RU2761862C1

RU2761862C1 - Герметизированный источник нейтронов

Info

Publication number: RU2761862C1
Application number: RU2020135505A
Authority: RU
Inventors: Марк ВОУЗ
Original assignee: Иллинойс Тул Воркс Инк.
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2021-12-13
Also published as: US10580543B2; EP3788641A1; EP3788641B1; WO2019226224A1; US20190341163A1; CN112424876A

Abstract

Изобретение относится к герметизированному источнику нейтронов, который содержит металлокерамические проволочные источники, такие как проволоки с калифорнием-252/палладием. Герметизированный источник нейтронов включает первую капсульную конструкцию, включающую в себя блочную конструкцию. Блочная конструкция имеет открытый и закрытый конец. Блочная конструкция включает в себя множество отверстий для приема соответствующего множества активных источников. Изобретение позволяет генерируемое внутри тепло деления и распада отводить от активных источников через блок из нержавеющей стали. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Эта заявка заявляет согласно 35 U.S.C. §119(е) преимущество приоритета заявки на патент США № 15/967720, поданной 1 мая 2018 года, полное содержание которой включено в эту заявку по ссылке во всех отношениях.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее раскрытие относится к герметизированному источнику нейтронов, который содержит металлокерамические проволочные источники, такие как проволоки с калифорнием-252/палладием, в отдельных глухих отверстиях внутри блока из нержавеющей стали, в результате чего генерируемое внутри тепло деления и распада отводится от металлокерамических проволочных источников через блок из нержавеющей стали.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0003] В уровне техники известно использование калифорния-252 в качестве источника нейтронов для обеспечения стабильного инициирования ядерной цепной реакции во время запуска ядерных реакторов. Это обеспечивает более предсказуемый, безопасный и надежный запуск, чем запуск на основе только спонтанного деления или замедленного деления внутри топливных стержней реактора. Такой источник нейтронов увеличивает нейтронный поток и, таким образом, скорость реакции деления в реакторе, что позволяет первоначальный запуск реактора даже в докритическом состоянии. Дополнительно, такой известный источник нейтронов внутри реактора во время запуска позволяет тестировать детекторы нейтронного потока. В уровне техники множественные металлокерамические проволоки, содержащие калифорний-252 и палладий, свободно размещаются внутри единственной полости для источника, и затем капсула источника заваривается, как показано на фиг. 1 и 2. Эти капсулы источника обычно размещаются на протяжении всей активной зоны ядерного реактора. Однако, в такой конфигурации, металлокерамические проволоки могут касаться друг друга. Такая конфигурация может приводить к теплу как от деления, так и от распада, которое будет достаточно велико для расплавления металлокерамических проволок во время эксплуатации внутри ядерного реактора, что опасно для целостности капсулы.

ЗАДАЧИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Таким образом, задачей настоящего раскрытия является обеспечение источника нейтронов с использованием калифорния-252 или подобных изотопов, который может отводить тепло, генерируемое в источнике нейтронов во время эксплуатации ядерного реактора как от деления, так и от распада, и предотвращать или минимизировать расплавление источника, что может быть опасным для целостности капсулы.

[0005] Эта и другие задачи достигаются посредством обеспечения герметизированного источника нейтронов, в котором блок из нержавеющей стали, вкладыш, или подобная конструкция снабжена множеством отделений или глухих отверстий, каждое из которых предназначено для приема отрезка металлокерамической проволоки с калифорнием-252/палладием или другого источника нейтронов. Типичный вариант осуществления может включать в себя четыре такие отделения или глухие отверстия, но предполагается, что может быть использовано больше или меньше отделений или глухих отверстий для различных применений. Блок из нержавеющей стали или подобная конструкция после приема множества отрезков металлокерамической проволоки с калифорнием-252/палладием или другого источника нейтронов заваривают или иным образом герметизируют внутри капсульной конструкции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Дополнительные задачи и преимущества настоящего раскрытия станут понятны из нижеследующего описания и из сопутствующих чертежей, в которых:

[0007] Фиг. 1 является видом сбоку в разрезе типичного источника нейтронов уровня техники.

[0008] Фиг. 2 является видом с конца в разрезе типичного источника нейтронов уровня техники.

[0009] Фиг. 3 является видом сбоку в разрезе варианта осуществления герметизированного источника нейтронов по настоящей заявке.

[00010] Фиг. 4 является видом с конца в разрезе варианта осуществления герметизированного источника нейтронов по настоящей заявке.

[00011] Фиг. 5 является видом с конца объединенного вкладыша варианта осуществления герметизированного источника нейтронов по настоящей заявки.

[00012] Фиг. 6 является поперечным разрезом вдоль плоскости 6-6 фиг. 5.

[00013] Фиг. 7 является видом с конца капсульного модуля варианта осуществления герметизированного источника нейтронов настоящей заявки.

[00014] Фиг. 8 является поперечным разрезом вдоль плоскости 8-8 фиг. 7.

[00015] Фиг. 9 является видом сверху крышки варианта осуществления герметизированного источника нейтронов по настоящей заявке.

[00016] Фиг. 10 является поперечным сечением вдоль плоскости 10-10 с фиг. 9.

[00017] Фиг. 11 является изображением в перспективе крышки варианта осуществления герметизированного источника нейтронов по настоящей заявке.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[00018] Теперь обратившись к чертежам в деталях, где подобные ссылочные позиции указывают на подобные элементы на некоторых видах, можно увидеть, что на фиг. 3-10 показан вариант осуществления герметизированного источника 10 нейтронов по настоящему раскрытию. Инкапсуляция в примерном варианте осуществления может быть выполнена из сортовой нержавеющей стали, типа 304L, состояние А (отожженная), с горячей или холодной чистовой обработкой, UNS 30403, в то время как активный источник обычно выполнен из металлокерамических проволок (сформированных прессованием и спеканием металла и керамики), содержащих калифорний-252/палладий в химической форме Pd/Cf₂O₃ (оксид калифорния(III)). Специалистам в данной области техники будет понятен диапазон эквивалентов. В частности, альтернативными материалами для капсулы являются никель, титан и цирконий.

[00019] Как показано на фиг. 3-6, герметизированный источник 10 нейтронов включает в себя внутренний объединенный цилиндрический вкладыш 12 с относительно сплошным цилиндрическим блочным участком 14 с закрытым внешним концом 15. Цилиндрические стенки 16 цилиндрического блочного участка 14 простираются за пределы цилиндрического блочного участка 14, в результате чего образуется полый цилиндрическое гнездо 18 для крышки, смежное с цилиндрическим блочным участком 14, и дополнительно образуется открытый конец 19. Внешний участок цилиндрических стенок 16, смежный с открытым концом 19, может включать в себя круговой фасочный участок 21 немного меньшего диаметра. Внутренний объединенный цилиндрический вкладыш 12, таким образом, образует первую или внутреннюю капсульную конструкцию. Как лучше всего показано на фиг. 5 и 6, четыре глухие отверстия 20, 22, 24, 26 высверлены или иным образом сформированы в цилиндрическом блочном участке 14 в осесимметричных местоположениях (а именно, в случае четырех глухих отверстий, разнесенных поворотом на девяносто градусов, как показано на фиг. 5). Глухие отверстия 20, 22, 24, 26 обычно параллельны друг другу и имеют одинаковую протяженность (т.е. продольно выровнены друг с другом и имеют равные глубины). Глухие отверстия 20, 22, 24, 26 образуют отделения, которые отделены друг от друга материалом цилиндрического блочного участка 14.

[00020] Как показано на фиг. 3 и 4, в полностью собранной конфигурации, активные источники, такие как металлокерамические проволоки 200, обычно из калифорния-252/палладия (в форме Pd/Cf₂O₃), размещены внутри глухих отверстий 20, 22, 24, 26. Касание металлокерамических проволок 200 друг друга предотвращено материалом цилиндрического блочного участка 14. Дополнительно, во время эксплуатации, цилиндрический блочный участок 14 служит в качестве теплоотвода для отвода тепла деления и тепла распада от металлокерамических проволок 200. Материал цилиндрического блочного участка 14, как лучше всего показано на фиг. 4, действует в качестве отделителя для металлокерамических проволок 200 внутри отверстий или отделений 20, 22, 24, 26, а также в качестве теплоотвода. Типичными размерами металлокерамических проволок 200 являются длина, составляющая 8,85 мм, и номинальный диаметр, составляющий 1,22-1,27 мм. Металлокерамические проволоки 200 могут иметь немного овальное поперечное сечение и могут иметь типичную полезную нагрузку, составляющую 20 мг/мм. Размерами для одного варианта осуществления глухих отверстий 20, 22, 24, 26 являются общая глубина, составляющая 11,5 мм, и номинальный диаметр, составляющий 1,65 мм. Размерами для одного варианта осуществления внутреннего объединенного цилиндрического вкладыша 12 являются 14,20 мм в длину и 6,0 мм в диаметре. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что другие размеры могут быть предпочтительными для других применений.

[00021] Как показано на фиг. 7 и 8, внутренняя крышка 30 включает в себя поперечный круглый пластинообразный участок 32 с продольно простирающимися стенками 34, простирающимися вокруг его периферии для сварки или герметизации иным образом напротив внутренней части цилиндрических стенок 16 при расположении или размещении внутри полого цилиндрического гнезда 18 для крышки, смежного с цилиндрическим блочным участком 14, после вставки металлокерамических проволок 200 в отверстия 20, 22, 24, 26.

[00022] Как показано на фиг. 3, внешняя цилиндрическая капсула 40 включает в себя внешние цилиндрические стенки 42 с открытым концом 44 и закрытым концом 46. Внешняя цилиндрическая капсула 40 формирует вторую или внешнюю капсульную конструкцию, которая находится концентрически снаружи внутреннего объединенного цилиндрического вкладыша 12. Внешний участок цилиндрических стенок 42, смежный с открытым концом 44, может включать в себя круглый фасочный участок 45 немного меньшего диаметра. Внутренний объединенный цилиндрический вкладыш 12, включающий в себя металлокерамические проволоки 200 и внутреннюю крышку 30, вставлен в открытый конец 44 внешней цилиндрической капсулы 40 таким образом, что внутренняя крышка 30 упирается в закрытый конец 46 внешней цилиндрической капсулы 40. Закрытый внешний конец 15 твердого цилиндрического блочного участка 14 расположен внутри смежно с открытым концом 44 внешней цилиндрической капсулы 40, в результате чего обеспечивается цилиндрическое пространство или гнездо для приема внешней крышки 50, которая приварена или иным образом герметизирована на месте относительно внутренней части внешних цилиндрических стенок 42 внутри смежно с открытым концом 44 и смежно с закрытым внешним концом 15 внутреннего объединенного цилиндрического вкладыша 12. Внешняя крышка 50 включает в себя поперечный круглый пластинообразный участок 52 с продольно простирающимися стенками 54, простирающимися вокруг его периферии для сцепления с внутренней частью внешних цилиндрических стенок 42. Размерами одного варианта осуществления внешней цилиндрической капсулы 40 являются 17,20 мм в длину и 7,825 мм в диаметре. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что другие размеры могут быть предпочтительными для других применений.

[00023] При эксплуатации герметизированные источники 10 нейтронов, обычно окруженные оболочкой (обычно, но не только, из циркония, не показана) и выполненные в виде запускающего стержня, обычно размещены в регулярно разнесенных положениях среди топливных стержней запускаемого ядерного реактора. В некоторых применениях смесь из девяноста процентов гелия и десяти процентов воздуха может быть размещена между оболочкой (не показана) и герметизированными источниками 10 нейтронов. Нейтроны, выходящие из калифорния-252, инициируют или усиливают цепную реакцию деления внутри топливных стержней ядерного реактора.

[00024] Таким образом, некоторые вышеупомянутые задачи и преимущества достигаются наиболее эффективно. Хотя здесь были раскрыты и подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что это изобретение никоим образом ими не ограничивается.

Claims

1. Источник нейтронов, включающий в себя:

первую капсульную конструкцию, включающую в себя блочную конструкцию, образованную первыми внешними стенками, простирающимися за пределы блочной конструкции и образующими первый открытый конец, обеспечивающий доступ в блочную конструкцию, образующую первый закрытый конец; и

причем блочная конструкция включает в себя множество отверстий для приема соответствующего множества активных источников.

2. Источник нейтронов по п. 1, причем первая капсульная конструкция и блочная конструкция являются цилиндрическими.

3. Источник нейтронов по п. 2, причем отверстия являются цилиндрическими.

4. Источник нейтронов по п. 3, причем отверстия являются глухими отверстиями.

5. Источник нейтронов по п. 4, причем отверстия параллельны друг другу, отделены друг от друга и имеют одинаковую протяженность.

6. Источник нейтронов по п. 5, причем первая внешняя стенка, простирающаяся за пределы блочной конструкции, образует первое гнездо внутри первой внешней стенки и смежно с блочной конструкцией.

7. Источник нейтронов по п. 6, причем первое гнездо принимает первую крышку, которая сварена или иным образом герметизирована с внутренней частью первой внешней стенки в положении, непосредственно смежном с блочной конструкцией и проемами отверстий.

8. Источник нейтронов по п. 7, дополнительно включающий в себя вторую капсульную конструкцию, заключающую в себе первую капсульную конструкцию.

9. Источник нейтронов по п. 8, причем вторая капсульная конструкция включает в себя вторые внешние стенки, второй открытый конец и второй закрытый конец, причем вторые внешние стенки находятся концентрически снаружи первых внешних стенок.

10. Источник нейтронов по п. 9, причем первый открытый конец первой капсульной конструкции упирается во внутреннюю часть второго закрытого конца второй капсульной конструкции, а первый закрытый конец первой капсульной конструкции находится внутри смежно со вторым открытым концом второй капсульной конструкции, тем самым образуя второе гнездо.

11. Источник нейтронов по п. 10, причем второе гнездо принимает вторую крышку, которая сварена или иным образом герметизирована с внутренней частью второй внешней стенки в положении, непосредственно смежном с первым закрытым концом первой капсульной конструкции.

12. Источник нейтронов по п. 1, причем первая капсульная конструкция выполнена из нержавеющей стали.

13. Источник нейтронов по п. 8, причем вторая капсульная конструкция выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из нержавеющей стали, титана, никеля и циркония.

14. Источник нейтронов по п. 1, дополнительно включающий в себя множество активных источников, испускающих нейтроны, причем активный источник помещен в каждое отверстие упомянутого множества отверстий.

15. Источник нейтронов по п. 14, причем активные источники включают в себя калифорний-252.

16. Источник нейтронов по п. 15, причем активные источники дополнительно включают в себя палладий.

17. Источник нейтронов по п. 14, причем активные источники включают в себя калифорний-252 в виде Pd/Cf₂O₃ (оксида калифорния(III)/палладия).

18. Источник нейтронов по п. 16, причем активные источники выполнены в виде отрезков металлокерамической проволоки.

19. Источник нейтронов, включающий в себя:

капсульную конструкцию, включающую в себя блочную конструкцию, образованную первыми внешними стенками, простирающимися за пределы блочной конструкции и образующими первый открытый конец, обеспечивающий доступ в блочную конструкцию, образующую первый закрытый конец; и

причем блочная конструкция включает в себя множество отделений для приема соответствующего множества активных источников, причем отделения отделены теплоотводящими стенками.

20. Источник нейтронов по п. 19, причем капсульная конструкция выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из нержавеющей стали, титана, никеля и циркония.