МИШЕНЬ ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ
TARGET OF NEUTRON SOURCE

Изобретение относится к источникам нейтронов и может быть использовано в ускорительно-управляемых системах, в радиационном материаловедении, лучевой терапии и производстве изотопной продукции.
Известны мишени, содержащие вещества, генерирующие нейтроны при облучении их ускоренными заряженными частицами, например протонами. Эти вещества могут использоваться как в твердом состоянии, так и в жидком. Жидкометаллическая мишень [Патент РФ №2284676, Н05Н 6/00] содержит патрубки подвода и отвода жидкого металла, например эвтектики свинец-висмут, патрубок подвода протонов от ускорителя и рабочую камеру, выполненную в виде подъемного и опускного каналов, наклоненных под углом α от 95° до 110° к продольной оси патрубка подвода протонов. В этой мишени веществом, генерирующим нейтроны, является эвтектический сплав свинец-висмут.
Недостатком жидкометаллической мишени является то, что она не может использоваться без циркуляционного контура, содержащего насос для прокачки жидкого металла и оборудование для очистки и поддержания допустимой концентрации примесей в жидком металле.
Наиболее близким аналогом предлагаемой мишени является мишенный узел [патент РФ №2243610, G21K 5/08, Н05Н 6/00], содержащий механизм смены мишеней в виде поворотного рычага, который посредством закрепленного в его центре вала, герметично введенного в корпус, перемещает две подвижные мембраны в рабочую позицию или в позицию смены кассеты с мишенью. В этой мишени вещество, генерирующее нейтроны, сформировано в виде тонкой плоской мембраны.
Основным недостатком мишенного узла является то, что тонкая мембрана обеспечивает относительно малую длину торможения протонов и поэтому она не может быть эффективно использована при энергии протонов, измеряемой десятками МэВ.
Задача изобретения состоит в устранении этого недостатка, а именно в обеспечении относительно большой длины пробега ускоренных заряженных частиц, например протонов, при малой толщине мембраны.
Для исключения указанного недостатка в мишени источника нейтронов, содержащей мембрану, генерирующую нейтроны, при облучении ускоренными заряженными частицами, и корпус предлагается:
- толщину мембраны выбирать согласно соотношению с учетом теплопроводности мембраны, допустимого перепада температуры в мембране и тепловыделения в единице объема;
- мембрану наклонить по отношению к пучку ускоренных заряженных частиц под углом, выбираемым из соотношения с учетом толщина мембраны и длины торможения ускоренных заряженных частиц в ней.
В частных случаях выполнения мишени источника нейтронов предлагается:
- использовать мембрану, выполненную в форме одной или нескольких пластин, конусов, пирамид или призм;
- полости мишени и ионопровода разделить между собой перегородкой, а мембрану и корпус мишени выполнить перфорированными.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-6. На фиг. 1 показан фрагмент мембраны, на фиг. 2 - продольный разрез мишени, на фиг. 3 - поперечный разрез мишени, выполненной в форме конуса, на фиг. 4 - поперечный разрез мишени, выполненной в форме пирамиды, на фиг. 5 - поперечный разрез мишени, выполненной в форме призмы, на фиг. 6 - продольный разрез мембраны, выполненной в форме трех конусов, вставленных друг в друга.
На фиг. 1 приняты обозначения: Ρ - направление пучка ускоренных заряженных частиц; α - угол между направлением пучка ускоренных заряженных частиц и мембраной, генерирующей нейтроны; L - длина пробега ускоренных заряженных частиц в мембране; q - удельный тепловой поток, отводимый с единицы площади поверхности мембраны.
На фиг. 2-6 приняты следующие позиционные обозначения: 1 - мембрана, генерирующая нейтроны; 2 - корпус мишени; 3 - перегородка, отделяющая полость мишени от вакуумной полости ионопровода ускорителя; 4 - перфорация в мембране и в корпусе мишени; 5 - ионопровод ускорителя.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Предлагаемая мишень источника нейтронов состоит из мембраны 1, генерирующей нейтроны, и корпуса мишени 2.
Толщина мембраны 1 соответствует соотношению
v
3
где δ - толщина мембраны, м; λ - теплопроводность мембраны, Вт/(м⋅К); Δt - допустимый перепад температуры в мембране, К; q - тепловыделение в единице объема мембраны, Вт/м.
Выбор толщины мембраны 1 по соотношению (1) исключает ее перегрев.
Угол наклона мембраны 1 по отношению к пучку ускоренных заряженных частиц соответствует соотношению
где α - угол наклона, град; δ - толщина мембраны, м; L - длина торможения ускоренных заряженных частиц в мембране, м.
Выбор угла наклона мембраны 1 по соотношению (2) обеспечивает необходимую длину торможения ускоренных заряженных частиц.
Частные случаи исполнения мишени
В первом случае мембрана 1 выполнена в форме одной или нескольких пластин, конусов, пирамид или призм, вставленных в корпус мишени 2.
Изменение формы мембраны 1 позволяет при одинаковой массе мембраны 1 варьировать площадь поверхности теплоотвода.
Во втором случае полости мишени и ионопровода разделены между собой перегородкой, а мембрана и корпус мишени выполнены перфорированными.
Сообщение полости мишени с окружающей ее охлаждающей средой позволяет минимизировать перепады температур на мишени.
Мембрана 1 изготовлена, например, из металлического урана или вольфрама толщиной 1-2 мм.
Корпус мишени 2 имеет форму, соответствующую форме мембраны 1. Форма и размеры открытого торца корпуса мишени 2 соответствуют поперечному сечению ионопровода ускорителя 5. Корпус мишени 2 изготовлен из нержавеющей стали, марка которой выбирается в соответствии с условиями применения мишени.
Предлагаемая мишень для генерации нейтронов работает следующим образом.
При облучении мембраны 1 потоком ускоренных заряженных частиц (например, протонов Р), падающих под углом α к ее поверхности, ускоренные заряженные частицы проходят в мембране 1 путь L=δ/sinα, где δ - толщина мембраны 1. Из фиг. 1 видно, что длина пробега ускоренных заряженных частиц L много больше толщины слоя 8. Таким образом, становится возможным обеспечить требуемую длину пробега в достаточно тонкой мембране. Это позволяет снизить перепад температуры в мембране 1 до приемлемой величины.
При использовании мишени в ускорительно-управляемых подкритических системах мишень 1 вставляют либо в нишу, выполненную в корпусе реактора, либо непосредственно в топливную смесь, например расплавленную соль. Таким образом, нейтроны, генерируемые в мембране 1, вводятся в рабочий объем реактора. В случае размещения мишени непосредственно в топливной смеси тепло, выделяющееся в мембране 1, передается через стенку корпуса мишени 2 в топливную смесь. В случае размещения мишени в специально выделенной нише, тепло может сниматься каким-либо теплоносителем.
Технический результат - обеспечение работоспособности мишени при относительно высоких энергиях ускоренных заряженных частиц.
Пример конкретного исполнения устройства
На фиг. 5 показано устройство мишени - источника нейтронов, предназначенное для работы в составе ускорительно-управляемой системы с жидкосолевым подкритическим бланкетом, состоящим из расплава фторидов щелочных металлов, в котором растворен тетрафторид урана. Мишень размещена непосредственно в расплаве фторидов, имеющем среднюю температуру 700°С.
Мишень рассчитана на работу с источником протонов с энергией 72 МэВ при токе пучка 1 мА. Таким образом, мощность пучка протонов составляет 72 кВт. Кроме того, за счет реакции деления в мембране дополнительно выделяется 5-7 кВт тепла. Поэтому мишень рассчитана на тепловыделение 80 кВт. В качестве вещества, генерирующего нейтроны, использован металлический уран. Длина торможения протонов в этом материале составляет 6-7 мм.
v
v
3
1/2
-3
1/2
-3
Мембрана 1 выполнена в виде уранового конуса с диаметром основания, равным диаметру пучка протонов 140 мм. Назначен допустимый перепад температуры в мембране 1 Δt=30°С. При температуре 750°С теплопроводность урана λ=39,3 Вт/м⋅К. Из нейтронно-физических расчетов получено удельное тепловыделение в мембране 1 q=303 Вт/см. В соответствии с соотношением (1) δ≤(λ⋅Δt/q)=(39,3⋅30/303⋅10)=2,1⋅10 м. Выбираем δ=2 мм.
Из соотношения (2) находим угол наклона мембраны по отношению к потоку протонов α≤arcsin(δ/L)=arcsin(2/7)=15,9°. Выбираем угол α=15°. Этому углу при внутреннем диаметре основания конуса 2, равном 140 мм, соответствует внутренняя высота конуса 260 мм. При толщине мембраны 1-2 мм наружный диаметр основания конуса будет 144 мм, а высота конуса 267 мм. Округляем это значение высоты до 300 мм и получаем следующие размеры мембраны 1: наружный диаметр основания уранового конуса 144 мм, высота конуса 300 мм, толщина урановой мембраны 1 δ=2 мм, угол наклона мембраны 1 по отношению к потоку протонов α=13,5°, длина пробега протонов в мембране L=8,6 мм.
Мембрана 1 помещена в стальной корпус мишени 2 с толщиной стенки 1 мм. С учетом перепада температуры в стенке корпуса мишени максимальная температура урана будет около 800°С.
Положительный эффект от использования предлагаемой мишени источника нейтронов состоит в том, что обеспечена необходимая длина пробега ускоренных заряженных частиц в мембране 1 при перепаде температуры в ней приемлемой величины.
3
При традиционном исполнении мишени с диаметром мембраны 1, равным 140 мм, и толщиной мембраны 6 мм объемное тепловыделение составило бы 866 Вт/см, перепад температуры в уране оказался бы 770°С, а его максимальная температура - около 1500°С, что существенно превышает температуру плавления урана 1132°С.