RU2797533C1 - Accelerator driven system with water coolant - Google Patents

Accelerator driven system with water coolant Download PDF

Info

Publication number
RU2797533C1
RU2797533C1 RU2022123816A RU2022123816A RU2797533C1 RU 2797533 C1 RU2797533 C1 RU 2797533C1 RU 2022123816 A RU2022123816 A RU 2022123816A RU 2022123816 A RU2022123816 A RU 2022123816A RU 2797533 C1 RU2797533 C1 RU 2797533C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
blanket
target
vacuum channel
liquid phase
heat exchanger
Prior art date
Application number
RU2022123816A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Васильевич Багуля
Владимир Михайлович Гришин
Владимир Алексеевич Рябов
Олег Викторович Иванов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2797533C1 publication Critical patent/RU2797533C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: accelerator driven systems.
SUBSTANCE: accelerator driven system contains a target formed by a heavy metal in a liquid phase, an ion guide forming a vacuum channel for bringing relativistic ions to the target, and a blanket surrounding said target, located on the same longitudinal axis, and a heat exchanger designed to cool said blanket. The target and the vacuum channel are hermetically separated from the mentioned blanket formed by natural or depleted uranium or thorium in the liquid phase, located in a sealed housing. Moreover, the external characteristic transverse size of the blanket D b and targets D t selected from the ratio
Figure 00000013
and the heat exchanger is a tank with running water.
EFFECT: increasing the efficiency of the reaction of fast neutrons in the blanket.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области технической физики, а именно к конструкциям электроядерных установок.The invention relates to the field of technical physics, and in particular to the designs of electronuclear installations.

Широко известен электроядерный метод генерации нейтронов, которые рождаются при облучении мишеней из различных веществ пучком ионов (как правило, протонов), ускоренных в ускорителе до энергии порядка одного ГэВ и выше (см. В.Г. Васильков, В.И. Гольданский, В.П. Джелепов, В.П. Дмитриевский. «Электроядерный метод генерации нейтронов и производства расщепляющихся материалов», ж. «Атомная энергия», т.29, вып.3, 1970, стр. 151-158).The electronuclear method for generating neutrons is widely known, which are produced by irradiating targets from various substances with a beam of ions (usually protons) accelerated in an accelerator to an energy of the order of one GeV and higher (see V.G. Vasilkov, V.I. Gol'danskii, V. P. Dzhelepov, V. P. Dmitrievsky "Electronuclear method of neutron generation and production of fissile materials", J. "Atomic Energy", vol. 29, issue 3, 1970, pp. 151-158).

Устройства, в которых используется электроядерный метод генерации нейтронов, называются электроядерными установками. Одним из основных элементов электроядерной установки является нейтронопроизводящее устройство, которое содержит мишень, генерирующую нейтроны при облучении ее ионами, и ионопровод, образующий вакуумный канал, подводящий пучок высокоэнергетических ионов (как правило, протонов) к мишени.Devices that use the electronuclear method for generating neutrons are called electronuclear installations. One of the main elements of an electronuclear installation is a neutron-producing device that contains a target that generates neutrons when it is irradiated with ions, and an ion duct that forms a vacuum channel that brings a beam of high-energy ions (usually protons) to the target.

Известна электроядерная установка, содержащая мишень из расплавленного свинца, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, бланкет, окружающий мишень и, частично, вакуумный канал, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения бланкета (см. В.Ф. Колесов. «Электроядерные установки и проблемы ядерной энергетики», «Вопросы атомной науки и техники», серия «Физика ядерных реакторов», 2014, вып.3, стр. 106-155). Бланкет в известном устройстве представляет собой сборку с графитовым замедлителем и носителем топлива в виде расплавленной соли NaF-ZrF4.Known electronuclear installation containing a target of molten lead, an ion duct that forms a vacuum channel for bringing relativistic ions to the target, a blanket surrounding the target and, in part, a vacuum channel located on the same longitudinal axis, and a heat exchanger designed to cool the blanket (see. In F. Kolesov "Electronuclear installations and problems of nuclear energy", "Issues of nuclear science and technology", series "Physics of nuclear reactors", 2014, issue 3, pp. 106-155). The blanket in the known device is an assembly with a graphite moderator and a fuel carrier in the form of a molten NaF-ZrF4 salt.

Основной недостаток известной электроядерной установки состоит в том, что бланкет содержит легкие элементы, на которых происходит рассеяние быстрых нейтронов, что приводит к необходимости использование сложного в эксплуатации теплообменного оборудования, обусловленного применением для охлаждения бланкета теплоносителя на основе тяжелых металлов.The main disadvantage of the known electronuclear installation is that the blanket contains light elements, on which fast neutrons are scattered, which leads to the need to use heat exchange equipment that is difficult to operate, due to the use of heavy metal-based coolant for blanket cooling.

Кроме этого коэффициент усиления по энергии в такой установке не соответствует современным требованиям.In addition, the energy gain in such an installation does not meet modern requirements.

Известная электроядерная установка принята в качестве ближайшего аналога заявленной электроядерной установки.Known electronuclear installation is accepted as the closest analogue of the declared electronuclear installation.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании технологически и энергетической выгодной электроядерной установки.The technical problem solved by the claimed invention is to create a technologically and energetically advantageous electronuclear installation.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности реакции быстрых нейтронов в бланкете, в результате того, что подавляющее большинство нейтронов, рожденных в мишени, гарантированно вызывают реакцию деления.In this case, the technical result is achieved, which consists in increasing the efficiency of the reaction of fast neutrons in the blanket, as a result of the fact that the vast majority of neutrons produced in the target are guaranteed to cause a fission reaction.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания электроядерной установки, содержащей мишень, образованную тяжелым металлом в жидкой фазе, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, и бланкет, окружающий упомянутую мишень, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения упомянутого бланкета.The technical problem is solved, and the specified technical result is achieved as a result of creating an electronuclear installation containing a target formed by a heavy metal in the liquid phase, an ion duct forming a vacuum channel for bringing relativistic ions to the target, and a blanket surrounding said target, located on the same longitudinal axis, and a heat exchanger for cooling said blanket.

Упомянутые мишень и вакуумный канал герметично отделены от упомянутого бланкета, образованного природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе.Said target and vacuum channel are hermetically separated from said blanket formed by natural or depleted uranium or thorium in the liquid phase, located in a hermetic housing.

Внешний характеристический поперечный размер бланкета Dб и мишени Dм выбраны из соотношения

Figure 00000001
, а теплообменник представляет собой резервуар с проточной водой.The external characteristic transverse size of the blanket D b and the target D m are selected from the ratio
Figure 00000001
, and the heat exchanger is a tank with running water.

В частном варианте выполнения, корпус упомянутого бланкета снабжен радиаторами.In a particular embodiment, the body of said blanket is provided with radiators.

В еще одном частном варианте выполнения, в качестве тяжелого металла использован металл, выбранный из группы, включающей в себя свинец, уран-238 и торий.In another particular embodiment, the heavy metal is a metal selected from the group consisting of lead, uranium-238 and thorium.

На фиг.1 показано схематичное изображение заявленной электроядерной установки.Figure 1 shows a schematic representation of the claimed electronuclear installation.

Электроядерная установка, показанная на фиг.1, содержит мишень 1, выполненную, например, цилиндрической формы, ионопровод, образующий вакуумный канал 2 для подведения к мишени 1 релятивистских ионов, и бланкет 3, выполненный, например, цилиндрической формы, окружающий мишень 1 и, частично, вакуумный канал 2. Мишень 1, вакуумный канал 2 и бланкет 3 расположены на одной продольной оси.The electronuclear installation shown in figure 1 contains a target 1 made, for example, of a cylindrical shape, an ion duct forming a vacuum channel 2 for bringing relativistic ions to the target 1, and a blanket 3, made, for example, of a cylindrical shape, surrounding the target 1 and, partially, vacuum channel 2. Target 1, vacuum channel 2 and blanket 3 are located on the same longitudinal axis.

Мишень 1 образована тяжелым металлом в жидкой фазе (например, свинцом, ураном-238 или торием). Мишень 1 и вакуумный канал 2 герметично отделены от бланкета 3 стенкой из нержавеющей стали. Вакуумный канал 2, кроме этого, герметично отделен стенкой из нержавеющей стали от резервуара 4 с охлаждающим теплоносителем, в качестве которого использована проточная вода.Target 1 is formed by a heavy metal in the liquid phase (eg lead, uranium-238 or thorium). Target 1 and vacuum channel 2 are hermetically separated from blanket 3 by a stainless steel wall. The vacuum channel 2, in addition, is hermetically separated by a stainless steel wall from the reservoir 4 with a cooling medium, which is used as running water.

Бланкет 3 образован природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе, препятствующем проникновению теплоносителя в зону, где происходит деление вещества бланкета 3.Blanket 3 is formed by natural or depleted uranium or thorium in the liquid phase, located in a sealed case that prevents the coolant from penetrating into the zone where the fission of the blanket 3 substance occurs.

Корпус бланкета 3 выполнен из тугоплавкой нержавеющей стали, используемой в ядерном реакторостроении, и может быть снабжен периферийными крыльями-радиаторами для улучшения отвода тепла из бланкета (условно не показаны).The blanket body 3 is made of refractory stainless steel used in nuclear reactor building and can be equipped with peripheral wings-radiators to improve heat removal from the blanket (not shown conventionally).

Внешний характеристический поперечный размер Dб бланкета 3 и внешний характеристический поперечный размер Dм мишени 1 (в частном варианте, внешний диаметр бланкета 3 и мишени 1) выбраны из соотношения

Figure 00000001
.The outer characteristic transverse dimension Db of blanket 3 and the outer characteristic transverse dimension Dm of target 1 (in a particular case, the outer diameter of blanket 3 and target 1) are selected from the ratio
Figure 00000001
.

В других частных вариантах выполнения, бланкет 3 и мишень 1 могут иметь сферическую, эллиптическую, коническую и любую иную осесимметричную форму.In other private embodiments, the blanket 3 and the target 1 may have a spherical, elliptical, conical and any other axisymmetric shape.

Конструктивное выполнение заявленной установки (в первую очередь, бланкета 3), в частности, соотношение внешних характеристических поперечных размеров мишени 1 и бланкета 3 гарантировано вызывает реакцию деления в бланкете 3 подавляющего большинства высокоэнергичных нейтронов, рожденных в мишени 1.The design of the claimed installation (first of all, blanket 3), in particular, the ratio of the external characteristic transverse dimensions of target 1 and blanket 3, is guaranteed to cause a fission reaction in blanket 3 of the vast majority of high-energy neutrons produced in target 1.

Это, в свою очередь, обеспечивает возможность использования технологически выгодного водяного теплоносителя, а не традиционно используемого теплоносителя на основе тяжелых металлов, который требует добавочного теплового контура и сложен технологически.This, in turn, makes it possible to use a technologically advantageous water coolant, rather than the traditionally used coolant based on heavy metals, which requires an additional thermal circuit and is technologically complicated.

Заявленную установку используют следующим образом.The claimed installation is used as follows.

Ионы (протоны) с энергией 1-10 ГэВ поступают от ускорителя (не показан) по вакуумному каналу 2 на мишень 1. Протоны в мишени 1 производят нейтроны срыва, которые почти изотропно распространяются в бланкет 3. В бланкете 3 нейтроны вызывают реакцию деления с большим энерговыходом (порядка 200 МэВ на одно деление для обедненного урана). Кроме того, в конечном состоянии реакции деления появляются в среднем 2,5 нейтрона, которые продолжают затухающую цепную реакцию.Ions (protons) with an energy of 1-10 GeV come from an accelerator (not shown) through vacuum channel 2 to target 1. Protons in target 1 produce stall neutrons that propagate almost isotropically into blanket 3. In blanket 3, neutrons cause a fission reaction with a large energy yield (about 200 MeV per fission for depleted uranium). In addition, in the final state of the fission reaction, an average of 2.5 neutrons appear, which continue the decaying chain reaction.

Выделенная энергия снимается с поверхности бланкета проточной водой. Экспериментально подтверждено, что использование жидкого свинца вместо проточной воды в качестве теплоносителя приводит к увеличению коэффициента усиления по выделенной в бланкете энергии менее, чем на 5%.The released energy is removed from the surface of the blanket by running water. It has been experimentally confirmed that the use of liquid lead instead of running water as a coolant leads to an increase in the gain for the energy released in the blanket by less than 5%.

В таблице приведены коэффициенты усиления по энергии в зависимости от отношения диаметра

Figure 00000002
бланкета 3 к диаметру
Figure 00000003
мишени 1.The table shows the energy gains depending on the ratio of the diameter
Figure 00000002
blanket 3 to diameter
Figure 00000003
targets 1.

Из таблицы видно, что, начиная с

Figure 00000001
коэффициент усиления по энергии практически не меняется.It can be seen from the table that, starting from
Figure 00000001
the energy gain practically does not change.

Figure 00000004
Figure 00000004

Claims (3)

1. Электроядерная установка, содержащая мишень, образованную тяжелым металлом в жидкой фазе, ионопровод, образующий вакуумный канал для подведения к мишени релятивистских ионов, и бланкет, окружающий упомянутую мишень, расположенные на одной продольной оси, и теплообменник, предназначенный для охлаждения упомянутого бланкета, отличающаяся тем, что упомянутые мишень и вакуумный канал герметично отделены от упомянутого бланкета, образованного природным или обедненным ураном или торием в жидкой фазе, находящимся в герметичном корпусе, при этом внешний характеристический поперечный размер бланкета
Figure 00000005
и мишени
Figure 00000006
выбраны из соотношения
Figure 00000007
а теплообменник представляет собой резервуар с проточной водой.1. An electronuclear plant containing a target formed by a heavy metal in a liquid phase, an ion duct forming a vacuum channel for bringing relativistic ions to the target, and a blanket surrounding said target, located on the same longitudinal axis, and a heat exchanger designed to cool said blanket, which is different by the fact that said target and vacuum channel are hermetically separated from said blanket formed by natural or depleted uranium or thorium in the liquid phase, located in a sealed housing, while the outer characteristic transverse size of the blanket
Figure 00000005
and targets
Figure 00000006
selected from the ratio
Figure 00000007
and the heat exchanger is a reservoir of running water. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус упомянутого бланкета снабжен радиаторами.2. Installation according to claim. 1, characterized in that the body of said blanket is equipped with radiators. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве тяжелого металла использован металл, выбранный из группы, включающей в себя свинец, уран-238 и торий.3. Installation according to claim. 1, characterized in that the heavy metal used is a metal selected from the group including lead, uranium-238 and thorium.
RU2022123816A 2022-09-07 Accelerator driven system with water coolant RU2797533C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2797533C1 true RU2797533C1 (en) 2023-06-07

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2228553C2 (en) * 2002-05-06 2004-05-10 Федеральное унитарное государственное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова" Neutron producing device of electronuclear plant
RU2333558C2 (en) * 2006-06-23 2008-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" Pulse electronuclear installation
WO2009036410A1 (en) * 2007-09-14 2009-03-19 Services Petroliers Schlumberger Particle acceleration devices and methods thereof
RU85256U1 (en) * 2008-10-14 2009-07-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY
US10418140B2 (en) * 2012-03-06 2019-09-17 Riken Neutron source and neutron generator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2228553C2 (en) * 2002-05-06 2004-05-10 Федеральное унитарное государственное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова" Neutron producing device of electronuclear plant
RU2333558C2 (en) * 2006-06-23 2008-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" Pulse electronuclear installation
WO2009036410A1 (en) * 2007-09-14 2009-03-19 Services Petroliers Schlumberger Particle acceleration devices and methods thereof
RU85256U1 (en) * 2008-10-14 2009-07-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY
US10418140B2 (en) * 2012-03-06 2019-09-17 Riken Neutron source and neutron generator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.Ф. Колесов. "Электроядерные установки и проблемы ядерной энергетики", "Вопросы атомной науки и техники", серия "Физика ядерных реакторов", 2014, вып.3, с. 106-155. В.Г. Васильков и др., "Электроядерный метод генерации нейтронов и производства расщепляющихся материалов", "Атомная энергия", т.29, вып.3, 1970, стр. 151-158. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101716842B1 (en) Isotope production target
US9177679B2 (en) Accelerator-based method of producing isotopes
US5729580A (en) Hydrogen ion array acceleration generator and method
US11114212B2 (en) Thorium molten salt system using internally generated proton-induced neutrons
Zelinsky et al. NSC KIPT neutron source on the base of subcritical assembly driven with electron linear accelerator
US4666651A (en) High energy neutron generator
JP7432800B2 (en) proliferation blanket
RU2797533C1 (en) Accelerator driven system with water coolant
KR102605338B1 (en) Doppler reactivity augmentation device
US3976888A (en) Fission fragment driven neutron source
US20120121053A1 (en) Very Large Enhancements of Thermal Neutron Fluxes Resulting in a Very Large Enhancement of the Production of Molybdenum-99 Including Spherical Vessels
RU2228553C2 (en) Neutron producing device of electronuclear plant
US20220093281A1 (en) Aneutronic Nuclear Fuel
RU2804452C1 (en) Blanket breeder
Lyashuk et al. Intensive neutrino source on the base of lithium converter
RU2159968C1 (en) Subcritical neutron source
Sidorkin et al. Pulsed neutron source intended for the investigation of condensed media at the institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences
Ryazantsev et al. The IR-8 reactor operation
EP1047083A1 (en) A neutron amplifier assembly
RU85256U1 (en) DEVICE FOR TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY TO HEAT ENERGY
JP2024523902A (en) Particle Generator
RU2400838C1 (en) Method for forming active zone of research nuclear reactor
RU82916U1 (en) PULSE SUBCRITICAL NUCLEAR REACTOR
Oka et al. Charged-particle-beam fusion reactors
Bauer Experience and Features of SINQ Relevant to ADS