СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ
METHOD OF GENERATING COLD NEUTRONS

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано для получения холодных нейтронов с помощью низкотемпературного замедлителя в горизонтальном канале на исследовательском реакторе.
Для получения холодных нейтронов используются криогенные замедлители нейтронов, содержащие водород, которые охлаждаются жидким гелием. Процесс получения холодных нейтронов проводят в камере с криогенным замедлителем, которая может располагаться в вертикальном или горизонтальном канале реактора. Преимущество получения холодных нейтронов в камере, расположенной в горизонтальном канале реактора, состоит в том, что образовавшиеся в камере холодные нейтроны выводятся в нейтроновод через стенку камеры и разделительную мембрану. В случае получения холодных нейтронов в камере, расположенной в вертикальном канале, их принято выводить в горизонтальный нейтроновод. Чтобы попасть в горизонтальный нейтроновод, образовавшиеся в вертикальном канале холодные нейтроны должны преодолеть стенки камеры, стенку вакуумного контейнера, слой тяжелой воды, донышко горизонтального канала и разделительную мембрану. Это приводит к дополнительным потерям холодных нейтронов. В силу этого, получение холодных нейтронов в горизонтальном канале представляется более выгодным с точки зрения потерь холодных нейтронов при их выходе из канала реактора. Для получения холодных нейтронов в канале реактора необходимо организовать отвод радиационного тепла от криогенного замедлителя.
В настоящее время применяются следующие способы отвода тепла:
а) отвод радиационного тепла холодным гелием непосредственно в камере с замедлителем;
б) отвод радиационного тепла за счет естественной циркуляцией замедлителя с помощью двухфазного термосифона;
в) отвод радиационного тепла посредством принудительной циркуляции замедлителя насосами.
Известен способ получения холодных нейтронов в горизонтальном канале реактора BRR в Будапештском Нейтронном Центре, описанный в статьях: Т.Grosz, V.A.Mityukhljaiev, L.Rosta, А.Р.Serebrov, А.А.Zakharov, Physica В, vol. 234-236, June 1997, P.1194-1195.[1]; T.Grosz, T.Hargitai, V.A.Mityukhlyaev, L.Rosta, A.P.Serebrov, A.A.Zaharov, Physica B, vol. 276-278, March 2000. - P.214-215 [2].
В данном аналоге способ получения холодных нейтронов в горизонтальном канале заключается в использовании криогенного замедлителя в жидком состоянии с температурой, близкой к температуре кипения. Отвод радиационного тепла осуществляется холодным гелием за счет циркуляции гелия непосредственно в камере. Камера представляет собой теплообменник с двойной стенкой с оребрением для протока холодного гелия. Количество радиационного тепла, которое может быть отведено в камере, составляет примерно 180 Вт. Криогенный замедлитель (водород) находится в камере в жидком состоянии с температурой 22 K, близкой к температуре кипения при давлении 1,8 бар.
Данный способ имеет существенное ограничение по количеству радиационного тепла, которое может быть отведено холодным гелием в камере-теплообменнике(<200 Вт). Поэтому способ не применим для получения холодных в канале с большим потоком тепловых нейтронов.
Известен способ получения холодных нейтронов в горизонтальном канале на реакторе в NIST (Центр Нейтронных Исследований): Physica B 311 (2002), р.117-122 [3]. Криогенный водородный замедлитель находится в камере в кипящем состоянии (давление 1 бар, температура 20 K): т.е. присутствует две фазы. Радиационное тепло (1200 Вт), которое выделяется в камере с криогенным замедлителем нейтронов, отводится парами испарившегося замедлителя. Для отвода радиационного тепла из камеры используется принцип естественной циркуляцией замедлителя за счет гравитации с применением двухфазного термосифона. Термосифон состоит из камеры с криогенным замедлителем, конденсатора паров замедлителя и соединяющего их трубопровода. Для конденсации паров замедлителя используется холодный гелий. Камера с криогенным замедлителем нейтронов располагается в горизонтальном канале реактора, конденсатор располагается вне канала.
Данный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что криогенный замедлитель, находящийся в двухфазном состоянии в камере, имеет пониженную плотность в результате процесса кипения и наличия в нем паровой фазы. Это снижает эффективность замедлителя при получении холодных нейтронов. Чем больше радиационный нагрев, тем меньше плотность замедлителя и ниже его эффективность.
Кроме того, при отсутствии кипящего замедлителя в камере не происходит отвод тепла, т.к. нет естественной циркуляции замедлителя. В этом случае реактор не может работать на мощности, поскольку возможен перегрев материала камеры и ее повреждение.
В качестве прототипа рассматривается наиболее эффективный способ получения холодных нейтронов в горизонтальном канале на реакторе HFIR: 0.L.Selby, А.Т.Lucas, Flux Isotope Reactor Cold Neutron Source Reference Design Concept. Report ORNL/TM-13498, 1998 [4].
3
Криогенный водородный замедлитель нейтронов подается в камеру для получения холодных нейтронов в сверхкритическом фазовом состоянии, которое характеризуется высоким давлением (давление 15 бар, температура 18К-20К). Замедлитель в сверхкритическом состоянии имеет плотность (72-76 кг/м). Радиационное тепло, которое выделяется в камере с криогенным замедлителем нейтронов, отводится путем охлаждения циркулирующего замедлителя холодным гелием. Замедлитель охлаждается холодным гелием в теплообменнике, который располагается вне реактора, и отводится радиационное тепло посредством принудительной циркуляции замедлителя насосами.
Недостаток способа заключается в том, что замедлитель нейтронов находится в камере в сверхкритическом состоянии, что требует создания высокого давления. Это приводит к сложности реализации способа с применением оборудования, работающего при высоком давлении на реакторе. Кроме того, необходимость создания высокого давления требует большой толщины стенок камеры. Повышенная толщина стенок камеры приводит к возможным потерям холодных нейтронов при их прохождении через стенки камеры, а также приводит к увеличенному выделению тепла в материале камеры.
Задачей заявляемого способа является упрощение реализации способа при сохранении эффективности получения холодных нейтронов.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения холодных нейтронов в горизонтальном канале реактора, заключающемся в том, что тепловые нейтроны реактора термализуются в камере криогенным водородным замедлителем, который принудительно циркулирует и который охлаждается жидким гелием вне реактора, новым является то, что криогенный водородный замедлитель поддерживается в камере в жидкой фазе при давлении, близком к атмосферному.
Технический эффект заключается в том, что новая совокупность признаков создает условия для более простой реализации способа, т.е. без создания высокого давления, в котором нет необходимости, т.к. замедлитель работает в жидкой фазе. При этом не ухудшается эффективность получения холодных нейтронов, т.к. плотность замедлителя в сверхкритическом состоянии и в жидком состоянии практически одинакова.
На фиг.1 представлен чертеж установки для реализации способа. Устройство состоит из камеры с жидким криогенным замедлителем нейтронов (1), теплообменника (2), криогенного насоса (3), соединяющих трубопроводов (4), трубопровод (6) с ресивером (5). Теплообменник (2) соединен трубопроводом (6) с ресивером (5), в котором хранится газообразный замедлитель, и криопроводами (7) с гелиевым рефрижератором.
Описание работы предлагаемого способа
Газообразный замедлитель из ресивера (5) через трубопровод (6) поступает в теплообменник (2), в котором конденсируется холодным гелием, циркулирующим через криопроводы (7). Замедлитель в жидкой фазе заполняет камеру (1), трубопроводы (4) и теплообменник (2). Криогенный насос (3) обеспечивает принудительную циркуляцию замедлителя в жидкой фазе при давлении, близком к атмосферному, через камеру (1) и теплообменник (2). Реактор выводится на мощность. Тепловые реакторные нейтроны термализуются в камере с криогенным жидким замедлителем, превращаясь в холодные нейтроны, и выходят через стенку камеры. Часть холодных нейтронов попадает в нейтроновод и выводится из горизонтального канала реактора. Циркулирующий жидкий замедлитель выносит радиационное тепло в теплообменник (2), находящийся вне реактора, где оно отводится холодным гелием, поступающим по трубопроводам (7).
3
3
В отличие от способа-прототипа в заявляемом способе замедлитель находится в жидком состоянии, практически при той же плотности (70,8-74,4 кг/м), что и замедлитель прототипа 8 сверхкритическом состоянии (72-76 кг/м). Следовательно, количество соударений при термализации нейтронов одинаково. Но в предлагаемом способе не требуется поддерживать высокое давление, что значительно упрощает реализацию способа. При этом уменьшение толщины стенок камеры снижает потери при выходе холодных нейтронов из камеры.
Предлагаемый способ обладает более высокой эффективностью по сравнению со способом, описанным в работах [1], [2], т.к. может отводить в 10-20 раз большее количество радиационного тепла за счет принудительной циркуляции жидкого замедлителя, а не за счет циркуляции гелия. Это позволяет устанавливать камеру с жидким криогенным замедлителем нейтронов в высоких нейтронных потоках, позволяет поддерживать криогенный замедлитель нейтронов с большей плотностью при температуре ниже температуры кипения.
Предлагаемый способ более эффективен, чем способ [3], т.к. используется жидкий замедлитель, плотность которого больше, и принудительная циркуляция жидкого замедлителя более эффективно обеспечивает теплообмен.
Литература
1. T.Grosz, V.A.Mityukhljaiev, L.Rosta, A.P.Serebrov, A.A.Zakharov, Physica B, vol. 234-236, June 1997, P.1194-1195.
2. T.Grosz, T.Hargitai, V.A.Mityukhlyaev, L.Rosta, A.P.Serebrov, A.A.Zaharov, Physica B, vol. 276-278, March 2000. - P.214-215.
3. R.E.Williams, J.M.Rowe. "Developments in neutron beam devices and an advanced cold source for the NIST research reactor". Physica В 311 (2002) 117-122.
4. О. L.Selby, A.T.Lucas, Flux Isotope Reactor Cold Neutron Source Reference Design Concept. Report ORNL/TM-13498, 1998. - прототип.