Двухкаскадный умножитель нейтронов

(51) ГОСУД АРСТВЕНН ПО ИЗОБРЕТЕНИ ПРИ ГННТ СССР НОМИТЕТОТНРЫТИЯМ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН(56) Де рование М., 197Дубо ка и регулиАтомиздат,нтьев ядер тив о делящегоиз непоростр. ский Б,ные сист ыпе 5, нированныеная энергия,стр. 456,реактотом 7,олнен и ным вес аст н двторСКОью Сви Изобретение относится к обл иимпульсных источников нейтронного игамма-излучений, широко применяемыхв физическом эксперименте,Известны умножители. нейтронов,состоящие из реактора, с управляемойкретичностью, и источника подсветкинейтронами, Основным недостатком этого известного устройства являютсянизкие потоки нейтронов в импульсе,Известны многокаскадные умножители нейтронов,.перспективные для осуществления импульсного режима с получением высоких потоков нейтронов вимпульсе.Работа известных многокаскадныхумножителей нейтронов основана наиспользовании перепадов в коэффициентах прохождения нейтронов из однойактивной зоны (АЗ) в другую (т.е. впрямом и обратном направлениях),обеспечиваемого так называемыми нейтронными вентилями, пропускающиминейтроны преимущественно только в одном направлении, располагаемыми на 2 (54) (57) ДВУХКАСКАДНЫЙ УМ ТРОНОВ, содержащий две а выполненные из делящегос разделенные нейтронным в держащим эамедлитель, о щ и й с я тем, что, с ц шения длительности нейтр кодных процессов, первая на выполнена из порогово ся материала, а вторая - гового, а эамедлитель вып материала с высоким ато границе раздела между критическимреактором - источником подсветки нейтронами и первой подкритической сборкой, а также на границах разделаподкритических сборок - умножителейнейтронов,Наиболее близким к предлагаемомуизобретению является двухкаскадныйумножитель нейтронов, содержащий двеактивные зоны, выполненные из делящегося материала и разделенные нейтронным вентилем, содержащим замедлитель,слой кадмия и слой урана 235, пропускающим нейтронами преимущественно внаправлении от урана к замедлителю.Основной недостаток - низкая эффективность используемых вентилей, припрактически реализуемых толщинах влучшем случае пропускающих в оптимальном направлении лишь в пять-десятьраз больше нейтронов, чем в противоположном направлении, и необходимостьзамедления нейтронов, перемещающихсяиз одной АЗ в другую, до промежуточных и тепловых энергий, что увеличивает время жизни нейтронов в каскадахи приводит, в совокупности с первымфактором, к затягиванию нейтронныхпереходных процессов в умножителе,5ухудшающему характеристики импульса.В современной физике и технике, однако, требуются умножители с малойдлительностью нейтронных переходныхпроцессов.10Цель предлагаемого изобретения -уменьшение длительности нейтронныхпереходных процессов.Поставленная цель достигаетсятем, что в известном двухкаскадном ум ножителе нейтронов, содержащем двеактивные зоны, выполненные из делящегося материала, разделенные нейтронным вентилем, содержащим замедлитель,первая активная зона выполнена изпорогового делящегося материала, например, нептуния - 237,плутония - 240,урана - 234,а вторая активная зона -из непорогового, например, урана -235, плутония - 239, а замедлитель вы полнен из материала с высоким атомнымвесом, например, из вольфрама или молибдена.Выбор пороговых делящихся материалов типа нептуния - 237 плутония - 30240, урана - 234 и т.п. обусловлентем, что из этих материалов уже осваиваемых техникой, могут быть созданы. критические конфигурации с относительно небольшими размерами и массой,Выбор в качестве среды, разделяющей.:, каскады материала с высокиматомным весом, например, вольфрама илимолибдена, определяется тем, что этиматериалы отличаются большой замедляющей способностью в области высоких40энергий нейтронов, очень незначительной замедляющей способностью в областинизких энергий и малым сечением захва".танейтронов. Назначение промежуточной45среды выполняется такими материаламинаилучшим образом. В предлагаемом устройстве устранены недостатки прототипа, с помощью этого устройства можночдостичь значительно больших отличиив коэффициентах нейтронной связи меж 50ду АЗ и исключать фазу замедлениянейтронов, перемещающихся из однойАЗ в другую, до промежуточных итепловых энергий,Действительно, слой материала с55высоким атомным весом даже при больших толщинах, вследствие малого сечения захвата нейтронов в нем и незначительной роли упругого рассеяния в замедлении, хорошо пропускает нейтроны,по существу не выводит их из разрядабыстрых и следовательно, не увеличивает значительно времени жизни нейтронов в каскадах.Вместе с тем этот слой в результате неупругого рассеяния эффективно сбрасывает энергию перемещающихсячерез него нейтронов ниже порога деления в названных пороговых делящихся материалах (лф 0,4 МэВ),После прохождения слоя подавляющаячасть нейтронов уже неспособна вызвать деления в АЗ из порогового делящегося вещества и:вследствие. этоговыпадает из процесса ядерной цепнойреакции н указанном каскаде, Однакоэффективность нейтронов, прошедшихслой в противоположном направлениии также потерявших значительную частьэнергии, по отношению к ядерной цепной реакции во второй АЗ, выполненнойиз обычного (непорогового) делящегося вещества не понижается.Таким образом, сброс в слое инертного вещества энергии нейтронов в облась ниже порога деления не приводитк заметным последствиям в АЗ из обычного делящегося вещества, а по отношению к АЗ из порогового делящегося вещества практически равнозначенгибели этих нейтронов. При толщинах промежуточного слоя порядка 15-20 см за счет изменения энергетического спектра достигается примерно стократное уменьшение количества нейтронов, способных делить названные выше пороговые делящиеся вещества.Сказанное означает, что с помощью предлагаемого устройства в зависимости от толщины промежуточного слоя действительно можно достигать очень больших отличий в коэффициентах нейтронной связи между каскадами, т,е. достигать реализации сдвоенных реакторных систем с практически односторонней связью между активными зонами. И при этом удается исключить увеличивающее время жизни нейтронов в каскадах замедление нейтронов, перемещающихся из одной АЗ в другую, до .промежуточных и тепловых энергий,.Отмеченные особенности предлагаемого устройства означают, в свою очередь, что с его помощью можно существенно .786619 5О15 20 30 35 40 45 уменьшить длительность нейтронных переходных процессов.На чертеже в качестве примера представлена схема устройства, действующего в качестве двухкаскадного бустера (усилителя) первичных нейтронов, создаваемых электронным пучком от мощного импульсного ускорителя. Геометрия устройства - сферически симметричная, основное назначение- получение полей нейтронного излучения с Высоким флюенсом и с Возможно меньшей длительностью около внешней поверхности устройства.Первая АЗ 1 из металлического нептуния - 237 помещена в центре устройства, вторая АЗ 2 из сплава урана (обогащение 367) с 10 мас,Х молибдена - на его периферии. АЗ 1 заключена в герметичный титановый корпус 3 и окружена толстым слоем металлического вольфрама 4. Справа имеется ци- . линдрический канал 5, достигающий титанового корпуса 3, служащий для подводки тормозного излучения 6 от внешней электронной мишени ускорителя (на чертеже не показана) к АЗ 1, Часть канала, приходящаяся на область, занятую вольфрамом, в целях предотвращения прямого попадания надпорого вых нейтронов из АЗ 2 в 1, заложена легким замедлителем 7 типа ЫН, хорошо пропускающим гамма-кванты. Тормозное излучение, проникая в АЗ 1, порождает.в ней по существу мгновенный (длительностью 30-100 нс) импульс первичных нейтронов, Полное число этих нейтронов под воздействием излучений специального мощного ускорителя электронов составляет ЯС - м 1105 н. В условиях практически од" носторонней связи между двумя АЗ эти нейтроны размножаются в п раз в АЗ .1 и затем еще в п раз.в АЗ 2, Если п не слишком велйко, получающийся вьигрыш по длительности импульса примерно равен и, . 6К (коэффициент связи АЗ 2 с АЗ 1)= =0,390;К 2( -" АЗ 1 с АЗ 2)=2,03 х 10 (резкое отличие К ат К обусловлеЬно в основном примерно стократным перепадом в эффективных коэффициентах пропускания нейтронов через слой вольфрама вследствие пороговости нептуния - 23 и геометрическими факторами).В этом устройстве максимальный импульс с локальным разогревом АЗ 1 до 600 С и АЗ 2 до 700 С характеризуется длительностью в АЗ 2 около 10 мкс (при уменьшении энерговыделения в АЗ 2 примерно пропорционально ему уменьшается и указанная длительность). В двухсекционном бустере с использованием способа-прототипа при той же геометрии АЗ 1, АЗ 2 перепад, в коэффициентах связи К , К был бы в 10-20 раз меньше, а величина времени жизни. нейтронов в АЗ 2 - в 10 25. или более раз выше. Соответственно длительность импульса в АЗ 2 притех же энерговыделенных в каскадахравнялась бы 700-1300 мкс, Таким образом, в предлагаемом устройстве в сравнении с прототипом импульсы укорачиваются в 70-130 раз.Следует отметить, что в отношении длительности импульса прототип уступает даже изолированной АЗ. 2, Если предположить, что в изолированной АЗ 2 создается то же самое количество (1 Х 10 ) первичных нейтрбнов и в результате размножения последних АЗ 2 разогревается до той же температуры (700 С), то длительность импульса в ней будет равняться 314 мкс, Предлагаемое же, представленное на чертеже устройство позволяет и в сравнении с однокаскадным бустером, т,е. изолированной АЗ 2, уменьшить длительность импульса примерно в 30 раз.В качестве второго примера реализации предложения заявки может быть рассмотрена система, по конфигурации 50. аналогичная представленной на чер55 Из расчетов следует, что представленное на чертеже устройство с .диаметром АЗ 1 16,5 см, внешним диаметром вольфрамового слоя 52,5 см ивнешним диаметром АЗ 2 67,7 см характеризуется параметрами;И (время жизни нейтронов в АЗ 1) =4 К 10 с;( и- в АЗ 2)=3,5 х 10 с; теже, но отличающаяся от нее тем, что АЗ 1 функционирует в режиме импульсного реактора и отсутствует боковой канал. В этом варианте устройство действует само по себе, без привязки к ускорителю электронов.Малые размеры АЗ 1 и малая величина времени жизни нейтронов позволяют получать весьма короткие по дли786619 тельности импульсы в АЗ 1. Нейтроны от АЗ 1 размножаются в АЗ 2 практически без привнесения дополнительной затяжки во времени, Расчеты показали, что длительность импульса в АЗ 25 в этом случае равна 30 мкоВ устройстве-прототипе и в этом варианте наблюдались бы импульсы в АЗ 2 длительностью 700-1300 мкс. Однокаскадная система, т.е. изолированная АЗ 2, действующая сама по себе в режиме импульсного реактора, характерректор С,Шекмар,ехред А,Кравчу Редактор Е.Гиринская Подписноепо изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС-35, Раушская наб., д. 4/5 ВНИИПИ 19 3Производственно-издательский комбинат Патент , г.ужгоро Гагарина, 101 каз 3437 Тираж 2 Государственного комитет 113035, Москва, ризовалась бы длительностью импульса порядка 150 мкс.1Как видим, использование предложения данной заявки и во втором варианте двухкаскадного умножителя, а именно, в варианте двухкаскадного импульсного реактора, позволяет достигать укорочения импульсов в 25-40 раз в сравнении с прототипом и в 5 раз в сравнении с однокаскадной системой - изолированной АЗ 2, действующей в режиме импульсного реактора.