ШАРИКОВЫЙ ХОЛОДНЫЙ ЗАМЕДЛИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ
SPHERICAL COLD NEUTRON MODERATOR

Изобретение относится к замедлителям нейтронов на исследовательских реакторах и нейтронно-производящих мишенях ускорителей и предназначено для получения во внешних пучках нейтронов низкой энергии (холодных нейтронов). В большинстве случаев действующим веществом холодных замедлителей являются водородосодержащие вещества в жидкой фазе, но для достижения низких температур используют вещества в твердой фазе (метан, ароматические углеводороды, твердый дейтерий). Твердые водородосодержащие вещества подвержены сильному радиационному разложению под действием быстрых нейтронов источника, с сопутствующими нежелательными эффектами. Поэтому вещество замедлителя необходимо периодически заменять свежим, при этом работу источника нейтронов приходится приостанавливать, если замена производится одновременно во всей камере замедлителя. Диспергированная, шариковая структура рабочего вещества холодного замедлителя нейтронов дает возможность непрерывной смены замедляющего нейтроны вещества и позволяет использовать замедлитель неограниченно долго в отличие от традиционных замедлителей.
Известен шариковый холодный замедлитель нейтронов с непрерывной сменой твердых шариков метана, состоящий из криогенной камеры замедлителя, расположенной вблизи интенсивного источника быстрых нейтронов - нейтронопроизводящей мишени ускорителя, тракта непрерывной подачи свежих твердых шариков метана в камеру, узла удаления отработавших шариков из камеры и системы регенерации метана и производства шариков, описанный в работе А.Т. Lucas, G.S. Bauer, C.D. Sulfredge, A pelletized solid methane moderator for a medium-to-high power neutron source, Proc. of the 13th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources, ICANS XIII, Villigen, Switzerland, November 1995, публикация: G.S. Bauer, R. Bercher (Eds.), Paul Scherrer Institut Proceedings 95-02, vol. II, 1996, p.644-652.
Схема этого известного замедлителя представлена в приложении, где 1 - камера замедлителя, 2 - тракт подачи свежих шариков из генератора шариков, 3, 4 - узел удаления отработанных шариков, выполненный в виде шнека.
Недостаток этого устройства - наличие механического активного узла вращающегося шнека. Это определяет ненадежность шнекового узла из-за его работы в условиях сильных полей быстрых нейтронов и низкой температуры (20-40 К), и затрудненный доступ для его профилактики, ремонта или замены. Выход из строя шнекового узла будет приводить, скорее всего, к полной замене камеры замедлителя с прилегающими частями тракта подачи и отбора шариков.
Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить высокую надежность работы узла отбора отработавших шариков с сохранением непрерывности и периодичности (или квазипериодичности) выброса шариков из камеры.
Поставленная задача решается тем, что в шариковом холодном замедлителе нейтронов, включающем криогенную камеру замедлителя, расположенную вблизи интенсивного источника быстрых нейтронов' (например, исследовательского ядерного реактора или нейтронопроизводящей мишени ускорителя), генератор «свежих» твердых шариков замедляющего нейтроны вещества, тракт непрерывной подачи свежих твердых шариков в камеру и узел непрерывного удаления отработавших шариков из камеры, узел непрерывного удаления отработавших шариков из камеры выполнен в виде воронки с отводной изогнутой трубкой в нижней торцевой части камеры замедлителя, при этом размеры и форма воронки и отводной трубки определяются расчетными методами математического моделирования из условия обеспечения нужной средней скорости выброса шариков с последующим экспериментальным подтверждением.
Принципиальная схема конструкции предлагаемого узла непрерывного удаления отработанных твердых шариков приведена на рис. 1, где 1 - цилиндрический участок (отсек камеры замедлителя), 2 - воронка, 3 - прямая часть отводной трубки, 4 - изогнутая часть трубки, 5 - наклонная восходящая часть трубки, α - угол наклона восходящей части отводной трубки.
Принцип работы предлагаемого узла непрерывного удаления отработанных твердых шариков таков. В камере холодного замедлителя шарики замедляющего вещества (мезитилен, метан) заполняют отсеки камеры замедлителя до определенной высоты. Под действием гравитации и динамического напора потока охлаждающего гелия через конусный и трубный участок узла отбора они удаляются из камеры с установленной частотой, и с такой же частотой в камеру подсыпают «свежие» шарики (принцип подачи шариков в камеру может быть таким же или иным; это не является задачей данной работы) с тем, чтобы высота засыпки оставалась постоянной. При этом диаметр выпускной трубки должен быть выбран таким, чтобы не возникали заторы в движении шариков. После прохождения прямой части трубки шарики испытывают постепенно увеличивающееся сопротивление в изогнутой части трубки, а потом в ходе прохождения наклонной части трубки сопротивление становится максимальным. Таким образом, выбором высоты подъема и длины наклонной части трубки можно достигнуть динамического равновесия между сопротивлением шариков и гравитационной нагрузкой от всех шариков, заполняющих отсек камеры. При этом, очевидно, средний расход шариков достигнет стабильного, требуемого значения.
Для шариков твердого метана диаметром 4 мм, извлекаемых со средней частотой 1 шарик/с, приведенные на рисунке 1 размеры, рассчитанные по программе PCF, должны быть примерно такими, как в Таблице 1. Подробное изложение методики расчета см. в Приложении 2.
Таблица 1
Параметры узла отбора шариков
Размер, мм
Минимум внутренний диаметр выпускной трубки
13 мм
Высота конусного участки (L<sub>1</sub>)
50 мм
Высота прямой части выпускной трубки (L<sub>2</sub>)
30 мм
Радиус части изогнутой выпускной трубки(R)
70 мм
Горизонтальная проекция длины части наклонной трубки (L3)
90 мм
Вертикальная проекция длины части наклонной трубки (Н)
19 мм
Угол наклона выпускной трубки (α)
α≈12°
Принципиальная схема предлагаемого шарикового холодного замедлителя нейтронов с непрерывной сменой твердых шариков метана дана на рис. 2, где 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - водяной предзамедлитель, 3 - камера холодного замедлителя, 4 - пневмотракт подачи свежих шариков метана в камеру, 5 - генератор твердых шариков метана, 6 - магистраль подачи жидкого метана, 7 - ожижитель газообразного очищенного метана, 8 - обогащающая камера, 9 - нагревательный блок, 10 - тракт сброса отработанных шариков, 11 - холодная ловушка радиолитического водорода, 12 - гелиевая газодувка, 13 - узел дозированного отбора отработанных шариков из камеры.
Установка работает следующим образом. Из генератора шариков твердого метана 5 (его принцип и конструкция здесь не описываются) с определенной частотой шарики подаются по пневмотракту 4 движущимся холодным газом гелия 20-30 К в верхнюю часть камеры замедлителя 3, непосредственно примыкающей к источнику нейтронов 1 и водяному предзамедлителю 2. Температура гелия поддерживается холодильной гелиевой машиной (в схеме не показана) через теплообменник 11. К плоскому донышку прямоугольной или овальной в горизонтальном сечении камеры примыкают несколько (3- 5) воронок конической формы с отводными трубками - узел отбора 13 (см. также рис. 1). Шарики, высыпающиеся из отводных трубок с частотой, равной частоте подачи «свежих» шариков, по общей трубе 10 попадают в нагревательный блок 9 с температурой 90-100 К, который служит сепаратором радиолитического водорода. Из блока 9 газообразный водород и гелий прокачиваются через гелиевый ожижитель водорода 11, который одновременно является теплообменником между гелием холодильной машины и гелием пневмотранспортного контура шариков метана. Охлажденный гелий прогоняется через тракт подачи шариков и камеру замедлителя газодувкой-циркулятором 12. Жидкий метан с более тяжелыми продуктами его разложения из бункера 9 переливается в обогащающую камеру 8 с температурой более 120 К, где отогнанный газообразный метан после ожижения жидким азотом 7 возвращается в генератор 5 по трубке 6. Цикл повторяется.
Надежность продолжительной работы такого замедлителя обеспечивается отсутствием движущихся механических частей в зоне сильной радиации, и наличием нескольких отборных воронок - в случае блокировки шариков в одной или двух отборных трубках шарики будут продолжать сбрасываться из других, а работоспособность первых легко восстанавливается путем подогрева трубок до температуры плавления метана (на трубках можно предусмотреть электрические нагреватели).
Литература
2
4
1. K.D. Wilkinson, A.T. Lucas, A combined H/CH cold moderator for a short-pulsed neutron source. Proceedings of the 10th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS X), Institute of Physics Conference Series Number 97, Los Alamos National laboratory. Institute of Physics, October 1988, p.559.
2. H. Stelzer, H. Bamert-Wiemer and N.Bayer. J.Neutron Res., 11 1-2 (2003), p.99. Full Text via CrossRef.
3. G.S. Bauer. Pulsed Neutron Source Cold Moderators: Concepts, Design and Engineering. In: Proc. of International Workshop on Cold Moderators for Pulsed Neutron Sources. ANL, USA, Sept. 29 - Oct. 1997. Edition of OECD. 1998, pp.27-42.
th
4. Shabalin, E.P., et al., Pelletized Cold Neutron Moderators for the IBR-2M reactor. In: Proc. of the 6 International Workshop on UCN&CN Physics and Sources, S. Petersburg-Moscow, 1-7 July 2007: http://cns.pnpi.spb.ru/ucn/articles/Shabalin.pdf.
5. Kulikov, S.A., Shabalin, E.P. «New Complex of Moderators for Condensed Matter Research at the IBR-2M Reactor». Rom. Journ. Phys., Vol. 54, No 3-4, pp.361-367, Bucharest, 2009.
6. Kulikov, S.A., et al., R&D of productive pelletized cold neutron moderators (status), Proc. of the Second Research Co-cordination Meeting, IAEA, Kuala Lumpur, Malaysia, p. 171-175, 2009.
7. Physics of Particles and Nuclei Letters, 2010, Vol. 7, No. 1, pp.57-60.