RU2159968C1

RU2159968C1 - Subcritical neutron source

Info

Publication number: RU2159968C1
Application number: RU99105176/06A
Authority: RU
Inventors: С.П. Боровлев; В.В. Васильев; Е.Б. Волков; М.М. Игумнов; О.В. Шведов
Original assignee: Государственный научный центр Российской Федерации - Институт теоретической и экспериментальной физики
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: nuclear engineering; charged-particle accelerators. SUBSTANCE: target assembly receiving pulse drive beam is arranged in axial channel of vertical channel structure (blanket) with vertical fuel channels optimally spaced apart in hexagonal lattice assemblies; heavy water is used as coolant, moderator, and radiator; the latter accommodates set of dry experimental channels, including vacuum channel, having large diameter d (d = D/2 - D, where D is core diameter); device also incorporates means for continuous monitoring of subcritical blanket and emergency safety system responding to signal indicating specified margin of subcriticality. Device ensures higher efficiency (neutron-flux-to-particle- current ratio of driver beam) and quality (neutron-flux-to-core-power ratio). EFFECT: enlarged functional capabilities. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области ядерной техники, более конкретно - к устройствам для получения нейтронов - источникам нейтронов с использованием ускоренных заряженных частиц. The invention relates to the field of nuclear engineering, and more particularly to a device for producing neutrons - neutron sources using accelerated charged particles.

Известны электроядерные источники нейтронов, предназначенные для формирования нейтронных импульсов для исследовательских целей. В таких устройствах реализована схема: импульсный источник заряженных частиц - мишень для генерации нейтронов - подкритический реактор, используемый для размножения нейтронов. Например, известно устройство с микротроном в качестве драйвера, мишенью из тяжелого элемента, на которую направляют электроны драйвера для генерации фотонейтронов, и реактором БФС в качестве бланкета-размножителя [1]. Known electronuclear sources of neutrons intended for the formation of neutron pulses for research purposes. In such devices, a scheme is implemented: a pulsed source of charged particles — a target for generating neutrons — a subcritical reactor used to multiply neutrons. For example, a device is known with a microtron as a driver, a target from a heavy element, to which driver electrons are sent to generate photoneutrons, and a BPS reactor as a multiplier blank [1].

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является техническое решение, реализованное на стадии концептуального проекта ADONIS [2]. Это решение сочетает применение в качестве драйвера сильноточного циклотрона, формирующего пучок протонов с энергией 150 MeV, использование магнитной системы транспортировки пучка на мишень, жидкометаллическую мишень на основе Pb-Bi эвтектики и нейтронный умножитель, состоящий из пластинчатых вторичных мишеней на основе U-235, охлаждаемых легкой водой. Количество мишеней ограничено заданным эффективным коэффициентом размножения в пределах 0,85-0,90. The closest to the claimed device in terms of features is a technical solution implemented at the stage of the conceptual project ADONIS [2]. This solution combines the use of a high-current cyclotron forming a proton beam with an energy of 150 MeV as a driver, the use of a magnetic system for transporting the beam to a target, a liquid metal target based on Pb-Bi eutectic, and a neutron multiplier consisting of plate secondary targets based on U-235 cooled light water. The number of targets is limited by a given effective multiplication factor in the range of 0.85-0.90.

Недостатком решения является применение вторичных мишеней в форме пластин, изогнутых цилиндрически, не допускающих значительного энерговыделения по причине термических деформаций. К недостаткам следует отнести и отсутствие средств защиты и контроля, предотвращающих выход реактивности за пределы заданных параметров активной зоны. Кроме того, отсутствие эффективного отражателя ограничивает функциональные возможности устройства только задачей производства изотопов. The disadvantage of this solution is the use of secondary targets in the form of plates, bent cylindrically, not allowing significant energy release due to thermal deformations. The disadvantages include the lack of protective equipment and controls that prevent reactivity from going beyond the set parameters of the core. In addition, the lack of an effective reflector limits the functionality of the device only to the production of isotopes.

Техническим результатом заявленного решения является реализация эффективного и многофункционального источника нейтронов на подкритическом размножителе малой мощности с импульсным драйвером. Количественно эффективность может быть оценена с помощью двух параметров, один из которых отношение достигаемого нейтронного потока к току пучка драйвера, а второй характеризует эффективность только размножителя, называется "качество" и равен отношению потока нейтронов, достигаемого в экспериментальном канале, к мощности активной зоны установки. Таким образом, целью предлагаемого устройства является повышение эффективности и "качества" источника нейтронов, расширение функциональных возможностей и повышение надежности. The technical result of the claimed solution is the implementation of an effective and multifunctional neutron source on a subcritical low power multiplier with a pulse driver. Efficiency can be quantified using two parameters, one of which is the ratio of the achieved neutron flux to the current of the driver beam, and the second characterizes the efficiency of the multiplier only, is called “quality” and is equal to the ratio of the neutron flux achieved in the experimental channel to the power of the setup core. Thus, the purpose of the proposed device is to increase the efficiency and "quality" of the neutron source, expand the functionality and increase reliability.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве бланкет мишени (подкритический размножитель) выполняется в виде канальной структуры с расположением вертикальных топливных каналов в узлах гексагональной решетки с оптимальным шагом, в центре которой расположен канал ионопровода и узел мишени; теплоноситель, замедлитель и отражатель подкритического размножителя (бланкета мишени) выполняются из тяжелой воды, в отражателе размещается набор сухих экспериментальных каналов, включая вакууммированный канал большого диаметра, и устройство содержит средства для постоянного мониторинга подкритичности бланкета и систему аварийной защиты по сигналу достижения заданного предельного запаса подкритичности. The technical result is achieved by the fact that in the inventive device, the target blanket (subcritical multiplier) is in the form of a channel structure with vertical fuel channels in the nodes of the hexagonal lattice with an optimal pitch, in the center of which there is an ion channel and a target node; the coolant, moderator and reflector of the subcritical multiplier (target blanket) are made of heavy water, a set of dry experimental channels, including a large diameter vacuum channel, is placed in the reflector, and the device contains means for continuous monitoring of the subcriticality of the blanket and an emergency protection system to signal the achievement of a specified margin of subcriticality .

Выбор канальной структуры бланкета с использованием тяжелой воды в качестве теплоносителя, замедлителя и отражателя позволяют использовать отработанные и проверенные многолетней эксплуатацией конструкции тепловыделяющих элементов в составе кассеты топливного канала. Гексагональная топливная решетка с оптимальным шагом обеспечивает внутреннюю ядерную безопасность, поскольку, как следует из определения оптимального шага, любые нарушения структуры зоны приводят к уменьшению эффективного коэффициента умножения К_эфф, делая выход бланкета в критическое состояние невозможным.The choice of the channel structure of the blanket using heavy water as a coolant, moderator, and reflector makes it possible to use the designs of fuel elements that have been worked out and tested over many years and are used as part of the fuel channel cartridge. The hexagonal fuel grid with an optimal pitch provides internal nuclear safety, since, as follows from the definition of the optimal pitch, any disturbances in the structure of the zone lead to a decrease in the effective multiplication coefficient K _eff , making it impossible for the blanket to enter a critical state.

Тяжелая вода обладает наименьшим сечением захвата, большой длиной замедления и наибольшей длиной диффузии нейтронов. Поэтому в отражателе из тяжелой воды при компактной активной зоне формируется широкий максимум радиального распределения потока тепловых нейтронов [3]. Расчеты авторов показывают, что при параметрах, приведенных в таблице, это можно использовать для создания экспериментального вакуумированного канала с диаметром d в диапазоне D/2 < d < D, где D - диаметр активной зоны. Такой канал позволяет размещать значительные объекты для облучения, изучения ядерных реакций в газах, оптимизации различных конструкций замедлителей для получения холодных нейтронов, материаловедческих исследований. Это существенно увеличивает функциональные возможности подкритических установок. Кроме того, тяжеловодный отражатель обеспечивает наибольшее качество бланкета при компактной зоне [там же, стр.55]. Heavy water has the smallest capture cross section, a large deceleration length, and a long neutron diffusion length. Therefore, a wide maximum of the radial distribution of the thermal neutron flux [3] is formed in the reflector from heavy water with a compact core. The authors' calculations show that with the parameters given in the table, this can be used to create an experimental evacuated channel with a diameter d in the range D / 2 <d <D, where D is the diameter of the active zone. Such a channel allows you to place significant objects for irradiation, the study of nuclear reactions in gases, the optimization of various designs of moderators to produce cold neutrons, materials science research. This significantly increases the functionality of subcritical installations. In addition, a heavy-water reflector provides the highest quality blanket in a compact area [ibid, p. 55].

Подкритичность (1-К_эфф) (или запас подкритичности) тяжеловодного бланкета может изменяться при изменении количества топлива, а также при изменении уровня замедлителя. Поскольку поток нейтронов в экспериментальных каналах пропорционален величине J= 1/(1-К_эфф), то прямой путь повышения эффективности связан с разумным, т.е. гарантирующим ядерную безопасность, уменьшением подкритичности. Диапазон подкритичности от 5 до 2% можно рассматривать как вполне обоснованный с точки зрения точности расчетов и опыта эксплуатации. Однако в условиях исследовательской установки к средствам, обеспечивающим безопасность за счет конструкции, следует добавить систему, объединяющую средства измерения подкритичности бланкета и систему аварийной защиты, включающей ввод стержней - поглотителей в случае реактивностной аварии (например, в области экспериментальных каналов). При импульсном драйвере, обеспечивающем достаточно короткий импульс протонов с крутым фронтом, это можно осуществить, например, методами диагностики импульса тепловых нейтронов.The subcriticality (1-K _eff ) (or the margin of subcriticality) of a heavy-water blanket can change with a change in the amount of fuel, as well as with a change in the level of moderator. Since the neutron flux in the experimental channels is proportional to J = 1 / (1-K _eff ), the direct way to increase the efficiency is connected with a reasonable one, i.e. guaranteeing nuclear safety, reducing subcriticality. The subcriticality range from 5 to 2% can be considered as quite justified from the point of view of accuracy of calculations and operating experience. However, under the conditions of a research facility, a system combining means for measuring the subcriticality of a blanket and an emergency protection system, including the input of absorber rods in the event of a reactive accident (for example, in the area of experimental channels), should be added to the means ensuring safety due to the design. With a pulsed driver providing a sufficiently short momentum of protons with a steep front, this can be accomplished, for example, by methods of diagnostics of a thermal neutron momentum.

Постоянный мониторинг подкритичности по каждому импульсу драйвера позволит контролировать динамику собственно бланкета. Система мониторинга вырабатывает сигнал A3 (аварийной защиты) при недопустимом уменьшении запаса подкритичности. По этому сигналу вводятся поглотители, и бланкет переходит в состояние с К_эфф = 0,7 - 0,8. Дополнение подкритической сборки такой системой контроля и защиты позволит расширить рабочий диапазон и увеличить эффективность установки в 2 - 2,5 раза.Constant monitoring of subcriticality for each driver pulse will allow you to control the dynamics of the blank itself. The monitoring system generates an A3 (emergency protection) signal with an unacceptable decrease in the margin of subcriticality. Absorbers are introduced by this signal, and the blank enters a state with K _eff = 0.7 - 0.8. The addition of a subcritical assembly with such a control and protection system will expand the operating range and increase the installation efficiency by a factor of 2–2.5.

В результате совокупного действия всех признаков устройство становится более безопасным, чем ядерный реактор, и более эффективным, чем известные электроядерные источники (за счет обеспечения безопасной работы в условиях менее глубокой подкритичности), многофункциональным, в смысле применения нейтронов (за счет канала большого диаметра и огромных возможностей по вариации загружаемых объектов). As a result of the combined action of all the signs, the device becomes safer than a nuclear reactor and more efficient than known electron-nuclear sources (by ensuring safe operation in conditions of less deep subcriticality), multifunctional, in the sense of using neutrons (due to the large-diameter channel and huge possibilities for variation of downloadable objects).

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показан вертикальный разрез подкритического источника нейтронов с элементами бланкета и выходными элементами канала транспортировки пучка от драйвера к узлу мишени. На фиг. 2 приведена схема загрузки бланкета, а на фиг. 3 показана блок-схема системы мониторинга глубины подкритичности бланкета, формирующей сигнал AЗ по нижнему пределу глубины подкритичности. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows a vertical section of a subcritical neutron source with blanket elements and output elements of the beam transport channel from the driver to the target assembly. In FIG. 2 shows a blanket loading diagram, and FIG. Figure 3 shows a block diagram of a system for monitoring the depth of the subcriticality of a blanket that generates an AZ signal at the lower limit of the depth of subcriticality.

Подкритический источник нейтронов содержит ускоритель заряженных частиц (драйвер) - 1, поворотный магнит 2, ионопровод 3, узел 4 мишени, набор топливных каналов 5, напорную камеру 6, бак 7, замедлитель 8 и отражатель 9, большой экспериментальный канал 10, измерительные каналы 11, в которых установлены детекторы 12-1, 12-2,..., 12-К, блок 13 формирования сигнала, пропорционального току протонов на мишени, блок 14 формирования стартовых импульсов запуска счета, синхронных с началом импульса драйвера, блоки 15-1,.. ., 15-К для усиления выходных сигналов с детекторов, блок 16, объединяющий К независимых аналого-цифровых преобразователей (АЦП), процессор 17 и систему 18 аварийной защиты бланкета, управляющую вводом стержней-поглотителей 19. The subcritical neutron source contains a charged particle accelerator (driver) - 1, a rotary magnet 2, an ion guide 3, a target assembly 4, a set of fuel channels 5, a pressure chamber 6, a tank 7, a moderator 8 and a reflector 9, a large experimental channel 10, measuring channels 11 in which the detectors 12-1, 12-2, ..., 12-K are installed, a signal generating unit 13 proportional to the proton current on the target, a unit 14 for generating start counting pulses synchronous with the beginning of the driver pulse, blocks 15-1 , ..., 15-K to amplify the output signals from the detectors, block 16, combining K independent analog-to-digital converters (ADCs), processor 17 and blanket emergency protection system 18, which controls the input of absorber rods 19.

Подкритический источник нейтронов работает следующим образом. Ускоритель-драйвер формирует пучок протонов с энергией от 30 до 150 МэВ и током от 0,5 до 5 мА. В качестве драйвера можно использовать циклотрон или линейный ускоритель. Вместо протонов можно использовать дейтроны с вдвое меньшей энергией. Это обеспечит примерно равный по сравнению с протонами выход нейтронов из мишеней на основе легких металлов. Пучок частиц с помощью поворотного магнита 2, направляется по ионопроводу 3 к узлу 4 мишени. Узел мишени окружен размножающей сборкой (бланкетом), состоящей из набора топливных каналов 5, размещенных в узлах гексагональной решетки с оптимальным шагом. Топливные каналы закреплены в воронках напорной камеры 6 и омываются изнутри под давлением, а снаружи свободной циркуляцией тяжелой воды, залитой в бак 7 и создающей область замедлителя 8 и отражателя 9, свободного от топливных каналов. В отражатель загружен большой экспериментальный канал 10. Диаметр канала может быть выбран от 250 мм до 450 мм. Тяжелая вода циркулирует от наружного бака в напорную камеру, далее через топливные каналы и сливается в бак бланкета, достигая точно определенного и заранее заданного уровня, а из бака поступает в теплообменник и далее по стандартной схеме двухконтурного охлаждения. В измерительных каналах 11 установлены детекторы 12-1, 12-2,..., 12-К нейтронов, включенные в систему обработки выходной информации в виде тока или импульсов. Блок 13 выдает сигнал, пропорциональный току протонов на мишени. Для конкретности рассмотрим токовый выход с нейтронных детекторов. Блок 14 формирует стартовые импульсы запуска счета, синхронные с импульсами драйвера. Блоки 15-1,..., 15-К усиливают выходные сигналы с детекторов. Блок 16 объединяет независимые АЦП, формирующие для каждого канала из К-штук коды, поступающие в процессор. Процессор 17 в реальном масштабе времени анализирует динамику потока нейтронов по показаниям каждого детектора, сравнивает скорости изменения потока в разных каналах с изменением тока протонов на мишени. Если пучок протонов не изменяется, а нейтронный поток изменяется со скоростью, соответствующей значению реактивности, превышающей допустимый предел, тогда процессор формирует сигнал аварийной защиты, который приводит к срабатыванию системы 18 аварийной защиты, вводящей в каналы аварийной защиты органы защиты, например, в виде стержней-поглотителей 19. The subcritical neutron source works as follows. The accelerator driver forms a proton beam with an energy of 30 to 150 MeV and a current of 0.5 to 5 mA. As a driver, you can use a cyclotron or a linear accelerator. Instead of protons, deuterons with half the energy can be used. This will ensure that neutrons from targets based on light metals are approximately equal in comparison with protons. The beam of particles with the help of a rotary magnet 2, is sent through the ion guide 3 to the node 4 of the target. The target site is surrounded by a breeding assembly (blanket), consisting of a set of fuel channels 5 located in the nodes of the hexagonal lattice with an optimal pitch. The fuel channels are fixed in the funnels of the pressure chamber 6 and washed from the inside under pressure, and from the outside by free circulation of heavy water, poured into the tank 7 and creating a region of moderator 8 and reflector 9, free of fuel channels. A large experimental channel 10 is loaded into the reflector. The diameter of the channel can be selected from 250 mm to 450 mm. Heavy water circulates from the outer tank to the pressure chamber, then through the fuel channels and discharges into the blanket tank, reaching a precisely defined and predetermined level, and from the tank enters the heat exchanger and then according to the standard double-circuit cooling scheme. In the measuring channels 11, detectors 12-1, 12-2, ..., 12-K of neutrons are installed, which are included in the output information processing system in the form of current or pulses. Block 13 generates a signal proportional to the current of protons on the target. For concreteness, we consider the current output from neutron detectors. Block 14 generates the start pulses of the account start, synchronous with the driver pulses. Blocks 15-1, ..., 15-K amplify the output signals from the detectors. Block 16 combines independent ADCs, forming codes for each channel from K-pieces entering the processor. The processor 17 in real time analyzes the dynamics of the neutron flux according to the readings of each detector, compares the rate of change of the flux in different channels with the change in the proton current on the target. If the proton beam does not change, and the neutron flux changes at a speed corresponding to the reactivity value exceeding the permissible limit, then the processor generates an emergency protection signal, which triggers the emergency protection system 18, which introduces protection elements into the emergency protection channels, for example, in the form of rods absorbers 19.

Экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется тем, что создается возможность проведения исследований на установке малой мощности, в безопасном режиме подкритичности, исключающем неконтролируемый разгон. Стоимость установки в основном определяется экономичностью применяемого драйвера. The economic efficiency of the invention is determined by the fact that it creates the opportunity to conduct research on a low power installation, in a safe mode of subcriticality, eliminating uncontrolled acceleration. The installation cost is mainly determined by the efficiency of the driver used.

Одним из применений изобретения может стать вывод из эксплуатации исследовательских реакторов и превращение их в безопасную установку для учебно-исследовательской работы. Современные сильноточные циклотроны на энергии порядка 30-50 МэВ могут быть размещены в прилегающих к реактору помещениях, например в части экспериментального зала. One of the applications of the invention may be the decommissioning of research reactors and their transformation into a safe installation for educational research work. Modern high-current cyclotrons with energies of the order of 30-50 MeV can be placed in rooms adjacent to the reactor, for example, in a part of the experimental hall.

Литература
1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. - М.: Энергоатомиздат, 1985, стр. 432-436.Literature
1. Abramov A.I., Kazansky Yu.A., Matusevich E.S. Fundamentals of experimental methods of nuclear physics. - M .: Energoatomizdat, 1985, p. 432-436.

2. Luc Van Den Durpel et al. The ADONIS-project: an accelerated driven operated sub-critical system, Proceedings of the Eighth International Conference on EMERGING NUCLEAR ENERGY SYSTEMS. June 24-28, 1996, Obninsk, Russia, IPPE, vol. 2, p. 526-532. 2. Luc Van Den Durpel et al. The ADONIS-project: an accelerated driven operated sub-critical system, Proceedings of the Eighth International Conference on EMERGING NUCLEAR ENERGY SYSTEMS. June 24-28, 1996, Obninsk, Russia, IPPE, vol. 2, p. 526-532.

3. Бать Г. А. и др. Исследовательские ядерные реакторы. - М.: Энергоатомиздат, 1985, стр. 51-59. 3. Bat G. A. et al. Research nuclear reactors. - M .: Energoatomizdat, 1985, p. 51-59.

Claims

A subcritical neutron source containing a target driver accelerator, a target assembly, and a subcritical neutron multiplier made of material that is fissionable by thermal neutrons, characterized in that the subcritical neutron multiplier contains means for continuous monitoring of subcriticality and an emergency protection system that introduces protection organs upon reaching a predetermined limit subcriticality reserve, and is made in the form of a channel structure with the arrangement of vertical fuel channels in the nodes of the hexagonal lattice with op by the optimal step, in the center of which the ion channel channel and the target assembly are located, the coolant, moderator and reflector of the subcritical neutron multiplier are made of heavy water, a set of dry experimental channels, including a vacuum channel with a diameter d in the range D / 2 <d <D, is placed in the reflector where D is the diameter of the core.