RU2040127C1

RU2040127C1 - Target of accelerator of charge particles

Info

Publication number: RU2040127C1
Authority: RU
Inventors: А.Г. Самойлов; В.Г. Яковлев; Ю.В. Чушкин; Г.И. Кикнадзе; О.А. Калиненко; В.В. Сидоров
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: sources of neutrons. SUBSTANCE: operating zone of target where heat-radiating elements 2 are placed manufactured in the form of rods based on actinides sealed in shell 3 is divided by partition 5 installed in parallel to current-receiving window into two flow chambers with optimized relationship of areas of sections of chambers equal to 0.15-0.17. Such design of cooling system makes it possible to realize effective removal of heat from shell of heat-radiating elements in frontal chamber where given shell has intensifiers of heat removal in the form of spherical recessions and to provide for stability of quality of target in the course of long duration. EFFECT: increased reliability and nuclear safety. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции нейтронных мишеней. The invention relates to nuclear engineering, in particular to the design of neutron targets.

При проведении многих физических экспериментов используют высокоинтенсивные нейтронные источники для облучения высокоэнергетическим нейтронным потоком и γ -квантами различных материалов, образцов и конструктивных элементов термоядерных установок, а также для накопления радионуклидов, в частности для радиоизотопной диагностики. In many physical experiments, high-intensity neutron sources are used for irradiation with a high-energy neutron flux and γ-quanta of various materials, samples and structural elements of thermonuclear installations, as well as for the accumulation of radionuclides, in particular for radioisotope diagnostics.

В настоящее время для получения импульсных пучков нейтронов применяются, реакторы со стационарным полем нейтронов и прерывателем пучка, импульсные быстрые и тепловые реакторы, импульсные источники на основе конверсии заряженных частиц в нейтроны, импульсные источники на основе инициированной термоядерной реакции. Указанные импульсные источники существенно отличаются друг от друга выходом и спектром нейтронов, длительностью и частотой импульсов, условиями эксплуатации и др. Currently, reactors with a stationary neutron field and a beam chopper, pulsed fast and thermal reactors, pulsed sources based on the conversion of charged particles into neutrons, and pulsed sources based on the initiated thermonuclear reaction are used to obtain pulsed neutron beams. The indicated pulsed sources differ significantly from each other by the output and spectrum of neutrons, the duration and frequency of pulses, operating conditions, etc.

Нейтронный источник интенсивностью до 10¹³ н/с может быть получен при использовании реакции типа е-γ -n. При этом нейтронно-эмиссионная ядерная реакция происходит тогда, когда ускоренный пучок заряженных частиц взаимодействует с соответствующей мишенью, следствием чего является нагрев мишени.A neutron source with an intensity of up to 10 ¹³ n / s can be obtained using a reaction of the type e-γ -n. In this case, a neutron-emission nuclear reaction occurs when an accelerated beam of charged particles interacts with the corresponding target, resulting in heating of the target.

Выход нейтронов из мишени до определенного предела растет с увеличением энергии заряженных частиц. Помимо этого выход нейтронов линейно увеличивается с повышением интенсивности пучка, т.е. выход нейтронов из мишени пропорционален количеству тепла, выделяемого в мишени при ее облучении пучком заряженных частиц. The neutron yield from the target to a certain limit increases with increasing energy of charged particles. In addition, the neutron yield increases linearly with increasing beam intensity, i.e. the neutron yield from the target is proportional to the amount of heat released in the target when it is irradiated with a beam of charged particles.

При работе с мишенями для генерации мощных потоков тормозного излучения возникает ряд проблем, связанных с большой импульсной тепловой мощностью падающего на мишень пучка заряженных частиц большими удельными нагрузками на материал мишени в месте падения пучка заряженных частиц. При повышении допустимой величины удельной нагрузки в точке фокуса происходит либо расплавление, либо растрескивание материала мишени из-за тепловой усталости, наступающей вследствие нагрузок, имеющих место при эксплуатации импульсного ускорителя. When working with targets for generating powerful bremsstrahlung flows, a number of problems arise associated with the large pulsed thermal power of a charged particle beam incident on the target with high specific loads on the target material at the point where the charged particle beam is incident. With an increase in the allowable value of the specific load at the focal point, either melting or cracking of the target material occurs due to thermal fatigue that occurs due to the loads that occur during operation of the pulse accelerator.

Известна конструкция мишени источника нейтронов [1] в которой материал мишени непрерывно приводят в движение относительно точки падения пучка протонов. Материал мишени располагают на окружности колеса с внутренним охлаждением. A known construction of a neutron source target [1] in which the target material is continuously driven relative to the point of incidence of the proton beam. The target material is placed on the circumference of the wheel with internal cooling.

Недостатком этой конструкции является необходимость сложной системы привода вращения и охлаждения мишени. The disadvantage of this design is the need for a complex system of drive rotation and cooling of the target.

Известна также конструкция мишени для генерирования тормозного излучения заряженных частиц, выбранная в качестве прототипа [2] с контуром принудительного охлаждения, в корпусе которой расположены рабочие элементы из материала с большим атомным весом, между которыми расположены слои материала с хорошими теплофизическими свойствами с целью устранения опасности расплавления или растрескиванием рабочих элементов вследствие тепловой усталости, связанной с большой импульсной мощностью падающего на мишень пучка заряженных частиц. Also known is the design of the target for generating bremsstrahlung of charged particles, selected as a prototype [2] with a forced cooling circuit, in the housing of which there are working elements made of a material with a large atomic weight, between which there are layers of material with good thermophysical properties in order to eliminate the danger of melting or cracking of the working elements due to thermal fatigue associated with a large pulse power of a beam of charged particles incident on the target.

Недостатком известной конструкции является то, что по соображениям эксплуатационной надежности элементов мишени допустимая мощность падающего на мишень пучка заряженных частиц не превышает 15 кВт, что ограничивает выход нейтронов из мишени, который растет пропорционально мощности подаваемого пучка заряженных частиц. A disadvantage of the known construction is that, for reasons of operational reliability of the target elements, the permissible power of a beam of charged particles incident on the target does not exceed 15 kW, which limits the neutron yield from the target, which grows in proportion to the power of the supplied beam of charged particles.

Целью изобретения является создание мишени ядернобезопасного высокопоточного импульсного источника быстрых нейтронов, а также стабильность ее качества при длительной эксплуатации. The aim of the invention is to create a target nuclear safe high-flow pulsed source of fast neutrons, as well as the stability of its quality during long-term operation.

Цель достигается тем, что в мишени использованы рабочие элементы в виде стержней на основе металлического урана, загерметизированных в тонкостенной оболочке, имеющей интенсифи каторы теплообмена, например, в виде сферических углублений лунок. Применение интенсификаторов теплообмена обеспечивает рабочим элементам высокие термомеханические эксплуатационные характеристики, позволяет увеличить тепловые нагрузки на поверхности рабочих элементов до величины, превышающей 15 МВт/м², а мощность подаваемого пучка электронов до 100 кВт.The goal is achieved in that the target uses work elements in the form of rods based on metal uranium, sealed in a thin-walled shell having heat transfer intensifiers, for example, in the form of spherical recesses of the holes. The use of heat transfer intensifiers provides the working elements with high thermomechanical operational characteristics, allows you to increase the thermal load on the surface of the working elements to a value exceeding 15 MW / m ² , and the power of the supplied electron beam up to 100 kW.

Мишень является глубокоподкритичной сборкой элементов с К_эф < 0,98. В случае использования металлического урана 238 повышается качество мишени (поток нейтронов/тепловая мощность мишени) по мере накопления ядер Плутония по реакции
U²³⁸+n _→ U²³⁹ -

__→ Pu²³⁹
Cопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая мишень отличается тем, что рабочие элементы выполнены в виде стержней на основе урана 238, загерметизированных в рельефную оболочку, расположены в верхней части мишени, разделенной с помощью перегородки на две проточные камеры, а система охлаждения имеет две витые трубы для входа и выхода теплоносителя в рабочую зону, кроме того, торцы каждой трубы смещены относительно друг друга на расстояние не менее двух диаметров, причем между корпусом мишени и витыми трубами помещен материал биологической защиты. Таким образом, заявляемая мишень соответствует критерию изобретения "новизна".The target is a deeply critical assembly of elements with K _eff <0.98. In the case of the use of metallic uranium 238, the quality of the target (neutron flux / thermal power of the target) increases with the accumulation of Plutonium nuclei by the reaction
U ²³⁸ + n _ → U ²³⁹ -

__ → Pu ²³⁹
Comparative analysis with the prototype shows that the claimed target is characterized in that the working elements are made in the form of rods based on uranium 238, sealed in a relief shell, located in the upper part of the target, divided by a partition into two flow chambers, and the cooling system has two twisted pipes for entering and leaving the coolant in the working area, in addition, the ends of each pipe are offset relative to each other by a distance of at least two diameters, and a mat is placed between the target body and the twisted pipes IAL biological protection. Thus, the claimed target meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in the art did not allow them to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

На фиг.1 представлена мишень, продольный разрез; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1. Figure 1 presents the target, a longitudinal section; figure 2 shows a section aa in figure 1.

Мишень имеет крышку 1 и рабочие элементы 2 с оболочкой 3, расположенные в рабочей зоне. Элементы собраны в обоймы и расположены по треугольной решетке с шагом 5,4 ±0,05 мм. В обойме элементы крепятся с одного конца, что обеспечивает возможность их термического удлинения. Корпус 4 разделен перегоpодкой 5 на две проточные камеры. В мишени реализована двухходовая схема движения теплоносителя. Каналы для входа и выхода теплоносителя из рабочей зоны состоят из коллектора 6, трубы 7, корпуса 8, колен 10, представляющих собой витые трубы, причем торцы каждой из труб смещены относительно друг друга на расстояние двух диаметров трубы. Такая конструкция колен позволяет разместить в малом объеме две трубы, смещение торцов ликвидирует прямой прострел нейтронов из рабочей зоны. Фланцевое соединение состоящее, например, из кольца 9, гайки 11 и втулки 12, предназначено для стыковки со штангой механизма вертикального перемещения. Для биологической защиты используется свинцовая дробь 13, заполняющая свободное пространство между коленами труб и стенкой корпуса. The target has a cover 1 and working elements 2 with a shell 3 located in the working area. Elements are assembled in cages and arranged along a triangular lattice with a step of 5.4 ± 0.05 mm. In the holder, the elements are attached at one end, which makes it possible to thermally lengthen them. The housing 4 is divided by a partition 5 into two flow chambers. The target implements a two-way flow diagram of the coolant. The channels for entering and leaving the coolant from the working area consist of a collector 6, a pipe 7, a housing 8, elbows 10, which are twisted pipes, the ends of each of the pipes being offset relative to each other by a distance of two pipe diameters. This design of the elbows allows you to place two pipes in a small volume, the displacement of the ends eliminates the direct cross of neutrons from the working area. A flange connection consisting, for example, of a ring 9, a nut 11 and a sleeve 12, is intended for docking with the rod of the vertical movement mechanism. For biological protection, lead shot 13 is used, which fills the free space between the pipe elbows and the body wall.

При работе линейного ускорителя пучок электронов подается в рабочую зону мишени, где при взаимодействии с ураном 238 происходит конверсия электронов через γ -кванты в нейтроны. С целью снижения потерь электронов на корпусе мишени в месте прохождения электронного пучка организована плоская площадка и толщина лобовой стенки уменьшена до 3 мм. Основное тепловыделение в мишени происходит в нескольких первых (по направлению пучка электронов) рядах рабочих элементов во фронтальной части мишени. Для повышения скорости воды, охлаждающей первые ряды рабочих элементов, с целью интенсификации теплосъема они отделены от основной массы элементов перегородкой. Вода поднимается по малой камере фронтальной части мишени и опускается по большой камере, где расположен основной массив рабочих элементов. В малой камере расположены 24 рабочих элемента диаметром 5 мм, имеющих на поверхности оболочек интенсификаторы теплообмена в виде сферических углублений лунок. В большой камере установлено 149 гладкоцилиндрических элемента. During the operation of a linear accelerator, an electron beam is fed into the working zone of the target, where, when interacting with uranium 238, electrons are converted through gamma quanta to neutrons. In order to reduce the loss of electrons on the target’s body, a flat platform was organized at the site of the electron beam passage and the thickness of the frontal wall was reduced to 3 mm. The main heat generation in the target occurs in the first few rows (in the direction of the electron beam) of the working elements in the frontal part of the target. To increase the speed of water cooling the first rows of working elements, in order to intensify heat removal, they are separated from the bulk of the elements by a partition. Water rises through the small chamber of the frontal part of the target and falls through the large chamber, where the main array of working elements is located. In the small chamber there are 24 working elements with a diameter of 5 mm, having heat transfer intensifiers on the surface of the shells in the form of spherical recesses of the holes. The large chamber has 149 smooth-cylinder elements.

Выполнение охлаждаемой поверхности оболочки твэл в виде сферических углублений лунок обеспечивает опережающий рост степени интенсификации теплообмена при десятикратно нарастающем уровне тепловой наг- рузки от тормозного излучения до значения q $\binom{К}{S}$ ^р 60

с сохранением заданного уровня стабильности гидравлического сопротивления тракта охлаждающего теплоносителя в пределах 10%
При испытаниях на линейном ускорителе электронов ЛУ-50 мишень обеспечила выход нейтронов 1,7˙10¹⁴ н/с, т.е. плотность потока нейтронов с поверхности 0,8˙10¹² ч/см² с примерно в 2,6 раза больше по сравнению с танталовыми конвертерами.The implementation of the cooled surface of the cladding of a fuel rod in the form of spherical recesses of the holes provides an accelerating increase in the degree of intensification of heat transfer with a tenfold increasing level of heat load from bremsstrahlung to q

\binom{TO}{S}

^p 60

while maintaining a given level of stability of the hydraulic resistance of the cooling fluid path within 10%
When tested on a linear electron accelerator LU-50, the target provided a neutron yield of 1.7 × 10 ¹⁴ n / s, i.e. the neutron flux density from the surface is 0.8 × ^{10 12} h / cm ² s, which is approximately 2.6 times higher compared to tantalum converters.

Claims

1. CHARGED PARTICLE ACCELERATOR TARGET, comprising a housing with a current-receiving window of a charged-particle beam, in the working area of the housing connected to the cooling system, fuel rods are made in the form of rods based on actinides sealed in a shell, characterized in that, in order to increase reliability and nuclear safety of the target, ensuring the stability of its quality during long-term operation, the working area is divided by a partition installed parallel to the current collector window into two flow chambers with optimized by the ratio of the bore in the frontal chamber facing the current collector window and connected to the pipe for the coolant inlet to the cross-sectional area of the shadow chamber connected to the coolant outlet pipe constituting 0.15 0.17, the fuel elements located in the frontal chamber are made with relief on the shell, while the pipes for entering and leaving the coolant are made of bifilar-screw with a screw pitch of at least two pipe diameters, and biological protection material is placed between the pipes and the walls of the target body.

2. The target according to claim 1, characterized in that, in order to increase safety at critical heat loads, the relief of the cooled fuel element shell is made in the form of spherical recesses-holes.