ES2215141T3 - Dispositivo de espalacion para la produccion de neutrones. - Google Patents
Dispositivo de espalacion para la produccion de neutrones.Info
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Abstract
Dispositivo de espalación para la producción de neutrones, comprendiendo este dispositivo: - un blanco (63, 78) de espalación destinado a producir los neutrones por interacción con un haz (64, 88) de partículas, - un primer recinto (84) que contiene el blanco de espalación, - medios (30) de generación del haz de partículas, - un segundo recinto (86) en el que el haz de partículas está destinado a propagarse en dirección del blanco de espalación, según un eje (X) de propagación, - una pared (74, 92) estanca que es apta para dejar pasar el haz de partículas, separa el primer recinto del segundo recinto y se encuentra con este eje de propagación, y - un fluido (78, 95) refrigerante destinado a circular en el primer recinto para refrigerar el blanco de espalación, estando caracterizado este dispositivo porque el haz (64, 88) de partículas es hueco y rodea el eje (X) de propagación.
Description
Dispositivo de espalación para la producción de
neutrones.
La presente invención se refiere a un dispositivo
de espalación para la producción de neutrones.
Este dispositivo encuentra aplicaciones en todos
los campos en los que se requiere una fuente intensa de
neutrones.
Particularmente, la invención se aplica a la
física fundamental, a la medicina y a la transmutación de la
materia.
Se recuerda que la espalación corresponde a la
interacción de partículas, particularmente de protones, que son
emitidas desde un acelerador y tienen una energía elevada,
aproximadamente igual a 200 MeV o más, con los núcleos de un
blanco.
Esta interacción produce neutrones, por ejemplo,
aproximadamente 30 neutrones por protón incidente de 1 GeV cuando el
blanco es plomo líquido. Aproximadamente el 80% de estos neutrones
procede de la evaporación y el resto proviene de cascadas
intranucleares. El espectro de estos neutrones tiene un pico de 3,5
MeV.
Un blanco de espalación puede ser sólido o, al
contrario, líquido. Además, puede ser espeso o, al contrario,
delgado.
Un blanco de espalación líquido constituye su
propio líquido refrigerante. Generalmente, está constituido de un
metal pesado en estado líquido, elegido, por ejemplo, entre el plomo
líquido, los eutécticos de este último, el bismuto y el
mercurio.
Este blanco líquido refrigera el mismo la última
interfase que le separa de una cámara en vacío, donde circulan las
partículas destinadas a interactuar con este blanco, o de cualquier
otra región-tampón interpuesta entre esta cámara de
vacío y el blanco.
La figura 1 es una vista esquemática en corte
longitudinal de un dispositivo de espalación conocido, que comprende
un blanco 2 de espalación de metal pesado líquido. Este dispositivo
comprende también un recinto 4 en el que circula el blanco de
espalación. La referencia 6 representa la región de espalación.
También se observa un conducto 8 de entrada del
fluido refrigerante (blanco) frío en un extremo de este recinto 4 y
una salida 10 de fluido refrigerante caliente en el otro extremo del
recinto.
Asimismo, se observa una cámara 12 de vacío en la
que se desplaza el haz 14 de partículas, que está destinado a
interactuar con el blanco en la región 6 de espalación. Esta cámara
de vacío está separada del recinto 4 por una primera ventana 16 que
constituye un diafragma que está refrigerado por una circulación de
agua.
Se observa además una segunda ventana 18 de forma
convexa, cuya convexidad está orientada hacia el interior del
recinto 4. Esta segunda ventana 18 se extiende desde la primera
ventana 16 hacia el interior del recinto y constituye una pared
estanca que delimita con la ventana 16, una
región-tampón 20, o región intermedia, en la que
también se ha hecho el vacío.
Esta segunda ventana 18 constituye una membrana
que está refrigerada por el blanco 2 de espalación.
La forma convexa de esta ventana está inspirada
por la necesidad de guiar el fluido entrante por la canalización 8
de llegada hacia la región 6 de espalación limitando al máximo la
zona n de estancamiento en la que la refrigeración no está bien
garantizada.
Asimismo, se observa una rejilla 22 que está
destinada a canalizar el flujo del blanco líquido y está dispuesta
en el recinto 4, entre la segunda ventana 18 y la región 6 de
espalación.
Tal como se observa, el blanco de espalación y la
segunda ventana 18 tienen una simetría de revolución alrededor de un
eje X según el cual se desplaza el haz 14 de partículas.
En el ejemplo representado, este haz, que
atraviesa sucesivamente las primera y segunda ventanas, así como la
rejilla 22 antes de interactuar con el blanco líquido en la región 6
de espalación, y el flujo de este blanco líquido en esta región 6 se
realizan en el mismo sentido.
Ahora se consideran los dispositivos de
espalación conocidos, que utilizan blancos de espalación
sólidos.
Un dispositivo de este tipo comprende una ventana
destinada a confinar el blanco sólido enfrente de medios de
aceleración del haz de partículas, el blanco propiamente dicho,
destinado a suministrar neutrones por espalación y que se presenta
por ejemplo en forma de placas, de conos, de barras, de tubos, o
incluso de microbolas, y un fluido refrigerante que está destinado a
refrigerar el blanco de espalación. La naturaleza de cada uno de
estos órganos está determinada por sus propiedades térmicas,
hidráulicas, mecánicas y neutrónicas.
En el caso de un blanco sólido, destinado a
suministrar neutrones térmicos, el fluido refrigerante puede ser
agua. Esto es prácticamente imposible cuando el medio que rodea el
blanco de espalación tiene un espectro neutrónico rápido.
En la figura 2, se observan las variaciones de la
densidad D1 de corriente de un haz de partículas, utilizado con un
blanco de espalación conocido, en función de la distancia R al eje
de este haz.
Un haz de este tipo, cuya densidad de corriente
tiene una distribución sensiblemente en forma de almena (curva I) o
de campana (curva II), induce fuertes tensiones termomecánicas en la
pared estanca que separa el blanco de espalación del vacío donde se
propaga el haz, y también en el blanco, cuando éste es sólido,
debido a un gradiente de densidad de corriente elevada.
Este haz de partículas tiene un pico sobre el eje
de simetría del blanco, en una zona en la que el fluido refrigerante
prácticamente no circula (véase la curva III de la figura 2 que es
la curva de las variaciones de la velocidad V del fluido en función
de R). Por consiguiente, existe un punto caliente en la pared
estanca que limita los rendimientos del blanco de espalación y puede
poner en peligro el confinamiento.
En ciertos dispositivos de espalación, de los que
forma parte aquel representado en la figura 1, la existencia, en el
eje del haz de partículas, de esta zona en la que el fluido
refrigerante prácticamente no circula, conduce a colocar la rejilla
22 que experimenta frontalmente la irradiación del haz y permite
canalizar el flujo para limitar la extensión de esta zona en la que
la velocidad de flujo del fluido refrigerante es demasiado
débil.
Esta rejilla, como todos los elementos colocados
en el eje del haz, está sometida a la irradiación de este haz y sus
rendimientos mecánicos y térmicos se degradan con el tiempo. Ahora
bien, esta rejilla no contribuye a la espalación y su volumen es tal
que, en caso de daños, esta rejilla corre el riesgo de dañar
también, incluso destruir, el blanco de espalación, particularmente
por obturación parcial o total de los circuitos del fluido
refrigerante.
La refrigeración, por circulación de agua de alto
caudal en la membrana 16 generalmente de acero, permite solucionar
el calentamiento resultante del paso del haz.
En un blanco sometido a un haz intenso, la
presencia de un material pesado justo detrás de la ventana 18
conduce a la absorción, por parte de este último, de una parte de la
energía del haz. Esto se produce sistemáticamente con los blancos
líquidos.
La refrigeración de la ventana 18, únicamente
puede tener lugar en una cara de ésta y es necesario refrigerar esta
ventana (o, por otra parte, cualquier otra ventana) por el propio
blanco líquido.
Si el haz de partículas presenta un pico de
densidad de corriente en el punto en el que la velocidad del blanco
que constituye el fluido refrigerante es mínima, se obtiene un punto
caliente.
Además, se indica que ya se conocen dispositivos
de espalación en los documentos [1] y [2] que, como los otros
documentos mencionados a continuación, se mencionan al final de la
presente descripción.
La presente invención tiene como objeto
solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados de los
dispositivos de espalación conocidos y, más precisamente, minimizar
las tensiones termomecánicas que se ejercen en los componentes clave
de estos dispositivos, particularmente la pared estanca que separa
el blanco de espalación de un recinto en el que se ha hecho el vacío
y que el haz de partículas atraviesa antes de que éste alcance el
blanco.
De manera precisa, la presente invención tiene
como objeto un dispositivo de espalación para la producción de
neutrones, comprendiendo este dispositivo:
- un blanco de espalación destinado a producir
los neutrones por interacción con un haz de partículas,
- un primer recinto que contiene el blanco de
espalación,
- medios de generación del haz de partículas,
- un segundo recinto en el que el haz de
partículas está destinado a propagarse en dirección del blanco de
espalación según un eje de propagación (lo que requiere, por
supuesto, establecer una baja presión, inferior a 10^{18} Pa en
este segundo recinto),
- una pared estanca, que es apta para dejar pasar
el haz de partículas, separa el primer recinto del segundo recinto y
se encuentra con este eje de propagación, y
- un fluido refrigerante destinado a circular en
el primer recinto para refrigerar el blanco de espalación;
estando caracterizado este dispositivo porque el
haz de partículas es hueco y rodea el eje de propagación.
Preferiblemente, las partículas se eligen en el
grupo que comprende los protones, los núcleos de deuterio, los
núcleos de tritio, los núcleos de helio 3 y los núcleos de helio
4.
Según un modo de realización preferido del
dispositivo objeto de la invención, la distribución radial de la
densidad de corriente en el haz de partículas, en el
semi-plano transversal delimitado por el eje de
propagación, es sensiblemente gaussiana y está centrada fuera del
eje de simetría del haz. Esta disposición está caracterizada por un
mínimo de densidad de corriente sobre el eje del haz.
Una distribución de densidad de corriente de este
tipo en el haz permite minimizar las concentraciones de tensión
mecánica.
Según un primer modo de realización particular
del dispositivo objeto de la invención, los medios de generación
están previstos para producir directamente, es decir ellos mismos,
el haz de partículas hueco.
Según un segundo modo de realización particular,
los medios de generación están previstos para producir el haz de
partículas hueco a partir de un haz de partículas lleno.
En la presente invención, el blanco de espalación
puede ser sólido.
En este caso, según un modo de realización
preferido de la invención, el blanco de espalación comprende una
pluralidad de blancos elementales sucesivos, comprendiendo cada
blanco elemental una placa cónica dotada con una perforación
central.
Dichos blancos elementales tienen una forma bien
adaptada al haz hueco y al flujo del fluido refrigerante.
Preferiblemente, en caso de que este blanco de
espalación sea sólido, está previsto un espacio entre la pared
estanca y el blanco de espalación para la circulación del fluido
refrigerante.
Al contrario, en la presente invención es posible
utilizar un blanco de espalación líquido, constituyendo asimismo
este blanco el fluido refrigerante.
En este caso, según un primer modo de realización
particular de la invención, el blanco de espalación se desplaza, en
el primer recinto, según un eje de propagación y en el sentido de
propagación del haz de partículas.
En este caso en el que el blanco de espalación es
líquido, según un segundo modo de realización particular, el blanco
de espalación se desplaza, en el primer recinto, según el eje de
propagación y en el sentido opuesto al de la propagación del haz de
partículas.
Según un modo de realización preferido de la
presente invención, el blanco de espalación tiene un eje de simetría
de revolución que se confunde con el eje de propagación.
Preferiblemente, la pared estanca es convexa y su
convexidad está orientada hacia el interior del primer recinto.
En la presente invención, la pared estanca tiene
preferiblemente un eje de simetría de revolución que se confunde con
el eje de propagación.
Preferiblemente, el dispositivo objeto de la
invención comprende además, en el primer recinto, medios de guiado
del fluido refrigerante al menos en dirección de la pared
estanca.
La presente invención se comprenderá mejor con la
lectura de la descripción de ejemplos de realización facilitados a
continuación, únicamente a título indicativo y nunca limitativo,
haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquemática en corte
longitudinal de un dispositivo de espalación conocido ya
descrito,
- la figura 2 ilustra esquemáticamente la
distribución radial de la densidad de corriente en un haz de
partículas que se utiliza en un dispositivo de espalación
conocido,
- la figura 3 ilustra esquemáticamente la
distribución radial de la densidad de corriente en un haz de
partículas que se utiliza en la presente invención,
- la figura 4 es una vista esquemática de un
dispositivo de exploración que permite obtener un haz hueco
utilizable en la invención,
- la figura 5 ilustra esquemáticamente la
distribución radial de la densidad de corriente en un haz de
partículas que llega a este dispositivo de exploración,
- la figura 6 es una vista esquemática de varios
sistemas de una instalación de espalación,
- la figura 6A ilustra esquemáticamente la
posibilidad de obtener dos configuraciones distintas para el flujo
del fluido refrigerante y el haz de partículas en un dispositivo
según la invención que tenga una simetría de revolución alrededor
del eje del haz de partículas incidente,
- la figura 7 es una vista parcialmente en corte
transversal de una placa cónica utilizable en la invención, como
blanco elemental de espalación,
- la figura 8 ilustra esquemáticamente un blanco
de espalación utilizable en la invención y formado de un apilado de
tales blancos elementales,
- la figura 9 muestra la interposición de una
parte del fluido refrigerante entre el blanco de la figura 8 y la
pared estanca que separa este blanco de una cámara de vacío por
donde llega el haz de partículas, y
- las figuras 10 a 12 son vistas esquemáticas de
modos de realización particulares del dispositivo de espalación
objeto de la invención.
En los ejemplos de la invención que siguen, se
utiliza un haz hueco de partículas, también denominado "haz anular
de partículas", cuya distribución radial de densidad de corriente
es sensiblemente gaussiana. Esto se ha ilustrado esquemáticamente en
la figura 3, en la que se representan variaciones de esta densidad
D2 en función de la distancia R al eje del haz hueco.
Esto permite solucionar los dos problemas
siguientes:
- limitar el gradiente de densidad de corriente
para evitar tensiones mecánicas internas excesivas en los
componentes clave del dispositivo de espalación, particularmente la
pared estanca, así como el blanco de espalación si se trata de un
blanco sólido, y
- separar el pico de potencia del eje de simetría
del blanco para evitar los problemas de refrigeración.
Puede obtenerse una distribución anular de
densidad de corriente en el haz de partículas, utilizando medios
ópticos magnéticos que se colocan corriente arriba de la pared
estanca.
La figura 4 ilustra esquemáticamente la
generación de un haz hueco de partículas. En esta figura 4, se
observa una cámara 24 de vacío que prolonga un acelerador de
partículas no representado, destinado a formar un haz 26 de
partículas lleno y a acelerar este haz. Esta cámara de vacío (que
está dotada de medios no representados, que permiten realizar el
vacío en la misma) forma un codo en el que se encuentra un imán 28
de curvatura. Tras este imán de curvatura, está previsto un sistema
30 magnético para realizar un exploración rotativa a frecuencia
elevada, que permite obtener, a partir del haz 26 lleno, un haz 32
de partículas hueco cuyo eje está indicado como X.
La cámara 24 en vacío termina por una pared 38
estanca convexa.
Esta última se encuentra corriente abajo de una
posible pared-tampón 36 (que delimita por tanto con
la pared 38, una zona indicada con 34 en la figura 4) y en el
interior de un recinto 40 que contiene un blanco de espalación.
El espesor y el material constituyente de cada
una de las paredes 36 y 38 ha sido bien elegido para que el haz 32
pueda atravesar estas paredes.
En la figura 5, se han representado las
variaciones de la densidad D3 de corriente en el haz 26 de
partículas lleno, en función de la distancia R al eje de este haz, a
la salida del imán 28 de curvatura. Se observa que el haz 26 es
sensiblemente gaussiano.
Tras el sistema 30 de exploración, y
particularmente en el blanco de espalación, el haz de partículas se
vuelve hueco, estando representada la distribución de densidad de
corriente de este haz hueco en la figura 3.
El sistema 30 magnético, que está situado
corriente arriba de la pared 38 estanca, se encuentra en la
trayectoria de las partículas de elevada energía, que se
retrodispersan ("backscattered") por el blanco de espalación.
Por ello, este sistema está compuesto preferiblemente de materiales
poco sensibles a la irradiación y a la activación. El imán 28 de
curvatura protege el acelerador de partículas contra estas
partículas retrodispersadas de energía elevada.
Conviene destacar que es posible realizar otros
dispositivos según la invención, que no comprenden ningún imán de
curvatura. Se utiliza entonces una cámara de vacío que es
sensiblemente rectilínea corriente arriba del sistema magnético 30
de exploración.
La exploración, que el sistema 30 permite
obtener, satisface preferiblemente las exigencias mencionadas en el
documento [3].
En otro ejemplo, en lugar de formar el haz de
partículas hueco a partir de un haz lleno acelerado, se forma un haz
hueco de este tipo a partir de la fuente de partículas y, a
continuación, se acelera este haz hueco. Para ello, se consultará el
documento [4].
Desde ahora se indica que es posible disponer de
medios de guiado, por ejemplo, aletas, en el recinto 40, para
canalizar la refrigeración en la pared 38 estanca, para evitar una
renovación demasiado frecuente de esta pared 38.
Además, en un dispositivo según la invención, es
preferible que la refrigeración del blanco de espalación esté
garantizada por una convección forzada, a que el blanco sea sólido o
líquido.
Además, en un dispositivo según la invención, la
llegada del haz de partículas hueco en el blanco de espalación puede
realizarse con un ángulo cualquiera, superior o inferior y de una
manera oblicua u horizontal.
La figura 6 ilustra esquemáticamente varios
sistemas cuyo conjunto forma un ejemplo de instalación de espalación
que utiliza la invención.
Esta instalación comprende:
- un sistema 42 que suministra el haz de
partículas hueco que comprende el imán 28 de curvatura y el sistema
30 de exploración de la figura 4,
- un dispositivo 44 de espalación según la
invención, que recibe el haz hueco,
- un sistema 46 que comprende circuitos de
transporte de fluido refrigerante,
- un sistema 48 intercambiador de calor que
recibe el fluido 50 refrigerante caliente procedente del dispositivo
44 y suministra a este último el fluido 52 refrigerante frío por
medio del sistema 46,
- un sistema 54 de curvatura útil que comprende
dispositivos de irradiación o del combustible nuclear y/o isótopos a
transmutar y que recibe los neutrones 56 producidos por el
dispositivo de espalación,
- un sistema 58 de depuración de los circuitos y
de tratamiento de los efluentes radioactivos, que está conectado al
sistema 46 de circuitos de transporte de fluido refrigerante, y
- un sistema 60 de vacío de estos circuitos.
Este sistema 60 de vacío es útil para las
operaciones de arranque, de parada y de mantenimiento de la
instalación y también durante accidentes o incidentes en esta
instalación.
El sistema 58 permite extraer de la instalación
las especies no deseables tales como los contaminantes radioactivos
pesados y los gases radioactivos, particularmente el tritio.
En un dispositivo según la invención, las
partículas aceleradas son preferiblemente partículas (cargadas)
ligeras como los protones, los deutones, los tritones, los núcleos
de helio 3 y los núcleos de helio 4.
Por ejemplo, se utilizan protones cuya energía Ep
sea aproximadamente 600 MeV para satisfacer un compromiso entre el
rendimiento neutrónico de la espalación, el daño sufrido por la
pared estanca y por las otras estructuras del blanco, la activación
del acelerador por las partículas perdidas debido a fenómenos de
carga de espacio y la activación del dispositivo de espalación
estando comprendidas las protecciones biológicas y la tierra.
En función de la configuración, es posible
ajustar esta energía Ep en un intervalo que oscila entre 200 MeV a
varios GeV.
La intensidad del haz suministrado por el
acelerador está determinada por las necesidades de los usuarios del
dispositivo de espalación, en términos de neutrones de espalación, y
varía por ejemplo entre 0,5 mA y varias centenas de mA.
En un dispositivo según la invención, que tiene
una simetría de revolución alrededor del eje del haz de partículas
incidente, es posible obtener de este modo dos configuraciones
distintas para el flujo del fluido refrigerante y el haz de
partículas (como lo indica la figura 6A, en la que la curva I
corresponde a la velocidad V del fluido, y la curva II a la densidad
D de la corriente del haz), gracias al uso de un haz de partículas
anular, conservando siempre esta simetría de revolución del
dispositivo alrededor del eje del haz.
Además, en un dispositivo según la invención, que
utiliza un blanco de espalación sólido, es posible separar la
refrigeración de la pared estanca de la refrigeración del blanco, en
el que se dispone de más grados de libertad para canalizar el fluido
refrigerante.
En la invención, para formar un blanco de
espalación sólido, es ventajoso utilizar placas cónicas, de las
cuales se muestra un ejemplo en la figura 7.
Cada placa 62 tiene, en su centro, un agujero 65
que permite que el fluido refrigerante evacue el calor generado en
esta placa.
Tal como se muestra en las figuras 8 y 9, se
forma un blanco 63 de espalación disponiendo una pluralidad de
dichas placas 62 unas tras otras, y de manera que el conjunto 63
obtenido tenga una simetría de revolución alrededor del eje X del
haz 64 de partículas hueco.
Las placas 62 están dispuestas unas tras otras de
manera que el ángulo sólido apreciado por una parte ilustrada de una
placa hacia la región en la que los neutrones de fuente ("source
neutrons") se utilicen hacia la pared 74 de la figura 9
(neutrones redifundidos), esté ocupado por una parte de placa no
ilustrada y a la inversa.
Así, el espectro de la fuente se degrada en esta
parte del blanco antes de alcanzar la región útil, lo que permite
limitar los daños a los materiales de estructura en la medida en que
estos daños estén producidos por los neutrones más energéticos.
Además, se ha minimizado la cantidad de neutrones
retrodispersados, lo que permite aumentar la vida útil de la pared
74 (figura 9) y limitar los daños inflingidos a las estructuras del
acelerador que preceden al blanco.
Se precisa que en la figura 8, las flechas 66
representan el fluido refrigerante.
Volviendo a la figura 7, se observa que las
placas están recubiertas y se ha previsto un espacio 68 vacío entre
un blanco de espalación elemental, constituido de una placa 70
cónica, por ejemplo, de tungsteno, y el recubrimiento 72 de este
blanco elemental, recubrimiento por ejemplo de acero o de una
aleación de aluminio, para permitir la dilatación del blanco
elemental durante su uso.
Se precisa además que el espesor de las placas 70
varía de una placa a la otra para allanar la distribución axial de
la fuente de neutrones.
Con un blanco del tipo de la figura 8, los
problemas relacionados con la corrosión proceden del fluido
refrigerante. Ahora bien, para un blanco de espalación sólido,
preferiblemente se utiliza agua como fluido refrigerante, en caso de
una cobertura en la que los neutrones térmicos sean necesarios, o
sodio líquido en caso de que no se deseen neutrones térmicos. Las
tecnologías asociadas a dichos fluidos están dominadas.
Las reacciones de espalación en los líquidos
refrigerantes son molestas porque reducen el rendimiento neutrónico
de la instalación y contribuyen a la activación general o
localizada, por depósitos secundarios, de los circuitos.
Sin embargo, las tecnologías de purificación de
los circuitos contaminados de especies no deseadas son conocidas
tanto por el sodio como por el agua.
Además, los gases refrigerantes como el dióxido
de carbono o el helio, prácticamente no actúan con las partículas
incidentes debido a la baja densidad de estos gases, lo que mejora
el rendimiento sin molestar al funcionamiento del conjunto de la
instalación.
Un blanco de espalación sólido también presenta
la ventaja de confinar la radiactividad al nivel de este blanco (que
está recubierto) y sistemas de purificación de los circuitos. La
disposición espacial de los elementos de blanco sólido es compatible
con el sistema de manipulación previsto para estos elementos.
Los blancos de espalación líquidos están
compuestos preferiblemente de materiales cuya masa atómica es
elevada y que son puros o están en forma de eutécticos para ser
líquidos a temperaturas compatibles con la resistencia mecánica y
química de los materiales de estructura que componen el blanco y los
circuitos asociados.
Por ejemplo, se utiliza el mercurio, el plomo y
los eutécticos de este último. La ventaja principal de un eutéctico,
tal como el plomo-bismuto con plomo al 45% de masa y
bismuto al 55% de masa, excepto su baja temperatura de fusión, es
que no cambia la densidad durante su cambio de fase. Generalmente,
se prefiere no tener bismuto debido a la fuerte capacidad de
activación de este último en polonio 210 y otros isótopos
radiactivos de larga duración.
Las secciones eficaces ("cross sections") de
reacciones inelásticas del plomo (n, xn), particularmente la
reacción (n, 2n) para una energía de neutrón superior a 6,22 MeV,
permiten maximizar el rendimiento de la fuente.
Se evita el uso de mercurio en ciertos
dispositivos debido a su gran corrosividad física. Efectivamente, a
temperatura ambiente, el mercurio estático disuelve aproximadamente
1 mm de acero por año.
El plomo y sus aleaciones son igualmente
corrosivos para los aceros, lo que puede conducir a preferir los
blancos sólidos recubiertos. El uso de plomo líquido puro o en
aleación, al limitar los efectos de la corrosión, se vuelve posible
gracias al control de la concentración de oxígeno en el plomo
líquido. Las condiciones de funcionamiento definen un intervalo de
concentración de oxígeno por encima del cual se oxidan y precipitan
el plomo y las impurezas y por debajo del cual el plomo corroe el
acero. Por tanto, este último se disuelve en el circuito y corre el
riesgo de depositarse en zonas frías o en zonas en las que la
velocidad del fluido refrigerante sea lenta. Tales depósitos corren
el riesgo de cerrar los circuitos.
Por tanto, en la invención se utilizan materiales
que son transparentes a los neutrones en el espectro principal del
blanco. Así, el plomo puro o en aleación puede resultar conveniente
para blancos con espectro rápido o térmico incluso si ciertos
isótopos presentes de manera natural pudieran merecer ser extraídos
por separación isotópica debido a su importante sección eficaz
neutrónica de captura.
El mercurio y el tungsteno están mejor adaptados
a los blancos con espectros esencialmente rápidos en la medida en la
que, el campo térmico, estos dos elementos son aptos para capturar
los neutrones.
En la invención, el blanco de espalación (que
contiene la región de espalación) está confinado y sólo deja pasar
los neutrones de fuente.
Las estructuras que comprende este blanco son
transparentes a los neutrones y garantizan, en una situación nominal
o degradada, el confinamiento más completo de las materias.
Cualquier sistema de aislamiento mecánico de la región de espalación
define así el blanco.
Las protecciones biológicas del público y del
personal de explotación del dispositivo de espalación se han
establecido según la reglamentación en vigor.
El blanco de espalación detiene las partículas
aceleradas para maximizar el rendimiento.
Las protecciones neutrónicas, de las que está
dotado un dispositivo según la invención, también solucionan
problemas de protección contra las partículas cargadas.
La posición del blanco de espalación en su
sistema de establecimiento (por ejemplo el núcleo de un reactor
nuclear de potencia o de transmutación, el moderador de un reactor
nuclear o una red de elementos aptos para generar tritio) está
determinada preferiblemente maximizando el coeficiente de
ponderación
("weighing factor") \varphi* que está definido en el documento [5].
("weighing factor") \varphi* que está definido en el documento [5].
Ahora consideramos las ventajas aportadas por la
invención.
El uso de un blanco de espalación con un haz
anular de partículas permite evacuar, de manera simple (sin
geometría complicada y sin tener necesidad de la rejilla 22 de la
figura 1, rejilla que está expuesta a la irradiación por el haz) y
eficaz, el calor generado en la pared estanca, o ventana, que separa
el blanco de espalación de la zona de vacío más próxima a este
blanco de espalación.
Asimismo, es posible hacer funcionar un
dispositivo según la invención con un flujo inclinado o un flujo
frontal del fluido refrigerante, sin utilizar, para la refrigeración
de los componentes sensibles del dispositivo, un flujo de fluido
refrigerante caliente. Para ello, basta con hacer llegar el fluido
refrigerante por una región que no haya sido tocada por la
espalación.
Estas ventajas se refieren esencialmente a la
pared estanca que es el órgano con más tensiones del dispositivo.
Efectivamente, esta pared estanca debe soportar una presión muy
baja, generalmente del orden de 10^{-9} Pa, del lado por donde
llega el haz de partículas, y la presión del fluido refrigerante
del otro lado. Esta última presión es muy elevada, generalmente
superior a 5x10^{10} Pa, cuando este fluido es agua o un gas, y
del orden de 10^{5} Pa cuando el fluido refrigerante es un metal
líquido.
Además, la interposición de una capa de fluido
refrigerante entre la pared estanca y el blanco de espalación
permite reducir la proporción de neutrones retrodispersados
("backscattered") en las proximidades de esta pared estanca.
Esto resulta de un efecto de ángulo sólido y de que el fluido
refrigerante disperse los neutrones.
La figura 9 es una vista esquemática en corte
longitudinal, que muestra la pared estanca o ventana 74, que está
seguida por un conjunto 63 de láminas 62 cónicas de perforación
central, estando estas láminas alineadas según el eje X del
dispositivo (eje de propagación del haz de partículas).
La capa de fluido refrigerante que circula entre
la pared 74 estanca y la placa 62 cónica más próxima a esta pared
estanca, está indicada por las dos flechas 66 más próximas a esta
pared. Las flechas 76 representan los neutrones retrodispersados,
permitiendo la disposición de las láminas 62 disminuir la cantidad
de estos neutrones hacia el eje del haz en la dirección de la pared
74. También se observa en la figura 9 el haz 64 de partículas
incidente.
La figura 10 es una vista esquemática en corte
longitudinal de un modo de realización particular del dispositivo de
espalación objeto de la invención.
En este ejemplo, el dispositivo forma parte de un
reactor híbrido para la transmutación o la producción de energía, el
blanco 78 de espalación es de metal líquido y constituye el fluido
refrigerante, y la circulación de este fluido tiene fugas.
Se observa el núcleo 80 (parte fisionable) del
reactor en el que se ha instalado el dispositivo. En ambas partes
del núcleo 80 se encuentra la cámara 82 de aire.
También se observa el recinto 84, en el que se
hace circular el blanco 78 de espalación, y un extremo de la cámara
86 de vacío en el que se propaga el haz 88 de partículas hueco en
dirección a la zona de espalación. Esta zona está delimitada, en el
recinto 84 por rayas mixtas 90.
El extremo de la cámara 86 de vacío está formado
por la pared 92 estanca de forma convexa y, por ejemplo, de acero,
cuya convexidad está orientada hacia el interior del recinto 84 y
que deja pasar el haz 88.
La pared 92 tiene una forma sensiblemente
hemisférica para evitar las concentraciones de tensiones
mecánicas.
Los medios de generación del haz 88 hueco no
están representados. Para ello, hay que dirigirse a la descripción
de la figura 4.
Las flechas 94 indican la circulación del blanco
líquido de metal. Esta circulación tiene lugar según el eje X de
propagación del haz y en el sentido de propagación de este
último.
Este eje X constituye el eje de simetría de
revolución del recinto 84 y de la pared 92 estanca.
También se observan aletas 96 que están fijadas a
la pared interna del recinto 84, en las proximidades de la pared 92
estanca. Estas aletas están suficientemente separadas entre sí para
permitir el paso del haz 64 de partículas sin interactuar con este
último. Estas aletas constituyen una guía de circulación para el
blanco líquido y por tanto para el fluido refrigerante.
Esta guía de circulación permite mejorar la
turbulencia y por tanto los intercambios térmicos al nivel de la
pared 92 estanca.
Las flechas 98 de la figura 10 indican los
neutrones generados en la zona de espalación.
El arranque de la instalación que comprende el
dispositivo de la figura 10 es progresivo. En primer lugar, se
ajusta el fluido refrigerante a la temperatura de funcionamiento
sucesivamente en un depósito de almacenamiento (no representado), a
continuación, se introduce este fluido refrigerante en circuitos (no
representados) previstos para su circulación. A continuación, se
hacen funcionar bombas (no representadas) y se hacen circular. Se
arranca entonces el acelerador de partículas (no representado) a
intensidad muy baja y se sube la potencia para minimizar las
tensiones en las diversas estructuras de la instalación.
Para detenerla, se procede en sentido inverso al
arranque.
La activación del fluido refrigerante líquido y
la potencia residual inducida evitan que el fluido refrigerante se
congele. Sea cual se la configuración, el dispositivo de espalación
está dimensionado para que la potencia residual, tras una parada
previa o accidental, se evacue por medios pasivos tales como la
convección natural.
Las necesidades del uso de los neutrones
determinan la intensidad del acelerador, una vez ha terminado la
subida de potencia.
En el caso de un reactor de potencia eletrógena o
destinado a la transmutación, la reactividad y la potencia (medidas
a partir de datos sobre las temperaturas de entrada y de salida del
fluido refrigerante y las informaciones del sistema de control
neutrónico) son quienes fijan la intensidad del haz.
En el caso de una fuente de neutrones destinada a
búsquedas de física fundamental o de ensayos tecnológicos, la
potencia extraída del blanco de espalación es determinante.
La figura 11 es una vista esquemática en corte
longitudinal de otro modo de realización particular del dispositivo
objeto de la invención, que utiliza nuevamente un blanco de
espalación de metal líquido, pero con circulación frontal en lugar
de una circulación con fugas, para este blanco líquido y, por tanto,
para el fluido refrigerante.
Por tanto, esta circulación tiene lugar en
sentido opuesto a la propagación del haz 88 de partículas.
El dispositivo de la figura 11 es idéntico al
dispositivo de la figura 10, excepto en que las aletas 96 se
suprimen y en que el extremo del recinto 84, extremo opuesto a aquel
en que se encuentra la pared 92, el dispositivo comprende una guía
100 de circulación principal tubular, cuyo eje es el eje de simetría
de revolución del dispositivo (confundido con el eje de propagación
X del haz 88 de partículas), y aberturas 102 por ambas partes de
esta guía de circulación principal.
El diámetro interior del haz de partículas es
superior al diámetro exterior de esta guía de circulación
principal.
El blanco de espalación líquido (fluido
refrigerante) llega al recinto 84 por la guía 100 de circulación y
las aberturas 102.
La figura 12 es una vista esquemática en corte
longitudinal de otro modo de realización particular del dispositivo
objeto de la invención.
Este dispositivo es idéntico al dispositivo de la
figura 10, excepto en que no comprende las aletas 96 y en que el
blanco de espalación es sólido.
En el ejemplo de la figura 12, la circulación del
fluido 95 refrigerante, indicado por las flechas 94, también tiene
lugar en el mismo sentido que la propagación del haz 88 de
partículas.
El blanco 63 de espalación comprende varios
blancos 62 elementales cónicos con perforación central, del tipo del
blanco de la figura 7. Estos blancos 62 son idénticos entre sí y
están dispuestos unos tras otros en el recinto 84, según el eje X de
propagación del haz que también es el eje de simetría de revolución
del blanco de espalación y de la pared 92 estanca.
El diámetro común a las perforaciones 65 es
inferior al diámetro interior del haz 88, pero los blancos 62 tienen
un diámetro común más grande que es superior al diámetro exterior
del haz 88.
Están previstos medios no representados para
fijar cada blanco 82 elemental a la pared interna del recinto
84.
El fluido 95 refrigerante circula alrededor de la
pared 92 estanca, entre esta última y el blanco 62 elemental más
próximo a esta pared estanca, y entre los otros blancos 62
elementales.
Debido a su forma cónica, todos los blancos
elementales también permiten guiar la circulación del fluido
refrigerante.
La región de espalación, delimitada por las
líneas 90 en las figuras 10 y 11 y por los blancos elementales de
extremo en el caso de la figura 12, está ventajosamente dispuesta
para maximizar el rendimiento neutrónico del dispositivo de
espalación.
En el caso de los dispositivos de las figuras 10
a 12, puede estar prevista una bomba mecánica o magnética para
obtener la convección forzada del fluido refrigerante.
Los documentos mencionados en la presente
descripción son los siguientes:
[1] US 5.160.696 (C.D. Bowman).
[2] US 5.774.514 (C. Rubbia).
[3] J.M. Lagniel, The various parts of the
accelerator - From the proton source to the 1GeV beam, GEDEON
Workshop "Which accelerator for which DEMO?", pp.
1-24, Aix-en Provence (Francia),
25-26 de noviembre, 1999.
[4] US 5.811.943 (A. Mishin y col.).
[5] M. Salvatores y col., Nuclear science and
engineering, 126, pp. 3333-340 (1997).
Claims (15)
1. Dispositivo de espalación para la producción
de neutrones, comprendiendo este dispositivo:
- un blanco (63, 78) de espalación destinado a
producir los neutrones por interacción con un haz (64, 88) de
partículas,
- un primer recinto (84) que contiene el blanco
de espalación,
- medios (30) de generación del haz de
partículas,
- un segundo recinto (86) en el que el haz de
partículas está destinado a propagarse en dirección del blanco de
espalación, según un eje (X) de propagación,
- una pared (74, 92) estanca que es apta para
dejar pasar el haz de partículas, separa el primer recinto del
segundo recinto y se encuentra con este eje de propagación, y
- un fluido (78, 95) refrigerante destinado a
circular en el primer recinto para refrigerar el blanco de
espalación,
estando caracterizado este dispositivo
porque el haz (64, 88) de partículas es hueco y rodea el eje (X) de
propagación.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que las partículas se eligen en el grupo que comprende los protones,
los núcleos de deuterio, los núcleos de tritio, los núcleos de helio
3 y los núcleos de helio 4.
3. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, en el que la distribución radial de la
densidad de corriente en el haz de partículas es sensiblemente
gaussiana y está centrada fuera del eje de simetría del haz.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios de generación están
previstos para producir ellos mismos el haz de partículas hueco.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios (30) de generación
están previstos para producir el haz de partículas hueco a partir de
un haz (26) de partículas hueco.
6. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que el blanco (63) de espalación es
sólido.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el
que el blanco (63) de espalación comprende una pluralidad de blancos
(62) elementales sucesivos, comprendiendo cada blanco elemental una
placa cónica dotada con una perforación (65) central.
8. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 y 7, en el que está previsto un espacio entre la
pared (92) estanca y el blanco (63) de espalación para la
circulación del fluido (95) refrigerante.
9. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que blanco (78) de espalación es
líquido y constituye el fluido refrigerante.
10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el
que el blanco (78) de espalación se desplaza, en el primer recinto,
según el eje (X) de propagación y en el sentido de propagación del
haz (88) de partículas.
11. Dispositivo según la reivindicación 9, en el
que el blanco (78) de espalación se desplaza, en el primer recinto,
según el eje (X) de propagación y en el sentido opuesto al de la
propagación del haz (88) de partículas.
12. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que el blanco de espalación tiene un
eje de simetría de revolución que se confunde con el eje (X) de
propagación.
13. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el que la pared (92) estanca es convexa
y su convexidad se orienta hacia el interior del primer recinto.
14. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, en el que la pared estanca tiene un eje de
simetría de revolución que se confunde con el eje (X) de
propagación.
15. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, que comprende además, en el primer recinto,
medios (96) de guiado del fluido refrigerante al menos en dirección
a la pared (92) estanca.
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