region | |
| Shabalin et al. | Neptunium-based high-flux pulsed research reactor | |
| RU2261485C2 (ru) | Подкритический многокаскадный умножитель нейтронов | |
| Russell et al. | Introduction to spallation physics and spallation‐target design | |
| Bahcall | Solving the mystery of the missing neutrinos | |
| Deng et al. | Pulsed neutron source from interaction of relativistic laser pulse with micro-structure assisted pitcher–catcher target | |
| Jassby | Reactor aspects of counterstreaming-ion tokamak plasmas | |
| Kumawat et al. | Development of the Monte Carlo model CASCADE-2004 of high-energy nuclear interactions | |
| RU2087042C1 (ru) | Способ облучения делящегося вещества моноэнергетическими нейтронами | |
| He et al. | A spherical shell target scheme for laser-driven neutron sources | |
| Bussard | Virtual-state internal nuclear fusion in metal lattices | |
| Gus’kov | Laser thermonuclear fusion and physics of pulsed plasma with ultrahigh energy density | |
| Aksenov et al. | High-Flux Neutron Source on the Basis of a Cascade Booster | |
| Lutostansky et al. | Powerful dynamical neutrino source with a hard spectrum | |
| RU2179343C2 (ru) | Способ деления делящегося вещества тепловыми нейтронами (варианты) | |
| Wang et al. | Spallation reaction study for the long-lived fission products in nuclear waste: Cross section measurements for 137Cs, 90Sr and 107Pd using inverse kinematics method | |
| RU2212072C2 (ru) | Способ трансмутации радиоактивных отходов и устройство для его осуществления | |
| Lunev et al. | The effect of level density and reaction mechanisms on the reaction cross-section calculations at intermediate energies | |
| Tamor | Polarization of High-Energy Protons Scattered by Complex Nuclei | |
| Khuukhenkhuu et al. | Alpha-cluster Formation Factor in (n, α) Reaction Cross Sections | |
| Gorin et al. | Calculated characteristics of subcritical assembly with anisotropic transport of neutrons |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080627 |