КОЛЛИМАТОР НЕЙТРОНОВ
NEUTRON COLLIMATOR

Настоящее изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к коллиматорам нейтронов диагностических систем термоядерных установок, таких как ИТЭР (Франция), ДЖЕТ (Великобритания), JT-60U (Япония). Такие коллиматоры предназначены для работы в условиях сильного радиационного облучения быстрыми нейтронами и гамма-квантами, большого теплового потока из плазмы, воздействия аварийными нагрузками, связанными с землетрясением (вибрационные и ударные) и срывом плазмы (так называемые электромагнитные нагрузки).
Известен коллиматор нейтронов (см. заявка DE 2030674, МПК G21K 01/02, опубликована 21.01.1971), включающий корпус из материала, содержащего кадмий, внутри которого установлена решетка из параллельных друг другу цилиндрических трубок, выполненных из нержавеющей стали, внутренняя поверхность которых покрыта бором. Коллиматор служит для формирования параллельного или слегка расходящегося потока нейтронов из излучаемых источником во все направления нейтронов, например, ядерным реактором.
Известный коллиматор не способен выдерживать значительные ударные и вибрационные воздействия.
Известен коллиматор нейтронов (см. заявка CN 201311783, МПК G21K 01/02, опубликована 16.09.2009), включающий металлический четырехгранный прямоугольный разъемный корпус, в котором закреплена решетка, выполненная из эквидестантно расположенных алюминиевых листов, между которыми проложена пленка из полиэтилентерефталата.
Наличие в известном коллиматоре нейтронов пленки полиэтилентерефталата исключает его использование в условиях высоких температур.
Известен коллиматор нейтронов (см. патент GB 2033135, МПК G21K 01/02, опубликован 14.07.1982), включающий две параллельно расположенные пластины из поглощающего нейтроны материала, между которыми расположена монолитная сотовая структура с шестиугольными ячейками, выполненная из алюминия.
Недостатком этой конструкции коллиматора нейтронов является невозможность использования его в условиях высоких температур, значительных ударных и вибрационных воздействий.
Известен коллиматор нейтронов (см. заявка CN 102343500, МПК В23К 26/21, В23Р 15/00, G21K 01/02, опубликована 08.02.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Коллиматор-прототип включает металлический четырехгранный прямоугольный корпус, в котором закреплены четыре секции решетки, выполненные из тугоплавкого металла (тантала), при этом корпус у одного из торцов снабжен фланцем с отверстиями под крепежные элементы, а каждая секция решетки выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, квадратные ячейки в которой образованы ортогонально пересекающимися пластинами.
Коллиматор-прототип может быть использован в условиях высоких температур. Однако проведенные испытания решетки с квадратными ячейками, как у коллиматора-прототипа показали, что секции такой решетки не выдерживает значительных ударных и вибрационных воздействий.
Задачей настоящего технического решения является разработка коллиматора нейтронов, который мог работать в условиях сильного радиационного облучения быстрыми нейтронами и гамма-квантами, большого теплового потока из плазмы, воздействия вибрационных, ударных и электромагнитных нагрузок.
Поставленная задача решается тем, что коллиматор нейтронов включает металлический четырехгранный прямоугольный корпус, в котором закреплены четыре секции решетки, выполненные из тугоплавкого металла. Каждая секция решетки выполнена в форме прямой правильной треугольной усеченной призмы, широким основанием прикрепленной к соответствующей стенке прямоугольного корпуса. Ячейки секции решетки образованы пересечением по меньшей мере двух участков концентрических круговых полых цилиндров с радиально проходящими пластинами, имеющими общую ось с круговыми полыми цилиндрами.
Квазисотовая конструкция ячеек секции решетки обладает повышенной стойкостью к механическим нагрузкам.
Корпус коллиматора нейтронов может быть снабжен у одного из торцов фланцем с отверстиями для крепежных элементов.
На внешней поверхности корпуса коллиматора нейтронов могут быть закреплены трубки системы водяного охлаждения для предотвращения перегрева коллиматора нейтронов.
Корпус коллиматора может быть выполнен разъемным и составлен из четырех пластин, соединенных по смежным торцам посредством крепежных элементов, при этом пластины могут быть выполнены из нержавеющей стали.
Секции решетки могут быть выполнены из вольфрамового сплава.
Вольфрамовый сплав может содержать 93-95 мас. ч. вольфрама, 2-3 мас. ч. меди и 3-4 мас. ч. никеля. Такой сплав обладает повышенной тепловодностью относительно чистого вольфрама, эрозионной стойкостью при повышенных нагрузках и температуре и хорошей обрабатываемостью точением.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показан в аксонометрии вид спереди на настоящий коллиматор нейтронов;
на фиг. 2 приведен в аксонометрии вид сзади на настоящий коллиматор нейтронов;
на фиг. 3 показан в аксонометрии настоящий коллиматор нейтронов, разъединенный на детали;
на фиг. 4 приведен вид спереди на настоящий коллиматор нейтронов;
на фиг. 5 показана в аксонометрии секция решетки настоящего коллиматора нейтронов.
Настоящий коллиматор 1 нейтронов (см. фиг. 1 - фиг. 3) содержит разъемный четырехгранный прямоугольный корпус 2, составленный из четырех прямоугольных плит: верхних и нижних плит 3, и боковых плит 4, соединенных по смежным торцам посредством крепежных элементов, например, в виде первых болтов 5. Плиты 3, 4 выполнены из нержавеющей стали, например из стали 316L(N)-IG. При использовании коллиматора 1 в условиях сильного радиационного излучения и большого теплового потока плазмы на внешней поверхности корпуса 2 коллиматора 1 для предотвращения перегрева могут быть закреплены трубки системы водяного охлаждения (на чертеже не показаны). Спереди к корпусу 2 прикреплен посредством крепежных элементов, например, в виде вторых болтов 6 фланец 7 с отверстиями 8 для монтажа коллиматора 1 к оборудованию термоядерной установки. Внутри прямоугольного корпуса 2 закреплена решетка 9, выполненная из четырех секций 10, изготовленных из тугоплавкого металла, например из вольфрамового сплава, содержащего, например, 93-95 мас. ч. вольфрама, 2-3 мас. ч. меди и 3-4 мас. ч. никеля. Разделение решетки 9 на секции 10 позволяет обеспечить достаточный контакт секции 10 коллиматора с корпусом 2 для снятия тепла с решетки 9.
Каждая секция 10 решетки 9 выполнена в форме прямой правильной треугольной усеченной призмы с широким основанием 11 и узким основанием 12. Секции 10 прикреплены широким основанием 11 к соответствующим плитам 3, 4 крепежными элементами, например, в виде третьих болтов 13 и прижимных планок 14, для которых у основания 11 в боковых гранях 15 секций 10 выполнены пазы 16. Прижимные планки 14 снабжены молибденовыми плоскими пружинами (на чертеже не показаны) для компенсации температурных деформаций. На широком основании 11 выполнены два паза 17 под шпонки (на чертеже не показаны), которые служат для фиксирования положения секции 10 относительно соответственно плит 3, 4 в продольном направлении. На широком основании 11 выполнены также шпоночные выступы 18, сопряженные с углублениями (на чертеже не показаны) соответственно в плитах 3, 4 для фиксации секции 10 в поперечном направлении. Ячейки 19 секций 10 решетки 9 (см. фиг. 4 - фиг. 5) образованы пересечением двух участков 20,21 концентрических круговых полых цилиндров 22, 23 с радиально проходящими пластинами 24, имеющими общую ось с круговыми полыми цилиндрами 22, 23. Узкие основания 12 секций 10 образуют канал для коллимируемых нейтронов.
Коллиматор 1 может служить элементом нейтронной защиты диагностической системы термоядерных установок, существенно снижая поток нейтронов вокруг трубопровода, с помощью которого анализаторы подсоединены к вакуумной камере, например, термоядерной установи ИТЭР. При этом, имея высокую оптическую прозрачность, коллиматор 1 несущественно снижает уровень полезного сигнала. Коллиматор 1 работает следующим образом.
Пучок быстрых нейтронов, выходящих из термоядерной плазмы термоядерной установки в результате неупругих взаимодействий с материалом секций 10 решетки 9 рассеиваются и поступают в основную защиту термоядерной установи из карбида бора, где они поглощаются. В результате сквозь коллиматор 1 проходит коллимированный пучок нейтронов, что позволяет существенно снизить поток быстрых нейтронов в окружавшем пространстве за защитой из карбида бора.
В соответствии с настоящим изобретением был изготовлен опытный образец коллиматора нейтронов, который был подвергнут испытаниям на вибрационном и ударном стендах, на которых была проверена прочность секции решетки коллиматора нейтронов при нагрузках, которые будут действовать на коллиматор в термоядерной установке ИТЭР. Испытания секции решетки коллиматора нейтронов проводились при воздействии нагрузок, действующих на нее последовательно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях XYZ. Расчетное значение собственной частоты секции решетки коллиматора нейтронов составляет 100 Гц, что соответствует величине ускорения, действующего на коллиматор, порядка 11 д. В процессе испытаний секция решетки поочередно устанавливалась на две опорные плиты, соответствующие различной толщине плит корпуса коллиматора нейтронов: 19,5 мм и 8 мм. После воздействия вибрационных и ударных нагрузок на частоте 100 Гц с ускорениями 11 g был проведен визуальный осмотр секции решетки с целью выявления на ней дефектов. Дефекты на секции решетки коллиматора нейтронов после воздействия нагрузок обнаружены не были.