Конвертер нейтронов исследовательского реактора

Полезная модель относится к области ядерных технологий и решает задачу создания конструкции конвертера нейтронов исследовательского реактора в нейтроны деления и синтеза для проведения испытаний на радиационную стойкость материалов термоядерных реакторов (ТЯР) в исследовательском реакторе деления в условиях, близких к условиям эксплуатации в энергетических термоядерных установках, прежде всего по характеристикам нейтронного спектра. Конвертер нейтронов исследовательского реактора, размещаемый в составе облучательного устройства в специально сформированном объеме активной зоны или в свободном объеме тепловыделяющей сборки, содержит экран, окружающий облучаемые образцы материалов или изделий, который включает слой, содержащий гидрид делящегося элемента, включающий дейтерий и тритий предпочтительно в равных и максимальных концентрациях. Эффективная поверхностная плотность слоя гидрида делящегося элемента выбирается из интервала 0,01-5 г/см² в зависимости от требований к плотности потока и спектру нейтронов в образцах, а также от характеристик режима отвода тепла от экрана и его конструкции. Экран может быть выполнен из коаксиальных кольцевых пластинчатых тепловыделяющих элементов, в форме однослойного или многослойного «беличьего колеса» из стержневых или коаксиальных кольцевых пластинчатых тепловыделяющих элементов с сердечниками, содержащими гидрид урана в виде соединения UD _1,5T_1,5. 5 з.п. ф-лы, 2 илл., 1 табл.

Полезная модель относится к области ядерных технологий и решает задачу создания конструкции конвертера нейтронов исследовательского реактора в нейтроны деления и синтеза для проведения испытаний на радиационную стойкость материалов термоядерных реакторов (ТЯР) в исследовательском реакторе деления в условиях, близких к условиям эксплуатации в энергетических термоядерных установках, прежде всего по характеристикам нейтронного спектра.

В качестве аналога заявляемого решения может быть рассмотрен конвертер тепловых нейтронов в нейтроны деления (S.Kaltcheva and E.Koonen. Enhancement of the Fast Flux in the Axis of a Standard BR2 Fuel Element. Transactions of the 7^th International Topical Meeting on Research Reactor Fuel Management, Aix-en Provence, France, 2003, pp.151-155).

Сущность решения-аналога сводится к использованию в качестве такого конвертера тепловыделяющей сборки (ТВС) бельгийского реактора BR2 Эта сборка представляет собой набор кольцевых пластинчатых твэлов, коаксиально вложенных один в другой, с центральной полостью, занятой вытеснителем воды, не содержащим топлива.

Облучение образцов материалов и изделий в этом реакторе обычно проводят в петлевых или ампульных каналах, размещаемых в активной зоне и окружаемых топливными сборками. При этом нейтронные конвертеры как правило не используют. В случае, если требуется облучать образцы нейтронами высоких энергий (обычно>0,1 МэВ) с минимальной долей тепловых, облучательный объем с экспериментальными образцами компонуют таким образом, чтобы он содержал минимально необходимое для охлаждения количество замедлителя/теплоносителя, а на границе размещают, например, экран из делящегося материала, который служит конвертером тепловых нейтронов в нейтроны деления. Оказывается удобным использовать для этого центральную полость ТВС с кольцевыми пластинчатыми твэлами, убрав из нее вытеснитель, заменив его ампулой с опытными образцами и приняв меры, необходимые для минимизации эффекта замедления нейтронов в облучательном объеме. В этом случае ТВС, кроме сохраняющейся за ней роли реакторного топлива, играет роль нейтронного конвертера. Часто вокруг образцов устанавливают дополнительный экран в виде поглощающего тепловые нейтроны или топливного слоя.

Недостатком такого конвертера является то, что условия испытаний образцов в нем часто оказываются неадекватными эксплуатационным для термоядерного реактора (ТЯР), особенно в части жесткости нейтронного спектра, способности нейтронов повреждать испытуемые материалы, а также генерировать в них ядра-трансмутанты. В частности, при испытании материалов для энергетических реакторов термоядерного синтеза отсутствие в спектре нейтронов облучательного устройства нейтронов с энергией 14,1 МэВ дает основания для сомнений в справедливости выводов о работоспособности материалов, сделанных по результатам испытаний образцов при экспозиции их в нейтронном поле со спектром деления.

Указанный недостаток связан с тем, что при разработке ТВС исследовательских реакторов не ставится задача обеспечить присутствие нейтронов синтеза в спектре нейтронов в облучательных устройствах. Достаточным считается, чтобы в этом спектре присутствовали нейтроны жесткой части спектра деления.

В качестве прототипа - наиболее близкого аналога, совпадающего с заявляемым решением по наибольшему количеству признаков, может быть рассмотрен конвертер, описанный в работе (Ю.Н.Зуев и др. Измерение эффективности ⁶Li₃ D-конвертера тепловых нейтронов в нейтроны с энергией 14 МэВ в экспериментальном канале реактора ИВВ-2М. Атомная энергия, 2002, т.92, вып.3, с.226-233).

Для преобразования тепловых нейтронов в нейтроны с энергией 14,1МэВ в ней предложено использовать твердотельный конвертер на основе ⁶Li ₃D, который включает экран в форме прилегающих друг к другу плоских слоев из ⁶Li₃D, очехлованных в стальной или никелевый герметичный корпус. Между слоями размещаются нейтронные активационные мониторы с энергетическим порогом регистрации выше 12МэВ. Устройство с конвертером располагалось в высокопоточном канале исследовательского реактора, где проводилось облучение мониторов нейтронами с последующим измерением наведенной гамма-активности и расчетом коэффициента конверсии тепловых нейтронов в нейтроны синтеза. Принималось, что коэффициент конверсии равен отношению скорости генерации нейтронов синтеза к скорости поглощения тепловых нейтронов материалом конвертера. Было показано, что суммарный коэффициент конверсии составил ~3,47·10^-4. Это обеспечивает возможность достижения в реакторе плотности потока нейтронов синтеза порядка 2,7·10¹⁰с^-1 см^-2, что сравнимо с возможностями наиболее мощных (D,Т)-генераторов нейтронов, но существенно ниже (на 4 порядка) плотности потока в разрабатываемой в Европе международной облучательной установке IFMIF.

К недостаткам конвертера-прототипа следует отнести низкий коэффициент конверсии, возможность бурной реакции гидрида лития с водой и большое непроизводительное поглощение тепловых нейтронов материалом конвертера. Последнее обстоятельство приводит к большим потерям реактивности водоохлаждаемого исследовательского реактора, в котором подобный конвертер предполагается использовать. Малая плотность потока нейтронов синтеза в экспериментальном объеме приведет к тому, что нейтронный спектр в образцах будет заметно отличаться от того, который будет иметь место при эксплуатации энергоблока ТЯР, что делает условия испытаний немодельными и требует длительных облучений образцов материалов ТЯР, чтобы достичь проектных значений степени повреждения и накопления ядер-трансмутантов.

Технический эффект полезной модели заключается в создании конвертера нейтронов исследовательского реактора в нейтроны деления и синтеза, позволяющего проводить облучения высокоэнергетичными нейтронами образцов материалов энергетических реакторов синтеза при повышенном коэффициенте конверсии реакторных нейтронов в нейтроны синтеза и получении близкого к эксплуатационному нейтронного спектра, без увеличения потерь реактивности реактора.

Указанный технический эффект достигается тем, что конвертер нейтронов исследовательского реактора, размещаемый в составе облучательного устройства в специально сформированном объеме активной зоны или в свободном объеме тепловыделяющей сборки, содержит экран, окружающий облучаемые образцы материалов или изделий, который включает слой, содержащий гидрид делящегося элемента, включающий дейтерий и тритий предпочтительно в равных и максимальных концентрациях. Эффективная поверхностная плотность слоя гидрида делящегося элемента выбирается из интервала 0,01-5 г/см² в зависимости от требований к плотности потока и спектру нейтронов в образцах, а также от характеристик режима отвода тепла от экрана и его конструкции.

В качестве гидрида делящегося элемента выбран гидрид урана в виде соединения UD_1,5T_1,5 .

Экран может быть выполнен из коаксиальных кольцевых пластинчатых тепловыделяющих элементов с сердечниками, содержащими гидрид урана в виде соединения UD_1,5T_1,5 .

Экран может быть выполнен в форме однослойного или многослойного «беличьего колеса» из стержневых или коаксиальных кольцевых пластинчатых тепловыделяющих элементов с сердечниками, содержащими гидрид урана в виде соединения UD _1,5T_1,5.

Экран может быть выполнен в форме однослойной или многослойной засыпки шаровых микротвэлов с сердечником, содержащим гидрид урана в виде соединения UD _1,5T_1,5, и однослойным или многослойным покрытием, например, металлическим, размещаемых между перфорированными оболочками из сплавов алюминия, циркония или нержавеющей стали.

В качестве материала, конвертирующего тепловые нейтроны в нейтроны деления и синтеза, используется гидрид делящегося элемента, например гидрид урана, предпочтительно состава UD_1,5T_1,5 с одинаковым и близким к максимальному содержанием дейтерия и трития. Особенность конвертера состоит в том, что температура конвертирующего материала при эксплуатации не должна превышать 400°С - температуры начала разложения гидрида урана, а работать он должен при высокой плотности потока тепла на поверхности, так как должна обеспечиваться высокая скорость деления и синтеза ядер и скорость генерации нейтронов деления и синтеза. Это означает, что конструкция конвертера и условия охлаждения конвертирующего материала должны соответствовать указанному температурному ограничению.

Минимальное значение эффективной поверхностной плотности экрана выбирается из условия, что минимальная толщина его должна быть больше средней длины свободного пробега осколков в уране равной ~10 мкм, так как при меньшей толщине значительная часть осколков будет выходить из материала без столкновений, не участвуя в процессе разогрева ядер дейтерия и трития. Произведение длины свободного пробега на плотность гидрида составит величину ~0,01 г/см². Верхняя граница допустимых значений поверхностной плотности материала экрана выбирается из следующих соображений. Среднее по реакторному спектру макроскопическое сечение поглощения нейтронов ядрами гидрида урана заданной стехиометрии при обогащении урана ураном-235 90% составляет ~10 см^-1. При толщине экрана l=0,5 см и эффективной поверхностной плотности ~5г/см² будет иметь место более чем 10-кратное (e^-·l/2) снижение плотности потока нейтронов на середине толщины, из чего следует, что дальше увеличивать эффективную поверхностную плотность даже с учетом запаса на выгорание урана-235 не имеет смысла, так как в этом случае часть ядер материала не будет подвергаться облучению нейтронами с требуемой интенсивностью и он будет работать неэффективно.

Конвертер может являться структурным компонентом облучательного устройства, размещаемого в специально сформированном объеме активной зоны исследовательского реактора или занимать часть свободного объема тепловыделяющей сборки (ТВС) реактора

Ни один из известных конвертеров нейтронов исследовательского реактора деления в нейтроны высоких энергий не обеспечивает одновременную генерацию нейтронов деления и синтеза. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.

В конвертирующем материале конвертера предлагаемой конструкции присутствуют ядра делящегося материала (например, уран-235), дейтерия и трития, причем легкие ядра находятся на расстоянии от делящегося ядра, измеряемом шагом решетки кристалла, например, гидрида урана (~6,6Å). Тяжелое ядро дает при делении два осколка с энергией больше 60 МэВ каждый и около 2,5 нейтронов с энергией ~1МэВ каждый. Легкие ядра дейтерия и трития при взаимодействии с каждым из этих объектов могут приобрести энергию выше порога (D,Т)-реакции синтеза, составляющего ~30кэВ и вступить в эту реакцию с образованием ядра гелия и нейтрона с энергией 14,1 МэВ:

²Н₁ +³H₁⁴Не₂+¹n₀+17,5 МэВ

Таким образом, конвертер заявляемой конструкции обладает не только обычным свойством обеспечивать самоподдерживающуюся цепную реакцию деления тяжелых ядер под действием нейтронов, но также новым свойством обеспечивать несамоподдерживающуюся реакцию синтеза легких ядер, нагреваемых в результате взаимодействия с быстрыми нейтронами и ядрами продуктов деления тяжелых ядер и, в конечном итоге, одновременно производить нейтроны и энергию деления и синтеза. Конвертер такого типа может использоваться в материаловедческих исследовательских реакторах для преобразования реакторных нейтронов в нейтроны деления и синтеза, за счет чего обеспечивать более близкие к эксплуатационным условия испытаний материалов ТЯР, чем при использовании обычных конвертеров тепловых нейтронов в нейтроны деления из-за вклада нейтронов с энергией 14.1МэВ в процесс повреждения материалов и накопления ядер-трансмутантов, а также чем при использовании конвертера на основе дейтерида лития, неспособного генерировать нейтроны деления.

На рисунке Фиг.1 приведено поперечное сечение конвертера с экраном в форме ТВС из кольцевых пластинчатых твэлов, где:

1 - оболочка твэла; 2 - сердечник твэла; 3 - центральная полость для размещения облучаемых образцов; 4 - зазор для теплоносителя.

ТВС, близкие по конструкции к заявляемому конвертеру, используются в исследовательских реакторах МИР и BR2 (А.Г.Самойлов, В.С.Волков, М.И.Солонин. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Москва, Энергоатомиздат, 1996, стр.164; Б.Фрост. Твэлы ядерных реакторов. Пер. с англ. - Москва: Энергоатомиздат, 1986 стр.225). ТВС располагаются в блоках из металлического бериллия, устанавливаемых с шагом, обеспечивающим эффективное замедление нейтронов. Если облучательное устройство устанавливают вместо ТВС, то спектр нейтронов в районе размещения образцов будет содержать заметную долю тепловых. В случае размещения образцов в ампуле, устанавливаемой в ТВС вместо вытеснителя, спектр нейтронов в их массиве будет жестким, так как твэлы будут выполнять роль конвертера тепловых нейтронов в нейтроны спектра деления.

Базовым компонентом заявляемого конвертера является твэл. Конструктивно он выполняется, например, пластинчатым кольцевым с двухсторонним охлаждением. Сердечник твэла (2) набирается, например, из тонкостенных кольцевых таблеток из урана, гидрированного до стехиометрии UD _1,5T_1,5 Обогащение урана по урану-235 выбирается максимальным. Зазор между сердечником (2) и внутренней и внешней оболочками (1) выбирается минимальным, заполняется гелием до давления ~1МПа и герметизируется приваркой концевых деталей к оболочкам. Дополнительные конструктивные элементы (на рисунке не указаны) обеспечивают между твэлами зазоры для теплоносителя (4).

Внутренний диаметр твэла принимается в соответствии с характером области использования облучательного устройства. Если диаметр и высота облучаемых образцов невелики (до 15 и 250 мм соответственно), а количество исчисляется единицами, то для облучения в смешанном нейтронном спектре (нейтроны деления и синтеза) используют конвертер с экраном в форме ТВС из кольцевых пластинчатых твэлов, а ампулу с образцами размещают в центральной полости (3) вместо вытеснителя. В случае, если размеры или количество образцов велики, конвертер должен включать однорядное или многорядное «беличье колесо» - экран, набранный из описанных выше твэлов малого диаметра, в центральную полость которого помещают облучаемую ампулу. Диаметр внутренней полости твэлов и шаг их размещения в любом случае выбирают исходя из условия, чтобы эффективная поверхностная плотность гидрида урана соответствовала интервалу 0,01-5 г/см².

Конвертер может представлять собой устройство с экраном в виде одно- или многослойного «беличьего колеса» из стержневых твэлов с сердечником, содержащим гидрид урана в виде соединения UD_1,5T_1,5. Экран может выполняться также в форме одно- или многослойной засыпки шаровых микротвэлов с сердечником, содержащим гидрид урана в виде соединения UD_1,5T_1,5, и с одно- или многослойным покрытием, например, металлическим, которые размещаются между перфорированными оболочками из сплавов алюминия, циркония или нержавеющей стали.

Оценка эффективности предлагаемого решения выполнена для нейтронного конвертера, предназначенного для формирования энергетического спектра нейтронов в экспериментальных устройствах исследовательских ядерных реакторов. Такой конвертер включает, например, однослойный или многослойный цилиндрической формы экран из кольцевых пластинчатых твэлов в виде двух заваренных с двух концов коаксиальных тонкостенных трубок, пространство между которыми заполнено кольцевыми таблетками из гидрида урана в форме UD_1,5T_1,5, и размещаться в активной зоне реактора в составе экспериментального устройства.

Экран окружает экспериментальный объем, в котором проводится облучение высокоэнергетичными нейтронами опытных образцов материалов, разрабатываемых для термоядерных энергетических реакторов нового поколения с большим ресурсом работы. Чтобы процесс разработки новых материалов для таких энергетических установок не требовал многолетних облучений образцов нейтронами для проверки длительной работоспособности, указанные облучательные устройства должны обеспечивать высокую плотность потока нейтронов деления и синтеза в опытных образцах, а значит высокую скорость повреждения материалов и условия испытаний близкие к эксплуатационным.

В предлагаемой схеме конвертера нейтронов используется реакция деления ядер урана-235, осуществляемая в гидриде урана UD _1,5T_1,5. На один поглощенный ядром урана-235 тепловой нейтрон образуется два осколка с суммарной энергией 166 МэВ, из которых на легкий осколок приходится в среднем 98 МэВ и на тяжелый - 68 МэВ. Каждый из осколков способен передать нескольким легким ядрам (в нашем случае ядрам дейтерия и трития) энергию выше порога реакции синтеза.

Средний пробег ядра и распределение его энергии по длине пробега вычисляли по формулам, заимствованным из литературы:

- Принципы и методы регистрации элементарных частиц. Под ред. Л.А.Арцимовича. Изд-во иностранной литературы. М., 1963.

- Экспериментальная ядерная физика. Под ред. Э.Сегре. Изд-во иностранной литературы. М., 1955.

- С.В.Стародубцев, А.М.Романов. Прохождение заряженных частиц через вещество. Изд-во АН Узбекской ССР. Ташкент, 1962.

Полную вероятность реакции синтеза оценивали, интегрируя распределение вероятности по длине пробега. Проверку методики проводили сравнивая экспериментальные результаты оценки коэффициента конверсии ⁶Li₃D-конвертера тепловых нейтронов в нейтроны с энергией 14,1МэВ с результатами расчетов по описанной методике. По опубликованным данным величина коэффициента лежит в диапазоне (1,5-2,9)·10^-4 , а расчетная величина составила 1,97·10^-4.

Результаты расчетов для топливного материала в виде UD_1,5T_1,5 приведены в таблице.

Таким образом, коэффициент конверсии тепловых нейтронов в высокоэнергетичные нейтроны синтеза для конвертера, использующего предложенную полезную модель практически будет не ниже, чем соответствующий коэффициент для конвертера на основе ⁶Li₃D, даже если консервативно принять, что при замедлении осколка ядра урана-235 он испытывает только два столкновения с ядрами дейтерия или трития. Так как способность повреждать материалы и генерировать ядра-трансмутанты у термоядерных нейтронов существенно выше, чем у нейтронов деления, их вклад в скорость повреждения образцов в облучательном устройстве с конвертером на базе топлива UD_1,5T_1,5 будет достаточным, чтобы обеспечивать условия испытаний близкие к эксплуатационным.

Вклад нейтронов синтеза в скорость повреждения материалов в облучательном устройстве с конвертером на основе заявляемого решения будет зависеть от конкретной конструкции устройства. Важным достоинством предлагаемого решения, повышающим его эффективность, является то, что при изготовлении конвертера можно использовать ряд привычных технологических приемов, принятых в практике изготовления твэлов и ТВС исследовательских реакторов, в результате чего требующиеся для испытаний нейтроны деления и синтеза можно генерировать в одном и том же месте и в одно и то же время. При этом можно одновременно изолировать в материале топливного сердечника как продукты деления, так и тритий.

1. Конвертер нейтронов исследовательского реактора, размещаемый в составе облучательного устройства в специально сформированном объеме активной зоны или в свободном объеме тепловыделяющей сборки, содержащий экран, окружающий облучаемые образцы материалов или изделий, отличающийся тем, что экран включает слой, содержащий гидрид делящегося элемента, включающий дейтерий и тритий предпочтительно в равных и максимальных концентрациях, а эффективная поверхностная плотность слоя выбирается в зависимости от требований к плотности потока и спектру нейтронов в образцах, а также от характеристик режима отвода тепла от экрана и его конструкции.

2. Конвертер по п.1, отличающийся тем, что эффективная поверхностная плотность слоя гидрида делящегося элемента выбрана из интервала 0,01-5 г/см².

3. Конвертер по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидрида делящегося элемента выбран гидрид урана в виде соединения UD_1,5T_1,5.

4. Конвертер по п.1, отличающийся тем, что экран выполнен из коаксиальных кольцевых пластинчатых тепловыделяющих элементов с сердечниками, содержащими гидрид урана в виде соединения UD_1,5T _1,5.

5. Конвертер по п.1, отличающийся тем, что экран выполнен в форме однослойного или многослойного «беличьего колеса» из стержневых или коаксиальных кольцевых пластинчатых тепловыделяющих элементов с сердечниками, содержащими гидрид урана в виде соединения UD_1,5T_1,5.

6. Конвертер по п.1, отличающийся тем, что экран выполнен в форме однослойной или многослойной засыпки шаровых микротвэлов с сердечником, содержащим гидрид урана в виде соединения UD_1,5T _1,5, и однослойным или многослойным покрытием, например металлическим, размещаемых между перфорированными оболочками из сплавов алюминия, циркония или нержавеющей стали.