RU2228553C2

RU2228553C2 - Neutron producing device of electronuclear plant

Info

Publication number: RU2228553C2
Application number: RU2002112178/06A
Authority: RU
Inventors: В.П. Андреев; А.В. Воронцов; Л.Н. Герасимов; И.В. Кудинович; В.П. Струев
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2004-05-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; high-power neutron sources. SUBSTANCE: neutron producing plant has housing, set of irradiated elements, and channel passing charged particle beam. Housing is made in the form of three coaxially arranged shells separated by radial clearances. Internal carrying shell is, essentially, sleeve-shaped high-pressure shell whose open end is connected through sealed joint to interior of particles feeding channel. Shell has through holes receiving set of irradiated elements fixed and sealed therein and disposed inside mentioned shell in layers turned to each other. They are tubular elements built of two thin-walled coaxially arranged tubes with neutron- producing material placed in-between and throttling member disposed in internal tube. Intermediate shell of housing has through holes connected to ends of internal tubes receiving irradiated elements through sealed joint; one end of intermediate shell is connected through sealed joint to end of internal shell and its opposite end is connected through sealed joint to end of external shell. EFFECT: enhanced operating efficiency and enlarged service life of device. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерной техники и касается вопросов создания мощных источников нейтронов, которые могут быть использованы при трансмутации радиоактивных изотопов, получении энергии в подкритическом реакторе, исключающем возможность возникновения неконтролируемой цепной реакции деления, и в физических исследованиях.The invention relates to the field of nuclear engineering and relates to the creation of powerful neutron sources that can be used to transmute radioactive isotopes, to obtain energy in a subcritical reactor, eliminating the possibility of an uncontrolled fission chain reaction, and in physical research.

Известен электроядерный метод генерации нейтронов, возникающих при облучении мишеней из различных веществ пучком заряженных частиц, ускоренных в ускорителе до энергии в несколько сотен мегаэлектронвольт (В.Г. Васильков, В.И. Гольданский, В.П. Джелепов, В.П. Дмитриевский “Электроядерный метод генерации нейтронов и производства расщепляющихся материалов”, журнал “Атомная энергия”, т.29, вып.3, стр.151-158, 1970).The electro-nuclear method for generating neutrons arising from the irradiation of targets from various substances by a beam of charged particles accelerated in an accelerator to an energy of several hundred megaelectron-volts is known (V.G. Vasilkov, V.I. Goldanskii, V.P. Dzhelepov, V.P. Dmitrievsky “The Electronuclear Method of Neutron Generation and the Production of Fissile Materials,” Journal of Atomic Energy, vol. 29, issue 3, pp. 151-158, 1970).

Технические устройства, в которых используется электроядерный метод генерации нейтронов, называются электроядерными установками. Одним из основных элементов электроядерных установок является нейтронопроизводящее устройство, включающее мишень, генерирующую нейтроны при облучении заряженными частицами, и вакуумированный канал (ионопровод), подводящий пучок высокоэнергетических заряженных частиц к мишени.Technical devices that use the electron-nuclear method of generating neutrons are called electron-nuclear installations. One of the main elements of electron-nuclear installations is a neutron-producing device, which includes a target that generates neutrons when irradiated with charged particles, and a vacuum channel (ion guide), which brings a beam of high-energy charged particles to the target.

Известна жидкометаллическая мишень электроядерной установки, отделенная от ионопровода охлаждаемой мембраной, представляющая собой контур циркуляции эвтектического сплава свинец-висмут, содержащий теплообменное оборудование, насосы и систему очистки жидкого метала (Б.Ф. Громов, Е.И. Ефимов, М.П. Леончук и др. “Жидкометаллическая свинцово-висмутовая мишень для высокоэнергетических протонов как интенсивный источник нейтронов в ускорительно управляемых системах”. Атомная энергия, т.80, вып.5, стр.400-407, 1996). Достоинством указанной мишени является отсутствие проблемы радиационной стойкости нейтронопроизводящего вещества, которое в случае жидкого металла не имеет кристаллической структуры, повреждаемой пучком заряженных частиц. Основным недостатком нейтронопроизводящего устройства с указанной мишенью является наличие сравнительно толстой мембраны, отделяющей мишень от ионопровода, в которой происходит паразитное поглощение заряженных частиц, сопровождающееся высокими уровнями радиационных повреждений и термических напряжений, что ведет к ограничению ресурса нейтронопроизводящего устройства.Known liquid metal target of the nuclear installation, separated from the ion duct by a cooled membrane, representing a circulation loop of the eutectic lead-bismuth alloy containing heat exchange equipment, pumps and a liquid metal cleaning system (B.F. Gromov, E.I. Efimov, M.P. Leonchuk et al. “Liquid-metal lead-bismuth target for high-energy protons as an intense neutron source in accelerator-driven systems.” Atomic energy, vol. 80, issue 5, pp. 400-407, 1996). The advantage of this target is the absence of the problem of radiation resistance of a neutron-producing substance, which in the case of a liquid metal does not have a crystalline structure damaged by a beam of charged particles. The main disadvantage of a neutron-producing device with this target is the presence of a relatively thick membrane separating the target from the ion guide, in which parasitic absorption of charged particles occurs, accompanied by high levels of radiation damage and thermal stresses, which limits the life of the neutron-producing device.

Известна также конструкция нейтронопроизводящего устройства электроядерной установки с твердой мишенью, выполненной в виде набора плоских горизонтальных дисков из тантала (А.Г. Чухлов “Твердая мишень для электроядерной установки большой мощности” в сборнике: Международная конференция по электроядерным системам в перспективной ядерной энергетике, М., ГНЦ-РФ ИТЭФ 11-15 октября 1999 г., стр.151-154), принятая за прототип. Диски толщиной 30 мм, выполненные сварными из двух половин толщиной по 15 мм, имеют внутренние каналы для охлаждающего теплоносителя. Диски скреплены между собой цилиндрическими обечайками, междисковые полости соединены между собой и полостью ионопровода и в них поддерживается вакуум. Мишень размещается в корпусе высокого давления, кольцевой зазор между корпусом и мишенью разделен вертикальными перегородками на две полости, образующие напорный и сливной коллекторы для охлаждающего теплоносителя. Достоинством данного нейтронопроизводящего устройства является отсутствие мембраны, отделяющей полость ионопровода от мишени.Also known is the design of the neutron-producing device of an electron-nuclear installation with a solid target made in the form of a set of flat horizontal disks made of tantalum (A.G. Chukhlov “A solid target for a high-power electron-nuclear installation” in the collection: International Conference on Electronuclear Systems in Perspective Nuclear Power Engineering, M. , SSC-RF ITEP October 11-15, 1999, pp. 151-154), adopted as a prototype. Disks 30 mm thick, welded from two halves 15 mm thick each, have internal channels for the coolant. The disks are fastened together by cylindrical shells, the interdisc cavities are interconnected with the cavity of the ion guide and vacuum is maintained in them. The target is located in the high-pressure housing, the annular gap between the housing and the target is divided by vertical partitions into two cavities, which form the pressure and drain manifolds for the cooling coolant. The advantage of this neutron-producing device is the absence of a membrane separating the cavity of the ion guide from the target.

Недостатком указанного нейтронопроизводящего устройства является наличие сравнительно толстого диска из нейтронопроизводящего материала, в котором имеют место достаточно высокие термические напряжения, находящегося под внутренним давлением охлаждающего теплоносителя, что при наличии радиационных повреждений приводит к постепенному накоплению пластических деформаций в материале диска и ограничению ресурса мишени. Предлагаемая конструкция ограничивает выбор нейтронопроизводящего вещества для мишени требованиями высокой радиационной стойкости и термической прочности.The disadvantage of this neutron-producing device is the presence of a relatively thick disk of neutron-producing material, in which there are sufficiently high thermal stresses that are under the internal pressure of the coolant, which, in the presence of radiation damage, leads to the gradual accumulation of plastic deformations in the disk material and to limit the target resource. The proposed design limits the choice of a neutron-producing substance for the target to the requirements of high radiation resistance and thermal strength.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности нейтронопроизводящего устройства за счет расширения возможности выбора нейтронопроизводящего материала исходя из его ядерно-физических свойств при пониженных требованиях к прочностным характеристикам, а также на увеличение его ресурса за счет снижения температурных напряжений в конструктивных элементах, подверженных одновременно воздействию интенсивного потока заряженных частиц и давления охлаждающего теплоносителя.The objective of the present invention is to increase the efficiency of a neutron-producing device by expanding the choice of a neutron-producing material based on its nuclear physical properties with reduced strength characteristics, as well as increasing its life by reducing temperature stresses in structural elements that are simultaneously exposed to an intense flow of charged particles and pressure of the coolant.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном нейтронопроизводящем устройстве электроядерной установки, включающем корпус, набор облучаемых элементов и канал, подводящий пучок заряженных частиц, корпус выполнен в виде трех коаксиально расположенных с радиальными зазорами обечаек, причем внутренняя несущая обечайка выполнена в виде оболочки высокого давления, имеющей форму стакана, открытый конец которого герметично соединен с полостью канала, подводящего пучок заряженных частиц, и в боковой стенке она имеет сквозные отверстия, в которые прочно, жестко и герметично установлен набор облучаемых элементов, расположенных внутри упомянутой обечайки слоями, повернутыми относительно друг друга, причем каждый облучаемый элемент выполнен в виде трубчатого элемента, состоящего из двух тонкостенных коаксиально расположенных трубок, в пространстве между которыми размещен нейтронопроизводящий материал, а во внутренней трубке установлен дроссельный элемент, при этом средняя обечайка корпуса имеет сквозные отверстия в боковой поверхности, с каждым из которых через переходник герметично соединен один конец полости внутренней трубки соответствующего облучаемого элемента, причем один торец средней обечайки герметично соединен с концом внутренней обечайки, а ее противоположенный торец герметично соединен с торцом наружной обечайки.The specified technical result is achieved by the fact that in the known neutron-producing device of the nuclear installation, including a casing, a set of irradiated elements and a channel supplying a beam of charged particles, the casing is made in the form of three shells coaxially arranged with radial clearances, and the inner supporting shell is made in the form of a high pressure shell having the shape of a glass, the open end of which is hermetically connected to the cavity of the channel supplying a beam of charged particles, and in the side wall it has openings into which a set of irradiated elements located inside the said shell, layers rotated relative to each other, is firmly, rigidly and hermetically mounted, each irradiated element is made in the form of a tubular element consisting of two thin-walled coaxial tubes located in the space between which a neutron-producing material, and a throttle element is installed in the inner tube, while the middle shell of the housing has through holes in the side surface, with each of which through the adapter, one end of the cavity of the inner tube of the corresponding irradiated element is hermetically connected, moreover, one end of the middle shell is hermetically connected to the end of the inner shell, and its opposite end is hermetically connected to the end of the outer shell.

Выполнение мишени в виде набора трубчатых элементов, состоящих из двух коаксиально расположенных тонкостенных трубок, в пространстве между которыми помещен нейтронопроизводящий материал, позволяет снизить термические напряжения в элементе (внутренней трубке), нагруженном внутренним давлением охлаждающего теплоносителя, и разгрузить нейтронопроизводящий материал от давления теплоносителя, что приводит к увеличению ресурса и повышению эффективности нейтронопроизводящего устройства.The implementation of the target in the form of a set of tubular elements consisting of two coaxially located thin-walled tubes in the space between which a neutron-producing material is placed allows one to reduce thermal stresses in an element (inner tube) loaded with the internal pressure of the cooling coolant and relieve the neutron-producing material from the pressure of the coolant, which leads to an increase in resource and increase the efficiency of the neutron-producing device.

Размещение набора трубчатых облучаемых элементов во внутренней обечайке корпуса слоями, повернутыми относительно друг друга, повышают жесткость упомянутой обечайки, находящейся под наружным давлением охлаждающего теплоносителя.Placing a set of tubular irradiated elements in the inner shell of the casing with layers rotated relative to each other increases the rigidity of the said shell, which is under the external pressure of the coolant.

Выполнение корпуса мишени в виде трех коаксиально расположенных с радиальными зазорами обечаек позволяет сформировать напорный и сливной коллекторы для теплоносителя, охлаждающего облучаемые элементы и корпус нейтронопроизводящего устройства.The execution of the target body in the form of three shells coaxially arranged with radial gaps allows the pressure and drain manifolds to be formed for a coolant cooling the irradiated elements and the neutron-producing device body.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид нейтронопроизводящего устройства, а на фиг.2 - продольный разрез трубчатого элемента. Нейтронопроизводящее устройство состоит из корпуса и набора облучаемых элементов. Корпус устройства выполнен в виде трех обечаек: внутренней 1, средней 2 и наружной 3, коаксиально расположенных с радиальными зазорами 4, 5. Внутренняя несущая обечайка 1 выполнена в виде оболочки высокого давления, имеющей форму стакана, открытый конец которого 6 герметично соединен с фланцем 7 канала (ионопровода), подводящего пучок заряженных частиц, а противоположный конец герметично закрыт днищем 8. В боковой стенке внутренняя обечайка 1 имеет сквозные отверстия, в которые прочно, жестко и герметично установлен набор трубчатых облучаемых элементов 9, расположенных внутри упомянутой обечайки слоями, повернутыми друг относительно друга, например, на 90°. Таким образом, внутренняя полость обечайки 1 корпуса, соединенная с ионопроводом, герметично изолирована от окружающей среды и вакуумирована.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a neutron-producing device, and figure 2 is a longitudinal section of a tubular element. A neutron-producing device consists of a body and a set of irradiated elements. The housing of the device is made in the form of three shells: inner 1, middle 2 and outer 3, coaxially arranged with radial clearances 4, 5. The inner supporting shell 1 is made in the form of a high-pressure shell having the shape of a cup, the open end of which 6 is hermetically connected to the flange 7 channel (ion guide), leading the beam of charged particles, and the opposite end is hermetically closed by the bottom 8. In the side wall of the inner shell 1 has through holes in which a set of tubular irradiated is firmly, rigidly and hermetically mounted lementov 9 located inside said mantle layers rotated relative to each other, for example, 90 °. Thus, the inner cavity of the shell 1 of the housing connected to the ion conductor is hermetically isolated from the environment and evacuated.

Каждый трубчатый облучаемый элемент 9 состоит из двух тонкостенных коаксиально расположенных трубок 10, 11 (см. фиг.2), в пространстве между которыми размещен нейтронопроизводящий материал 12, и концевых деталей 13, которые обеспечивают крепление трубчатого элемента в отверстиях обечайки 1. В качестве нейтронопроизводящего материала могут быть использованы вольфрам, тантал, бериллий и его соединения, свинец, соединения урана и другие вещества, генерирующие нейтроны под воздействием заряженных частиц. В различных слоях набора облучаемых элементов может быть использован нейтронопроизводящий материал с различной плотностью и составом, чтобы обеспечить требуемое распределение интенсивности генерации нейтронов вдоль нейтронопроизводящего устройства.Each tubular irradiated element 9 consists of two thin-walled coaxially arranged tubes 10, 11 (see FIG. 2), in the space between which a neutron-producing material 12 is placed, and end parts 13 that provide fastening of the tubular element in the holes of the shell 1. As a neutron-producing material can be used tungsten, tantalum, beryllium and its compounds, lead, uranium compounds and other substances that generate neutrons under the influence of charged particles. In various layers of the set of irradiated elements, a neutron-producing material with different density and composition can be used to provide the desired distribution of the neutron generation intensity along the neutron-producing device.

Для обеспечения заданного расхода теплоносителя, охлаждающего облучаемый элемент 9, во внутренней трубке 11 установлен дроссельный элемент 14. Вид теплоносителя (газ, вода, жидкий металл и т.д.) выбирается в зависимости от типа и конструктивных особенностей электроядерной установки. Для организации циркуляции охлаждающего теплоносителя в нейтронопроизводящем устройстве служат обечайки корпуса 2, 3. Средняя обечайка 2 имеет сквозные отверстия в боковой поверхности, с каждым из которых через переходник 15 герметично соединен один конец внутренней трубки 11 соответствующего облучаемого элемента 9. С одного конца обечайки 2 имеется буртик 16, посредством которого она герметично соединена с глухим торцом внутренней обечайки 1, с противоположного конца обечайка 2 герметично соединена с торцом наружной обечайки 3 посредством буртика 17. Зазоры между внутренней обечайкой 1 и средней обечайкой 2, а также между средней обечайкой 2 и наружной обечайкой 3 образуют напорный и сливной коллекторы для теплоносителя, охлаждающего нейтронопроизводящее устройство.To ensure a given flow rate of the coolant cooling the irradiated element 9, a throttle element 14 is installed in the inner tube 11. The type of coolant (gas, water, liquid metal, etc.) is selected depending on the type and design features of the nuclear installation. To organize the circulation of the cooling fluid in the neutron-producing device, the shells of the housing 2, 3 are used. The middle shell 2 has through holes in the side surface, each of which through the adapter 15 is hermetically connected to one end of the inner tube 11 of the corresponding irradiated element 9. There is one end of the shell 2 shoulder 16, by means of which it is hermetically connected to the blind end face of the inner shell 1, from the opposite end, the shell 2 is hermetically connected to the end face of the outer shell 3 by collar 17. The gaps between the inner shell 1 and the middle shell 2, as well as between the middle shell 2 and the outer shell 3 form the pressure and drain manifolds for the coolant cooling the neutron-producing device.

Нейтронопроизводящее устройство электроядерной установки работает следующим образом. Пучок высокоэнергетических заряженных частиц из ускорителя по вакуумированному каналу через фланец 7 поступает внутрь обечайки 1, где облучает набор трубчатых элементов 9. Нейтронопроизводящий материал 12, находящийся внутри облучаемых элементов 9, под воздействием заряженных частиц генерирует быстрые нейтроны. Быстрые нейтроны, обладающие большой проникающей способностью, покидают нейтронопроизводящее устройство и попадают в устройства, определяющие специфику электроядерной установки, например, в активную зону подкритического ядерного реактора или в бланкет, содержащий трансмутируемые радиоактивные изотопы.The neutron-producing device of the electron-nuclear installation works as follows. The beam of high-energy charged particles from the accelerator through the evacuated channel through the flange 7 enters the shell 1, where it irradiates a set of tubular elements 9. The neutron-producing material 12 inside the irradiated elements 9 generates fast neutrons under the influence of charged particles. Fast neutrons with high penetrating power leave the neutron-producing device and fall into devices that determine the specifics of the nuclear installation, for example, into the active zone of a subcritical nuclear reactor or into a blanket containing transmissible radioactive isotopes.

При поглощении заряженных частиц в элементах нейтронопроизводящего устройства выделяется тепло, которое отводится охлаждающим теплоносителем. В зависимости от конструктивного оформления электроядерной установки охлаждение нейтронопроизводящего устройства может осуществляться либо теплоносителем, охлаждающим и другие элементы установки, либо теплоносителем, циркулирующим по автономному контуру. Охлаждающий теплоноситель входит в зазор между внутренней 1 и средней 2 обечайками корпуса, проходит по внутренним трубкам 11 облучаемых элементов 9, через переходник 15 поступает в кольцевой зазор между средней 2 и наружной 3 обечайками корпуса и выходит из нейтронопроизводщего устройства.When charged particles are absorbed in the elements of a neutron-producing device, heat is generated, which is removed by the cooling medium. Depending on the design of the electron-nuclear installation, the cooling of a neutron-producing device can be carried out either by a coolant, cooling other elements of the installation, or by a coolant circulating along an autonomous circuit. The cooling coolant enters the gap between the inner 1 and middle 2 shell casings, passes through the inner tubes 11 of the irradiated elements 9, passes through the adapter 15 into the annular gap between the middle 2 and outer 3 shell casings, and leaves the neutron-producing device.

Claims

A neutron-producing device of an electronuclear installation, including a housing, a set of irradiated elements and a channel supplying a beam of charged particles, characterized in that the housing is made in the form of three shells coaxially arranged with radial clearances, the inner supporting shell being made in the form of a high-pressure shell having the shape of a glass, the open end of which is hermetically connected to the cavity of the channel supplying the beam of charged particles, and in the side wall it has through holes in which it is firmly, rigidly and ger a set of irradiated elements located inside the said shell, layers rotated relative to each other, is installed; each irradiated element is made in the form of a tubular element consisting of two thin-walled coaxial tubes located in the space between which a neutron-producing material is placed, and a throttle element is installed in the inner tube while the middle shell of the housing has through holes in the side surface, each of which is sealed through an adapter n the end of the cavity of the inner tube of the corresponding irradiated element, moreover, one end of the middle shell is hermetically connected to the end of the inner shell, and its opposite end is hermetically connected to the end of the outer shell.