RU2243621C1 - Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation - Google Patents
Method and device for generating directional and coherent gamma-radiationInfo
- Publication number
- RU2243621C1 RU2243621C1 RU2003136409/28A RU2003136409A RU2243621C1 RU 2243621 C1 RU2243621 C1 RU 2243621C1 RU 2003136409/28 A RU2003136409/28 A RU 2003136409/28A RU 2003136409 A RU2003136409 A RU 2003136409A RU 2243621 C1 RU2243621 C1 RU 2243621C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- uranium
- wave
- neutrons
- nuclei
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способам получения направленного и когерентного излучения высокой энергии в рентгеновском и гамма-излучательном спектральных диапазонах с высокой выходной плотностью потока гамма-квантов (1024-1025 с-1· см-2) и устройствам для ее генерации, и предназначено для создания системы защиты планеты Земля от столкновения ее с космическими объектами, представляющими угрозу жизни на Земле (П.П.Кузнецов. Анализ следов падения особо крупных астероидов на поверхности Земли. Доклад на семинаре “Малые тела солнечной системы” в АИ РАН от 25.09.2002 г., А.В.Зайцев. Столкновения можно ожидать в любой момент //Земля и вселенная, 2002 г., №2 за март-апрель). Величины потоков (1020-1021 с-1· см-2) нейтронов накачки в предлагаемом изобретении могут быть получены только в результате специально сформированного ядерного взрыва. При этом возбуждение лазерной среды должно производиться потоками нейтронов накачки (Бушуев В.А., Кузмин Р.Н. Проблемы создания лазеров рентгеновского диапазона длин волн. Проблемы гамма-лазера, с.34-53, М.: Общество “Знание” РСФСР, 1976 г.; Husain J. Current trends in development of gamma ray lasers. J.Sci. IND RES., v. 49(8), p.390, 1990; Baldwin G. Approaches to the development of gamma-ray lasers, Rev. Mod. Phys., vol.53, №4. Part 486, 1981). Все существующие современные лазеры, в том числе и гамма-лазер, содержат три основных компонента: активная среда (элемент), в которой создают инверсию населенностей, устройство для создания инверсии в активной среде (система накачки) и устройство для обеспечения положительной обратной связи, например, резонатор для ИК- и видимого диапазонов. Они также обладают способностью концентрировать любую энергию (в том числе и световую) в пространстве и во времени (Борейшо А. Лазеры: устройство и действие, учебное пособие. Санкт-Петербург: Механический институт, 1992). Указанные необходимые требования по созданию гамма-лазера с ядерной накачкой выполняются при временном факторе накачки порядка 10-3 с, а время взрыва существующих ядерных зарядов определяются в 10-9 с, что исключает создание рассматриваемого устройства с помощью существующих ядерных зарядов. Данное противоречие преодолевается при единственном условии, когда увеличивают (растягивают) время ядерного взрыва до 10-3 с. Увеличение времени взрыва, осуществляют при изменении геометрического фактора и критических размеров (критический размер - это размер, сравнимый с длиной пробега нейтрона в среде, при котором начинают идти цепные ядерные реакции) ядерного заряда. В обычных ядерных зарядах (сферическая симметрия) критический размер заряда определяется только одним размером - диаметром. В этом случае ядерными реакциями однородно охватывается весь объем ядерного устройства за время 10-8 с. В случае цилиндрической симметрии критический размер заряда определяется двумя размерами - диаметром и длиной заряда. При такой симметрии осуществление ядерных реакций деления тяжелых ядер происходит не сразу во всем объеме, а с одного из торцов цилиндрического заряда (стержня). При этом стартовое (начальное) инициирование ядерных реакций деления производят с одного из торцов с помощью дополнительного источника быстрых нейтронов на основе существующих для этого ядерных реакций. В этом случае схватывание ядерными реакциями деления будет иметь неоднородный характер, т.е. возникнет подобие волны реакции. Волна реакций деления будет двигаться вдоль стержня со скоростью движения тепловых нейтронов, полученных в результате замедления быстрых нейтронов на ядрах водорода, и, которые в свою очередь рождаются при реакциях деления тяжелых ядер, инициируют эти реакции деления и усиливают в свою очередь волну ядерных реакций деления по мере продвижения по стержню ядерного заряда. В этом случае время взрыва определяется критической длиной стержня (длина ядерного заряда, при котором начинается цепная реакция деления) ядер урана и скоростью движения тепловых нейтронов, которые возбуждают реакции деления тяжелых ядер. Таким образом, в области волны реакции деления будет происходить излучение гамма-квантов, которые рождаются в процессе деления тяжелых ядер, двигаются вдоль стержня к противоположному торцу и излучаются с его поверхности в пространство. В зависимости от кристаллической структуры стержня и геометрического фактора активной ядерной твердотельной среды и от формирования волны реакции (инициируется нейтронной волной), которая создается дифракционным рассеянием тепловых нейтронов на кристаллической решетке и тем самым образуется когерентная волна гамма-излучения. Все необходимые параметры устройства, при которых осуществляются условия для излучения направленного и когерентного гамма-излучения, рассчитываются и определяются с позиции ядерной физики, квантовой электроники, квантовой физики твердого тела и квантово-волновой оптики нейтронов в твердотельных средах.The invention relates to laser technology, and in particular to methods for producing directed and coherent radiation of high energy in the x-ray and gamma-radiation spectral ranges with a high output flux density of gamma rays (10 24 -10 25 s -1 · cm -2 ) and devices for its generation, and is intended to create a system for protecting planet Earth from colliding with space objects that pose a threat to life on Earth (P.P. Kuznetsov. Analysis of traces of the fall of especially large asteroids on the Earth's surface. Report at the seminar “Mal e solar system bodies "in AI RAS on 25.09.2002, at A.V.Zaytsev. Collisions can be expected at any time // Earth and the universe, 2002,
Известен способ (прототип) получения инверсной заселенности (накачка) ядерных уровней в материале активной среды гамма-лазера для создания когерентного гамма-излучения от источника накачки (В.И. Петрик (RU) RU №2074469, МКИ 6 Н 01 S 4/00, 1997), который включает в себя использование монокристалла осмия 187, перевод некоторой доли ядер в возбужденное метастабильное состояние материала активной среды, создание инверсной заселенности между изомерными уровнями ядер осмия 187, создание в материале активной среды гамма-резонансных условий гамма-излучательного перехода, осуществление накачки изомерного уровня внешним источником.A known method (prototype) of obtaining inverse population (pumping) of nuclear levels in the material of the active medium of a gamma laser to create coherent gamma radiation from a pump source (V.I. Petrik (RU) RU No. 2074469, MKI 6 H 01
Известно устройство (прототип). Рентгеновский и гамма-лазер с ядерной накачкой от внешнего источника (Эдвард Теллер (US). Лазерное оружие //Ракетная и космическая техника, №16(1121), 17 апреля 1981 г., с.20, рис.3), которое включает внешний ядерный источник накачки активной среды, лазерные металлические стержни с диаметром, равным поглощению рентгеновского излучения, расположенные вокруг источника, твердое вещество в стержнях с высокой атомной плотностью,A device is known (prototype). X-ray and gamma laser with nuclear pumping from an external source (Edward Teller (US). Laser weapons // Rocket and space technology, No. 16 (1121), April 17, 1981, p.20, Fig. 3), which includes an external nuclear source for pumping the active medium, laser metal rods with a diameter equal to the absorption of x-ray radiation located around the source, solid matter in rods with a high atomic density,
Известный способ не может обеспечить представленным энергетическим источником внешнюю нейтронную накачку ядерных уровней для поддержания инверсной заселенности, чтобы на выходе получить потоки гамма-излучения порядка 1025 с-1· см-2, т.к. для этого понадобятся потоки гамма излучений, превышающих выходные потоки гамма на несколько порядков, а такой источник в способе не указан. Накачка для возбуждения ядер в этом способе производится гамма-излучением, при ядерном взрыве, а не нейтронами, что резко уменьшает выходные потоки гамма-лазерного излучения, т.к. первичное гамма-излучение только частично будет поглощаться в активной среде гамма-лазера при создания инверсной заселенности небольшой доли возбуждаемых ядер. Кроме того, для создания инверсной заселенности необходимо, чтобы было совпадение энергии налетающего гамма-кванта с ядерным переходом с точностью до ширины перехода. В данном случае такая часть необходимой энергии гамма-квантов содержится только в очень малой доле энергетического распределения гамма-излучения при ядерном взрыве. В основном при ядерном делении вылетают гамма-кванты с энергией 6-9 МэВ. При самом ядерном взрыве за счет образования высокотемпературной плазмы излучается сплошной спектр излучений в рентгеновском диапазоне 10-100 кэВ. Таким образом, выходная потоковая величина гамма-лазерного излучения станет еще на несколько порядков меньше по сравнению с исходным потоком гамма-квантов от ядерного взрыва. При этом необходимая энергия гамма-кванта лазерного излучения должна иметь величину порядка 257 кэВ, а для рассматриваемого спектра интенсивность излучения при такой энергии уменьшается на несколько порядков. В данном случае только небольшая часть выходного излучения будет использована на возбуждение необходимых ядерных уровней. При этом основная часть энергии излучения накачки бесполезно рассеется. Кроме того, предлагаемый способ преобразования энергии накачки в направленное когерентное гамма-излучение не подтверждается какими-либо математическими расчетами или результатами экспериментов.The known method cannot provide an external neutron pumping of nuclear levels by the provided energy source to maintain inverse population, in order to obtain gamma radiation fluxes of the order of 10 25 s -1 · cm -2 , as for this, gamma-ray streams will be required that exceed the gamma-ray output streams by several orders of magnitude, and such a source is not indicated in the method. The pump for excitation of nuclei in this method is produced by gamma radiation, in a nuclear explosion, and not by neutrons, which dramatically reduces the output streams of gamma laser radiation, because primary gamma radiation will only be partially absorbed in the active medium of the gamma laser when creating an inverse population of a small fraction of the excited nuclei. In addition, to create an inverse population, it is necessary that there is a coincidence of the energy of the incident gamma quantum with the nuclear transition, accurate to the width of the transition. In this case, such a part of the necessary energy of gamma rays is contained only in a very small fraction of the energy distribution of gamma radiation in a nuclear explosion. Mostly during nuclear fission, gamma rays with an energy of 6–9 MeV fly out. In a nuclear explosion itself, due to the formation of a high-temperature plasma, a continuous spectrum of radiation is emitted in the X-ray range of 10-100 keV. Thus, the output flux of gamma-ray radiation will become even several orders of magnitude lower than the initial flux of gamma-rays from a nuclear explosion. In this case, the necessary energy of the gamma-ray laser radiation should be of the order of 257 keV, and for the spectrum under consideration the radiation intensity at this energy decreases by several orders of magnitude. In this case, only a small part of the output radiation will be used to excite the necessary nuclear levels. In this case, the bulk of the energy of the pump radiation is scattered uselessly. In addition, the proposed method of converting pump energy into directed coherent gamma radiation is not confirmed by any mathematical calculations or experimental results.
В известном устройстве используется внешняя накачка материала активной среды гамма-лазера рентгеновским излучением и гамма-излучением ядерного взрыва. При внешней накачке только очень небольшая доля энергии излучения поглощается в тонких стержнях на глубину их диаметра. В данном случае в основном поглощается излучение в рентгеновском диапазоне, т.к. длина поглощения рентгеновского излучения составляет десятые доли мм. Такой же толщины берутся и металлические стержни. В результате такой накачки активной лазерной среды происходит поглощение излучения за счет эффекта Оже (процесс заполнения электроном вакансий в одном из внутренних уровней энергии атома Физический Энциклопедический Словарь, изд. МЭС, с.484, 1984). Верхние электроны в атоме тяжелого металла за малый промежуток времени (10-15 с) начинают занимать освободившийся уровень и излучать кванты перехода с верхнего уровня на нижний уровень. Поэтому, чтобы создать условие инверсной заселенности на данном атомном уровне, необходимы потоки накачки рентгеновским излучением, намного превышающие современные источники ядерных взрывов. В силу эффекта Костера-Кронига (процесс, при котором первичная вакансия энергетического электронного уровня переходит в одну из вторичных вакансий, принадлежащих одной и той же оболочке многоэлектронного атома, см. там же.) излучаемый квант по мере продвижения в электронной среде атома преобразуется в несколько квантов меньшей энергии в сумме, равной энергии первоначального кванта. Таким образом, энергия выходного гамма-кванта уменьшается. Данное устройство было испытано в США, но когерентного излучения получено не было. Однако было получено направленное излучение за счет геометрического фактора длинного тонкого стержня (струны). Такой способ накачки является неэффективным с точки зрения кпд преобразования, т.к. с одной стороны геометрические свойства внешней накачки таковы, что основная часть энергии излучения не используется, а с другой стороны выходное излучение не является когерентным, и будет иметь место сильная геометрическая расходимость выходного излучения. В том случае если излучение было бы когерентным, то имело место дифракционная расходимость, которая на несколько порядков меньше геометрической. Поэтому полученные при испытании в США величины выходного излучения рассматриваемого лазера, составляющие сотни терраватт, практического интереса не представляют, т.к. при характерном времени накачки рентгеновского уровня атома, равном 10-20 с, выходная энергия излучения при такой мощности составит только 0,01 Дж. В данном устройстве выходное излучение представляет собой только рентгеновский диапазон, что соответствует энергии кванта 10-100 кэВ, а это небольшая часть полного спектра ядерного взрыва, т.к. в этом случае происходят большие потери энергии накачки также и по спектру излучения. Полученные результаты по выходному излучению из стержня показали, что они составляют только 0,001% от рентгеновского излучения ядерного взрыва. Таким образом, называть рассматриваемое устройство рентгеновским лазером и тем более гамма-лазером в свете описанных выше условий работы и выходных параметров излучения можно только условно, а само устройство (прототипа) надо рассматривать как ядерный заряд со стержнями с высокой атомной плотностью. Однако каких-либо других устройств подобного типа до настоящего времени создано не было и подобных экспериментов больше не проводилось. Дополнительно можно отметить, что в известном способе и устройстве отсутствует единый замысел, т.к. в способе отсутствует ядерный источник накачки, но присутствует активная среда гамма-лазера, а в устройстве активная среда присутствует, но не для осуществления в устройстве лазерных процессов, а для возбуждения глубоких высокоэнергетических атомных уровней и переизлучения энергии накачки в направленное излучение, за счет влияния геометрического фактора накачиваемой среды. В результате рассмотренные способ и устройство (прототипов) не являются средствами защиты планета Земля от встреч с космическими объектами из-за недостаточной энергетической мощности выходного излучения в обоих прототипах и общий для обоих них низким кпд их работы.The known device uses external pumping of the material of the active medium of a gamma laser by x-ray radiation and gamma radiation of a nuclear explosion. With external pumping, only a very small fraction of the radiation energy is absorbed in thin rods to the depth of their diameter. In this case, radiation in the X-ray range is mainly absorbed, because X-ray absorption length is tenths of mm. The same thickness are taken and metal rods. As a result of such pumping of the active laser medium, radiation is absorbed due to the Auger effect (the process of filling electrons of vacancies in one of the internal energy levels of an atom, Physical Encyclopedic Dictionary, ed. MES, p. 484, 1984). For a short period of time (10 -15 s), the upper electrons in a heavy metal atom begin to occupy the liberated level and emit transition quanta from the upper level to the lower level. Therefore, in order to create an inverse population condition at a given atomic level, X-ray pumping fluxes are required, far exceeding modern sources of nuclear explosions. By virtue of the Koster-Kronig effect (a process in which a primary vacancy of an energy electronic level transforms into one of the secondary vacancies belonging to the same shell of a multielectron atom, see ibid.), The emitted quantum transforms as it moves through the electron medium into several quanta of lesser energy in the amount equal to the energy of the original quantum. Thus, the energy of the output gamma ray decreases. This device was tested in the USA, but no coherent radiation was received. However, directional radiation was obtained due to the geometric factor of a long thin rod (string). This pumping method is ineffective in terms of conversion efficiency, since on the one hand, the geometric properties of external pumping are such that the bulk of the radiation energy is not used, and on the other hand, the output radiation is not coherent, and there will be a strong geometric divergence of the output radiation. In that case, if the radiation were coherent, then there was a diffraction divergence, which is several orders of magnitude less than the geometric. Therefore, the values of the output radiation of the laser under consideration, which are hundreds of terawatts, obtained during testing in the USA, are of no practical interest, because with a typical atomic X-ray pump time of 10 −20 s, the output radiation energy at this power will be only 0.01 J. In this device, the output radiation represents only the X-ray range, which corresponds to a quantum energy of 10–100 keV, and this is small part of the full spectrum of a nuclear explosion, as In this case, large losses of pump energy occur also in the emission spectrum. The results obtained on the output radiation from the rod showed that they make up only 0.001% of the x-ray radiation of a nuclear explosion. Thus, the device in question can be called an X-ray laser and, especially, a gamma laser in the light of the operating conditions described above and the output radiation parameters can only be conditionally, and the device itself (prototype) should be considered as a nuclear charge with rods with high atomic density. However, no other devices of this type have been created to date and no such experiments have been conducted. Additionally, it can be noted that in the known method and device there is no single concept, because the method does not have a nuclear pump source, but an active medium of a gamma laser is present, and an active medium is present in the device, but not for carrying out laser processes in the device, but for exciting deep high-energy atomic levels and re-emitting the pump energy into directional radiation due to the influence of geometric factor of the pumped medium. As a result, the considered method and device (of prototypes) are not means of protecting planet Earth from encounters with space objects due to insufficient energy output radiation in both prototypes and the low efficiency of both of them.
Техническим достижением настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, увеличения кпд работы способа и устройства, получения направленного и когерентного импульсного гамма-излучения высокой плотности мощности и потока энергии, которые осуществляются только при объединении в единый замысел нового способа организации гамма-излучательного перехода активной среды и источника ядерной накачки. Необходимые для поставленной задачи параметры выходного излучения можно получить только при совмещении источника ядерной накачки с материалом активной среды гамма-лазера и при использовании в качестве накачки активной среды нейтронные потоки ядерного взрыва, а не гамма-кванты. Для реализации такого устройства необходимо произвести изготовление твердотельного стержня с субкритическими размерами в виде монокристалла с определенным направлением межкристаллических плоскостей из неметаллического материала, являющегося химическим соединением атомов замедлителя для нейтронов накачки и тяжелых атомов источника накачки в активной среде гамма-лазера с гомогенным распределением в нем легких и тяжелых ядер.A technical achievement of the present invention is the elimination of these drawbacks, increasing the efficiency of the method and device, obtaining directed and coherent pulsed gamma radiation of high power density and energy flow, which are carried out only when combining into a single concept a new method of organizing the gamma-radiation transition of the active medium and source nuclear pumping. The output radiation parameters necessary for the task can be obtained only by combining the nuclear pump source with the material of the active medium of the gamma laser and using neutron fluxes of a nuclear explosion as a pump of the active medium, rather than gamma rays. To implement such a device, it is necessary to manufacture a solid-state rod with subcritical dimensions in the form of a single crystal with a certain direction of intercrystalline planes from non-metallic material, which is a chemical compound of moderator atoms for pump neutrons and heavy atoms of a pump source in an active medium of a gamma laser with a homogeneous distribution of light and heavy cores.
Существующие способы получения мощных энергетических потоков для использования их на расстоянии порядка 105 км в технических проектах не рассматривались, т.к. считались не реальными. Рассмотрение с одной стороны физических процессов возбуждения тяжелых ядер и их деление тепловыми нейтронами с позиции квантовой электроники, когда такие процессы определяются по аналогии с явлением инверсной заселенности атомных или ядерных уровней, возбуждаемых рентгеновским или гамма-излучением, а с другой стороны результатами исследований по применению новых технологий выращивания монокристаллов (Монокристаллы, их получение и свойства, Сборник трудов №8 ВНИИМонокристаллов, Харьков, 1982; Рязанов М.И. Взаимодействие ядерных излучений с монокристаллами. М.: МИФИ, 1979), а также разработками по выращиванию новых металлов и монокристаллов из соединений гидрида различным металлов (Царев В.А. Низкотемпературный ядерный синтез, УФН, т.160, вып.11, 1990), позволяют создать по материалам представленного изобретения источник управляемого когерентного гамма-излучения для направленной ее генерации в космическом пространстве. В этой связи вышедший из боевого торца гамма-лазера суммарный пучок длительностью 10-3 с когерентных и некогерентных квантов рентгеновского излучения и гамма-квантов перемещается в пространстве со скоростью света и несет в себе большую часть энергии ядерного взрыва. Такой источник способен защитить планету Земля от любых космических объектов, пересекающих ее орбиту, путем многократного ударного воздействия в одно и тоже место на этом объекте с оптимального расстояния. При таком воздействии можно или разрушить тело астероида, или создать условия для отклонения его траектории на безопасное расстояние от планеты Земля, за счет образования реактивной тяги путем испарения вещества астероида в заданном направлении.The existing methods for producing powerful energy flows for their use at a distance of about 10 5 km were not considered in technical projects, because were considered not real. Consideration on the one hand of the physical processes of excitation of heavy nuclei and their fission by thermal neutrons from the perspective of quantum electronics, when such processes are determined by analogy with the phenomenon of inverse population of atomic or nuclear levels excited by x-ray or gamma radiation, and on the other hand, the results of studies on the use of new technologies for growing single crystals (Single crystals, their preparation and properties, Proceedings No. 8 of the VNIIM single crystals, Kharkov, 1982; Ryazanov MI Interaction of nuclear radiation single crystals. M: MEPhI, 1979), as well as developments on the growth of new metals and single crystals from hydride compounds of various metals (Tsarev V.A. Low-temperature nuclear fusion, Usp. Fiz. Nauk, vol. 160, vol. 11, 1990), allow to create, based on the materials of the present invention, a source of controlled coherent gamma radiation for its directed generation in outer space. In this regard, the total beam of 10 -3 radiation emerging from the combat end of the gamma laser with coherent and incoherent X-ray and gamma-ray quanta moves in space at the speed of light and carries most of the energy of a nuclear explosion. Such a source is capable of protecting planet Earth from any space objects crossing its orbit by repeatedly impacting at the same place on this object from an optimal distance. With this effect, you can either destroy the body of the asteroid, or create conditions for the deviation of its trajectory to a safe distance from the planet Earth, due to the formation of reactive thrust by evaporation of the substance of the asteroid in a given direction.
Технический результат достигается с помощью способа получения направленного и когерентного гамма-излучения, включающий в себя использование монокристалла осмия 187, перевод некоторой доли ядер в возбужденное метастабильное состояние материала активной среды, создание инверсной заселенности между изомерными уровнями ядер осмия 187, создание в материале активной среды гамма-резонансных условий гамма-излучательного перехода с энергией 257 кэВ, осуществление накачки изомерного уровня внешним источником, отличающийся тем, что в качестве материала активной среды используют монокристалл, который состоит из гидрида изотопа урановой группы, который получают, например, в вакуумной нагревательной печи внутри металлического цилиндра путем кристаллизации, для чего поверхность его внутреннего диаметра покрывают слоем материала из гидрида другого металла и выращивают цилиндрический монокристалл с межкристаллическими плоскостями, которые параллельны между собой и его оси и, таким образом, внедряют пропорционально и гомогенно распределяют ядра водорода и ядра изотопов урановой группы и в результате совмещают источник ядерной накачки, замедлитель для нейтронов, формирователь нейтронный волны и получают гомогенный ядерный реактор в предкритическом состоянии (начало цепных ядерных реакций деления), составляющий активную среду гамма-лазера в монокристалле, а на внешний диаметр цилиндра последовательно надевают металлические оболочки, которые отражают и поглощают тепловые нейтроны, и несущий стальной корпус, один из торцов, которого закрывают конической заглушкой, а к противоположному торцу дополнительно присоединяют стакан с глухим торцом и осевой полостью и затвор, с сообщающимися между собой и герметично закрытыми торцами радиальными полостями, в одну из которых устанавливают тротиловый заряд, а в общую осевую полость стакана и полость затвора соосно устанавливают с радиальным перемещением по затвору металлическую пробку из материала, поглощающую тепловые нейтроны, и с осевым перемещением по стакану внешний источник быстрых нейтронов в виде монолитного цилиндра и подвижного поршня, и еще один тротиловый заряд у глухого торца стакана, а направленное когерентное излучение гамма-квантов, рентгена и нейтронов, получают в реакторе из монокристалла, когда создают критический режим его работы при инициировании цепной реакции деления тяжелых ядер тепловыми нейтронами в момент контакта торцевой поверхности внешнего источника быстрых нейтронов с торцевой поверхностью монокристалла из гидрида урана, когда последовательно подрывают в радиальной и осевых полостях затвора и стакана тротиловые заряды, газовым давление которых выбивают пробку в свободную радиальную камеру, а на ее место перемещают монолитный цилиндр с источником нейтронов и подвижный поршень, который усиливает контакт по всей поверхности и равномерно прижимает торцы источника нейтронов и монокристалла друг к другу и инициируют тем самым запуск ядерных реакций источника накачки в активной среде гамма-лазера с последующим выходом из торца цилиндра с конической заглушки когерентного и направленного гамма-излучения, который в свою очередь образован путем инициирования ядерных реакций нейтронами нейтронной волны, движущейся направлено вдоль продольной оси монокристалла. Рассеивают и замедляют нейтроны деления тяжелых ядер до тепловых нейтронов с пространственно-неоднородным распределением и инициируют цепную реакцию деления тяжелых ядер и испускание нейтронов и гамма квантов цепной реакции деления. Рассеивают и замедляют быстрые нейтроны цепной реакции деления тяжелых ядер до тепловых нейтронов на ядрах водорода и формируют из части тепловых нейтронов когерентно рассеянные нейтроны за счет отражения на кристаллических плоскостях монокристалла из гидрида урана. Формируют и усиливают направленную нейтронную волну из когерентно рассеянных тепловых нейтронов в направлении оси цилиндра за счет процессов: инициирования цепного деления тяжелых ядер тепловыми нейтронами, отражения от гидридного слоя на внешней поверхности цилиндра и дифракционного отражения кристаллическими плоскостями монокристалла из гидрида урана. Инициируют, формируют и усиливают фазовую (когерентную) волну цепной реакции распада ядер урана в стержне из гидрида урана в результате поглощения нейтронов нейтронной волны тяжелыми ядрами. Инициируют, формируют и усиливают направленные фазовые (когерентные) волны нейтронов и гамма квантов за счет деления тяжелых ядер нейтронами нейтронной волны и когерентной волны цепной реакции деления тяжелых ядер. Формируют фронт тепловой волны в стержне, которая возникает за счет выделения энергии в процессах деления тяжелых ядер так, чтобы скорость тепловой волны не превышала скорости нейтронной волны. Формируют фронт волны испарения стержня, которая возникает в результате выделения тепла так, чтобы скорость волны испарения не превышала скорости нейтронной волны. Формируют фронт волны сжатия и разряжения среды стержня за счет образования фронта тепловой волны. Рассеивают и частично преобразуют направленную когерентную волну нейтронов в нейтронную волну для инициирования и усиления фазовой волны цепной реакции деления ядер урана, а остальную часть испускают с противоположного торца цилиндра монокристалла. Рассеивают и частично преобразуют направленную когерентную волну гамма-квантов в рентгеновскую когерентную волну за счет комптоновского рассеяния на электронах среды и испускают направленную когерентную волну рентгена и остальную часть направленного когерентного потока гамма-квантов через противоположный торец цилиндра из гидрида урана.The technical result is achieved using a method for producing directed and coherent gamma radiation, which includes the use of an osmium 187 single crystal, transferring a certain fraction of nuclei to an excited metastable state of the material of the active medium, creating an inverse population between the isomeric levels of osmium 187 nuclei, creating gamma in the active medium resonance conditions of the gamma-radiative transition with an energy of 257 keV, pumping the isomeric level with an external source, characterized in that as The active medium series uses a single crystal, which consists of a uranium group isotope hydride, which is obtained, for example, in a vacuum heating furnace inside a metal cylinder by crystallization, for which the surface of its inner diameter is covered with a layer of another metal hydride material and a cylindrical single crystal with intercrystalline planes is grown, which are parallel to each other and its axis and, thus, introduce proportionally and homogeneously distribute hydrogen nuclei and nuclei of uranium isotopes groups and as a result combine a nuclear pump source, a moderator for neutrons, a neutron wave shaper and get a homogeneous nuclear reactor in a precritical state (the beginning of chain nuclear fission reactions), which constitutes the active medium of a gamma laser in a single crystal, and metal shells are sequentially put on the outer cylinder diameter , which reflect and absorb thermal neutrons, and a supporting steel casing, one of the ends, which is closed with a conical plug, and additionally attached to the opposite end they connect a glass with a blind end and an axial cavity and a shutter, with radial cavities communicating with each other and hermetically sealed ends, TNT charge is installed in one of them, and a metal tube made of material is coaxially inserted into the common axial cavity of the glass and shutter cavity with a radial movement along the shutter absorbing thermal neutrons, and with axial movement along the glass, an external source of fast neutrons in the form of a monolithic cylinder and a movable piston, and another TNT charge at the blind end of the glass, and Directed coherent radiation of gamma rays, X-rays and neutrons is obtained from a single crystal in the reactor when they create a critical mode of its operation when initiating a chain reaction of fission of heavy nuclei by thermal neutrons at the moment of contact of the end surface of an external source of fast neutrons with the end surface of a uranium hydride single crystal when successively undermine in the radial and axial cavities of the shutter and the glass TNT charges, the gas pressure of which knocks the cork into a free radial chamber, and on it the place is moved by a monolithic cylinder with a neutron source and a movable piston that enhances contact over the entire surface and uniformly presses the ends of the neutron source and single crystal to each other and thereby initiate the start of nuclear reactions of the pump source in the active medium of the gamma laser with subsequent exit from the cylinder end with conical plugs of coherent and directional gamma radiation, which in turn is formed by initiating nuclear reactions by neutrons of a neutron wave moving along single axis of a single crystal. The fission neutrons of heavy nuclei are scattered and slow down to thermal neutrons with a spatially inhomogeneous distribution and initiate a chain reaction of fission of heavy nuclei and the emission of neutrons and gamma quanta of the fission chain reaction. The fast neutrons of the chain reaction of fission of heavy nuclei to thermal neutrons are scattered and slowed down by hydrogen nuclei and coherently scattered neutrons are formed from a portion of thermal neutrons due to reflection on the crystal planes of a uranium hydride single crystal. A directed neutron wave is generated and amplified from coherently scattered thermal neutrons in the direction of the cylinder axis due to processes: initiation of chain fission of heavy nuclei by thermal neutrons, reflection from the hydride layer on the outer surface of the cylinder, and diffraction reflection by crystal planes of a uranium hydride single crystal. They initiate, form and amplify the phase (coherent) wave of the chain reaction of decay of uranium nuclei in a rod from uranium hydride as a result of absorption of neutrons by a neutron wave by heavy nuclei. Initiate, form and amplify directed phase (coherent) waves of neutrons and gamma quanta due to fission of heavy nuclei by neutrons of a neutron wave and a coherent wave of a chain reaction of fission of heavy nuclei. The front of the thermal wave is formed in the rod, which occurs due to the release of energy in the processes of fission of heavy nuclei so that the speed of the thermal wave does not exceed the speed of the neutron wave. The front of the rod’s evaporation wave is formed, which occurs as a result of heat generation so that the speed of the evaporation wave does not exceed the speed of the neutron wave. A wave front of the compression and rarefaction of the rod medium is formed due to the formation of a heat wave front. The directed coherent neutron wave is scattered and partially converted into a neutron wave to initiate and amplify the phase wave of the chain reaction of fission of uranium nuclei, and the rest is emitted from the opposite end of the single crystal cylinder. The directed coherent wave of gamma quanta is scattered and partially converted into an x-ray coherent wave due to Compton scattering on the electrons of the medium and a directed coherent x-ray wave and the rest of the directed coherent flow of gamma quanta are emitted through the opposite end of the cylinder from uranium hydride.
Технический результат достигается также с помощью устройства для генерации гамма-излучения, содержащее, внешний ядерный источник накачки активной среды, лазерные металлические стержни с диаметром равным поглощению рентгеновского излучения, расположенные вокруг источника, твердое вещество в стержнях с высокой атомной плотностью, для генерации гамма-излучения, отличающееся тем, что оно состоит из лазерного твердотельного неметаллического стержня из гидрида металла урановой группы в виде удлиненного цилиндра с предкритическими размерами диаметра и длины, в объеме решетчатой структуры, в которой однородно размещены с концентрацией пропорционально химическому соединению изотопы урана и легких ядер атомов водорода, составляющих кристаллическую решетку монокристалла в виде межкристаллических плоскостей, параллельных между собой и оси лазерного стержня, и представляет собой гомогенный ядерный реактор, который в общем объеме состоит из лазерного стержня, являющийся одновременно замедлителем для быстрых нейтронов, формирователем нейтронной волны, источником накачки и лазерно-активной средой, а по внешнему диаметру монокристалл заключен в тонкую оболочку из фольги, состоящей из материала, отражающего тепловые нейтроны, например, из гидрида лития, титановую цилиндрическую оболочку и в металлические оболочки, состоящие из материалов, отражающих и поглощающих быстрые и тепловые нейтроны, а также в несущий стальной корпус с соединительными фланцами по его торцам, где на один из торцов корпуса герметично и жестко установлена конической формы металлическая заглушка, а на противоположном торце также жестко дополнительно установлен закрытый с одного торца стальной стакан, состоящий из осевой камеры, и затвор, состоящий из смежных между собой симметричных радиальных камер, в одну из которых жестко установлен тротиловый заряд, а в осевую камеру стакана герметично и последовательно установлены: радиально перемещающаяся в затворе монолитная металлическая пробка из материала, поглощающего нейтроны, и имеющие осевое перемещение по стакану внешний источник быстрых нейтронов в виде подвижного монолитного цилиндра и подвижный поршень, а также жестко установлен еще один тротиловый заряд, который размещен у закрытой стенки осевой камеры стакана. Пробка и источник быстрых нейтронов заключены в стальные цилиндрические рубашки. Цилиндр заключен в собственный, закрытый с одного торца металлический стакан из материала, поглощающего тепловые нейтроны, и открытым торцом направлен в сторону пробки, при этом он жестко и герметично размещен в стальной цилиндрической рубашке.The technical result is also achieved using a device for generating gamma radiation, comprising, an external nuclear source for pumping an active medium, laser metal rods with a diameter equal to the absorption of x-ray radiation, located around the source, a solid substance in rods with high atomic density, for generating gamma radiation , characterized in that it consists of a laser solid-state non-metallic rod of a metal hydride of a uranium group in the form of an elongated cylinder with precritical dimensions diameter and length, in the volume of the lattice structure, in which isotopes of uranium and light nuclei of hydrogen atoms uniformly distributed with concentration in proportion to the chemical compound, which form the crystal lattice of the single crystal in the form of intercrystalline planes parallel to each other and to the axis of the laser rod, is a homogeneous nuclear reactor , which in total consists of a laser rod, which is simultaneously a moderator for fast neutrons, a neutron wave shaper, and a pump source and a laser-active medium, and by its outer diameter the single crystal is enclosed in a thin foil shell consisting of a material reflecting thermal neutrons, for example, lithium hydride, a titanium cylindrical shell and in metal shells consisting of materials reflecting and absorbing fast and thermal neutrons, as well as in a bearing steel casing with connecting flanges at its ends, where a metal plug is sealed and rigidly mounted in a conical shape on one of the ends of the casing, and also rigidly on the opposite end o additionally installed is a steel cup closed from one end, consisting of an axial chamber, and a shutter, consisting of adjacent symmetrical radial chambers, one of which has a TNT charge rigidly mounted, and are sealed and sequentially installed in the axial chamber of the cup: radially moving in the shutter monolithic metal tube made of a neutron-absorbing material and having an axial displacement along the glass an external source of fast neutrons in the form of a movable monolithic cylinder and a movable piston, as well as Another TNT charge is well installed, which is located near the closed wall of the axial chamber of the glass. The cork and the source of fast neutrons are enclosed in steel cylindrical shirts. The cylinder is enclosed in its own metal cup closed from one end from a material that absorbs thermal neutrons, and with its open end directed toward the cork, it is rigidly and hermetically placed in a steel cylindrical shirt.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны варианты решетчатых структур цилиндрического монокристалла в виде кристаллических плоскостей, параллельных оси симметрии цилиндра (реактора): а - решетчатая структура выполнена в виде крупных кристаллических плоскостей, параллельных оси цилиндра; б - решетчатая структура выполнена в виде набора из отдельных цилиндров с параллельными оси кристаллическими плоскостями; в - решетчатая структура выполнена в виде отдельных мелких кристаллических плоскостей по варианту а и б; на фиг.2 представлена изометрия гамма-лазерного устройства с осевым разрезом, находящегося в предстартовом (в прекритическом состоянии) положении на космической орбите, на фиг.3 представлен элемент изометрии гамма-лазерного устройства с осевым разрезом в момент его старта на космической орбите при контакте торца активной среды монокристалла с поверхностью источника быстрых нейтронов, на фиг.4 представлено схематически физика процесса деления тяжелого ядра и образования гамма-кванта при поглощении теплового нейтрона, на фиг.5 представлено схематически образование когерентного излучения гамма-квантов в результате инициирования реакций деления тяжелых ядер нейтронами нейтронной волны, на фиг.6 показана картина дифракционного рассеяния тепловых нейтронов на межкристаллических плоскостях монокристалла и образование нейтронной волны, на фиг.7 дана общая физическая картина развития процессов при формировании и выхода когерентного гамма-излучения из монокристалла гамма-лазера в момент старта с космической орбиты: на фиг.8 представлен график изменения интенсивности нейтронной волны при движении по стержню в результате выделение нейтронов за счет цепной реакции распада урана 235 инициируемые нейтронами нейтронной волны, на фиг.9 изображен график зависимости изменения критической длины от критического радиуса стержня из кристалла гидрида урана 235 без отражателя, на фиг.10 представлен график зависимости изменения критической длины (см) от критического радиуса (см) реактора из гидрида урана 235 с отражателем из гидрида лития толщиной 0,05 см, на фиг.11 представлен график зависимости изменения критической длины (см) от критического радиуса (см) реактора из гидрида урана 235 с отражателем из гидрида лития толщиной 0,1 см, на фиг.12 представлен график зависимости изменения критической длины (см) от критического радиуса (см) реактора из гидрида урана 235 с отражателем из гидрида лития толщиной 0,2 см, на фиг.13 представлен график зависимости изменения интенсивности (с-1· см-2) ядерных реакций распада урана от времени (с) в течение времени жизни теплового нейтрона в результате инициирования реакций распада нейтронами от источника на торце реактора, на фиг.14 показан график изменения скорости испарения стержня из гидрида урана в зависимости от длины испарения стержня за счет удельной выделяемой энергии в результате цепной реакции распада ядер урана инициируемой нейтронной волной, на фиг.15 представлен график изменения температуры (тепловая волна) разогрева стержня по мере продвижения нейтронной волны по реактору от расстояния на длине 10 см, на фиг.16 представлен график изменения температуры (тепловая волна) разогрева реактора по мере продвижения нейтронной волны по реактору от расстояния на длине 1 см.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a variant of the lattice structures of a cylindrical single crystal in the form of crystalline planes parallel to the axis of symmetry of the cylinder (reactor): a - the lattice structure is made in the form of large crystalline planes parallel to the axis of the cylinder; b - the lattice structure is made in the form of a set of individual cylinders with crystalline planes parallel to the axis; c - the lattice structure is made in the form of separate small crystalline planes according to option a and b; figure 2 presents an isometry of a gamma laser device with an axial section, located in the pre-launch (in a critical state) position in space orbit, figure 3 presents an isometric element of a gamma laser device with an axial section at the time of its launch in space orbit upon contact the end face of the active medium of a single crystal with the surface of a fast neutron source, Fig. 4 shows schematically the physics of the process of fission of a heavy nucleus and the formation of a gamma ray upon absorption of a thermal neutron, Fig. 5 shows but schematically the formation of coherent gamma-ray emission as a result of the initiation of fission reactions of heavy nuclei by neutrons of a neutron wave, Fig. 6 shows a diffraction scattering of thermal neutrons on the intercrystalline planes of a single crystal and the formation of a neutron wave, Fig. 7 gives a general physical picture of the development of processes during formation and the output of coherent gamma radiation from a gamma laser single crystal at the time of launch from space orbit: Fig. 8 shows a graph of changes in the intensity of neutrons a wave when moving along the rod as a result of neutron emission due to the chain reaction of decay of uranium 235 initiated by neutrons of a neutron wave, Fig. 9 shows a graph of the dependence of the change in the critical length on the critical radius of a rod from a uranium hydride crystal 235 without a reflector, Fig. 10 shows the dependence of the change in the critical length (cm) on the critical radius (cm) of a uranium hydride reactor 235 with a reflector of lithium hydride 0.05 cm thick, Fig. 11 shows a graph of the dependence of the change on the critical length (cm ) on the critical radius (cm) of a uranium hydride reactor 235 with a 0.1 cm thick lithium hydride reflector, Fig. 12 shows a graph of the dependence of the change in the critical length (cm) on the critical radius (cm) of a uranium hydride reactor 235 with a reflector of lithium hydride with a thickness of 0.2 cm, Fig. 13 shows a graph of the dependence of the intensity (s -1 · cm -2 ) of nuclear reactions of uranium decay on time (s) over the lifetime of a thermal neutron as a result of initiation of neutron decay reactions from the source to end of the reactor, Fig.14 shows n is a graph of the change in the rate of evaporation of a rod from uranium hydride depending on the length of evaporation of the rod due to the specific energy released as a result of a chain reaction of the decay of uranium nuclei initiated by a neutron wave, Fig. 15 shows a graph of the temperature (thermal wave) of heating of the rod as the neutron wave moves in the reactor from a distance of 10 cm, Fig. 16 shows a graph of the temperature (heat wave) of heating the reactor as the neutron wave moves through the reactor from a distance of 1 cm.
Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из титанового полого цилиндра 1, внутренний диаметр которого по всей длине покрыт плотно прилегающей к его поверхности фольгой 2 толщиной до 0,1 см, выполненной из материала, отражающего тепловые нейтроны, например гидрида лития. В образованный фольгой 2 диаметр, также плотно к ее поверхности и по всей длине размещен путем выращивания цилиндрический монокристалл 3 из гидрида изотопа урановой группы с критическими размерами по диаметру и длине. Монокристалл 3 по всему объему представляет собой решетчатую структуру из параллельных между собой и оси цилиндра 1 кристаллических плоскостей 4 (вариант а), или из отдельных составных наборов цилиндрических элементов 5, каждый из которых включает позиции 1, 2, 3 (вариант б), или из отдельных мелких кристаллических плоскостей 6 (вариант в) на фиг.1. Для всех вариантов кристаллические плоскости имеют, например, координаты (1, 0, 0). Позиции 1, 2, 3, 4, 5, 6 характеризуют самостоятельный элемент устройства как лазерный стержень 7 с вариантами (а, б, в), который в лазерной технике и в нашем случае выполняет функцию зоны активной среды твердотельного лазера в виде монокристалла 3 фиг.2, 1. Активная среда лазера в виде монокристалла 3 совмещена с источником его накачки в виде гидрида изотопа урановой группы, равномерно размещенного в том же монокристалле 3. На лазерный стержень 7 (или на внешний диаметр титанового цилиндра 1) плотно и жестко установлены цилиндрические оболочки: оболочка 8, выполненная из материала, отражающего тепловые нейтроны, например бериллия, оболочка 9, выполненная из материала, поглощающего тепловые нейтроны, например кадмия, и стальной несущий корпус 10 с присоединительным фланцем 11. Оболочки 8 и 9, а также корпус 10 составляют вместе с лазерным стержнем 7 ядерный реактор 12. С одного торца реактор 12, через фланец 11, герметично закрыт съемной конической втулкой 13, которая определяет боевое направление лазерного стержня 7, а с противоположного торца он герметично и жестко соединен с вертикально расположенным и имеющим, например, прямоугольную форму корпуса, затвором 14. Внутри корпуса затвора 14 по всей длине его вертикальной оси выполнен сквозной прямоугольный канал 15, а на симметричных стенках затвора 14, в направлении продольной оси лазерного стержня 7, соосно друг к другу, выполнены сквозные отверстия 16 и 17 соответственно. В канал 15 симметрично продольной оси, проходящей через центр отверстия 16 и 17, а также с перекрытием корпуса 10 (фиг.2) реактора 12 с вертикальным перемещением по каналу 15, плотно установлена заглушка 18 (фиг.2). Заглушка 18 выполнена из материала замедляющего и поглощающего быстрые нейтроны, например кадмия с углеродом, заглушка имеет собственную внешнюю рубашку 19 и герметично закрывает отверстия 16 и 17 (фиг.2). С торцов канал 15 герметично закрыт двумя одинаковыми, имеющими общую позицию, съемными крышками 20, через одну из которых в канал 15 жестко установлен тротиловый заряд 21 с детонатором 22 и герметично изолирующий подводящие провода (позиций не имеют) стальной болт 23 на одной из крышек 20. К стенке корпуса затвора 14 (фиг.3) со стороны отверстия 17 (фиг.2) герметично и жестко соосно с 7, 16 и 17 присоединен полый цилиндр 24 (фиг.2, 3), внутри которого плотно, с осевым перемещением, установлены: радиоактивный источник быстрых нейтронов 25, заключенный в свою металлическую цилиндрическую рубашку 26 (фиг.2, фиг.3) и прижимающий поршень 27. Открытый торец цилиндра 24 через соединительный фланец 28 герметично закрыт съемной крышкой 29, посредством которой в полый цилиндр 24 под крышкой 29 жестко установлен второй тротиловый заряд 30 со своим детонатором 31, подводящими проводами (позиций не имеют) и изолирующий их стальной болт 32, который герметично установлен на крышке 29. Тротиловые заряды и их детонаторы имеют самостоятельные позиции, т.к. они несут в себе разную мощность взрыва и выполняют различные технологические функции не связанные друг с другом. Радиоактивный источник быстрых нейтронов 25 представляет собой малогабаритный в масштабе (фиг.2) смесь радиоактивных элементов, ядра которых под воздействием ядерных реакций излучают быстрые нейтроны с величиной потока частиц порядка 108-109 с-1· см-2. Полученное таким образом устройство представляет собой гамма-лазер с ядерной накачкой, который в земных условиях должен быть герметично размещен в металлическом контейнере с защитными от радиации слоями, который снимается при запуске на космическую орбиту. В рассматриваемом изобретении контейнер не рассматривается и позиций не имеет.A device for implementing the proposed method consists of a titanium
Для определения позиций и с целью описания физических процессов в лазерном стержне 7 и в ядерном реакторе 12 на фиг.4 схематично и в развернутом виде изображено пространство кристаллической решетки 33 с атомами изотопов урановой группы 34, например урана 35 с внедренными в нее атомами водорода 36, образующей химическое соединение UH6, имеющее твердотельное состояние в виде монокристалла. Кристаллическая решетка 33 состоит из атомов изотопа урановой группы 34, в которую внедрены и равномерно распределены атомы водорода 36. На фиг.4, 5, 6, 7 показаны ядерные частицы, которые участвуют в процессах ядерной накачки и инициирования ядерных реакций деления тепловыми нейтронами 37 с выделением быстрых нейтронов 38, гамма-квантов 39 (фиг.4), осколков тяжелых ядер 40 (фиг.4), инициирование за счет реакций деления фронта волны цепных ядерных реакций 41 (фиг.5 и 7) фронта тепловой волны 42, фронта волны испарения вещества 43, фронта волны разрежения 44 и волны сжатия 45 вещества, инициирование цепных ядерных реакций деления тепловыми нейтронами 37 с выделением быстрых нейтронов 38 и образованием в результате замедления на ядрах водорода быстрых нейтронов 38 и дифракционного рассеяния на кристаллической решетке 33 тепловых нейтронов 37, инициирующие когерентные цепных ядерные реакции деления 46 и нейтронной волны 47 (фиг.6), которая в свою очередь инициирует волну цепных ядерных реакций 41 и когерентную волну гамма-излучения 48 (фиг.6). Все рассматриваемые процессы осуществляются в монокристалле 3, в кристаллической решетке 33. Образование и выход направленного и когерентного гамма-излучения 48 из гамма-лазера с ядерной накачкой осуществляют следующим образом. С целью создания нового материала активной среды лазера в твердотельной фазе, например, в вакуумной нагревательной печи (позиции не имеет) выращивают монокристалл 3 из гидрида изотопа урановой группы 34 с отражающими тепловые нейтроны 37 фольги 2 и титанового цилиндра 1. В результате получаем лазерный стержень 7 с вариантами параллельных продольной оси монокристалла 3 межкристаллических плоскостей 4, 5, 6 (а, б, в) (фиг.1) в объеме всего монокристалла 3 с равномерным распределением атомов изотопа урановой группы 34 и атомов водорода 36 в нем. Стержень 7 размещают в оболочку 8, отражающую тепловые нейтроны 37, оболочку 9, замедляющую и поглощающую быстрые нейтроны 38, а также в несущий корпус 10, позиции 8, 9 и 10 совместно с 7 образуют ядерный реактор 12. С боевого торца реактор закрывают съемной конической втулкой 13 (фиг.3), а с противоположного торца его закрывают заглушкой 18, поглощающей тепловые нейтроны 37 (фиг.2). В этом случае реакция деления ядер элементов урановой группы 34 в реакторе 12 не идет. Чтобы инициировать процесс реакции деления в реакторе и создать в нeм поток тепловых нейтронов 37 и, как следствие этого, поток гамма-квантов 39 производят следующие действия. Существующими способами доставляют гамма-лазер на расчетную космическую орбиту и также известным способом управления выводят его на ударную позицию по направлению острия конической втулки 13. Выбор места поражения на теле, например кометы, и наведение лазера на выбранное место также осуществляют известными способами. Запуск реактора 12 должен происходить на максимально удаленном расстоянии от планеты Земля и на оптимальном расстоянии от кометы или астероида. Перед запуском реактор 12 гамма-лазера с ядерной накачкой должен находиться на космической орбите в критическом режиме запуска (фиг.2) достаточно долгое время, например до нескольких лет. Такой критический режим запуска обеспечивает заглушка 18, которая герметично закрывает и разделяет соосные сквозные отверстия 16 и 17. Заглушка является преградой для проникновения быстрых нейтронов 38 из радиационного источника 25 через рубашку 26 в торец монокристалла 3. Запуск реактора 12 и, следовательно, гамма-лазера производят по команде, например, с Земли подрывом детонатора 22, который в свою очередь производит взрыв тротилового заряда 21. В этом случае давление газовой взрывной волны перемещает заглушку 18, например, в нижний свободный канал 15 в корпусе затвора 14 (фиг.2). Почти одновременно с запаздыванием в 10-3 с производят подрыв второго детонатора 31 и взрыв тротилового заряда 30, размещенного в полом цилиндре 24 под крышкой 29. Давлением газовой взрывной волной заряда 30 перемещают вдоль продольной оси цилиндра 24 радиоактивный источник 25. Через отверстие 17 в корпусе затвора 14 на место выбитой заглушки 18 устанавливают источник 25 и равномерно прижимают подвижным поршнем 27 торец радиоактивного источника 25, через сквозное отверстие 16 к торцу монокристалла 3 (фиг.3). В результате такого контакта быстрые нейтроны 38 радиоактивного источника 25 проникают в монокристалл 3, начинают замедляться на ядрах водорода 36, достигают тепловых скоростей и превращаются в тепловые нейтроны 37, захватываются ядрами изотопов урановой группы 49 и инициируют ядерные реакции деления с выделением быстрых нейтронов 38, гамма-квантов 39 и осколков тяжелых ядер 40. Быстрые нейтроны 38 замедляются до тепловых нейтронов 37 и инициируют цепные ядерные реакции деления, которые в свою очередь производят инициирование фронта волны ядерных реакций 41, фронта тепловой волны 42, фронта волны испарения вещества 43, фронта волны разрежения 44 и волны сжатия 45 вещества, инициирование цепных ядерных реакций деления тепловыми нейтронами 37 с выделением быстрых нейтронов 38 и образованием в результате замедления и дифракционного рассеяния на кристаллической решетке 33 тепловых нейтронов и образование когерентного потока тепловых нейтронов, или, что тоже самое, нейтронной волны 47, которая в свою очередь инициирует волну цепных ядерных реакций 41 и когерентную волну гамма излучения 48 (фиг.4, 5, 6, 7, 8). Когерентная волна гамма-излучения выводится с боевого торца реактора 12 и направляется на объект воздействия известным способом.To determine the positions and in order to describe the physical processes in the laser rod 7 and in the
Эффективность способа и устройства генерации мощного направленного и когерентного импульсного гамма-излучения 48 заключается в следующем. Известно, что ядерная реакция деления 36 ядра изотопа урановой группы 49, например урана 235, под действием тепловых нейтронов 37 состоит в том, что тяжелое ядро, поглотив нейтрон, делится на два почти равных осколка 40. При этом деление сопровождается испусканием двух-трех быстрых нейтронов 38 и при каждом акте деления выделяется энергия, равная примерно 200 МэВ. Кроме того, при делении ядра происходит излучение гамма-кванта 39 высокой энергии равной 9-10 МэВ и быстрых нейтронов 38 с энергией 1-2 МэВ. Очевидно, что ядро, например, урана 235 может начать делится под действием своих собственных тепловых нейтронов 37, которые образуются в результате той же реакции деления, тем более, что это количество возрастает при каждом акте деления в 2-3 раза. Интенсивность реакции деления ядра сильно зависит от энергии нейтронов, т.е. чем меньше энергия нейтрона, тем выше интенсивность реакции деления. Так как реакция деления идет при любых энергиях, то в соответствии с законом обратной пропорциональности эффективного сечения от скорости движения нейтрона, сечение реакции резко возрастает при приближении энергии теплового нейтрона 37 к нулю. Так, например, для тепловых нейтронов Е=0,025 эВ сечение реакции деления равно 600 барн. Для тепловых нейтронов 37 деление, если оно идет, является преобладающим процессом над всеми остальными реакциями. Так при захвате теплового нейтрона 37, например, ядром урана 235 деление происходит с вероятностью 0,84. Кроме процесса деления, могут также происходить процессы возбуждения ядра урана-235 с последующим процессом испускания гамма-кванта. Однако такой процесс происходит при высоких энергиях нейтрона, т.е. для быстрых нейтронов 38. Таким образом, видно, что для получения высокой интенсивности реакции деления, например, ядра урана 235 необходимо замедлить быстрые нейтроны 38 реакции деления ядра до тепловых нейтронов 37. При столкновении с ядрами гидрида изотопа урановой группы 34, например урана-235, быстрый нейтрон 38 после замедления может поглотиться этим ядром или рассеяться на ядрах водорода 36 или, например, на ядрах урана-235 и размножиться за счет реакции деления на макроскопических масштабах, который будет занимать материал из гидрида изотопа урановой группы урана-34. При переходе к макроскопическим масштабам отдельные акты поглощения, суммируясь, приведут к некоторому поглощению нейтронного потока 50, а суммарное действие большого числа актов рассеяния приведет к двум макроскопическим процессам - к замедлению и диффузии. Конечный результат действия этих двух процессов приведет к поглощению части замедленных тепловых нейтронов 37 и к диффузионному процессу деления, например, ядер урана-235, а следовательно, к диффузному излучению гамма-квантов 39, возникающих в результате распада ядер урана при поглощении теплового нейтрона 37.The effectiveness of the method and device for generating powerful directional and coherent
Поскольку основной целью поставленной задачи является получение когерентных потоков гамма-квантов 48, а не диффузных потоков гамма-квантов 39, то для решения поставленной задачи необходимо получение когерентных потоков тепловых нейтронов 47, т.е. надо преобразовать диффузионные потоки замедленных нейтронов в когерентные потоки тепловых нейтронов 47 (фиг.5). Замедление нейтронов происходит как при неупругих, так и при упругих столкновениях. До столкновения с нейтроном ядро урана 235 или ядро атома водород 36 находится в состоянии покоя, а после столкновения приходит в движение, получая от нейтрона некоторую энергию. В результате этого процесса нейтрон замедляется. Это замедление не может привести к полной остановке нейтрона из-за теплового движения ядер. Энергия теплового движения ядер атома водорода 36 имеет величину порядка kT=0,025 эВ. Нейтроны с этой энергией находятся в тепловом равновесии со средой, такие нейтроны называются тепловыми. Одновременно с процессами замедления нейтронов идут процессы поглощения и диффузии нейтронов. При достижении некоторой определенной энергии в результате замедления нейтрон может быть захвачен ядром и выбыть из дальнейшего процесса замедления. Для среды из гидрида изотопа урановой группы 34, например урана 235, процесс замедления нейтронов в основном происходит на ядрах водорода, а процессы поглощения и диффузия в основном происходит на тяжелых ядрах, например ядрах урана 235. При поглощении одного замедленного теплового нейтрона 37, например, ядром урана 235 происходит реакция деления тяжелого ядра урана 235 и рождение 2 или трех быстрых нейтронов 38, т.е. процессы замедления и поглощения нейтронов сопровождаются также еще одним процессом - процессом размножения нейтронов фиг.4, 5. Определим параметры процесса размножения нейтронов в результате замедления быстрых нейтронов 38 на ядрах атома водорода 36 до тепловых энергий и поглощения тепловых нейтронов 37, например, ядрами урана 235 в активной твердотельной зоне гамма-излучения, состоящей из гидрида, например, урана 235. Исходя из табличных значений для сечений рассеяния и поглощения тепловых 37 и быстрых нейтронов 38 на ядрах урана-235, водорода и дейтерия и средних значений числа нейтронов, испускаемых при делении фиг.4, 5.Since the main goal of the task is to obtain coherent gamma-ray fluxes 48, rather than diffuse gamma-ray fluxes 39, to solve the problem, it is necessary to obtain coherent fluxes of
Среднее число нейтронов, испускаемых в одном акте деления урана-235 при захвате теплового нейтрона 37The average number of neutrons emitted in one act of fission of uranium-235 upon capture of a
Vt=2.47.V t = 2.47.
Энергия быстрого нейтрона 38, выделяющегося в результате реакции деления, например, урана-235 (эВ)
Еn=106.E n = 10 6 .
Среднее число нейтронов, испускаемых в одном акте деления урана-235 при захвате быстрого нейтрона 38The average number of neutrons emitted in one act of fission of uranium-235 during the capture of a
vb=2.65.v b = 2.65.
Сечение деления урана-235 тепловыми нейтронами 37 (см2)Uranium-235 fission cross section for thermal neutrons 37 (cm 2 )
Snf=5,9· 10-22.S nf = 5.9 · 10 -22 .
Сумма сечений деления и радиационного захвата ядром урана-235 тепловыми нейтронами (см2)The sum of the fission and radiative capture cross sections of a uranium-235 nucleus by thermal neutrons (cm 2 )
Sna=6,98· 10-22.S na = 6.98 · 10 -22 .
Сечение упругого рассеяния тепловых нейтронов 37 на ядре урана-235 (см2)The cross section for elastic scattering of
Sns=1,5· 10-23.S ns = 1.5 · 10 -23 .
Сечение деления урана-235 быстрыми нейтронами (см2)Uranium-235 fission cross section by fast neutrons (cm 2 )
Sbf=2· 10-24.S bf = 2 · 10 -24 .
Сечение деления и радиационного захвата ядром урана-235 быстрого нейтрона (см2)Fission and radiation capture cross section of a fast neutron uranium-235 nucleus (cm 2 )
Sba=2,3· 10-24.S ba = 2.3 · 10 -24 .
Сечение радиационного захвата быстрого нейтрона ядром урана-235Radiation capture cross section of a fast neutron by a uranium-235 nucleus
Sbi=0,3· 10-24.S bi = 0.3 · 10 -24 .
Сечение радиационного захвата теплового нейтрона ядром урана-235The cross section for radiation capture of a thermal neutron by a uranium-235 nucleus
Sni=1,12· 10-22.S ni = 1.12 · 10 -22 .
Сечение рассеяния замедленного нейтрона на ядре атома водород 36The scattering cross section of a delayed neutron at the nucleus of a
Ssh=6,9· 10-23.S sh = 6.9 · 10 -23 .
Сечение поглощения замедленного нейтрона ядрами водородаThe cross section for the absorption of a delayed neutron by hydrogen nuclei
Sah=1,15· 10-24.S ah = 1.15 · 10 -24 .
Сечение рассеяния тепловых нейтронов 37 на ядрах урана-235Thermal neutron
Ssu=1,5· 10-23.S su = 1.5 · 10 -23 .
Сечение рассеяния замедленного нейтрона на ядрах водородаCross section for scattering of a delayed neutron by hydrogen nuclei
Ssh=6,9· 10-23.S sh = 6.9 · 10 -23 .
Сечение поглощения замедленного нейтрона ядром водородThe absorption cross section of a delayed neutron by a hydrogen nucleus
Sah=1,15· 10-24.S ah = 1.15 · 10 -24 .
Определим коэффициенты размножения нейтронов в твердотельной смеси гидрида и дейтерида урана-235 и режим нарастания нейтронов за счет цепной реакции деления 46 ядер урана в таких смесяхWe determine the neutron multiplication coefficients in a solid-state mixture of uranium-235 hydride and deuteride and the neutron growth regime due to the chain reaction of fission of 46 uranium nuclei in such mixtures
Среднее число вторичных нейтронов на один захват нейтрона делящимся ядром урана-235The average number of secondary neutrons per neutron capture by the fissile nucleus of uranium-235
Yt=vt· Snf/Sna=2.087822350.Y t = v t · S nf / S na = 2.087822350.
Среднее число вторичных нейтронов на один акт захвата быстрого нейтрона 37 ядром урана-235The average number of secondary neutrons per act of capture of a
уb=vb· Sbf/Sba=2.304347826.at b = v b · S bf / S ba = 2.304347826.
Коэффициент замедления теплового нейтрона 37 на ядре водородаThermal
ph=Ssh/Sah=60.00000000.p h = S sh / S ah = 60.00000000.
Коэффициент замедления быстрого нейтрона 38 на ядре водорода в смеси с ядрами урана-235Deceleration coefficient of a
phu=Ssh/Sni=.6160714286.p hu = S sh / S ni = .6160714286.
Коэффициент замедления быстрого нейтрона 38 на ядрах дейтерия в смеси с ядрами урана-23538 Fast neutron slowdown coefficient on deuterium nuclei mixed with uranium-235 nuclei
pdu=Ssd/Sni=.1517857143.p du = S sd / S ni = .1517857143.
Среднее сечение поглощения теплового нейтрона 37 в смеси водорода с ураном-235The average absorption cross section of
Sau=Sni+Snf+Sah=.7031500000· 10-21.S au = S ni + S nf + S ah = .7031500000 × 10 -21 .
Коэффициент размножения тепловых нейтронов 37 в смеси водорода с ураном-235Thermal
kn=vtSnfphu/Sau=1.276826983.k n = v t S nf p hu / S au = 1.276826983.
Коэффициент размножения тепловых нейтронов 37 в чистом уране-235Thermal
k1=ytpu=.2796190647.k 1 = y t p u = .2796190647.
Среднее сечение поглощения теплового нейтрона 37 в смеси дейтерия с ураном-235The average absorption cross section of
Sud=Sni+Snf+Sad=.7020400000· 10-21.S ud = S ni + S nf + S ad = .7020400000 × 10 -21 .
Коэффициент размножения быстрых и тепловых нейтронов в смеси дейтерия с ураном-235The multiplication factor of fast and thermal neutrons in a mixture of deuterium with uranium-235
kd=vtSnfpdu/Sud=.3150779463.k d = v t S nf p du / S ud = .3150779463.
Начальное число быстрых нейтронов 38 (величина потока нейтронов от запального источника (с-1· см-2)The initial number of fast neutrons is 38 (the magnitude of the neutron flux from the ignition source (s -1 · cm -2 )
Nto=108.N to = 10 8 .
Число поколений тепловых нейтронов 37 при размноженииThe number of generations of
n:=110.n: = 110.
Число размножаемых тепловых нейтронов 37 в смеси гидрида урана 235 в n-м поколении (с-1· см-2)The number of propagated
Io=Ntok
Время жизни одного поколения для медленных реакций (с)One generation lifetime for slow reactions (s)
t1=1· 10-5.t 1 = 1 · 10 -5 .
Полное время рождения нейтронов для 100 поколений нейтронов для медленных реакций(с)Total neutron production time for 100 neutron generations for slow reactions (s)
tp=t1n=0.0011.t p = t 1 n = 0.0011.
Таким образом, проведенные расчеты по определению коэффициента размножения тепловых нейтронов 37 в уране-235 показывают, что в чистых веществах урана-235 коэффициент размножения меньше единицы, т.е. цепные реакции деления в чистых ядерно-активных веществах не имеют место. Однако, если произвести полное наводораживание урана-235 с концентрациями водорода и урана пропорционально химическому соединению гидрида урана (UH6), коэффициент размножения тепловых нейтронов становится больше единицы. Для современных ядерных зарядов также применяются замедление с помощью легких ядер, однако используется при этом не гомогенный принцип распределения замедлителя в уране, а гетерогенный, при котором процентное содержание замедлителя соответствует необходимой величине для замедления нейтрона до тепловых энергий. При этом размеры таких зарядов становятся сравнительно большими.Thus, the calculations performed to determine the multiplication coefficient of
В данном случае рассматривается гомогенное распределение замедлителя, при этом используется не в виде соединения водорода с кислородом, а в чистом виде, что увеличивает величину коэффициента размножения тепловых нейтронов и изменяет все остальные параметры, в том числе размер заряда. Такую смесь замедлителя и активного ядра можно получить в виде химического соединения, называемого гидридом урана (UH6), что дает широкие технологические возможности по созданию топливного элемента. Такие элементы можно производить путем прессования из порошка гидрида урана или выращивать монокристаллы гидрида урана. Оценочные расчеты показывают, что при начальном потоке быстрых нейтронов 38, равном No=108 (с-1· см-2), которые можно получить в результате других ядерных реакций, за счет процесса размножения нейтронов в твердотельном гидриде урана-235 в результате цепных ядерных реакциях деления урана-235 за время равное 10-3 с, величина потока нейтронов 50 возрастает до N=1025 (с-1· см-2). При достижении тепловой энергии (0,25 эВ) у теплового нейтрона 37 начинают проявляться волновые свойства. Согласно квантово-механическим представлениям, нейтрон, как и любая другая частица, обладает волновыми свойствами. Эти волновые свойства будут теперь влиять на нейтрон после замедления его на атоме водород 36 и при движении его в кристалле гидрида урана, так как дебройлевская длина волны lnu=0,1· 10-7 см по порядку величины близка межплоскостному расстоянию duh=0,27· 10-7 см. При такой длине волны энергия нейтрона имеют величину в пределах En=0,08-0,25 эВ, так что волновые свойства отчетливо сказываются у тепловых нейтронов 37 и еще сильнее у холодных. Влияние волновых свойств проявляется в том, что рассеянные разными ядрами нейтронные волны 47 начинают интерферировать друг с другом, испытывают дифракцию, преломление и отражение (в том числе и полное внутренне отражение).In this case, the homogeneous distribution of the moderator is considered, and it is used not in the form of a compound of hydrogen with oxygen, but in its pure form, which increases the multiplication coefficient of thermal neutrons and changes all other parameters, including the size of the charge. Such a mixture of moderator and active core can be obtained in the form of a chemical compound called uranium hydride (UH 6 ), which gives wide technological possibilities for creating a fuel cell. Such elements can be produced by pressing from uranium hydride powder or growing uranium hydride single crystals. Estimated calculations show that with an initial fast neutron flux of 38 equal to N o = 10 8 (s -1 · cm -2 ), which can be obtained as a result of other nuclear reactions, due to the process of neutron multiplication in solid uranium-235 hydride as a result chain nuclear fission reactions of uranium-235 in a time equal to 10 -3 s, the magnitude of the
Если энергия теплового нейтрона 37 в нейтронной волне 47 равна (эрг)If the energy of the
Ет=8· 10-14,E t = 8 · 10 -14 ,
то при твердотельной концентрации молекул гидрида урана 235, равной (см-3)then at a solid-state concentration of uranium hydride molecules 235 equal to (cm -3 )
No=4,7· 1022,N o = 4.7 · 10 22 ,
длина волны теплового нейтрона будет равна (см)the wavelength of the thermal neutron will be equal to (cm)
lnu=(4π 2h
Межатомное расстояние в такой твердотельной среде определяется выражением (см)The interatomic distance in such a solid-state medium is determined by the expression (cm)
duh=(1/No)1/3=.2770984186· 10-7,d uh = (1 / N o ) 1/3 = .2770984186 · 10 -7 ,
которое называется межплоскостным расстоянием в кристалле 3 гидрида урана. Таким образом, проходя через кристалл, тепловые нейтроны 37, подобно рентгеновским лучам, претерпевают дифракционное рассеяние (фиг.8). Это рассеяние проявляется в том, что при попадании пучка нейтронов в кристалл возникают новые пучки, идущие в направление, отличные от первоначальных (фиг.8). При прохождении пучков тепловых нейтронов 37 в кристалле в результате рассеяния на ядрах водорода формируется плоская нейтронная волна 47 (фиг.7). Ядра атомов водорода 36, расположенные в определенной кристаллической плоскости, отражают эту волну. Параллельных кристаллических плоскостей 33 очень много. Нейтронные волны 47, отраженные в каждой из них, интерферируют друг с другом. В результате от кристалла 3 в целом нейтронная волна 47 будет распространяться лишь в том направлении, в которой волны, отраженные различными параллельными плоскостями, начинают усиливать друг друга. Для этого разность хода лучей, отраженных разными плоскостями, должна равняться целому числу полуволн. В рассматриваемом случае для стержня 7 из гидрида урана такие плоскости будут иметь место, если кристалл 3 выращен, например, с плоскостью [1.0.0.].which is called the interplanar spacing in crystal 3 of uranium hydride. Thus, passing through the crystal,
2duh sin(ϑ )-mlmu,2d uh sin (ϑ) -ml mu ,
где duh - межплоскостное расстояние, ϑ - угол скольжения между отражающей плоскостью и падающим пучком, m - положительное целое число, называемое порядком отражения. Это соотношение называется условием Брэгга-Вульфа. Оно применимо для дифракции на кристалле волн любой природы, в том числе и нейтронных волн 47. Отсюда угол скольжения для заданного порядка отражения будет определяться выражением:where d uh is the interplanar distance, ϑ is the slip angle between the reflecting plane and the incident beam, m is a positive integer called the reflection order. This relation is called the Bragg-Wolfe condition. It is applicable for diffraction by a crystal of waves of any nature, including neutron waves 47. Hence, the slip angle for a given reflection order will be determined by the expression:
ϑ =arcsin(mlnu/(2duh))=arcsin(.2003182935 m).ϑ = arcsin (ml nu / (2d uh )) = arcsin (.2003182935 m).
В ближней дифракционной зоне, т.е. для m=1 угол скольжения равен примерно ϑ =0,2 рад.In the near diffraction zone, i.e. for m = 1, the slip angle is approximately ϑ = 0.2 rad.
Основным параметром, характеризующим процессы рассеяния нейтронов в кристалле 3, является длина рассеяния, которая используется для описания s-волны рассеяния падающих нейтронов низкой энергии при взаимодействии с ядром. В борновском приближении дифференциальное сечение рассеяния не зависит от угла рассеяния и энергии, пока можно считать выполненным условие, что длина волны нейтрона превышает длину рассеяния. Длина рассеяния определяется из величины сечения упругого рассеяния теплового нейтрона 37 на ядрах атомов водорода 36 или атомов урана 34 в гидриде урана.The main parameter characterizing the processes of neutron scattering in crystal 3 is the scattering length, which is used to describe the s-wave scattering of incident low-energy neutrons in interaction with the nucleus. In the Born approximation, the differential scattering cross section does not depend on the scattering angle and energy, so long as the condition that the neutron wavelength exceeds the scattering length can be considered fulfilled. The scattering length is determined from the value of the elastic scattering cross section of the
Ssh=6,9· 10-23,S sh = 6.9 · 10 -23 ,
полная амплитуда рассеяния тепловых нейтронов 37 на ядре атома водорода 36 в гидриде урана (см)the total amplitude of scattering of
anh=(Ssh/4π ))1/2=.2343849520· 10-11.a nh = (S sh / 4π)) 1/2 = .2343849520 · 10 -11 .
Если исходить из того, что кристалл содержит N ядер, то полное сечение рассеяния тепловых нейтронов на ансамбле из N ядер кристалла будет определяться выражениемBased on the fact that a crystal contains N nuclei, the total cross section for scattering of thermal neutrons in an ensemble of N nuclei of a crystal will be determined by the expression
где ak(n) - амплитуда когерентного рассеяния нейтрона для n - плоскости. Предполагая, что амплитуда когерентного рассеяния одинакова для каждой плоскости отражения потока нейтронов, получим выражение для сечения когерентного рассеяния в виде:where a k (n) is the amplitude of coherent neutron scattering for the n - plane. Assuming that the amplitude of coherent scattering is the same for each plane of reflection of the neutron flux, we obtain the expression for the cross section of coherent scattering in the form:
где х(n) - радиус-вектор узлов решетки, К - радиус-вектор обратной решетки. Эта сумма обращается в нуль, если произведение К.х(n) не является целым числом, кратным 2π для всех n. Таким образом приходим к условию Брэгга, выполняющемуся при равенстве волнового вектора рассеянной частицы К одному из векторов G обратной решетки (фиг.6, 7). Оценим сумму по решетке для случая одномерного кристалла с постоянной решетки, равной duh, а затем обобщим результат на случай трех измерений. Пусть число молекул гидрида урана кристалла равно N; координата n-узла x(n)=n· duh, где n - целое число, принимающее одно из значений в интервале от 0 до N-1.where x (n) is the radius vector of the lattice nodes, K is the radius vector of the reciprocal lattice. This sum vanishes if the product K.x (n) is not an integer multiple of 2π for all n. Thus we come to the Bragg condition, which is satisfied when the wave vector of the scattered particle K is equal to one of the reciprocal-lattice vectors G (Figs. 6, 7). Let us estimate the sum over the lattice for the case of a one-dimensional crystal with a lattice constant equal to d uh , and then generalize the result to the case of three measurements. Let the number of uranium hydride crystal molecules be N; the coordinate of the n-node x (n) = n · d uh , where n is an integer that takes one of the values in the range from 0 to N-1.
Тогда вероятность того, что данный атом кристалла будет иметь амплитуду рассеяния, равную х(n), будет равна:Then the probability that this crystal atom will have a scattering amplitude equal to x (n) will be equal to:
или, что то же самое, данное выражение можно представить в виде:or, which is the same, this expression can be represented as:
где K:=1/1nu - волновое число для нейтрона как волны (см-1)where K: = 1/1 nu is the wave number for the neutron as a wave (cm -1 )
В случае трех измерений получаем окончательно выражение для сечения когерентного рассеяния нейтронов на решетке кристалла 3 гидрида урана в виде:In the case of three measurements, we finally obtain the expression for the cross section for coherent neutron scattering on the lattice of crystal 3 of uranium hydride in the form:
для числа атомов в одной кристаллической ячейке, равногоfor the number of atoms in one crystal cell equal to
N=3,N = 3,
сечение когерентного рассеяния тепловых нейтронов 37 в кристалле гидрида урана (см2)section of coherent scattering of
Ssk=.4437117262· 10-22.S sk = .4437117262 · 10 -22 .
Коэффициент преломления тепловых нейтронов 37 на границе двух сред из гидрида урана и вакуума будет определяться величинойThe refractive index of
nр=1-4π lnuanhNo/(2π )=0,9999728464.n p = 1-4π l nu a nh N o / (2π) = 0.9999728464.
Отсюда критический угол скольжения, при котором начинается полное внутреннее отражение в плоскости кристалла для пучка нейтронов и сохранение условия когерентности для нейтронной волны 47Hence, the critical slip angle at which full internal reflection begins in the crystal plane for the neutron beam and the coherence condition for the neutron wave is preserved 47
ϑ k=2arccos(np)=0,01473871715.ϑ k = 2arccos (n p ) = 0.01473871715.
Рассмотрим интенсивность волны нейтронов в некоторой точке после дифракционного рассеяния их на кристаллической плоскости 33 кристалла 3 (фиг.5, 8). Колебания, создаваемые элементарной зоной (m=1) с координатой х в этой точке, положение которой относительно кристаллической плоскости определяется углом ϑ может быть представлено как:Consider the intensity of the neutron wave at some point after their diffraction scattering on the
Результирующее колебание, создаваемое в рассматриваемой точке всем открытым участком волновой поверхности, можно найти, если проинтегривать по ширине расстояния между двумя кристаллическими плоскостямиThe resulting oscillation created at the point under consideration by the entire open area of the wave surface can be found if the distance between two crystal planes is integrated over the width
где результирующее колебание определяется выражениемwhere the resulting oscillation is determined by the expression
Uh=Uo(sin(π duhsin(ϑ )/lnu)lnu/(π duhsin(ϑ )),U h = U o (sin (π d uh sin (ϑ) / l nu ) l nu / (π d uh sin (ϑ)),
Отсюда видно, что амплитуды колебаний, приходящих в различные точки пространства, будут иметь максимальные значения при условии удовлетворения Брегга-Вулфовскому рассеянию нейтронов на кристаллических плоскостях 33 фиг.6.From this it is seen that the amplitudes of the vibrations arriving at different points in space will have maximum values provided that Bragg-Wulf's neutron scattering on the crystal planes 33 of FIG. 6 is satisfied.
Для заданного значения потока тепловых нейтронов 37, которые образуются в результате размножения нейтронов цепной реакции деления, например ядер урана-235,For a given value of the
Iо=0,6210072369· 1020 с-1· см-2 I about = 0.621007236910 20 s -1 cm -2
определяем поток когерентных нейтронов нейтронной волны 47, которая образуется в результате рассеяния тепловых нейтронов 37 на ядрах кристаллической решетки 33 гидрида урана в пределах угла скольжения относительно кристаллических плоскостей монокристалла 3 из гидрида урана для максимума интенсивности при m=1 условия Брэгга-Вульфа (когерентное рассеяние тепловых нейтронов на кристаллической решетке) (с-1· см-2)we determine the coherent neutron flux of the
m=1.m = 1.
Ig=I1(sin(duhsin(ϑ )/lnu)lnu/(π sin(ϑ )))2, где I1=Ioϑ Ssk/Ssh - поток тепловых нейтронов 37 (с-1· см-2), отраженных от всех кристаллических плоскостей 33 (фиг.6, 7) под углом отражения.I g = I 1 (sin (d uh sin (ϑ) / l nu ) l nu / (π sin (ϑ))) 2 , where I 1 = I o ϑ S sk / S sh is the thermal neutron flux 37 (s -1 · cm -2 ), reflected from all crystalline planes 33 (6, 7) at an angle of reflection.
Отсюда численное значение полного потока нейтронов нейтронной волны 47 в результате дифракционного рассеяния тепловых нейтронов 37 на кристаллических плоскостях гидрида урана в соответствии с условиями Брегга-Вульфа равноHence, the numerical value of the total neutron flux of the
Ig=.5885836057· 1018 с-1· см-2.I g = .5885836057 · 10 18 s -1 · cm -2 .
При этом имеются в виду поток нейтронов 50, который возник в данный момент времени. При дальнейшем движении по среде величина этого потока будет возрастать за счет выделения нейтронов в результате цепной реакции деления (фиг.4).This refers to the
Все остальные тепловые нейтроны 37, которые не вписываются в критический угол скольжения и за счет диффузии переносятся в другие области среды, где в результате изотропного рассеяния на ядрах атомов водорода 36 или атомов урана-235 могут иметь любой угол относительно кристаллической плоскости 33, в том числе меньше критического угла скольжения. Необходимо также принять во внимание ограниченность размеров среды и граничные условия на границе среды, которые также могут изменить положение направления движения нейтрона относительно кристаллической плоскости 33. Кроме того, ограниченность размеров активной среды создает условие для количественного изменения нейтронов, т.е. они могут выбыть в результате вылета за границу среды, а также за счет поглощения ядрами урана.All other
Нейтронная волна 47 формируется в пределах длины замедления быстрого нейтрона 38, которая определяется из длины рассеяния нейтронов на ядрах водорода 36 и урана
ls=0,69 смl s = 0.69 cm
и транспортной длины для тепловых нейтронов 37 в гидриде урана-235and transport length for
lt=0.49 смl t = 0.49 cm
и равна при En=2· 106 - энергия быстрого нейтрона 38 (эВ) и энергии Ео:=0.02 - теплового нейтрона 37 (эВ) длине замедленияand equal at E n = 2 · 10 6 - the energy of the fast neutron 38 (eV) and the energy Eo: = 0.02 - thermal neutron 37 (eV) the length of the deceleration
Ls=(lsltln(En/Eо)/3.)1/2=1.440836812 см.L s = (l s l t ln (E n / E о ) / 3.) 1/2 = 1.440836812 cm.
Все остальные процессы, которые определяют поглощение нейтронов ядрами урана, приводящие к делению ядер урана-235, гдеAll other processes that determine the absorption of neutrons by uranium nuclei, leading to the fission of uranium-235 nuclei, where
la=1/(7· 10-22· No)=0,03039513678l a = 1 / (7 · 10 -22 · No) = 0,03039513678
- длина деления урана-235 тепловым нейтроном 37 при распространении в гидриде урана-235- fission length of uranium-235 by a
lf=1/(5,9· 10-22· No)=0,03606202667 см.l f = 1 / (5.9 · 10 -22 · N o ) = 0.03606202667 cm.
и длина диффузии теплового нейтрона 37 в гидриде урана 235and diffusion length of
Ld=(ltla/3.)1/2=0,07045948489 см.L d = (l t l a / 3.) 1/2 = 0.07045948489 cm.
имеют очень малые длины по сравнению с процессом замедления быстрых нейтронов 38. Это значит, что нейтронная волна 47 образуется примерно в пределах 1,5 см, интенсивность которой возрастает по мере продвижения по активной ядерной среде гамма-лазера за счет размножения нейтронов в результате цепной ядерной реакции, которые в свою очередь инициируются нейтронами нейтронной волны 47. Нейтронная волна 47 представляет собой волновую поверхность, в которой нейтроны колеблются в одной фазе (пространственная когерентность), и которая движется со скоростью, равной скорости теплового нейтрона. Нейтроны в нейтронной волне 47 связаны между собой через межкристаллическую среду и поэтому все процессы, которые будут связаны с нейтронами нейтронной волны 47 будут в свою очередь обладать свойством пространственной когерентности, т.е. будут происходить почти одновременно (в пределах характерных времен осуществляемого процесса) по всей поверхности волнового фронта нейтронной волны. Это означает, что если нейтроны нейтронной волны 47 поглощаются ядрами урана 235, то этот процесс поглощения и потом соответственно последующий процесс реакции деления ядер урана будет происходить в пределах времени этих процессов по всей волновой поверхности почти одновременно (фиг.4, 5). Но это в свою очередь означает, что гамма излучение в результате процесса деления ядра урана при делении будет также происходить почти одновременно по всей волновой поверхности (фиг.5, 7), т.е. гамма-излучение 39 будет также иметь когерентный характер при условии, если время деления ядра урана 235 меньше или сравнимо с временем жизни теплового нейтрона. Если скорость тепловых нейтронов 37 равнаhave very short lengths compared with the process of deceleration of
Vn=1· 105 см/с,V n = 1 · 10 5 cm / s,
сечение деления урана-235 тепловыми нейтронами 37fission uranium-235
Sfn=5.8· 10-22 см2,S fn = 5.8 · 10 -22 cm 2 ,
то характерное время деления ядра урана-235 в результате захвата теплового нейтрона 37 равноthen the characteristic fission time of the uranium-235 nucleus as a result of
tfn=(4.7· 1022SfnVn)-1=.3668378576· 10-6,t fn = (4.7 · 10 22 S fn V n ) -1 = .3668378576 · 10 -6 ,
а время жизни теплового нейтрона в гидриде урана-235and the lifetime of a thermal neutron in uranium-235 hydride
Т0=1,5· 10-5 с.T 0 = 1.5 · 10 -5 s.
Откуда видно, что предполагаемое условие имеет место. Отсюда, зная величину потока когерентных нейтронов 47, можно определить интенсивность когерентного гамма-излучения 48, которое инициируется нейтронами нейтронной волны 47. Таким образом, интенсивность когерентного гамма-излучения 48 при делении ядра урана-235 в результате захвата теплового нейтрона 37 из нейтронной когерентной волны 47 при дифракционных отражениях на n плоскостях будет определяться выражениемFrom where it is seen that the alleged condition holds. Hence, knowing the magnitude of the
Wg=IgSfnN0:=.2495066914· 1020 с-1· см-3.W g = I g S fn N 0 : =. 2495066914 · 10 20 s -1 · cm -3 .
В процессе движения нейтронной волны 47 по среде монокристалла 3 интенсивность нейтронной волны 47 будет возрастать за счет нейтронов, которые возникают в результате цепной реакции деления ядер урана. Часть этих нейтронов будет уходить за пределы среды реактора 12. Однако на данном этапе вычисления это во внимание не принимается. Построим уравнение для размножения нейтронов исходя из того, что длина замедления быстрых нейтронов 38In the process of movement of a
Ls=1,5 см,L s = 1.5 cm
а коэффициент размножения нейтронов равенand the neutron multiplication factor is
kn=1,27.k n = 1.27.
Дифференциальное уравнение для интенсивности размножения нейтронов в нейтронной волне за счет цепной реакции деления урана, инициируемые нейтронной волной 47. Если за начальную величину взять интенсивность Wg, то изменение интенсивности нейтронов будет описываться уравнением вида:The differential equation for the intensity of neutron multiplication in a neutron wave due to the chain reaction of uranium fission initiated by the
Изменение интенсивности нейтронов в нейтронной волне 47 при движении по монокристаллу 3 из гидрида урана определяется выражением:The change in the neutron intensity in the
W(x)=.2495066914· 1020 ехр(0,18х)W (x) =. 249506691410 20 exp (0.18x)
На фиг.8 видно, что по мере движения нейтронной волны 47 по стержню 7 интенсивность волны растет и довольно сильно.On Fig shows that as the
Для определения величины полной интенсивности когерентного гамма излучения 48 необходимо определить характерные размеры ядерно-активной среды или, что то же самое определить критические размеры монокристалла 3 из гидрида урана, при которых происходит лавинный процесс деления ядер урана-235. В соответствии с требованиями условий задачи необходимо, чтобы движение нейтронной волны 47 было направленным только в одну сторону, т.е. перемещение нейтронной волны должно быть одномерным. Это можно осуществить только при условии, если нейтронная волна инициируется в стержне 7 из гидрида урана, и инициирование ее осуществляется с торца, т.е. следовательно, инициирование цепной реакции деления ядер урана также необходимо осуществлять с торца. Для инициирования цепной реакции деления в стержне 7 используется нейтронный генератор-источник 25, который является своеобразным нейтронным детонатором для начала процесса цепной реакции с торца стержня. До настоящего времени управление пространнственно-неоднородным процессом начала цепной реакции не было осуществлено. В данном случае такой процесс начала цепной реакции можно осуществить в стержне из гидрида урана-235. При таком начальном пространственно-неоднородном процессе цепной реакции деления (волна цепной реакции деления ядер 41, инициируемых волной тепловых нейтронов 47) можно увеличить время полного процесса цепной реакции, а также получить направленное устойчивое излучение нейтронов и гамма излучения 39, которые излучаются в процессе деления урана. Направленность излучения возникает за счет геометрического фактора среды, в которой идет процесс деления урана под действием тепловых нейтронов 37, движущихся вдоль струны. В качестве нейтронного генератора можно использовать наиболее распространенные типы реакций: (Ra - альфа -Be)- источник с ядерной реакцией Ве9(альфа, n)С12, в результате которой образуется 108 нейтронов в 1 с на грамм Ra с энергиями 2 МэВ и более, что вполне достаточно для процесса инициирования цепной реакции или (Ро - альфа - Be) - с той же ядерной реакцией (фиг.4, 5, 7).To determine the total intensity of
Таким образом, видно, что для осуществления поставленной задачи необходимо определить критические размеры гомогенного твердотельного монокристалла 3 из гидрида урана-235 цилиндрической формы, т.е. определить радиус стержня 7 и длину стержня 7. Вначале определим критически размеры стержня 7 без отражателя на внешней поверхности и сверим их с американскими данными, полученными при испытании. Для определения параметров воспользуемся диффузионным уравнением по теории с одной группой нейтронов. Для заданного выражения “лапласиана” для гидрида урана-235Thus, it is clear that in order to accomplish this task it is necessary to determine the critical dimensions of a homogeneous solid-state single crystal 3 of cylindrical uranium-235 hydride, i.e. determine the radius of the rod 7 and the length of the rod 7. First, we critically determine the dimensions of the rod 7 without a reflector on the outer surface and compare them with the American data obtained during the test. To determine the parameters, we use the diffusion equation according to the theory with one group of neutrons. For the given expression “Laplacian" for uranium-235 hydride
аh=(kn-1)/(L
длины миграции нейтрона в гидриде урана-235neutron migration lengths in uranium-235 hydride
M:=(L
Получаем дифференциальное диффузионное уравнение распределения для нейтронов в гидриде урана-235We obtain the differential diffusion distribution equation for neutrons in uranium-235 hydride
Решение уравненияEquation solution
N(r, z):=аhcos(azz)BesselJ (0, arr).N (r, z): = а h cos (a z z) BesselJ (0, a r r).
Из условия на границе для цилиндрического элемента из гидрида урана-235From the boundary condition for the cylindrical element of uranium-235 hydride
BesselJ(0,ar(r+0.83/31/2))=0BesselJ (0, a r (r + 0.83 / 3 1/2 )) = 0
необходимо определить корень, который равен значениюit is necessary to determine the root, which is equal to
аr(r+0.83/31/2)=2.404825558.and r (r + 0.83 / 3 1/2 ) = 2.404825558.
Отсюда определяем “лапласиан” по радиусуFrom here we determine the “Laplacian" by radius
ar=2.405/(R+.83/(31/2.)),a r = 2.405 / (R + .83 / (3 1/2 .)),
"лапласиан" по высотеLaplacian in height
az=π /L1 a z = π / L 1
и полный "лапласиан"and the full Laplacian
аh=(π /L1)2+5,784025/(R+0,4792007233)2.and h = (π / L 1 ) 2 + 5.784025 / (R + 0.4792007233) 2 .
Это дает возможность определить соотношение между критическими размерами длины и радиуса реактора 12 из гидрида урана-235This makes it possible to determine the ratio between the critical dimensions of the length and radius of the
L1=π (R+0,48)/(0,104(R+0,48)2-5,784)l/2.L 1 = π (R + 0.48) / (0.104 (R + 0.48) 2 -5.784) l / 2 .
Из фиг.9 видно, что критические размеры определяют цилиндр, у которого длина и радиус могут быть различными. Найдем минимальное значение радиуса цилиндра исходя из условия бесконечной длины цилиндраFrom figure 9 it is seen that the critical dimensions determine the cylinder, in which the length and radius can be different. We find the minimum value of the radius of the cylinder based on the condition of the infinite length of the cylinder
Ro:=(5,784/0,104)1/2-0.48=6.977572301 см.R o : = (5.784 / 0.104) 1/2 -0.48 = 6.977572301 cm.
Для определения конечной величины длины возьмем радиус равнымTo determine the final length, we take the radius equal to
Rc=6.99;R c = 6.99;
подставим эту величину для радиуса в выражениеsubstitute this value for the radius in the expression
Lc=3,14(Rc+0,48)/(0,104(Rc+0.48)2-5.784)l/2=168,8665437.L c = 3.14 (R c +0.48) / (0.104 (R c +0.48) 2 -5.784) l / 2 = 168.8665437.
Если сравнить размеры стержня 7 с американскими данными, то совпадает только длина, тогда как радиус в данном случае превышает на три порядка. Это понятно, т.к. радиус для американских испытаний брался исходя из других физических соображений, а именно из поглощения гамма-излучения в среде.If we compare the dimensions of the rod 7 with the American data, then only the length coincides, while the radius in this case exceeds three orders of magnitude. This is understandable since the radius for the American tests was taken on the basis of other physical considerations, namely the absorption of gamma radiation in the medium.
Для решения поставленной задачи в предлагаемом изобретении необходимо, чтобы длина намного превосходила радиус, а радиус в свою очередь должен быть намного меньше полученной величины критического значения радиуса. Только при этих условиях геометрический фактор стержня 7 определит условие направленности нейтронной волны 47 и одномерности движения. Для решения этой задачи необходимо воспользоваться изменением граничных условий на боковой поверхности цилиндра 3 из гидрида урана, предположив, что боковая поверхность покрывается веществом, от которого происходит отражение нейтронов, образующихся в среде. Вещество должно быть таким, чтобы отражение было бы максимальным (фиг.7) Обычно для этого используют бериллий. Однако может быть и какой либо другой материал, например водород или дейтерий. Определим необходимые параметры, характеризующие распространение нейтронов в системе из ядер водорода с твердотельной плотностью. Все основные параметры распространения нейтрона в этих средах задаются следующими значениями:To solve the problem in the present invention, it is necessary that the length is much greater than the radius, and the radius, in turn, should be much less than the obtained value of the critical value of the radius. Only under these conditions, the geometric factor of the rod 7 will determine the condition of the directivity of the
коэффициент диффузии теплового нейтрона в гидриде урана-235thermal neutron diffusion coefficient in uranium-235 hydride
Dh=LdVn/3;=2348,649496 см2/с,D h = L d V n / 3; = 2348.649496 cm 2 / s,
коэффициент диффузии нейтрона на ядрах дейтерияneutron diffusion coefficient on deuterium nuclei
Dd=VnIsd/3=95999.99999 см2/с,D d = V n I sd /3=95999.99999 cm 2 / s,
диффузионная длина теплового нейтрона на ядрах дейтерияthermal neutron diffusion length on deuterium nuclei
Ldd=(Ddtad)1/2=135.2955386 см,L dd = (D d t ad ) 1/2 = 135.2955386 cm,
длина рассеяния нейтрона на ядрах атома водородаneutron scattering length at the nuclei of a hydrogen atom
ls=0,68 см,l s = 0.68 cm
сечение поглощения замедленного нейтрона ядрами водородаcross section for the absorption of a delayed neutron by hydrogen nuclei
Sah=1,15· 10-24 см2,S ah = 1.15 · 10 -24 cm 2 ,
длина поглощения нейтрона в системе из ядер водородаneutron absorption length in a system of hydrogen nuclei
lah=1/(SahNo)=18,50138760 см,l ah = 1 / (S ah N o ) = 18.50138760 cm,
время жизни теплового нейтрона в такой системе из ядер водородаthermal neutron lifetime in such a system of hydrogen nuclei
T1=lah/Vn=.0001850138760,T 1 = l ah / V n = .0001850138760,
время жизни теплового нейтрона в системе из ядер дейтерияthermal neutron lifetime in a system of deuterium nuclei
Т1в=lфв/Vт=.1906758621,T 1c = l fv / V t = .1906758621,
коэффициент диффузии нейтрона в системе из ядер водородаdiffusion coefficient of a neutron in a system of hydrogen nuclei
Dd=Vтlы/3=22666.66666,D d = V t l s /3=22666.66666,
длина диффузии нейтрона в системе из ядер водородаneutron diffusion length in a system of hydrogen nuclei
Lh=(Dd1T1)1/2==2.047839802,L h = (D d1 T 1 ) 1/2 == 2.047839802,
длина диффузии нейтрона в системе из ядер дейтерияneutron diffusion length in a system of deuterium nuclei
Lh1=(DdT1d)1/2=135.2955386,L h1 = (D d T 1d ) 1/2 = 135.2955386,
длина замедления нейтрона в системе из ядер дейтерияneutron moderation length in a system of deuterium nuclei
Lsd=(l
В общем случае система диффузионных уравнений для нейтронов, распространяющихся в гидриде урана с отражателем, будет выглядеть следующим образом:In the general case, the system of diffusion equations for neutrons propagating in uranium hydride with a reflector will look as follows:
Граничные условия на границе струны из гидрида урана-235 с отражателем N1(R,z)=N2(R,z);Boundary conditions at the boundary of a uranium-235 hydride string with a reflector N1 (R, z) = N2 (R, z);
где р отношение коэффициентов диффузии нейтронов в струне и в отражателе из ядер водородаwhere p is the ratio of the diffusion coefficients of neutrons in the string and in the reflector of hydrogen nuclei
р=Dd1/Dh=9.650936293,p = D d1 / D h = 9.650936293,
a s1 - толщина отражателя.as 1 is the thickness of the reflector.
Рассмотрим решение этой системы для отражателя с водородом. Решения, определяющие пространственное распределение нейтронов в гидриде урана и в отражателе, будем искать методом разделения переменных. Распределение нейтронов в гидриде урана представляем в виде:Consider the solution of this system for a reflector with hydrogen. Solutions that determine the spatial distribution of neutrons in uranium hydride and in the reflector will be sought by the method of separation of variables. The neutron distribution in uranium hydride is presented in the form:
N1(r,z):=F1(r)Z1(z),N1 (r, z): = F1 (r) Z1 (z),
где имеет место зависимость распределение нейтронов по длинеwhere the distribution of neutrons along the length takes place
Z1(z):=cos(azz)Z1 (z): = cos (a z z)
и по радиусуand in radius
F1(r):=Abesse1L (0,arr).F1 (r): = Abesse1L (0, a r r).
Распределение нейтронов в отражателе представляется в виде:The neutron distribution in the reflector is represented as:
N2(r,z):=F2(r)Z2(z),N2 (r, z): = F2 (r) Z2 (z),
где распределение нейтронов по длине представлено в видеwhere the neutron distribution along the length is presented as
Z2(z):=cos(azZ).Z2 (z): = cos (a z Z).
При этом "лапласиан" по длине равенIn this case, the “Laplacian" is equal in length
ая=π /L,and I = π / L,
а по радиусуand in radius
ак=2.405/R.and k = 2.405 / R.
При этом радиальное распределение нейтронов в отражателе из водорода определяется из уравненияIn this case, the radial distribution of neutrons in the hydrogen reflector is determined from the equation
решением которого является выражениеwhose solution is the expression
F2(r):=BBesselI(0,sr)+CBesselK(0,sr);F2 (r): = BBesselI (0, sr) + CBesselK (0, sr);
с “лапласианом”with “laplacian”
аh=a
s=(1/L
и радиусом реактора с отражателем (см)and the radius of the reactor with a reflector (cm)
R1=R+s1.R 1 = R + s 1 .
Функции, которые подставляются в выражение для условия определения соотношения критической длины и радиуса для реактора имеют вид:The functions that are substituted into the expression for the condition for determining the ratio of the critical length and radius for the reactor are:
J2:=-BesselK(0,sR1)/BesselI(0,sR1);J2: = - BesselK (0, sR 1 ) / BesselI (0, sR 1 );
J1:=diff(BesselK(1,s· R),R);J1: = diff (BesselK (1, s · R), R);
условие, определяющее соотношение между длиной и радиусом струны из гидрида урана-235 с отражателем, полученное в результате подстановки решения уравнений в заданные граничные условияa condition that determines the relationship between the length and radius of a string of uranium-235 hydride with a reflector, obtained by substituting the solution of the equations in the given boundary conditions
Kr=(2.4BesselJ(1,2.4/R)/(RBesselJ(0,2.4/R))-(sDdl(Jl+J2· BesselI(1,sR))/(Dh((BesselK(0,sR)-J2· BesselI(0,sR))))+l/s1)).K r = (2.4BesselJ (1,2.4 / R) / (RBesselJ (0,2.4 / R)) - (sD dl (Jl + J2BesselI (1, sR)) / (D h ((BesselK (0, sR) -J2 BesselI (0, sR)))) + l / s 1 )).
В результате численного расчета из этого условия, которые показаны на фиг.10, 11, 12, были получены соотношения между критическими длинами и радиусами для реактора 12 из гидрида урана-235 с отражателем для различной толщины отражателя, например из гидрида лития. Полученные результаты показывают, что стержень из гидрида урана-235 без отражателя для нейтронов имеет критические размеры по радиусу порядка Rкр=7 см. Эти размеры стержня слишком велики для того, чтобы осуществить формирование плоской нейтронной волны 47. В результате оценочных расчетов по определению материала для отражения нейтронов, а также определение критических размеров стержня 7 из гидрида урана с данным отражателем, было получено, что оптимальным материалом для такого отражателя является водород 34, критический размер стержня снизился до радиуса Rкр=1-3 см. При толщине покрытия отражателя 2 (фиг.1) из гидрида лития в пределах 0,05-0,2 см. Для получения такого отражателя можно воспользоваться металлической фольгой 2 (фиг.1, 2), например из наводороженного лития, или гидрида какого-либо другого легкого металла. Величина длины струны берется несколько меньше критической (L<Lкр=20-150 см), чтобы не начался заранее неуправляемый процесс цепной реакции. В результате деления ядер урана-235 при захвате тепловых нейтронов 37 возникают осколки ядер 40 с общей энергией порядка 200 МэВ=2· 10-11 Дж.As a result of a numerical calculation from this condition, which are shown in FIGS. 10, 11, 12, the relations between the critical lengths and radii for the
Быстрые нейтроны, генерируемые нейтронным детонатором 25 с торцевой поверхности стержня 7, замедляются в водородной среде гидрированного урана-235 до тепловой скорости, постепенно превращаясь в нейтронную волну 47, движущуюся со скоростью Vn=105 см/с и в силу начальной пространственной неоднородности их распределения в стержне, захватываются ядрами урана, создавая таким образом пространственно-неоднородное распределение цепной реакции деления ядер урана-235 (фронт волны ядерных реакций деления ядер), в результате чего возникает пространственно-неоднородное распределение концентрации осколков деления 40 с энергией Ео=200 МэВ, являющейся причиной возникновения фронта волны разогрева 42 стержня 7, движущейся по среде с некоторой скоростью. Определим параметры процесса возникновения волны разогрева 42 исходя из выделения энергии деления урана-235 в результате поглощения теплового нейтрона 37 нейтронной волны 47. Вначале определим величину выделения тепловой энергии в торце монокристалла 3 гидрида урана, которая возникает в результате действия нейтронного источника 25 (нейтронного детонатора) при сближении поверхности источника 25 с поверхностью торца реактора 12. Выделяемые источником 25 нейтроны начинают замедляться в среде реактора 12 и при достижении тепловой энергии начинают поглощаться ядрами урана. Эффективное сечение поглощения теплового нейтрона в уране-235 определяется величиной:Fast neutrons generated by the
Sau=6,9· 10-22 cм2.S au = 6.9 · 10 -22 cm 2 .
При известной концентрация атомов урана-235 в реакторе 12 определяем длину поглощения теплового нейтрона 37в уране-235.With the known concentration of uranium-235 atoms in the
lau=1/(SauNu)=.03083564600.l au = 1 / (S au N u ) =. 03083564600.
Отсюда при известной величине скорости теплового нейтрона 37 определяем среднее время жизни одного поколения нейтронов при медленных реакцияхHence, with the known value of the
Tm=lau/Vn=0,1541782300· 10-6 T m = l au / V n = 0.1541782300 · 10 -6
и при известной величине коэффициент размножения нейтронов в гидриде урана-235 определяем характерное время реакции деления в гидриде урана-235and at a known value, the neutron multiplication coefficient in uranium-235 hydride is determined by the characteristic fission reaction time in uranium-235 hydride
tm=Tm/(kn-1)=0,5710304815· 10-6.t m = T m / (k n -1) = 0.5710304815 · 10 -6 .
Зная, величину энергии осколков деления ядра урана-235 и величину начальной интенсивности числа нейтронов, излучаемых нейтронным детонатором в торце стержняKnowing the magnitude of the energy of the fission fragments of the uranium-235 nucleus and the magnitude of the initial intensity of the number of neutrons emitted by the neutron detonator at the end of the rod
Wo=1.· 1010 с-1· см-3 W o = 1. · 10 10 s -1 · cm -3
можно построить дифференциальное уравнение для определения изменения выделяемой энергии в торце реактора за счет осколков ядра 40 урана в результате цепной реакции деления ядер урана-235, которые инициируются в результате поглощения нейтронов источника 25,you can build a differential equation to determine the change in the energy released in the end of the reactor due to fragments of the
Решение дифференциального уравнения с начальными условиями определяет интенсивность выделяемой энергии за счет числа деления ядер урана-235 в результате захвата тепловых нейтронов 37The solution of a differential equation with initial conditions determines the intensity of the released energy due to the number of fission of uranium-235 nuclei as a result of
W(t):=Woexp(t/tm) W (t): = W o exp (t / t m)
Таким образом получаем, что выделяемая энергия в торце кристалла 3, которая инициируется нейтронами нейтронного детонатора 25 равна выражению вида:Thus, we find that the energy released at the end of the crystal 3, which is initiated by the neutrons of the
W(t):=1010exp(0,175122· 107 t)W (t): = 10 10 exp (0.175122 · 10 7 t)
Численные расчеты изменения интенсивности энергии в зависимости от времени распространения нейтронной волны 47 по стержню показаны на фиг.13.Numerical calculations of changes in energy intensity depending on the propagation time of a
Отсюда можно определить величину удельной интенсивности энергии, выделяемой за время t в результате процесса цепной реакции деления ядер урана-235From here one can determine the value of the specific intensity of energy released during time t as a result of the chain reaction of fission of uranium-235 nuclei
Q(t):=W(t)Eo:=0,2 ехр(.1751220000· 107 t) Вт/см3.Q (t): = W (t) E o : = 0.2 exp (.1751220000 · 10 7 t) W / cm 3 .
За время жизни теплового нейтрона можно определить интенсивность числа распадов ядер урана, т.е. при t=To получаем величинуDuring the lifetime of a thermal neutron, one can determine the intensity of the number of decays of uranium nuclei, i.e. at t = T o we get the value
W1=1010exp(26.2683)=0,2390646848· 1022 с-1· см-3 W 1 = 10 10 exp (26.2683) = 0.239064684810 22 s -1 cm -3
Отсюда на длине поглощения теплового нейтрона можно определить величину потока числа нейтронов 50, а следовательно, и гамму-излучения 39Hence, on the absorption length of a thermal neutron, it is possible to determine the magnitude of the flux of the number of
Io=W1lau=0,7371713992· 1020 с-1· см-2.I o = W 1 l au = 0.7371713992 · 10 20 s -1 · cm -2 .
Удельная интенсивность поглощенной энергии за время жизни теплового нейтрона или, что то же самое - удельная интенсивность поглощенной энергия в струне гидрида урана-235, равнаThe specific intensity of the absorbed energy during the lifetime of a thermal neutron, or, which is the same thing, the specific intensity of the absorbed energy in a string of uranium-235 hydride, is
Qo=4,78· 1010 Вт/см3 Q o = 4.78 · 10 10 W / cm 3
Таким образом, поток поглощенной энергии осколков деления ядер 40 урана будет равенThus, the flux of absorbed energy of the fission fragments of the
qо=Qolau=0,1473943879· 1010 Дж/с· см2.q o = Q o l au = 0.1473943879 · 10 10 J / s · cm 2 .
Рассмотрим теперь тепловые процессы, которые будут происходить в реакторе по мере продвижения по телу реактора нейтронной волны 47, которая возникает в процессе инициирования цепной реакции деления и в самом начале инициируется нейтронами источника 25 на торце реактора. Для этого введем основные параметры тех физических процессов, которые будут сопровождаться в результате поглощения энергии цепной реакции деления урана в реакторе. К ним относятся: удельная энергия испарения твердотельного гидрида уранаLet us now consider the thermal processes that will occur in the reactor as the
Qi=1· 105 Дж/см3,Q i = 1 · 10 5 J / cm 3 ,
Ls=1.5 см - длина замедления быстрых нейтронов,L s = 1.5 cm is the deceleration length of fast neutrons,
kn=1.27 - коэффициент размножения нейтронов в нейтронной волне 47 при движении по реактору 12. Удельная интенсивность, выделяемая при цепной реакции деления урана за счет движения нейтронной волны 47 по реактору 12, определяется выражениемk n = 1.27 is the neutron multiplication coefficient in the
Q(x):=Qoexp((kn-1)x/Ls):=0,478· 1011 ехр(0,18х).Q (x): = Q o exp ((k n -1) x / L s ): = 0.478 · 10 11 exp (0.18x).
Соответственно поток нейтронов нейтронной волны 47 будет возрастать при движении нейтронной волны в реакторе 12 по законуAccordingly, the neutron flux of the
q(x):=qoexp((kn-1)x/Ls)=0,1473943879· 1010 ехр(0,18х)q (x): = q o exp ((k n -1) x / L s ) = 0.147394387910 10 exp (0.18x)
Начальная скорость фронта волны испарения 42 твердотельного урана по стержню 7 из гидрида урана-235The initial velocity of the front of the
Ve=qo/Qi=14739.43879 см/с.V e = q o / Q i = 14739.43879 cm / s.
До тех пор пока скорость волны испарения 42 мала по сравнению со скоростью нейтронной волны, интенсивность нейтронной волны 47 по интенсивности будет возрастать по мере продвижения по реактору 12. При сравнении этих скоростей возникнет условие для разрушения нейтронной волны, а следовательно, условие когерентности также перестанет существовать, что, естественно, приведет к диффузному распространению гамма-квантов 39, которые излучаются в момент деления ядер уранаAs long as the speed of the
V(x):=q(x)/Qi=2456,573132 exp(0,18x) (см/с)V (x): = q (x) / Q i = 2456.573132 exp (0.18x) (cm / s)
Численные расчеты по определению скорости волны испарения 42 стержня 12 в результате выделяемой энергии в зависимости от расстояния показано на фиг.14.Numerical calculations to determine the speed of the
kt=2,5· 105 Вт/(см· град) - высокотемпературная теплопроводность испаряемого урана при температуре 5000° С;k t = 2.5 · 10 5 W / (cm · deg) is the high-temperature thermal conductivity of evaporated uranium at a temperature of 5000 ° С;
ct=10,1 Дж/(г· град) - теплоемкость испаряемого урана при температуре 5000° С;c t = 10.1 J / (g · deg) is the heat capacity of evaporated uranium at a temperature of 5000 ° C;
р0=18 г/см3 - плотность испаряемого урана. Дифференциальное уравнение движения волны энергии испарения струны под действием поглощения энергии в результате цепной реакции деления ядер урана, инициируемых тепловыми нейтронами, дается в виде:p 0 = 18 g / cm 3 - the density of the evaporated uranium. The differential equation of motion of a wave of energy of evaporation of a string under the action of energy absorption as a result of a chain reaction of fission of uranium nuclei initiated by thermal neutrons is given in the form:
Подставим все значения параметров среды и процесса деления ядер и рассмотрим дифференциальное уравнение для процесса выделения энергии в стержне в линейном приближенииSubstitute all the values of the parameters of the medium and the process of nuclear fission and consider the differential equation for the process of energy release in the rod in the linear approximation
Решение этого уравнения можно представить в виде:The solution to this equation can be represented as:
Т(х)=5007,6 ехр(0,18х)-5007,6 ехр(-11,67х).T (x) = 5007.6 exp (0.18x) -5007.6 exp (-11.67x).
Изменение температуры стержня 7 по расстоянию в результате выделяемой энергии при прохождении нейтронной 47 волны показаны на фиг.15, 16.The change in the temperature of the rod 7 over the distance as a result of the released energy during the passage of the
При этом начальная температура разогрева стержня из гидрида урана в области поглощения энергии в результате инициирования цепной реакции деления 46 ядер урана тепловыми нейтронами 47In this case, the initial temperature of the heating of a rod of uranium hydride in the energy absorption region as a result of the initiation of a chain reaction of fission of 46 uranium nuclei with
Тx=qo/(роctVe)=5050,5.T x = q o / (r o c t V e ) = 5050.5.
В результате можно рассчитать следующие параметры: начальную скорость фронта тепловой волны 41 по холодной среде, движущейся вдоль струны в результате поглощения энергии реакции деления ядер урана:As a result, the following parameters can be calculated: the initial velocity of the front of the
Vt=(kt/(poctTm))1/2=29864,93248 см/с;V t = (k t / (p o c t T m )) 1/2 = 29864.93248 cm / s;
кинетическую энергию атомов урана, испаряемых стержнем в результате разогрева до температуры 5050° С (эрг):kinetic energy of uranium atoms evaporated by the rod as a result of heating to a temperature of 5050 ° C (erg):
Et=V
скорость испаряемых атомов урана:speed of vaporized uranium atoms:
Vi=(2Et/(2,35· 10-22))1/2=65232,80730 см/с;V i = (2E t / (2.35 · 10 -22 )) 1/2 = 65232.80730 cm / s;
плотность пара из атомов урана-235:vapor density of uranium-235 atoms:
p1=pоVe/Vi=.04067123725 г/см3 p 1 = p o V e / V i = .04067123725 g / cm 3
и давление пара испаряемых атомов уранаand vapor pressure of vaporized uranium atoms
P1=p1V
При этом скорость звуковой волны по твердотельному урану.At the same time, the speed of the sound wave in solid uranium.
Vs=1· 105 см/сV s = 1 · 10 5 cm / s
Таким образом, видно, что нейтронная волна 47 опережает по скорости движения все остальные сопутствующие процессы, которые могли бы разрушить нейтронную волну, которая в свою очередь инициирует волну цепных реакции деления 41 ядер урана в реакторе по мере продвижения по реактору, а следовательно, инициирует излучением гамма-квантов 39. Для того, чтобы определить поток когерентных гамма-квантов 48, инициируемых нейтронами нейтронной волны 47, необходимо сначала определить концентрацию нейтронов в волне. При заданной скорости движения нейтронной волны 47, равной тепловой скорости, и известной величины потока нейтронов в нейтронной волнеThus, it is seen that the
Io=0,73· 1020 с-1· см-2,I o = 0.73 · 10 20 s -1 · cm -2 ,
концентрация нейтронов в волне равна:the neutron concentration in the wave is equal to:
Nn=Io/Vn=0,73· 1015 см-3.N n = I o / V n = 0.73 · 10 15 cm -3 .
Такая же концентрация когерентных гамма-квантов 48 будет излучаться при когерентном возбуждении и делении тяжелых ядер урана при поглощении нейтронов нейтронной волны 47 фиг.6, 7, т.е. концентрация когерентных гамма-квантов 48 будет равна величине (см-3):The same concentration of
Ngk:=Nn N gk : = N n
Так как гамма-кванты 39 перемещаются в пространстве со скоростью света, то поток когерентных гамма квантов 48, генерируемые в результате процесса деления урана 46, будет равенSince
Iog=Ngk3· 1010=0,219· 1026 с-1· см-2.I og = N gk3 · 10 10 = 0.219 · 10 26 s -1 · cm -2 .
По мере продвижения по реактору интенсивность нейтронной волны 47 возрастает в силу инициирования цепной реакции деления 46 ядер и соответственно размножения нейтронов (с-1· см-2):As you move through the reactor, the intensity of the
Ig(x):=Ioexp(0,18x)=0,73· 1020 ехр(0,18х).I g (x): = I o exp (0.18x) = 0.73 · 10 20 exp (0.18x).
Генерируемые гамма кванты 39 в твердотельной среде гидрида урана естественно начинают двигаться в этой же среде. Это движение в данной среде может привести к ослаблению величины потока когерентного излучения гамма-квантов 48. При энергии 8-10 МэВ процессы торможения гамма-квантов и потери энергии наиболее эффективны за счет процессов торможения на электронах (позиции не имеет) среды. Остальные процессы, такие как фотоэффект и образование пары электрон-позитрон, можно не принимать во внимание ввиду их малой эффективности. Средняя величина энергии переданной от гамма-кванта 39 электрону (позиции не имеет) по порядку величины сравнима с энергией гамма-кванта. Средний угол отклонения гамма-кванта также достаточно велик и составляет в радианной мере величину порядка 0,5. При известном выражении полного дифференциального сечения и плотности электронов можно определить длину рассеяния гамма-кванта 39 на электроне сред, которая составляет 5-6 см. Отсюда можно определить величину ослабления потока когерентного излучения гамма-кванта 48 с того места, где возникло излучение, до того места, откуда произойдет излучение в пространство фиг.7. Если концентрация электронов в твердотельной среде гидрида урана равнаThe generated
Ne=0,276· 1025 см-3,N e = 0.276 · 10 25 cm -3 ,
то для полного сечения рассеяния гамма-кванта 39 на электронах средыthen for the full scattering cross section of gamma-
Sc=0,6112051881· 10-25 см2.S c = 0.6112051881 · 10 -25 cm 2 .
имеет место ослабление потока гамма-квантов 39 в результате тормозных процессов при рассеянии на электронах средыthere is a weakening of the gamma-
I1=Iogexp(-NeSc100)=0,1033275656· 1019 с-1· см-2.I 1 = I og exp (-N e S c 100) = 0.1033275656 · 10 19 s -1 · cm -2 .
Если длина всей струны из гидрида урана равна L:=100 см, то при учете всех процессов усиления интенсивности гамма-излучения и его ослабления полное излучение потока когерентных гамма-квантов 48 по всей длине стержня 7 после процессов рассеяния за счет Комптон-эффекта на холодных электронах твердотельной среды гидрида урана представляется в виде:If the length of the entire string of uranium hydride is L: = 100 cm, then taking into account all the processes of amplification of the intensity of gamma radiation and its attenuation, the total radiation of the flux of
При заданной энергии гамма-кванта 39For a given gamma-
Eg=0,16· 10-4 эргE g = 0.16 · 10 -4 erg
полная потоковая интенсивность излучаемой энергии с торца стержня 7 составит величинуthe total flow intensity of the radiated energy from the end face of the rod 7 will be
Wg=ILEg· 10-7:=0,65· 1014 Вт/см2.W g = I L E g · 10 -7 : = 0.65 · 10 14 W / cm 2 .
Такая потоковая интенсивность гамма-квантов 39 соответствует интенсивности гамма-излучения вблизи взрыва мегатонной ядерной бомбы. Кроме того, с торца стержня 7 происходит некогерентное и когерентное излучение нейтронов, интенсивность которых сравнима с потоковой интенсивностью гамма-квантов 39, но с меньшей плотностью мощности на порядок, и когерентного рентгеновского излучения за счет тормозных процессов, потоковая интенсивность которых превышает на порядок интенсивность гамма-квантов. При этом основная энергия стержня, выделяемая при распаде ядра урана, остается на месте взрыва и идет в основном на тепловые процессы. Рассматриваемый физический эффект переизлучения потока гамма-квантов 39 ядерного взрыва в когерентное гамма-излучение 48 возможно при условии, если скорость нейтронной волны 47 при заданном параметре нейтронного источника 25 опережает все скорости, которые могут эту нейтронную волну разрушить. Оценочные расчеты тепловых процессов показывают, что пространственно неоднородное распределение цепной реакции деления 46 ядер урана-235 (фронт волны ядерных реакций деления ядер) движется со скоростью 298 м/с. При этом фронт волны испарения 42 движется со скоростью 25 м/с и со временем увеличивается, т.к. имеет место увеличение плотности потока выделяемой энергии в результате прохождения нейтронной волны. Получаем, что фронт волны испарения не может опередить фронт тепловой волны в силу независимости этого параметра от температуры. Все эти движения рассматриваемых процессов происходят вдоль стержня 3 в одну сторону, к противоположному торцу стержня. В результате испарения атомов урана происходит движение в противоположную сторону пара из атомов урана, создавая давление Р1=8,6 Дж/см3 на торцевую поверхность стержня, действие которого генерирует звуковую волну в стержне, движущееся также к противоположному торцу. Оценочные расчеты показывают также, что скорость фронта нейтронной волны опережает все остальные скорости, кроме скорости звука.Such a flux intensity of
Давление, генерирующее звуковую волну (волна сжатия 43), сравнительно мало и, кроме того, имеет положительное значение, так как убыстряет процесс замедления нейтронов и увеличивает коэффициент размножения нейтронов в результате поджатия урана в области прохождения. Таким образом, на движение нейтронной волны 47 практически ничего не влияет и, двигаясь по монокристаллу 3 с известной скоростью, она будет инициировать процессы цепного деления ядерных реакций по всему стержню 7. В зависимости от свойств делящихся и замедляющих материалов и отражателей подбирают критические размеры стержня таким образом, чтобы, например, увеличить продолжительность времени процесса "ядерного горения" такого стержня (ядерный бикфордов шнур) фиг.7. В данном случае необходимость увеличения длины стержня нет, так как необходимо вывести из стержня максимальный поток направленных частиц (нейтронов и гамма). В рассматриваемом случае каждое продвижение волны на расстояние длины захваты нейтронов ядрами урана (lau=3· 10-2 см) происходит излучение гамма и вторичных нейтронов с величиной потока W1=4· 1025 с-1· см-2. Однако это не означает, что излучение будет иметь место только в одну сторону. Часть излучения в силу геометрического фактора среды, а именно примерно 0,8.W1, будет излучаться с боковой поверхности стержня. Полное время излучения будет равно времени прохождения тепловыми нейтронами всей длины струны, т.е. tизл=10-3 с или меньше. Генерируемые гамма-кванты 39 в твердотельной среде гидрида урана начинают двигаться в этой же среде. Средняя величина энергии переданной от гамма-кванта электрону по порядку величины сравнима с энергией гамма-кванта. При заданном первоначальном потоке излучения гамма-кванта, равном I=2· 1024 с-1· см-2, выходное излучение, пройдя всю длину стержня из гидрида урана, станет равным I1=1,5· 1019 с-1· см-2. Однако, если учесть, что фронт тепловых нейтронов будет двигаться по всей длине струны, постоянно генерируя в каждом месте среды когерентные гамма-кванты с одинаковым значением величины потока, величина выходного когерентного излучение гамма-квантов будет равна: IL=4· 1025 с-1· см-2. Переданная от гамма-квантов энергия электронам, в результате комптоновского рассеяния, с одной стороны должна снова переизлучиться в гамма-кванты с примерно такой же энергией (индуцированное излучение) за счет тормозных процессов, а с другой пойти на разогрев твердотельной среды за счет ионизационных процессов торможения электронов на атомах среды. Отношение потерь энергии для обоих случаев показало, что эти процессы практически эквивалентны друг другу. В силу этого были рассмотрены процессы тормозного переизлучения релятивистских электронов в поле атомов среды и было показано, что величина потока обратного тормозного излучения на порядок превышает величину ослабленного потока гамма-квантов и равна It=4,3· 1025 с-1· см-2. Остальная часть энергии, переданной электронам, должна пойти на разогрев твердотельной среды. Эта величина удельной энергии, которая содержится в этих электронах, относительно мала, чтобы произвести сильный разогрев всего объема стержня за рассматриваемое время взрыва (10-3 с). Это означает, что за это время успеет излучиться из стержня весь импульс когерентных гамма-квантов, а потом произойдет испарение всего стержня реактора 12.The pressure generating a sound wave (compression wave 43) is relatively small and, moreover, has a positive value, since it accelerates the process of neutron deceleration and increases the neutron multiplication coefficient as a result of the compression of uranium in the transmission region. Thus, practically nothing influences the motion of
Достижением настоящего изобретения является то, что физические явления и процессы описываются с точки зрения кинетических уравнений ядерной физики, квантовых уравнений рассеяния тепловых нейтронов в кристаллах квантовой теории твердого тела, волновых уравнений нейтронов в кристаллах, квантово-волновой оптики для нейтронов, кинетических уравнений и уравнений теплопроводности распространения фронтов ядерных реакций, тепловой волны и волны испарения в кристаллах, уравнений распространения рентгеновского излучения и гамма-излучения в кристаллах. Произведены численные расчеты этих процессов и для основных из них построены графики, подтверждающие возможность реального осуществления предлагаемого устройства. В предлагаемом изобретении последовательно решены с общепринятых физических позиций сложнейшие научно-технические задачи:An achievement of the present invention is that physical phenomena and processes are described in terms of kinetic equations of nuclear physics, quantum equations of thermal neutron scattering in crystals of the quantum theory of a solid body, wave equations of neutrons in crystals, quantum-wave optics for neutrons, kinetic equations and equations of heat conduction propagation of the fronts of nuclear reactions, heat waves and evaporation waves in crystals, the equations of propagation of x-ray radiation and gamma radiation crystals. Numerical calculations of these processes are made and for the main of them graphs are constructed confirming the possibility of real implementation of the proposed device. In the present invention, the most complicated scientific and technical problems are sequentially solved from generally accepted physical positions:
- предложен и рассмотрен физический механизм ядерной накачки нейтронами активной среды монокристалла из гидрида элементов урановой группы;- the physical mechanism of nuclear pumping by neutrons of the active medium of a single crystal from a hydride of elements of the uranium group is proposed and considered;
- рассчитаны для данного устройства условия увеличения времени ядерного взрыва до 10-3 с;- conditions for increasing the time of a nuclear explosion up to 10 -3 s are calculated for this device;
- рассмотрены и определены режимы накачки тепловыми нейтронами для когерентного возбуждения ядерных реакций деления тяжелых ядер и переизлучения части энергии деления в быстрые нейтроны и в когерентное гамма-излучение в монокристалле;- modes of pumping by thermal neutrons for coherent excitation of nuclear fission reactions of heavy nuclei and reradiation of part of the fission energy into fast neutrons and into coherent gamma radiation in a single crystal are considered and determined;
- определены условия формирования, временные режимы и скорости движения нейтронной волны, тепловой волны, волны испарения, волны сжатия и разрежения в монокристалле в процессе инициирования ядерных реакций деления тяжелых ядер, а также показана физика процессов их образования;- the formation conditions, time regimes and velocities of the neutron wave, heat wave, evaporation wave, compression and rarefaction waves in the single crystal during the initiation of nuclear fission reactions of heavy nuclei are determined, and the physics of the processes of their formation is shown;
- определены критические размеры монокристалла из гидрида элементов урановой группы и параметры предкритического режима работы устройства;- the critical dimensions of a single crystal from a hydride of the elements of the uranium group and the parameters of the precritical mode of operation of the device were determined;
- определены стартовые параметры работы устройства;- the starting parameters of the device are determined;
- определены необходимые размеры устройства и режимы его запуска;- the necessary dimensions of the device and the modes of its launch are determined;
- определено пороговое значение выходного потока направленного когерентного гамма-лазерного излучения, равное порядка 1025 с-1· см-2, соответствующее потоку нейтронного излучения, равному 1014 Вт/см2, что достаточно для защиты планеты Земля от столкновения с космическими объектами.- the threshold value of the output flux of directional coherent gamma-ray laser radiation is determined, equal to about 10 25 s -1 · cm -2 , corresponding to a neutron radiation flux equal to 10 14 W / cm 2 , which is sufficient to protect planet Earth from collision with space objects.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003136409/28A RU2243621C1 (en) | 2003-12-18 | 2003-12-18 | Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003136409/28A RU2243621C1 (en) | 2003-12-18 | 2003-12-18 | Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2243621C1 true RU2243621C1 (en) | 2004-12-27 |
Family
ID=34388720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003136409/28A RU2243621C1 (en) | 2003-12-18 | 2003-12-18 | Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2243621C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2491210C1 (en) * | 2012-02-10 | 2013-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Method of changing path of dangerous space body (versions) |
RU2527313C1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-08-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of generating coherent radiation |
RU2602769C1 (en) * | 2015-09-10 | 2016-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of creating population inversion of nuclear levels in material of active medium and initiation of single-pass coherent gamma-radiation |
RU2608855C1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-01-25 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Single-pass gamma-laser |
CN107998517A (en) * | 2016-10-31 | 2018-05-08 | 南京中硼联康医疗科技有限公司 | Neutron capture treatment system |
RU2654880C1 (en) * | 2017-05-03 | 2018-05-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of the specific energy determination necessary for the hazardous asteroid destruction by nuclear explosion |
CN112424876A (en) * | 2018-05-01 | 2021-02-26 | 伊利诺斯工具制品有限公司 | Neutron sealed source |
-
2003
- 2003-12-18 RU RU2003136409/28A patent/RU2243621C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ракетная и космическая техника. - 17.04.1981, №16 (1121) с.18-20. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2491210C1 (en) * | 2012-02-10 | 2013-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Method of changing path of dangerous space body (versions) |
RU2527313C1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-08-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of generating coherent radiation |
RU2602769C1 (en) * | 2015-09-10 | 2016-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of creating population inversion of nuclear levels in material of active medium and initiation of single-pass coherent gamma-radiation |
RU2608855C1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-01-25 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Single-pass gamma-laser |
CN107998517A (en) * | 2016-10-31 | 2018-05-08 | 南京中硼联康医疗科技有限公司 | Neutron capture treatment system |
CN107998517B (en) * | 2016-10-31 | 2024-04-12 | 南京中硼联康医疗科技有限公司 | Neutron capture therapy system |
RU2654880C1 (en) * | 2017-05-03 | 2018-05-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of the specific energy determination necessary for the hazardous asteroid destruction by nuclear explosion |
CN112424876A (en) * | 2018-05-01 | 2021-02-26 | 伊利诺斯工具制品有限公司 | Neutron sealed source |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Takabe | Astrophysics with intense and ultra-intense lasers “laser astrophysics” | |
US9839111B2 (en) | Staged Z-pinch for the production of high-flux neutrons and net energy | |
Orth | VISTA--A Vehicle for Interplanetary Space Transport Application Powered by Inertial Confinement Fusion | |
RU2243621C1 (en) | Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation | |
Martinez-Val et al. | An introduction to nuclear fusion by inertial confinement | |
Taylor | Third-generation nuclear weapons | |
Isern et al. | Binary Systems and Their Nuclear Explosions | |
Shmatov | Igniting a microexplosion by a microexplosion and some other controlled thermonuclear fusion scenarios with neutronless reactions | |
Fortov et al. | Explosions, powerful shock waves, and extreme states of matter | |
Miquel | LMJ & PETAL Status and first experiments | |
RU2683576C1 (en) | Single-drive amplifier for monochromatic collimated polarized neutrons | |
Bailly-Grandvaux | Laser-driven strong magnetic fields and high discharge currents: measurements and applications to charged particle transport | |
Rygg | Shock convergence and mix dynamics in inertial confinement fusion | |
Belyaev et al. | Promising lines of research in the realms of laboratory nuclear astrophysics by means of powerful lasers | |
McKee | Neutron production from Z-pinch plasmas at the 1 MA Zebra generator | |
Gus’ kov et al. | Fast ignition by detonation in a hydrodynamic flow | |
RU2182260C2 (en) | Method for starting nuclear rocket engines based on resonant-dynamic fission and fusion reactions | |
Bolonkin | Micro-thermonuclear ab-reactors for aerospace | |
Miley et al. | Laser Fusion Propulsion using Extreme CPA-Laser Pulses for Boron Fusion | |
Cassenti | Lithium Hydride in Nuclear Pulse Propulsion | |
CEA | Laser-driven strong magnetic fields and high discharge currents: measurements and applications to charged particle transport | |
GB2540645A (en) | Starter | |
Brugger | The Potential of a Laser-Induced Fusion Device as a Thermal-Neutron Source | |
RU2433493C1 (en) | Method and device to generate quantum beams | |
Pudjorahardjo et al. | Feasibility study of axial compact neutron generator as SAMOP neutron source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091219 |