Subkritik reaktor

Субкритик реактор ва ташқи нейтронлар манбаидан ташкил топган гибрид системалар ядровий қурилмаларнинг янги тоифаси ҳисобланади. Ташқи манба сифатида протон тезлаткичларда тезлатилган зарядли зарраларнинг оғир элемент-нишонлар билан реаксияси натижасида ҳосил бўлган нейтронлар ишлатилади.

Бундай турдаги қурилмаларга қизиқиш айниқса, узоқ яшовчи радиоактив нуклидлар олиш ва бошқариб бўлмайдиган занжир реаксиясини тўхтатиш имконияти туфайли ортиб бормоқда.

Реакторнинг элементар кинетик тенгламаси:

${\дисплайстйле \фраc{дн}{дт}=\дфраc{\делта к_{э}}{л}н(т)+с}$

Бу ерда ${\дисплайстйле с}$- нейтронлар манбаининг солиштирма қуввати; ${\дисплайстйле \делта к_{э}}$- реакторнинг субкритиклик даражаси, яъни ${\дисплайстйле \делта к_{н}=1-к_{э}=-\делта к_{э}}$. Бундан фойдаланиб юқоридаги тенгламани қуйидагича ёзиш мумкин:

${\дисплайстйле \фраc{дн}{дт}=-\фраc{\делта к_{н}}{л}н(т)+с}$

${\дисплайстйле н(т)=н_{й}}$ бўлганда ${\дисплайстйле \фраc{дн}{дт}=0}$ бўлади. Натижада

${\дисплайстйле 0=-\фраc{\делта к_{н}}{л}н_{й}+с}$

${\дисплайстйле н_{й}=\фраc{сл}{\делта к_{н}}}$

Субкритик реакторларнинг принсипиал схемаси.

Ушбу олинган формуладан қуйидаги хулосаларни чиқариш мумкин:

• Мустақил нейтронлар манбаининг қуввати (${\дисплайстйле с}$) қанча катта бўлса, субкритик реакторда ҳосил қилинган нейтронлар зичлиги ҳам шунчалик катта бўлади.
• Реактордаги нейтронлар авлодининг ўртача яшаш вақти (${\дисплайстйле л}$) қанчалик катта бўлса, субкритик реакторда ҳосил қилинган нейтронлар зичлиги ҳам шунчалик катта бўлади.
• Реакторнинг субкритиклик коэффициенти ${\дисплайстйле \делта к_{н}}$ қанчалик кичик бўлса, субкритик реакторда ҳосил қилинган нейтронлар зичлиги шунчалик катта бўлади.

Субкритик реакторларда ўтиш жараёнларининг элементар кинетик тенгламаси:

${\дисплайстйле \фраc{дн}{дт}=-\фраc{\делта к_{н_{2}}}{л}\лефт[н(т)-\фраc{сл}{\делта к_{н_{2}}}\ригҳт]}$

${\дисплайстйле \фраc{н(т)}{н_{й_{1}}}=\фраc{1-к_{э_{1}}}{1-к_{э_{1}}-\Делта к}\лефт[1+\фраc{\Делта к}{1-к_{э_{1}}}\эхп\лефт(\фраc{к_{э_{1}}+\Делта к-1}{л}т\ригҳт)\ригҳт]}$

Субкритик реактордаги о`тиш жараёнларининг графиклари: а) реактор субкритик даражасининг сакраб камайиши ёки эффектив ко`пайиш коэффициентининг ортиши; б) реактор субкритиклик даражасининг ортиши ( ${\дисплайстйле к_{э}}$нинг камайиши )

Субкритик ва критик реактор параметрларини таққослаш

Параметр	Критик иссиқлик реактори (У)	Критик тез реактор (Пу)	Субкритик иссиқлик реактори	Субкритик тез реактор
Кечикувчи нейтронларнинг эффектив улуши, ${\дисплайстйле \бета}$	0.0064	0.0035	0.0064	0.0035
Иш соҳасидаги реактивлик, ${\дисплайстйле \рҳо}$	0	0	<0	<0
Иш соҳасидаги ташқи манба нейтронларининг улуши, ${\дисплайстйле \варпҳи}$	0	0	${\дисплайстйле -\фраc{\рҳо}{\бета-\рҳо}}$	${\дисплайстйле -\фраc{\рҳо}{\бета-\рҳо}}$
Иш соҳасидаги ички манба нейтронларининг улуши	1	1	${\дисплайстйле \фраc{\бета}{\бета-\рҳо}}$	${\дисплайстйле \фраc{\бета}{\бета-\рҳо}}$
Иш соҳасидаги нейтронларнинг кучайтириш коэффициенти, М	${\дисплайстйле \фраc{1}{\бета}}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{\бета}}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{\бета-\рҳо}}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{\бета-\рҳо}}$
Стационар режимлар учун ${\дисплайстйле \рҳо}$ нинг ўзгариш диапазони	-, +	-, +	<+, <0	<+
Дамлаш вақтида реактивликнинг ўзгариш диапазони, ${\дисплайстйле \Делта\рҳо}$	${\дисплайстйле <\бета-\Делта\рҳо}$	${\дисплайстйле <\бета-\Делта\рҳо}$	${\дисплайстйле -\фраc{СЕ_{фис}}{П\ну}-\бета < СЕ_{фис} - П\ну +\бета-\Делта\рҳо}$	${\дисплайстйле -\фраc{СЕ_{фис}}{П\ну}-\бета < СЕ_{фис} - П\ну +\бета-\Делта\рҳо}$
Реактивлик захираси	20 $	8 $	${\дисплайстйле \рҳо<0}$	${\дисплайстйле \рҳо<0}$

Илмий-тақиқот реакторларида ишлатиладиган тезлатгичлар

Электро-ядро қурилмаларда ишлатиладиган тезлатгичнинг схемаси қуйидаги расмда тасвирланган. Бунда ${\дисплайстйле Ҳ^{+}}$ ионларни ҳосил қилиш учун турли типдаги плазма манбалардан фойдаланилади. Бу манбалардан водород ионлари 15-20 кеВ энергия билан ажралиб чиқади. Бу ионлар даста ҳосил қилиш тизимига бориб тушади ва у ерда тезлаштирувчи резонаторга инжексия қилинади. Бу тизим бир вақтнинг о`зида ион о`тказгичдаги босимни ҳам пасайтиришга хизмат қилади. Зарраларни 2-3 МеВ гача тезлатиш учун фазовий бир жинсли квадрупол фокусировкадан фойдаланилади (РФҚ). Ушбу тизим инжексия энергияси жуда кичик – 30-100 кеВ бо`лганда деярли 100% зарраларни қамраб олиш имконини беради.

Чизиқли протон тезлатгичнинг схемаси.

Шундан со`нг водород ионларини 2-3 дан 90-100 МеВ гача тезлатиш учун турли модификацияли дрейф трубкаларидан фойдаланилади. 15-20 МеВ гача дастани ташқи магнит майдонининг ёрдамисиз юқори частотали фокусировкаловчи резонатордан фойдаланиш мумкин. Бу о`згарувчан фазали фокусировкаловчи тезлатгичлар дейилиб, уларда дрейф трубкасининг оралиг`идаги тирқишлар тезлатиш учун эмас, фокусировка учун ишлатилади. 20 дан 100 МеВ гача дрейф трубкасининг барча оралиқ тирқишларида тезлатувчи фаза ишлатилади. Дастани радиал фокуслаш учун дрейф трубкасида жойлашган сун’ий магнитлар ҳосил қиладиган магнит майдонидан фойдаланилади. Бунда резонатордаги юқори частотали майдоннинг тебраниши асосий ҳисобланмайди. Я’ни бу тизимда ${\дисплайстйле Э_{010}}$ типли тебранишлар эмас, балки ${\дисплайстйле Ҳ_{111}}$ типли тебранишлар асосий ҳисобланади. Шунинг учун бундай резонаторлар Ҳ-резонаторлар деб аталади. Юқори типли тебранишлардан тезлатиш учун фойдаланиш резонаторнинг ко`ндаланг о`лчамларини қисқартириш имконини беради. Масалан, агар ${\дисплайстйле Э_{010}}$ тебранишларни ҳосил қиладиган Алварес структураси учун резонатор диаметри 1.3 га тенг бо`лса, ${\дисплайстйле Ҳ_{111}}$ то`лқини учун бу ко`рсаткич 2-5 марта камайиши мумкин.

Ҳ-резонаторлар юқори шунт қаршилигига эга. Бу қаршилик зарранинг тезлиги ортиб бориши билан жуда тез камаяди. Зарралар тезлиги ортиб борганда, дрейф трубкаларининг узунлиги оширилади ва ${\дисплайстйле в=0,4c}$тезликда тезлатишнинг эффективлигини сақлаб қолиш учун резонаторда янада юқори частотали тебранишлардан фойдаланилади. Масалан, ОакРидге (АҚСҲ) тезлатгичида частота икки марта орттирилади. Тезлаткичнинг умумий узунлиги 80 метрни ташкил қилади. Юқорда айтиб о`тилган тезлатгичларнинг лойиҳасини тузишда жуда э’тиборли бо`лиш ва уларнинг параметрларини оптималлаштириш лозим.

Электро-ядро қурилмаларда нишон материаллар сифатида стабил ядроли элементлар – Пб, Би, W, Та ва бошқалардан фойдаланилади. Улардан чиқаётган нейтронларнинг интенсивлиги қуйидаги формуладан аниқланади:

${\дисплайстйле С=\фраc{И_{п}м_{0}}{э}}$

Бу ерда, ${\дисплайстйле И_{п}}$ – тезлатгичдаги о`ртача ток, ${\дисплайстйле э}$ – тезлатилган зарранинг заряди, ${\дисплайстйле м_{0}}$– нейтронлар чиқиши (нишонга келиб тушган битта зарра генерациялайдиган нейтронларнинг о`ртача сони)

Реактор актив зонасининг иссиқлик қуввати қуйидаги формула билан аниқланади:

${\дисплайстйле Н_{Т}=\фраc{Э_{ф}Қ_{ф}}{\ну}}$

бу ерда ${\дисплайстйле Э_{ф}}$ - ёнилг`ининг битта ядроси бо`линганда ҳосил бо`ладиган энергия. Агар ташқи нейтронлар манбаидаги нейтронларнинг фазовий-энергетик тақсимоти актив зонадаги нейтронларнинг тақсимоти билан мос тушса, нейтронлар генерациясининг интенсивлиги қуйидаги ифода билан аниқланади:

${\дисплайстйле Қ_{ф0}=С_{0}\фраc{к_{эф}}{1-к_{эф}}}$

бу ерда ${\дисплайстйле С_{0}}$ - нейтронлар манбаининг интенсивлиги, ${\дисплайстйле к_{эф}<1}$ - актив зонадаги эффектив ко`пайиш коэффициенти. ${\дисплайстйле к_{эф}\ле 0.98}$ қиймат ядровий хавфсизлик нуқтаи назаридан келиб чиқиб танланади.

Манба

• Вальтер А.Т., Залюбовский И.И., Ядерная физика. Харьков: Основа. 1991
• Ю.А.Свистунов, И.В.Кудинович, А.Г.Головкина. Электроядерная установка на базе подкритического реактора, управлаемого ускорителем. ХИИ всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г.
• Свистунов Ю.А., Овсянников А.Д. Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. 2010. № 2. Вып. 53. С. 48-51.
• Вандеплассче Д., Медерос Ромао Л. Аccелератор Дривен Сйстемс // Проcеэдингс оф ИПАC 2012. Неw Орлеанс, УСА, 2012. П. 6-10.
• Головкина А.Г., Кудинович И.В., Овсянников Д.А. Поwер оф АДС wитҳ Лоw-Энергй Аccелератор анд Фиссионабле Таргет // Проблемс оф Атомиc Сcиэнcе анд Течнологй. Сер. Пласма Элеcтрониcс анд Неw Метҳодсоф Аccелератион. 2013. Но. 4, Иссуэ 86. П. 328-332.
• Хетрик Д. Динамика ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1975. 400 с