Устройство для проведения нейтронной радиографии на реакторе

Полезная модель относится к области экспериментальной физики. Установка может быть использована на реакторах с открытым бассейном для проведения нейтронной радиографии. Установка содержит источник холодных нейтронов, коллиматор для вывода нейтронов из реактора, висмутовый и бериллиевый фильтры, расположенные внутри коллиматора, селектор нейтронных скоростей, площадку для расположения образцов, блок регистрации нейтронов. Новым является то, что источник холодных нейтронов герметично закреплен на входном конце коллиматора, а коллиматор закреплен на площадке над реактором, расположен вертикально в открытом бассейне реактора. Технический эффект заключается в создании компактной эффективной установки на реакторах с открытым бассейном, не ограничивая возможности размещения других экспериментальных установок на соседних нейтронных пучках, что расширяет экспериментальные возможности реактора.

Полезная модель относится к области экспериментальной физики. Установка может быть использована на реакторах с открытым бассейном для проведения нейтронной радиографии.

Актуальность состоит в востребованности и необходимости увеличения количества установок для проведения нейтронной радиографии на исследовательских ядерных реакторах для выполнения неразрушающего контроля различных материалов в условиях ограниченной возможности монтажа этих установок на исследовательских реакторов из-за отсутствия подходящих реакторных каналов.

Известна установка DINGO для проведения нейтронной радиографии на реакторе OPAL в Австралии [1]. Установка использует пучок тепловых нейтронов, выходящих из горизонтального канала реактора в реакторный зал. Коллиматор нейтронного пучка состоит из двух частей. Одна часть располагается внутри горизонтального канала реактора и имеет два канала разного диаметра для прохода нейтронов. Вторая часть коллиматора револьверного типа находится снаружи реактора, имеет одно отверстие и блокирует один из пучков нейтронов, поступающих из первой части коллиматора, оставляя второй открытым и позволяя делать снимки либо с повышенным разрешением, либо с короткой экспозицией. За коллиматорами по ходу нейтронного пучка располагается шибер, который при необходимости перекрывает нейтронный пучок. За шибером располагается селектор нейтронных скоростей и нейтронный трубопровод. Селектор скоростей и нейтронный трубопровод располагаются в камере, стены которой выполнены из материала поглощающего радиацию с целью обеспечения радиационной безопасности. Нейтронный трубопровод выходит во вторую камеру также с радиационной защитой, где на конце трубопровода размещается площадка для образцов и блок регистрирующий нейтроны.

Недостатком установки является использование тепловых нейтронов, что ограничивает возможности метода нейтронной радиографии поскольку они претерпевают меньшее ослабление в материалах, и изображение имеет меньший контраст и избирательность, чем в случае использования холодных нейтронов. Использование тепловых нейтронов на установке связано с отсутствием свободного места на горизонтальных нейтронных пучках, отходящих от источника холодных нейтронов, который имеется на реакторе OPAL. Другим недостатком является наличие длинного нейтронного трубопровода, выходящего далеко за радиационную защиту реактора, что приводит к необходимости монтажа крупногабаритной радиационной защиты вокруг установки для нейтронной радиографии. Еще одним недостатком является необходимость извлечения внутриканального коллиматора при демонтаже установки из реактора, что связано с проведением сложных радиационно-опасных работ в реакторном зале.

[1]. U. Garbe, T. Randall, C. Hughes. The new neutron radiography/tomography/imaging station DINGO at OPAL. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 651 (2011) 42-46.

В качестве прототипа рассматривается устройство ANTARES для проведения нейтронной радиографии с помощью холодных нейтронов на реакторе FRM-II в Германии [2]. В качестве источника холодных нейтронов используется камера с жидким дейтерием, установленная в тяжеловодном отражателе реактора, к которой подходит горизонтальный канал для вывода холодных нейтронов. Холодные нейтроны поступают к коллиматору револьверного типа с отверстиями различного диаметра, за которым находится шибер для перекрытия нейтронного пучка и нейтронный трубопровод, на котором имеется два места для блока, регистрирующего нейтроны, находящиеся на разном расстоянии от входного отверстия коллиматора. Вся внереакторная конструкция устройства ANTARES размещается в трех бункерах, предназначенных для радиационной защиты.

Недостаток прототипа заключается в том, что:

1 - между камерой источника холодных нейтронов с жидким водородом (дейтерием) и каналом реактора, через который выводятся холодные нейтроны, имеется водяной зазор, что приводит к снижению потока холодных нейтронов к устройству для нейтронной радиографии;

2 - наличие длинного нейтронного трубопровода, выходящего далеко за биологическую защиту реактора, приводит к необходимости монтажа дорогостоящей крупногабаритной радиационной защиты в виде бункеров вокруг устройства для нейтронной радиографии;

3 - установка для нейтронной радиографии ANTARES из-за крупногабаритной радиационной защиты занимает большую площадь экспериментального зала реактора, ограничивая возможности размещения других экспериментальных установок на соседних нейтронных пучках;

4 - демонтаж внутриканального коллиматора из реактора связан с проведением сложных радиационно-опасных работ в реакторном зале по извлечению, разрезке и загрузке в специальные контейнеры для перевозки радиационно-опасных грузов на специализированное предприятие для дальнейшей утилизации. [2]. B. Schillinger, E. Calzada, F. Grunauer, E. Steichele. The design of the neutron radiography and tomography facility at the new research reactor FRM-II at Technical University Munich. Applied Radiation and Isotopes 61 (2004) 653-657.

Задачей заявляемой установки является - упрощение эксплуатации устройства, монтажа его на реакторе и демонтажа после завершения эксплуатации.

Технический эффект заключается в создании компактной эффективной установки для проведения нейтронной радиографии с холодными нейтронами на реакторах с открытым бассейном, не ограничивая возможности размещения других экспериментальных установок на соседних нейтронных пучках, что расширяет экспериментальные возможности реактора.

Технический эффект достигается тем, что в известной установке для проведения нейтронной радиографии на реакторе, содержащей источник холодных нейтронов, коллиматор для вывода нейтронов из реактора, висмутовый и бериллиевый фильтры, расположенные внутри коллиматора, и расположенные по ходу нейтронного пучка, селектор нейтронных скоростей, площадку для расположения образцов, блок регистрации нейтронов, прошедших через образец, новым является то, что источник холодных нейтронов герметично закреплен на входном конце коллиматора, а коллиматор закреплен на площадке над реактором и расположен вертикально в открытом бассейне реактора, который выполняет роль основной радиационной защиты установки.

На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, где: 1 - коллиматор, 2 - камера источника холодных нейтронов, 3 - бериллиевый блок; 4 - открытый бассейн реактора, 5 - площадка над реактором, на которой закреплен коллиматор, 6 - вакуумный кожух, 7 - боковой экран коллиматора, 8 - висмутовый фильтр, 9 - бериллиевый фильтр, 10 - активная зона реактора, 11 - бериллиевый отражатель активной зоны реактора, 12 - вакуумная мембрана, 13 - селектор нейтронных скоростей, 14 - площадка для образцов, 15 - блок регистрирующий нейтроны.

На нижнем входном конце коллиматора (1) герметично закреплен вакуумный кожух (6), в котором находится камера источника холодных нейтронов (2). К вакуумному кожуху (6) снаружи закрепляется бериллиевый блок (3). Внутри коллиматора (1) расположен висмутовый фильтр (8) и бериллиевый фильтр (9). На внутренней поверхности коллиматора (1) располагается боковой экран коллиматора (7). Верхний конец коллиматора (1) закрыт герметичной вакуумной мембраной (12). Вся описанная конструкция располагается вертикально в открытом бассейне реактора (4) и закрепляется к площадке (5), расположенной над бассейном реактора (4). Над коллиматором (1) располагается селектор нейтронных скоростей (13), над которым находится площадка для образцов (14). Блок регистрации нейтронов (15) находится над площадкой для образцов (4). Селектор нейтронных скоростей (13), площадка для образцов (14) и блок регистрации нейтронов (15) установлены на площадке (5).

Работа установки.

Коллиматор (1) с герметично закрепленной на его нижнем конце камерой источника холодных нейтронов (2) и бериллиевым блоком (3) опускают краном в открытый бассейн реактора (4) вертикально и закрепляют в верхней надводной части к площадке (5). В камере источника холодных нейтронов (2) находится нейтронный замедлитель (жидкий водород). Нейтронный замедлитель имеет криогенную температуру, которую поддерживает криогенная установка, расположенная вне реактора. Источник ХН описан в литературе: (L. Rosta, T. Grosz, Т. Hargitai. Liquid hydrogen cold neutron source in operation at the Budapest Research Reactor. Appl. Phys. A 74 [Suppl.], S240-S242 (2002)) [3]. Вакуумный кожух (6) окружает камеру источника холодных нейтронов (2) для создания тепловой изоляции. Вакуум в кожухе (6) поддерживается вакуумным насосом, расположенным вне реактора. Коллиматор (1) соединяется герметично с вакуумным кожухом (6), к которому закреплен бериллиевый блок (3). Коллиматор (1), изготовленный из железа, имеет боковой экран (7) из кадмия, который предотвращает попадание нейтронов через боковую поверхность внутрь коллиматора. Вакуум в коллиматоре (1) поддерживается вакуумным насосом, расположенным вне реактора. Висмутовый фильтр (8) и бериллиевый фильтр (9) размещены внутри коллиматора (1) в его подводной части и имеют криогенную температуру, которую поддерживает криогенная установка, расположенная вне реактора.

Во время работы реакторные нейтроны из активной зоны (10) через бериллиевый отражатель реактора (11) и бериллиевый блок устройства (3) поступают в камеру источника холодных нейтронов (2), где с помощью нейтронного замедлителя охлаждаются до энергии холодных нейтронов, а затем часть нейтронов поступает на вход коллиматора (1), герметично к нему присоединенному. Коллимированный нейтронный пучок проходит через охлаждаемый висмутовый фильтр (8), который снижает гамма излучение, через охлаждаемый бериллиевый фильтр (9), который отсекает тепловые и быстрые нейтроны, и через вакуумную мембрану на верхнем торце коллиматора (12) поступает последовательно в селектор нейтронных скоростей (13), на котором из всего поступившего спектра холодных нейтронов выбираются нейтроны определенной энергии, которые затем просвечивают образец, размещенный на площадке (14). Прошедшие через образец нейтроны поступают в регистрирующий блок (15), в котором создается изображение образца.

При необходимости демонтажа устройства, которое закреплено вертикально в открытом бассейне реактора, на остановленном реакторе от него отсоединяют все коммуникации, затем коллиматор (1) с герметично закрепленной на его нижнем конце камерой источника холодных нейтронов (2) и бериллиевым блоком (3), отсоединяют от площадки (5) и переносят краном в бассейн выдержки. Здесь конструкцию выдерживают необходимое время для снижения наведенной радиоактивности материала до допустимого уровня с целью последующей утилизации.

Заявляемая конструкция позволяет обойти недостатки аналогов и прототипа:

а) использование в установке собственного компактного источника холодных нейтронов малых размеров, содержащего небольшое количество криогенного замедлителя, позволяет использовать в радиографии спектр холодных нейтронов, не занимая каналы с холодными нейтронами на реакторах, где они имеются;

б) вертикальное расположение коллиматора с источником холодных нейтронов установки нейтронной радиографии в открытом бассейне реактора значительно упрощает ее монтаж на реакторе, при этом не занимаются существующие каналы реактора, что расширяет экспериментальные возможности реактора;

в) размещение коллиматора с источником холодных нейтронов в воде бассейна реактора позволяет легко демонтировать установку на реакторе путем переноса коллиматора с закрепленным на его нижней части источником холодных нейтронов краном из бассейна реактора в бассейн выдержки, что в дальнейшем, после снижения наведенной радиоактивности материала, упрощает процесс утилизации;

г) размещение коллиматора с источником холодных нейтронов в бассейне реактора позволяет использовать воду реактора с открытым бассейном в качестве биологической защиты нейтронного пучка, используемого для радиографии, что исключает необходимость установки тяжелой, объемной и дорогостоящей биологической защиты вокруг нейтронного пучка, в коллиматоре, установленном снаружи реактора, как в прототипе. В заявляемом устройстве коллиматор находится внутри бассейна реактора.

д) герметичное закрепление источника холодных нейтронов к нижней части коллиматора позволяет снизить потери холодных нейтронов, поскольку отсутствует водяной зазор между источником холодных нейтронов и коллиматором;

е) компактность источника холодных нейтронов, который герметично закреплен к вертикальному коллиматору, позволяет разместить конструкцию в доступном месте бассейна реактора с наиболее высоким потоком тепловых нейтронов, что способствует увеличению разрешающей способности метода нейтронной радиографии и сокращает время экспозиции образца.

Установка предназначена для проведения исследований по неразрушающему контролю различных материалов на реакторе.

Литература

1. U. Garbe, T. Randall, C. Hughes. The new neutron radiography / tomography / imaging station DINGO at OPAL. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 651 (2011) 42-46.

2. B. Schillinger, E. Calzada, F. Grunauer, E. Steichele. The design of the neutron radiography and tomography facility at the new research reactor FRM-II at Technical University Munich. Applied Radiation and Isotopes 61 (2004), 653-657 - прототип.

3. L. Rosta, T. Grosz, T. Hargitai. Liquid hydrogen cold neutron source in operation at the Budapest Research Reactor, Appl. Phys. A 74 [Suppl.], S240-S242 (2002)

Установка для проведения нейтронной радиографии на реакторе, содержащая источник холодных нейтронов, коллиматор для вывода нейтронов из реактора, висмутовый и бериллиевый фильтры, расположенные внутри коллиматора по ходу нейтронного пучка, селектор нейтронных скоростей, площадку для расположения образцов, блок регистрации нейтронов, прошедших через образец, отличающаяся тем, что источник холодных нейтронов герметично закреплен на входном конце коллиматора, причем коллиматор закреплен на площадке над реактором и расположен вертикально в открытом бассейне реактора, который выполняет роль основной радиационной защиты установки.

РИСУНКИ