RU159923U1 - Коллайдерный генератор нейтронов - Google Patents

Abstract

1. Коллайдерный генератор нейтронов - устройство для генерации потока нейтронов интенсивностью более 10н/с, включающее в себя линейный ускоритель дейтронов, циклический накопитель и нейтронгенерируюшую среду, отличающийся тем, что включает в себя два работающих в коллайдерном режиме накопительных кольца с взаимно противоположными направлениями движения ионов (дейтронов или тритонов), ускоренных до энергий в диапазоне 20-50 МэВ, общего сопряженного прямолинейного участка, в котором происходят неупругие столкновения встречных ионов с образованием нейтронов, и линейные ускорители-инжекторы ионов (один или несколько).2. Коллайдерный генератор нейтронов по п. 1, характеризующийся тем, что магнитные поля диполей, расположенные в начале и в конце прямолинейного участка, выбраны так, что траектории ионов одного накопителя совпадают с траекториями встречных ионов другого накопителя, при этом ионы, прошедшие прямолинейный участок без столкновений, возвращаются в регулярную часть накопителей, где продолжают циркулировать, пересекая прямолинейный участок с частотой, соответствующей круговой частоте накопителей.

Description

Полезная модель относится к области ядерной энергетики, а также к прикладным областям экспериментальной ядерной физики, материаловедения, радиобиологии и пр.

Основное назначение мощных нейтронных источников в ядерной энергетике - внешний источник для подкритических бланкетов [1-5]. С созданием нейтронного источника необходимой мощности связано решение трех главных проблем ядерной энергетики: 1) проблемы ядерной безопасности - будут принципиально исключены возможности аварий реактивностного типа, 2) проблемы ограниченности топливной ресурсной базы по ²³⁵U - появится возможность “сжигания” всех актиноидов, включая ²³²Th и ²³⁸U; 3) минимизация объемов отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также возможность утилизации уже накопленного ОЯТ путем его “сжигания” как топлива. Необходимые параметры нейтронного источника для решения указанных задач: интенсивность - (2-5)·10¹⁸ н/с, удельные энергозатраты (энергия, расходуемая на образование нейтрона) - не более ~50 МэВ/н, энергия нейтронов - 1-20 МэВ, гарантированная ядерная и радиационная безопасность, экологическая чистота, разумные габариты и приемлемая стоимость. Сегодня в мире отсутствуют нейтронные источники, удовлетворяющих указанным требованиям.

В настоящий момент в мире известны и считаются наиболее перспективными два направления создания нейтронных источников, по параметрам приближающихся к необходимым 1) электроядерный метод генерации нейтронов, 2) дейтронный ускорительный генератор нейтронов.

Электроядерный источник нейтронов.

Суть электроядерного метода (например,[1]) получения нейтронов состоит во взаимодействии ионов (обычно протонов), ускоренных до энергий ~0.8-2 ГэВ с веществом мишени. В результате адронного каскада в мишени рождаются нейтроны со спектром, близким к испарительному. Удельные энергозатраты составляют около ~40-50 МэВ/н. При энергии протонов ~1 ГэВ и токе пучка ~10 мА теоретический выход нейтронов до ~10¹⁸ н/с. Стоимость такого ускорителя, оцененная исходя из стоимости ускорителя с близкими параметрами для американской программы AAA/ATW [6], составляет величину порядка $18 млрд.

Ускоренные дейтроны для генерации нейтронов.

Существуют проекты (например, [7]) создания генераторов с использованием линейного ускорителя (ЛУ) дейтронов непрерывного действия на энергии 20-25 МэВ, током пучка 3 мА и бериллиевой мишени-ковертера с выходом нейтронов до (5-6)·10¹⁴ н/с.

В настоящее время во Фраскати (Италия) под эгидой МАГАТЭ сооружается установка (IFMIF [8]), представляющая собой нейтронный генератор с рекордной для подобных установок интенсивностью нейтронов до 10¹⁷ н/с. Установка включает два сильноточных ЛУ дейтронов на энергию 35-40 МэВ, током - 250 мА, мощностью - 5 МВт, струйную литиевую мишень.

Предложением, наиболее близким к заявленному техническому решению и, является система состоящая из накопителя дейтронов на энергию 100 МэВ и внутренней нейтрон-генерирующей мишени [9]. При суммарном инжектируемом в накопитель токе 15 А расчетный выход нейтронов составляет ~6·10¹⁶ н/с. Принято за прототип.

Недостатками описанных выше ускорительных нейтронных генераторов являются:

- для электроядерных источников нейтронов: 1) максимальный выход нейтронов не превышает ~10¹⁸ н/с; 2) большое энерговыделение в мишени, достигающее величин ~1,5-2 МВт/л, теплосъем с которой представляет собой сложнейшую инженерно-техническую задачу; 3) так называемая, проблема “первой стенки” - стальной перегородки ионопровода перед мишенью. При токе протонного пучка ~10 мА мощность поглощенной дозы в центральной части стенки составит ~(3-5)·10⁶ Гр/с, что ограничивает ресурс конструкционных материалов сутками, при недопустимо высокой активации материалов перегородки и ионопровода; 3) линейный ускоритель для электроядерного источника представляет собой сложную и дорогостоящую установку, имеющую большие габариты (длина ускорителя протонов на обычных резонаторах на энергию ~1 ГэВ около 1 км). Стоимость такого ускорителя (например, американской программы AAA/ATW [6]) составляет около - $20 млрд.

- для источников на основе дейтронных ускорителей, в том числе и прототипа: 1) принципиальное ограничение выхода нейтронов на один дейтрон величиной ~10^-2 н/d (интегральный выход нейтронов при реально достижимых токах пучка ограничивается величиной ~10¹⁷ н/с), которое определяется большими ионизационными потерями в веществе мишени), 2) недопустимо большие удельные энергозатраты, превышающие ~500 МэВ/н, что делает их абсолютно бесперспективными для использования в атомной энергетике в качестве источника для подкритического реактора; 3) большие энерговыделения в мишени, теплосъем с которой, как и в электроядерном методе, представляет трудно преодолимую техническую проблему.

Таким образом, основным физическим процессом, ограничивающим выход нейтронов в источниках на основе взаимодействия ускоренных ионов с веществом мишени, и определяющим большие энерговыделения в мишени, является процесс ионизации.

Перед автором стояла задача создания генератора нейтронов со следующими параметрами: интенсивность - (2-5)·10¹⁸ н/с, удельные энергозатраты - не более ~50 МэВ/н, энергия нейтронов - 1-20 МэВ. При этом необходимо выполнение требований: отсутствие проблемы теплосъема с мишени, приемлемые значения радиационных нагрузок на оборудование и его активации, гарантированная ядерная и радиационная безопасность, экологическая чистота, разумные габариты и приемлемая стоимость.

Заявляемой полезной моделью является генератор нейтронов с интенсивностью до ~5 10¹⁸ н/с на основе dd ускорительно-накопительно-столкновительного комплекса (dd-коллайдера) на энергию дейтронов (E_d) в диапазоне 20-50 МэВ (энергия столкновений - энергия в с.ц.м. (E_c) 40-100 МэВ). Смысл создания источника нейтронов на основе dd-коллайдера состоит в исключении процесса потерь энергии дейтронов на ионизацию, что позволит увеличить выход нейтронов, по сравнению с взаимодействием низкоэнергетического дейтронного пучка на мишени, более чем на два порядка. Такое “отключение” ионизации, можно осуществить только в среде, в которой отсутствуют связанные на ядрах электроны, т.е. в условиях столкновения встречных дейтронов. Другой, сопутствующий, положительный эффект предлагаемого метода состоит в отсутствии фиксированной мишени, и, следовательно, отсутствии проблемы теплосъема с мишени, радиационных нагрузок на мишень и ее активации. Стоимость предлагаемого коллайдерного источника нейтронов с интенсивностью (2-5)10¹⁸ н/с в ~10-15 раз ниже стоимости электроядерного источника с интенсивностью до 10¹⁸ н/с, что связано 1) с меньшими габаритами (в 30-50 раз), 2) отсутствием сложного оборудования для теплосъема с мишени. Указанные результаты обеспечивается заявляемой полезной моделью.

Данная задача решается за счет того, что в заявленной полезной модели реализуется устройство для генерации нейтронов, содержащее линейные ускорители дейтронов, циклические накопители и нейтронгенерирующую область, отличающееся тем, что включает в себя линейные ускорители-инжекторы дейтронов (один или несколько), два накопительных сопряженных кольца с взаимно противоположными направлениями движения дейтронов, работающих в коллайдерном режиме, и общий прямолинейный участок, на котором происходят столкновения встречных дейтронов с образованием нейтронов.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является отсутствие неподвижной мишени (роль мишени играет встречный пучок дейтронов), и, следовательно, потерь энергии пучка на ионизацию вещества мишени, вследствие чего достигается выход нейтронов до (2-5)10¹⁸ н/с и исключается необходимость теплосъема с мишени.

Принцип работы предлагаемого генератора нейтронов поясняется Фиг. 1, 2. Заявленный нейтронный генератор представляет собой два ускорительно-накопительных комплекса с взаимно противоположным направлением движения дейтронов. Дейтроны, ускоренные до энергий E_d в линейных ускорителях (1, 1′), инжектируются в накопители (2, 2′). Накопители имеют общую часть периметра - прямолинейный промежуток (3), на всем протяжении которого происходят столкновения встречных дейтронов с образованием нейтронов. Таким образом, источником нейтронов является область столкновений (3).

Система, обеспечивающая dd столкновения, ясна из схемы фиг. 2. Пучок дейтронов d' накопителя 2′ отклоняется диполем M₂ и попадает в пространственный объем V_s(l_s×S_b). В этот же объем попадает встречный пучок d, отклоняемый диполем M₁. При соответствующих начальных условиях в магнитных полях диполей M₁ и M₂ и фазовых координат частиц, входящих в диполи, траектории дейтронов d и движущихся им навстречу d′ будут совпадать. В объеме V_s происходят столкновения дейтронов встречных пучков. Дейтроны d, прошедшие область столкновений без взаимодействий, возвращаются в регулярную часть накопителя 2 магнитом M₂ (встречные дейтроны d' в накопитель 2′ магнитом M₁), где продолжают циркулировать, пересекая объем V_s с частотой, соответствующей круговой частоте накопителя ω.

Режим работы установки

Коллайдер работает со старта в накопительно-столкновительном режиме: с нулевого момента времени работы коллайдера, при непрерывной инжекции тока I_d с частотой η через некоторое время t выходит в стационарный режим работы с непрерывной циркуляцией в накопителе N_d дейтронов и выходом нейтронов N_n. На начальном этапе работы коллайдера инжекция пучка имеет целью за время t наполнить накопители максимальным числом дейтронов N_d, далее, на втором этапе, компенсировать потери пучков, происходящие как в dd столкновениях, так и в результате выхода частиц из допустимого фазового объема. Другими словами, инжекция пучка на втором этапе поддерживает стационарный режим работы коллайдера, т.е. неизменное во времени значение числа накопленных дейтронов N_d.

Оценка принципиальной возможности создания нейтронного генератора на основе dd-коллайдера.

Обоснованием предложенной выше идеи, являются следующие оценки. Примем в качестве исходных данных предположительные параметры коллайдера схемы 1б): периметр накопителя l_c=24 м, энергия дейтронов пучка Е_d=30 МэВ (энергия в с.ц.м. E_c=60 МэВ), максимальное число накопленных дейтронов N_d=2·10¹⁹, длина области столкновений l_s=300 см площадь сечения пучков S_b=15 см², сечение неупругого ядерного dd-взаимодействия с рождением нейтронов σ_dd=0.3 барн, множественность нейтронов в одном взаимодействии ν=2, масса дейтрона

МэВ. Используя указанные данные нетрудно получить значения: круговой частоты ω, светимости L и выхода нейтронов N_n:

N_n=Lσ_ddν=2,95 10¹⁸ н/с

Расчеты для различного набора параметров E_d, l_c, S_b и для N_d в пределах (1-2.5)·10¹⁹ показывают, что при определенных значениях указанных параметров, достигается диапазон светимостей (2-8)·10⁴² с^-1 см^-2 и, соответственно, выход нейтронов N_n в пределах (2-4)·10¹⁸ н/с. При этом значения накопленного тока не превышают предельных по собственному электрическому и магнитному полям, обусловленным пространственным зарядом пучка.

Практическая реализация нейтронного источника в энергогенерирующей системе

На Фиг. 3, в качестве одного из возможных вариантов практической реализации нейтронного источника, показана возможная схема промышленной ядерной энергогенерирующей установки, состоящей из двух инжекторов (1, 1′), двух накопителей (2, 2′), области столкновений дейтронов (собственно источник нейтронов) (3), магнитные диполи M₁, M₂, магнитные элементы накопителей (4, 5) и подкритического бланкета ядерного реактора (7). Дейтроны циркулируют в накопителе практически без потерь энергии, поэтому резонаторов в структуре накопителей нет.

Подкритический бланкет - активная зона подкритического ядерного реактора - (аналог промышленного ядерного реактора), окружающая область столкновений дейтронов, представляет собой металлический усеченный цилиндр, внутри которого находятся тепловыделяющие сборки с элементами из делящегося материала (низкообогащенного урана), с цилиндрическими осевым и боковыми отверстиями для прохождения пучка, и системой, обеспечивающей теплосъем. Бланкет глубоко подкритический (эффективный коэффициент размножения k_еf в диапазоне 0.9-0.95). Параметры системы: E_d=30 МэВ, I_inj~160 мА, N_d~(2-3)10¹⁹, k_ef=0.9, расчетная тепловая мощность бланкета W~1 ГВт.

При использовании Коллайдерного генератора нейтронов для исследований для прикладных задач, вместо подкритического бланкета размещается соответствующая экспериментальное оборудование.

Литература

[1] Васильков Р.Г., Гольданский, В.В. Орлов. Об электрическом бридинге. // УФН, 1083, т. 139, вып. 3; Васильков Р.Г., Гольданский В.И., Джелепов В.П., Дмитриевский В.П. // Электроядерный метод генерации нейтронов. Атомная энергия, т. 29, вып. 3. 1970.

[2] Rubbia С., Mandrillion P., Fietier N. A High Intensity. Accelerator for Driving the Energy Amplifier for Nuclear Energy Production. Proceedings of the 1994 Internation - al Linac Conference, August 21-26, 1994, Tsucuba, Japan, p. 270-272.

[3] Барашенков B.C. Ядерно-физические аспекты электроядерного метода. ЭЧАЯ. 1978, Т. 9, вып 5;

[4] Mandrillion P., Besancon S., Fietier N. et al. Important Design Issues of a High Efficiency Cyclotron Complex to Drive the Energy Amplifier. Fifth Europian Particle Accelerator Conference (EPAC-96) Vol. 1, p. 372-374);

[5] Адо Ю.М., Крючков В.П., Лебедев B.H. Энергетический подкритический реактор с подсветкой пуском ускоренных протонов. - Атомная энергия, 1994, т. 77, вып. 4; Ado Yu. Kryuchkov V.P., Lebedev V.N Fouth Europian Partical Accelerator Conference EPAC'94. London, 1994/

[6] www-pub.iaea.org/MTCD/Meetings/Announcements.asp?Confld=173

[7] Воронко B.A. и др., Линейный дейтронный ускоритель непрерывного действия. http//vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2008_5/article+2008_5_28.pdf

[8] www.ifmif.org/c/index.htm

[9] Уфимцев А.Г. Накопитель дейтронов для источника нейтронных потоков, Труды XV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 1996

Подписи к рисункам

Фиг. 1 Принципиальная схема нейтронного генератора на основе dd-коллайдера.

1, 1′ - линейные ускорители-инжекторы, 2, 2′ - накопители дейтронов, 3 - область dd столкновений; M₁ и M₂ - сдвоенные диполи.

Фиг. 2 Схема области встреч дейтронных пучков.

M₁, M₂ - сдвоенные диполи, l_s - протяженность области столкновений, S_b - сечение пучка в области столкновений.

Фиг. 3 Схема схема варианта промышленной энергетической установки.

1, 1′ - линейные ускорители-инжекторы, 2, 2′ - накопители дейтронов, 3 - область dd столкновений; 4 - поворотные магниты; 5 - фокусирующие

и дефокусирующие

линзы; 6 - сдвоенные диполи M₁ и M₂, 7 - бланкет реактора.

Claims (2)

1. Коллайдерный генератор нейтронов - устройство для генерации потока нейтронов интенсивностью более 10¹⁷ н/с, включающее в себя линейный ускоритель дейтронов, циклический накопитель и нейтронгенерируюшую среду, отличающийся тем, что включает в себя два работающих в коллайдерном режиме накопительных кольца с взаимно противоположными направлениями движения ионов (дейтронов или тритонов), ускоренных до энергий в диапазоне 20-50 МэВ, общего сопряженного прямолинейного участка, в котором происходят неупругие столкновения встречных ионов с образованием нейтронов, и линейные ускорители-инжекторы ионов (один или несколько).

2. Коллайдерный генератор нейтронов по п. 1, характеризующийся тем, что магнитные поля диполей, расположенные в начале и в конце прямолинейного участка, выбраны так, что траектории ионов одного накопителя совпадают с траекториями встречных ионов другого накопителя, при этом ионы, прошедшие прямолинейный участок без столкновений, возвращаются в регулярную часть накопителей, где продолжают циркулировать, пересекая прямолинейный участок с частотой, соответствующей круговой частоте накопителей.

Images