Турбинная мишень

 

Изобретение относится к области ядерной физики, более конкретно к источникам нейтронов для ядерных исследований и трасмутации радиоактивных отходов. Технический результат: увеличение ресурса непрерывной работы и расширение функциональных возможностей, повышение работоспособности и рентабельности установки. Сущность изобретения: узел мишени выполнен в виде колеса, установленного вертикально. Колесо установлено в вакуумном кожухе с горизонтальными патрубками для подачи пучков заряженных частиц, ориентированными под углом к плоскости колеса. Колесо выполнено в виде зубчатого колеса, сцепленного с шестерней привода, передающего вращение в вакуум и расположенного диаметрально относительно патрубков подачи пучков. По обе стороны снаружи колеса на его периферии присоединены кольцевые элементы поглощения пучка. Внутри колеса размещен вытеснитель, имеющий форму диска с коническим утолщением в центральной части. Вытеснитель играет роль замедлителя и поглотителя нейтронов и распределяет поток теплоносителя. Поток теплоносителя поступает через каналы вставок, установленных в отверстия вала несущего колеса, и узлы для ввода-вывода теплоносителя. Угол наклона патрубков и толщина элементов поглощения пучка выбраны так, что заряженные частицы полностью поглощаются материалом элементов. Конструктивные элементы выполнены из материалов с минимальным сечением активации нейтронами. 3 ил.

Изобретение относится к области ядерной физики, более конкретно к источникам нейтронов для ядерных исследований и трансмутации радиоактивных отходов.

Известны технические решения электроядерных систем и установок, содержащих ускоритель заряженных частиц, канал для транспортировки заряженных частиц к мишени и узел мишени, содержащий материал, на котором идет ядерная реакция рождения нейтронов. Материал мишени подбирается в зависимости от энергии и типа первичных частиц. На низких энергиях протонов или дейтронов используется бериллий [1], а на высоких энергиях порядка 1 ГэВ - такие материалы, как свинец и др. [2].

Одной из проблем создания электроядерных систем является ресурс узла мишени. При взаимодействии частиц с энергиями от десятков МэВ до 2 ГэВ в материале мишени (твердая мишень) накапливаются дефекты кристаллической структуры, образуются микропузырьки газов, являющихся побочными продуктами взаимодействия, и в результате при достижении определенного флюэнса мишень начинает разрушаться. Учитывая, что для эффективной установки с высокими потоками нейтронов требуются сильноточные пучки достаточно высокой энергии, например пучок протонов с энергией в области 30-100 МэВ, можно ожидать, что ресурс мишени будет составлять от одной до пяти недель. Это означает, что в случае стационарной мишени, например, в виде полого удлиненного конуса [1] в среднем каждый месяц надо заменять канал мишени, демонтируя поворотный магнит и линзы и подвергая при этом персонал воздействию излучения, поскольку поворотный магнит активируется в потоке нейтронов, формируемом каналом мишени, смотрящим непосредственно в центр активной зоны. Указанные особенности конструкции сокращают время непрерывной эксплуатации установки, снижают ее надежность, повышают стоимость эксплуатации и делают ее весьма опасной с радиационной точки зрения.

Известно техническое решение, в котором материал мишени нанесен на боковую поверхность основного цилиндрического барабана, насаженного на полый вал и окруженного цилиндрическим кожухом, вал расположен вертикально, а внутри барабана расположен вытеснитель также в форме полого барабана и с полым валом. Охлаждающий мишень поток омывает внутреннюю поверхность основного барабана и внешнюю поверхность вытеснителя, покидая рабочий объем через полость вала вытеснителя [3] . В этом решении поток первичных частиц нормально облучает боковую поверхность основного цилиндра, и при этом для эффективного теплообмена облучаемый материал должен содержаться в достаточно тонком слое.

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является техническое решение [4], в котором узел мишени выполнен в виде колеса, преимущественно горизонтального, выполненного из материала с малым сечением захвата нейтронов; внутри колеса размещен элемент поглощения пучка заряженных частиц из материала с высоким выходом нейтронов с каналами для смывания элемента изнутри и снаружи, и колесо имеет трубчатый вал для подачи и отвода теплоносителя и снабжено герметичным приводом для вращения с необходимой скоростью; а колесо ориентировано так, что ось ионопровода пучка лежит в средней плоскости колеса, обеспечивая облучение колеса со стороны обода.

Для полного поглощения пучка заряженных частиц радиальная толщина элемента поглощения пучка должна быть достаточно большой, поэтому для отвода выделяющегося тепла этот слой пронизан изогнутыми каналами для прокачки теплоносителя. Внешняя оболочка колеса, разделяющая вакуумную зону ускорителя и зону циркуляции теплоносителя, является также входным окном для первичного пучка заряженных частиц и выполняется из легких металлов (Al, Zr, Ti).

Недостатком данного решения является наличие указанного входного окна, подвергаемого постоянному воздействию частиц высокой энергии и требующего поэтому достаточно частой замены. Это ограничивает ресурс узла мишени. Кроме того, операция замены внешней оболочки является технологически сложной, радиационно опасной и поэтому весьма дорогостоящей, что снижает рентабельность установки. Кроме того, преимущественно горизонтальное расположение колеса и облучение колеса со стороны обода, т.е. в плоскости диска, затрудняют использование узла мишени в качестве встраиваемого элемента в бланкетных системах. Таким образом, указанное решение не может быть использовано с размножающей сборкой, следовательно, ограничено в использовании чисто пучковыми экспериментами.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение ресурса непрерывной работы и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что турбинная мишень выполняется в виде трех соосных дисковых элементов, подобных по форме, вложенных друг в друга и установленных вертикально, причем элементы поглощения пучка выполнены в виде двух плоских наборных колец и присоединены по обе стороны колеса на его периферии снаружи, а колесо выполнено с зубьями на боковой поверхности, внутри колеса размещен вытеснитель, имеющий форму диска с коническим утолщением в центральной части, периферийная часть диска выполнена из нейтронозамедляющего материала, а коническая часть дополнительно содержит материал с высоким сечением захвата нейтронов, вытеснитель соединен с несущим колесом с помощью вставок, установленных в отверстия вала несущего колеса и имеющих каналы для входа и выхода теплоносителя, причем зазоры между вытеснителем и несущим колесом обеспечивают достаточный расход теплоносителя, несущее колесо установлено в разъемный вакуумный кожух, в корпусе которого установлены подшипниковые узлы и узлы для ввода-вывода теплоносителя, с обеих сторон к периферической части плоских поверхностей кожуха неразъемно присоединены горизонтально расположенные вакуумные патрубки, ориентированные под углом к осевой плоскости дисков, оси патрубков пересекают наборные кольца элементов поглощения пучка по средней окружности, причем угол наклона патрубков и толщина колец выбраны так, что заряженные частицы полностью поглощаются материалом элементов, а привод турбинной мишени сопряжен с шестерней, образующей зубчатую пару с несущим колесом.

Причинно-следственная связь цели изобретения с введенными признаками изобретения.

Выполнение турбинной мишени в виде вертикального колеса, установленного под углом к патрубкам, подключаемым к каналам ввода пучка заряженных частиц, позволяет увеличить полную рабочую площадь мишени. Расположение наборных колец с обеих сторон колеса позволяет использовать разделение исходного пучка на два и подводить пучок к мишени по двум или более каналам, что уменьшает удельное энерговыделение на мишени. Размещение несущего колеса в вакуумном кожухе, подключаемом к вакуумному объему каналов ввода, позволяет устранить из конструкции мишени окно для ввода пучка, т.е. избежать наиболее слабого и наиболее напряженного с точки зрения тепловыделения элемента конструкции, а значит увеличить ресурс мишени. Ориентация патрубков ввода пучка под углом к поверхности кожуха позволяет увеличить площадь освещаемого пучком заряженных частиц элемента поглощения пучка, что уменьшает удельное энерговыделение, т. е. способствует повышению ресурса, а также позволяет заключить турбинную мишень в клиновидный защитный модуль и встраивать его в размножающие сборки. Это позволяет увеличить функциональные возможности узла мишени. Вытеснитель, установленный внутри несущего колеса, не только обеспечивает омывание теплоносителем внутренней поверхности несущего колеса, но и дополнительно перехватывает нейтронное излучение, направленное в плоскости дисков из области облучения или из окружающей размножающей сборки. Форма этого элемента вместе с окружающей защитой обеспечивает лабиринт, подавляющий потоки нейтронов и гамма-квантов. Периодический контроль состояния рабочего слоя наборных колец мишени (поверхность, облучаемая протонами) может производиться со стороны внешней (по отношению к бланкету) части вакуумного кожуха с помощью специального вакуумного ввода оптоволоконной системы с подсветкой.

В предлагаемом решении основным отличием является вертикальное расположение колеса и безоконная структура узла мишени. При встроенной в размножающую сборку турбинной мишени предложенная совокупность признаков позволяет уравнять эксплуатационные ресурсы узла мишени и бланкета, доводя их до 6-8 лет. Это исключает необходимость частой замены узла мишени, что повышает работоспособность и рентабельность установки. Турбинная мишень может эксплуатироваться и без размножающей сборки или встраиваться в бак с замедлителем. Все преимущества относительно ресурса сохраняются и в этом случае.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид турбинной мишени, на фиг. 2 показан горизонтальный разрез турбинной мишени и на фиг. 3 - поперечное сечение турбинной мишени в области привода.

Турбинная мишень содержит неподвижный разъемный вакуумный кожух 1, установленный вертикально, с горизонтальными патрубками 2, присоединенными с обеих сторон кожуха в его периферийной части под равными углами, а также подшипниковыми узлами 3 и элементами 4 для ввода-вывода теплоносителя. Внутри кожуха на трубчатом валу 5 установлено полое зубчатое колесо 6, несущее с обеих сторон кольцевые элементы 7 поглощения пучка заряженных частиц. Внутри колеса установлен вытеснитель 8, выполненный из плоского кольца 9 и конической сердцевины 10, который на вставках 11 крепится соосно колесу в трубчатом валу 5. Вставки содержат внутренние каналы для ввода и вывода теплоносителя. Вместе с шестерней 12 колесо образует зубчатую пару, приводимую во вращение герметичным приводом 13.

Турбинная мишень работает следующим образом.

Пучки заряженных частиц, например протонов, необходимой энергии и ограниченной расходимости поступают на мишень через патрубки 2 и попадают на кольцевые элементы 7 поглощения пучка, закрепленные с обеих сторон несущего колеса 6. На материале элементов поглощения пучка происходит та или иная ядерная реакция или совокупность реакций, приводящих к испусканию нейтронов. Попутным эффектом является нагрев элементов, поскольку вся энергия протонов выделяется в виде тепла от ионизационных потерь и поглощения продуктов реакции. Привод 13 с помощью шестерни 12 приводит колесо 6 во вращение. Теплоноситель, например вода или иной материал в жидком состоянии, через один из элементов 4 и вставку 11 по каналам попадает в пространство между оболочкой колеса и вытеснителем 8. Омыв внутреннюю поверхность колеса и внешнюю поверхность вытеснителя, теплоноситель покидает колесо с другой стороны. Вращение колеса обеспечивает равномерный нагрев кольцевых элементов поглощения пучка и эффективный съем тепла. Толщина кольцевого элемента и угол падения протонов, задаваемый патрубками 2, выбираются из требования полного поглощения пучков протонов в толще элемента. Вытеснитель 8 является защитой от нейтронов, испускаемых в плоскости колеса, поскольку выполнен в виде совокупности плоского кольца 9, изготовленного из нейтронозамедляющего материала, например полиэтилена, и конической сердцевины 10, содержащей нейтронопоглощающие материалы, например ⁶Li. Форма вытеснителя обеспечивает лабиринт, эффективный с точки зрения поглощения нейтронов, предотвращая или снижая активацию удаленной части колеса, где расположен привод. Форма кожуха весьма удобна для заделки турбинной мишени в клиновидный блок защиты. В этом случае привод оказывается снаружи и его активация уменьшается в десятки раз.

Экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется увеличением ресурса непрерывной работы, что исключает необходимость проведения весьма дорогих операций по частой замене узла мишени с применением сложных устройств. Это снижает эксплуатационные расходы в десятки раз, что особенно важно при монтаже турбинной мишени в боковой вертикальный вырез бланкета. Обеспечение равного ресурса узла мишени и собственно бланкета исключает периодические выгрузки элементов мишени или замены всего узла, что повышает рентабельность электроядерных бланкетных систем.

Источники информации 1. O. V.Shvedov et. al. The ITEP electro-nuclear neutron generator. Journal of Moscow Physical Society, 6 (1996) 99-111.

2. S.Chigrinov, A.Kievitskaya et. al. Experimental Facility for Research of Accelerator Driven Systems. IAEA-TC-903.3 Proceedings of the International Atomic Energy Agency Technical Commitee Meeting. Madrid, Spain, 17-19 September 1997, 1998. Ciemat pp. 583-587.

3. H. Ebinger, H.Kroll, G.Luthardt. Vomchtung zur Erzeugung von Neutronen. Patentschrift DE 2807374 С2, G 21 G 4/02, 21.02.78.

4. G. Bauer. Target fur Spallationsneutronenquellen. Patentschrift DE 2850069 С2, G 21 G 4/02, 18.11.78.2

Формула изобретения

Турбинная мишень для ускорителя заряженных частиц, включающая колесо, выполненное из материала с малым сечением захвата нейтронов, внутри которого размещен элемент поглощения пучка заряженных частиц из материала с высоким выходом нейтронов и с каналами для охлаждения элемента, имеющее трубчатый вал для подачи и отвода теплоносителя и снабженное герметичным приводом для вращения с необходимой скоростью, отличающаяся тем, что турбинная мишень выполняется в виде трех соосных дисковых элементов, подобных по форме, вложенных друг в друга и установленных вертикально, причем элементы поглощения пучка выполнены в виде двух плоских наборных колец и присоединены по обе стороны колеса на его периферии снаружи, а колесо выполнено с зубьями на боковой поверхности, внутри колеса размещен вытеснитель, имеющий форму диска с коническим утолщением в центральной части, периферийная часть диска выполнена из нейтронозамедляющего материала, а коническая часть дополнительно содержит материал с высоким сечением захвата нейтронов, вытеснитель соединен с несущим колесом с помощью вставок, установленных в отверстия вала несущего колеса и имеющих каналы для входа и выхода теплоносителя, причем зазоры между вытеснителем и несущим колесом обеспечивают достаточный расход теплоносителя, несущее колесо установлено в неподвижный разъемный вакуумный кожух, в корпусе которого установлены подшипниковые узлы и узлы для ввода-вывода теплоносителя, с обеих сторон к периферической части плоских поверхностей кожуха неразъемно присоединены горизонтально расположенные вакуумные патрубки, ориентированные под углом к осевой плоскости дисков, оси патрубков пересекают наборные кольца элементов поглощения пучка по средней окружности, причем угол наклона патрубком и толщина колец выбраны так, что заряженные частицы полностью поглощаются материалом элементов, а привод турбинной мишени сопряжен с шестерней, образующей зубчатую пару с несущим колесом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3