ES2873507T3 - Método para proporcionar una fuente de neutrones - Google Patents

Abstract

Un método para proporcionar una fuente de neutrones, comprendiendo el método (100): proporcionar (102) una fuente de neutrones de un reactor nuclear (200), comprendiendo la fuente de neutrones del reactor nuclear (200): un recinto (202) que delimita una cámara (204), un núcleo de reactor nuclear (206) dispuesto dentro de la cámara (204), el núcleo del reactor nuclear (206) está configurado para producir neutrones a partir de un elemento de combustible nuclear (207) dentro del núcleo del reactor nuclear (206); instalar (106) un generador de haz (402) dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara (204); retirar (104) el elemento de combustible nuclear (207) del núcleo del reactor nuclear (206) desde la cámara (204); e instalar (108), dentro de la cámara (204), un objetivo (404) dispuesto para expulsar neutrones con el impacto del haz de manera que los neutrones sean expulsados desde el objetivo (404) y emitidos desde la cámara (204), en donde el acto de instalar un generador de haz (106) dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara comprende instalar el generador de haz (106) para formar parte de una fuente de neutrones de espalación para proporcionar neutrones o para formar parte de una fuente de neutrones compacta para proporcionar neutrones.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para proporcionar una fuente de neutrones

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método para proporcionar una fuente de neutrones.

Antecedentes

Las centrales nucleares transforman energía nuclear en calor que puede pasar a un fluido de trabajo que discurre a través de turbinas y las acciona para producir electricidad. El calor es generado por reacciones de fisión nuclear creadas por elementos de combustible nuclear dentro del núcleo de un reactor nuclear. El núcleo del reactor nuclear se utiliza para iniciar y controlar una reacción en cadena nuclear sostenida. La parte principal del núcleo del reactor nuclear es la zona activa, donde se encuentran los elementos de combustible nuclear y se produce la reacción nuclear. Más específicamente, dentro de la zona activa, los nucleidos pesados del elemento combustible nuclear experimentan una reacción de fisión en otros más ligeros, denominados productos de fisión tras la absorción de un neutrón. Cada evento de fisión libera grandes cantidades de energía, del orden de 200 MeV, en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión, rayos gamma y varios neutrones rápidos. El elemento de combustible nuclear puede, por ejemplo, ser U-233, U-235, Pu-239 o Pu-241. Para aumentar la eficacia de las reacciones de fisión, los elementos de combustible nuclear pueden disponerse dentro de un moderador de neutrones, tal como agua ligera o pesada, o grafito dispuesto para termalizar neutrones para los que la reacción de fisión tiene una sección transversal máxima.

Los reactores nucleares también pueden servir para otros fines además de la producción de energía, tal como la producción de haces de neutrones para su uso en la investigación fundamental y aplicada, pruebas de materiales, caracterización y análisis, radiografía de neutrones, producción de isótopos, etc. Muchos de estos experimentos o procedimientos están basados en la dispersión de neutrones desde el material o sistema objeto de estudio. El uso de la dispersión de neutrones tiene muchas ventajas. La interacción de los neutrones con la materia se limita a la interacción nuclear y magnética de corto alcance. Los neutrones suelen penetrar bien a través de la materia, debido a su pequeña probabilidad de interacción, haciendo de los neutrones una sonda única para investigar la materia condensada a granel. Los neutrones también se pueden utilizar como sonda de superficie, ya que los neutrones pueden ser reflejados por algunas superficies cuando inciden en ángulos oblicuos. Por tanto, los neutrones pueden ser tanto una sonda a granel como en superficie para investigar estructuras y dinámicas. Algunas ventajas son: Los neutrones interactúan a través de interacciones nucleares de corto alcance y con los momentos magnéticos atómicos; los neutrones penetran la materia de manera eficaz y no se calientan ni dañan la mayoría de las muestras. Los neutrones son sondas buenas para investigar estructuras en materia condensada, ya que las longitudes de onda de los neutrones son equiparables a tamaños atómicos y al espaciamiento interatómico. Las energías de neutrones son equiparables a energías de modos normales en materiales, por ejemplo, modos de fonones. Los neutrones son sondas buenas para investigar la dinámica de materiales líquidos y en estado sólido. La interacción de neutrones con hidrógeno y deuterio es muy diferente, haciendo que el método de etiquetado con deuterio sea una ventaja. La gran interacción de neutrones con protones hace que el neutrón sea una sonda de hidrógeno muy sensible en muchos entornos, tal como la materia viva.

Por ahora, la mayoría de las fuentes de neutrones para la investigación de la dispersión de neutrones están basadas en reactores nucleares. Los fragmentos de fisión son pesados y permanecen dentro de los elementos de combustible nuclear, produciendo así la fuente de calor principal, mientras que los gammas energéticos y los neutrones rápidos penetran en casi todo y están protegidos cuidadosamente. Los rayos gamma y los neutrones rápidos son una molestia para el trabajo de dispersión de neutrones y, en la medida de lo posible, no se permite que alcancen los detectores. Después de ser ralentizados por los materiales del moderador, los neutrones se utilizan para sustentar la reacción de fisión, así como los haces extraídos a través de tubos de haces para una energía reducida, es decir, dispersión de neutrones calientes, térmicos y fríos.

Existe, sin embargo, una necesidad de mejorar la eficacia a la que se producen los neutrones. También existe una demanda de fuentes de neutrones más brillantes que produzcan un mayor flujo de neutrones. Es deseable reducir el inventario de materiales radiactivos y fisionables para aumentar la seguridad y reducir los problemas de proliferación. Sumario de la invención

En vista de lo anterior, un objeto de la presente invención es proporcionar una fuente de neutrones mejorada. El método también aprovecha la infraestructura preexistente de una fuente de neutrones basada en un reactor nuclear, reduciendo los costes asociados a proporcionar la fuente de neutrones mejorada. También se puede proporcionar una reducción del inventario de material radiactivo y fisionable.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un método para proporcionar una fuente de neutrones. El método está establecido por las características de la reivindicación 1.

La expresión "generador de haz" se interpretará en este contexto como un generador configurado para generar un haz de partículas cargadas o un haz de radiación electromagnética. Las partículas cargadas se seleccionan del grupo de partículas cargadas que comprenden iones, electrones y positrones. Ejemplos no limitantes de iones son protones y deuterones.

El generador de haz puede ser un acelerador.

Ejemplos no limitantes de energía del haz son 50 - 500 keV para radiación electromagnética, 10 - 100 MeV para electrones y 1 - 3000 MeV para iones.

Una ventaja del método es que puede proporcionarse una fuente de neutrones más eficaz. Por tanto, la cantidad de energía necesaria para formar los neutrones se puede reducir. Además, se puede proporcionar un mayor flujo de neutrones. También se puede proporcionar pulsación de los neutrones proporcionados. Al utilizar partes de una fuente de neutrones de un reactor nuclear cuando se proporciona la fuente de neutrones, se obtienen ventajas adicionales. El método reduce sustancialmente los costes de inversión mediante la conversión de la fuente de neutrones del reactor nuclear, es decir, la fuente de neutrones "nuclear" en una "no nuclear", es decir, no basada en la fisión. El método permite además la reutilización de infraestructuras tales como, principalmente, edificios, blindaje, líneas de haz, puertos de irradiación, instrumentos de dispersión de neutrones o partes de instrumentos de dispersión de neutrones y otras centrales experimentales o de producción para el uso de haces de neutrones, suministros públicos, y funciones de seguridad y garantía.

El método de la invención comprende el acto de retirar el elemento de combustible nuclear del núcleo del reactor nuclear desde la cámara.

La sustitución de la fuente del reactor nuclear por fuentes de neutrones no nucleares reduce los costes operativos y aumenta la seguridad. El tiempo y el coste necesarios para construir una fuente de neutrones no basada en la fisión pueden reducirse aún más. Esto se debe a que al menos se reduce una parte de los gastos de desmantelamiento, desmontaje y eliminación de la fuente del reactor nuclear. Para este fin, la fuente de neutrones proporcionada permite un funcionamiento más económico, incluidos los costes reducidos de los elementos de combustible nuclear, una mayor vida útil, es decir, ampliar la vida útil de la fuente de neutrones del reactor nuclear. Además, se proporciona más flexibilidad para facilitar diferentes flujos de neutrones. Esto es ventajoso ya que diferentes experimentos y aplicaciones requieren distintos flujos de neutrones, incluso una fuente de flujo más baja puede ser ventajosa y se verá como una mejora, si tiene más vida útil, menores costes, menor producción de rayos gamma.

La fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender una salida de haz de neutrones dispuesta a través del recinto para proporcionar un paso de neutrones para neutrones desde la cámara y el acto de instalar el objetivo puede comprender disponer el objetivo de espalación de manera que los neutrones expulsados desde el objetivo sean emitidos desde la cámara por medio del paso de neutrones.

De este modo se puede lograr una salida eficaz de neutrones desde la cámara. De este modo pueden reutilizarse infraestructuras preexistentes tales como una central experimental para realizar experimentos de dispersión de neutrones o partes de dichos experimentos. Por tanto, los costes asociados con el suministro de la fuente de neutrones mejorada, se reducen de este modo.

El acto de retirar el elemento de combustible nuclear del núcleo del reactor nuclear desde la cámara puede formar un vacío dentro de la cámara, y el acto de instalar el objetivo puede comprender disponer el objetivo dentro del vacío. De este modo, el objetivo puede colocarse en una ubicación central que, por ejemplo, dentro de la zona activa del núcleo del reactor nuclear proporcionado de la fuente de neutrones del reactor nuclear. El espacio liberado puede usarse de manera eficaz para instalar el objetivo.

El acto de retirar el elemento de combustible nuclear del núcleo del reactor nuclear puede comprender retirar el núcleo del reactor nuclear.

La cámara de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender además un moderador, y el acto de instalar el objetivo puede comprender disponer el objetivo dentro del moderador. El moderador, también denominado moderador de neutrones, puede ralentizar de este modo los neutrones expulsados del objetivo, permitiendo una energía de neutrones reducida, es decir, dispersión de neutrones calientes, térmicos y fríos. En las fuentes de neutrones de los reactores nucleares, el moderador o los moderadores que garantizan principalmente el mantenimiento de la reacción en cadena se denominan "moderador", pueden tener grandes volúmenes de varios m3 y funcionan en el rango de temperatura entre la temperatura ambiente y habitualmente por debajo de 100 ° C. Este rango de temperatura del moderador se denomina "térmico". Los moderadores que están diseñados para emitir neutrones lentos de un rango de energía particular se denominan "fuente" y suelen tener volúmenes entre 1 - 50 litros. Una "fuente caliente" tiene una temperatura superior a 1000 ° C y una "fuente fría" inferior a 150 ° C. En fuentes de espalación y de neutrones compactos, estas estructuras se denominan "moderador caliente" y "moderador frío", respectivamente, y también puede haber "moderadores térmicos" instalados, con volúmenes típicos de 1 - 5 litros.

La cámara de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender además un reflector, y el acto de instalar el objetivo puede comprender disponer el objetivo dentro del reflector.

El reflector está dispuesto para reducir la fuga de neutrones fuera del recinto, al reflejarse de vuelta en el centro del núcleo del reactor nuclear. De este modo se puede lograr una disposición más flexible del objetivo. El reflector puede mejorar la intensidad de los neutrones lentos emitidos por los moderadores reflejando neutrones en los moderadores que de otro modo escaparían sin interactuar con los moderadores.

En las fuentes de neutrones de reactores nucleares, la misma estructura puede tener la función de moderador y reflector y puede denominarse moderador o reflector como se ha indicado anteriormente o "moderador-reflector". El moderador de agua y el moderador-reflector también se utilizan a menudo para enfriar los elementos de combustible nuclear.

La fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender además una salida de haz de neutrones adicional dispuesta a través del recinto para proporcionar un paso de neutrones adicional para neutrones desde la cámara, y el acto de instalar el generador de haz puede comprender dirigir el haz hacia el interior de la cámara por medio del paso de neutrones adicional sobre objetivo.

El uso del paso de neutrones adicional existente reduce el coste y proporciona un paso eficaz para que el haz alcance el objetivo.

El recinto de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada también puede comprender una columna térmica o un eje de acceso, y el acto de instalar el generador de haz comprende dirigir el haz hacia el interior de la cámara por medio de la columna térmica o el eje de acceso sobre el objetivo.

El uso de la columna existente o un eje de acceso reduce el coste y proporciona un paso eficaz para que los iones alcancen el objetivo.

El acto de instalar un generador de haz puede comprender instalar el generador de haz o una parte del generador de haz dentro de la cámara. De este modo, se puede proporcionar una fuente de neutrones más compacta.

El núcleo del reactor nuclear de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender material fisionable.

El moderador de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender un material seleccionado del grupo que consiste en H2O, D2O, hidrógeno o deuterio líquido o sólido, metano líquido o sólido, mesiteleno y hielo. El reflector de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender un material seleccionado del grupo que consiste en grafito, berilio, acero, carburo de wolframio, níquel, wolframio, agua pesada, plomo o aleaciones de estos.

El acto de instalar un objetivo puede comprender la instalación de un objetivo que comprenda un material seleccionado del grupo que consiste en mercurio, tantalio, plomo, aleación líquida de plomo-bismuto, wolframio, renio, o aleaciones de estos, berilio o litio.

El acto de instalar un generador de haz dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara, comprende instalar el generador de haz para que forme parte de una fuente de neutrones de espalación para proporcionar los neutrones.

El acto de instalar un generador de haz dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara, comprende instalar el generador de haz para que forme parte de una fuente de neutrones compacta para proporcionar los neutrones.

La expresión "espalación" deberá interpretarse como un proceso de reacción nuclear en el que partículas ligeras tales como neutrones son expulsadas como resultado de un bombardeo como partículas de energía elevada tales como iones, por ejemplo, protones. El reemplazo basado en espalación se puede aplicar en un rango de potencia más alto que otros sistemas basados en aceleradores de partículas o de menor energía (<200 MeV).

Como un ejemplo no limitante, el protón de 1-GeV es capaz de producir aproximadamente 25 neutrones a partir de un objetivo tal como plomo, con deposición de calor en el objetivo de aproximadamente la mitad de la potencia del haz de protones, lo que significa que se debe disipar un orden de magnitud menos de calor que en una reacción de fisión que produzca el mismo flujo de neutrones promediado en el tiempo. Por tanto, se consigue una producción de neutrones más eficaz.

"Fuentes de neutrones compactas" comprenden generadores de haz dispuestos para generar un haz, de radiación o iones, con un rango de energía de 1 - 100 MeV. El haz generado puede, por ejemplo, comprender protones que cuando chocan con un objetivo crean partículas de luz tales como neutrones. Las ventajas de las fuentes de neutrones compactas son que tienen una huella pequeña, normalmente en el rango de 3 - 20 m de largo y 20 - 60 cm de diámetro. La longitud puede ser más larga, si la energía es mayor, por ejemplo, hasta 50 m para alcanzar los 100 MeV. Las fuentes de neutrones compactas también son bastante más baratas, de construir y manejar, que, por ejemplo, las fuentes de neutrones basadas en reactores. Mediante el uso de una fuente de neutrones compacta, se reducen trabajos de construcción adicionales como, por ejemplo, reforzar el sistema de blindaje de una fuente de neutrones basada en un reactor.

La cámara de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender además una fuente de neutrones calientes o fríos, y el acto de instalar un objetivo puede comprender disponer el objetivo adyacente a la fuente de neutrones calientes o fríos.

De este modo, los neutrones expulsados del objetivo pueden interactuar con la fuente de neutrones fríos. Después de la interacción, la distribución espectral de neutrones normalmente maxwelliana puede cambiarse a energías más bajas por neutrones que se ralentizan a través de procesos de dispersión inelástica con la fuente de neutrones fríos. La fuente de neutrones fríos puede disponerse dentro de la posición de flujo máximo dentro de la región del reflector. El alcance adicional de la aplicabilidad de la presente solicitud resultará evidente a partir de la descripción detallada proporcionada a continuación. Sin embargo, se debe entender que la descripción detallada y los ejemplos específicos, si bien indican realizaciones preferentes de la invención, se dan únicamente a modo de ilustración, ya que para los expertos en la materia serán evidentes diversos cambios y modificaciones dentro del alcance de la invención a partir de esta descripción detallada.

Por tanto, debe entenderse que esta invención no se limita a los componentes particulares del dispositivo descrito o las etapas de los métodos descritos, ya que dicho dispositivo y método pueden variar. También debe entenderse que la terminología utilizada en el presente documento tiene el propósito de describir únicamente realizaciones particulares, y no pretende ser limitante. Cabe destacar que, tal y como se utilizan en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, los artículos "un" "una", "el/la" y "dicho/a" pretenden significar que hay uno o más de los elementos, a no ser que el contexto indique claramente otra cosa. De este modo, por ejemplo, la referencia a "una unidad" o "la unidad" puede incluir varios dispositivos, y similares. Además, las expresiones "que comprende", "que incluye", "que contiene" y otras similares no excluyen otros elementos o etapas.

Breve descripción de los dibujos

Este y otros aspectos de la presente invención se describirán con más detalle a continuación, con referencia a los dibujos adjuntos que muestran realizaciones de la invención. No se debe considerar que las figuras limitan la invención a la realización específica; en cambio, se utilizan para explicar y comprender la invención.

Como se ilustra en las figuras, los tamaños de las capas y regiones se exageran o se reducen con fines ilustrativos y, por tanto, se proporcionan para ilustrar las estructuras generales de las realizaciones de la presente invención. Los números de referencia similares se refieren a elementos similares a lo largo de la memoria.

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo que ilustra un método para proporcionar una fuente de neutrones. La Figura 2 ilustra una fuente de neutrones de un reactor nuclear para proporcionar la fuente de neutrones de acuerdo con la técnica anterior.

La Figura 3 ilustra una etapa previa de una fuente de neutrones. La Figura 4 ilustra una fuente de neutrones. La Figura 5 ilustra una fuente de neutrones.

La Figura 6 ilustra una fuente de neutrones.

La Figura 7 ilustra una fuente de neutrones.

La Figura 8 ilustra una fuente de neutrones.

Descripción detallada

A continuación, la presente invención se describirá con más detalle en el presente documento haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran realizaciones actualmente preferidas de la invención. Sin embargo, esta invención puede realizarse de muchas formas diferentes y no deberá interpretarse que está limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento; por el contrario, estas realizaciones se proporcionan con fines de minuciosidad e integridad, y para transmitir totalmente el alcance de la invención al experto en la materia.

A continuación se describe un método para proporcionar una fuente de neutrones con referencia a la Figura 1 y las Figuras 3-7. La Figura 2 ilustra una fuente de neutrones de un reactor nuclear de acuerdo con la técnica anterior. La Figura 1 muestra un diagrama de flujo que ilustra el método 100 para proporcionar una fuente de neutrones. La Figura 3 ilustra una etapa previa de la fuente de neutrones.

Las Figuras 4-7 ilustran fuentes de neutrones proporcionadas por el método 100.

Con referencia a las Figuras 1 y 2, el método 100 comprende el acto de proporcionar 102 una fuente de neutrones de un reactor nuclear 200. La Figura 2 ilustra una vista superior esquemática de una fuente de neutrones de reactor nuclear de acuerdo con la técnica anterior. La fuente de neutrones del reactor nuclear 200 comprende un recinto 202 que delimita una cámara 204. Se proporciona además un blindaje 205 para evitar que radiación no deseada tal como neutrones y rayos gamma salga a través del recinto 202 de la cámara 204. De este modo se proporciona un entorno más seguro para el usuario alrededor de la fuente de neutrones del reactor nuclear. Un núcleo de reactor nuclear 206 está dispuesto dentro de la cámara 204. El núcleo del reactor nuclear 206 está configurado para producir neutrones a partir de un elemento de combustible nuclear 207 dentro del núcleo del reactor nuclear 206, es decir, nucleidos pesados del elemento de combustible nuclear 207, que comprende un material fisionable, pueden experimentar una reacción de fisión en otros más ligeros, los denominados productos de fisión tras la absorción de un neutrón. Cada evento de fisión libera grandes cantidades de energía en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión, rayos gamma y neutrones. Por tanto, el elemento de combustible nuclear 207 forma parte activa del núcleo del reactor nuclear 206. De este modo, el núcleo del reactor nuclear 206 puede denominarse una zona activa.

La cámara 204 de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada 200 puede comprender además un moderador 208. El moderador 208 está dispuesto para ralentizar los neutrones expulsados desde el elemento de combustible nuclear 207.La fuente de neutrones del reactor nuclear 200 puede comprender además una salida de haz de neutrones 209 dispuesta a través del recinto 202 para proporcionar un paso de neutrones para los neutrones desde la cámara 204. Una salida de neutrones, generada por los eventos de fisión, desde la cámara 204 se puede lograr de este modo.

El método 100 comprende la acción de retirar 104 el elemento de combustible nuclear 207 del núcleo del reactor nuclear 206 desde la cámara 204, ver la etapa previa 300 de la fuente de neutrones en la Figura 3. Como un ejemplo no limitante, el núcleo del reactor nuclear 206 comprende una pluralidad de elementos de combustible nuclear 207, todos los cuales se retiran en la acción de retirada 104. Cabe señalar además que el núcleo del reactor nuclear 206 se puede retirar en el acto de retirada 104, no mostrado.

Cabe señalar, además, que el funcionamiento y el desmantelamiento de las fuentes de neutrones de los reactores nucleares están regulados y supervisados internacionalmente por el Organismo Internacional de Energía Atómica con fines de seguridad y de no proliferación en todo el mundo. Por tanto, al retirar 104 el elemento de combustible nuclear 207 o el núcleo del reactor nuclear 206 desde la cámara 204 se consigue una reducción de materiales radiactivos dentro de la cámara 204. Dicho de otra manera, de este modo se retira un material fisionable del núcleo del reactor nuclear. De esta forma se puede proporcionar una fuente de neutrones que requiera menos inspecciones y regulaciones gubernamentales.

El método 100 comprende además el acto de instalar 106 un generador de haz 402, ver la Figura 4. El generador de haz 402 está dispuesto para generar un haz de partículas cargadas o un haz de radiación electromagnética y para dirigir el haz al interior de la cámara 204.

El generador de haz puede, por ejemplo, formar parte de una fuente de neutrones de espalación o una fuente de neutrones compacta como se describirá más adelante.

El método 100 comprende además la acción de instalar 108, dentro de la cámara 204, un objetivo 404 dispuesto para expulsar neutrones con el impacto del haz de manera que los neutrones sean expulsados desde el objetivo 404 y emitidos desde la cámara 204. La fuente de neutrones 400 proporcionada se ilustra en la Figura 4. Los neutrones generados pueden emitirse desde la cámara 204 por medio de la salida de haz de neutrones 209. Los neutrones generados pueden, además, ser dirigidos por medio de una línea de haz 214 a una central experimental 216 para realizar experimentos o investigaciones de dispersión de neutrones. La línea de haz 214 y la central experimental 216 pueden formar parte de la infraestructura preexistente de la fuente de neutrones del reactor nuclear 200 que pueden reutilizarse después. Por tanto, una reducción de costes está asociada a proporcionar la fuente de neutrones mejorada. Alternativamente, se puede proporcionar una nueva línea de haz y/o una central experimental.

En la descripción anterior, el acto de retirar 104 al menos el elemento de combustible nuclear 207 del núcleo del reactor nuclear 200 desde la cámara 204 forma un vacío 218 dentro de la cámara 204, ver las Figuras 3 y 4. El acto de instalar 106 el objetivo 404 puede comprender además disponer el objetivo 404 dentro del vacío 218. De este modo, el objetivo 404 puede disponerse en el lugar donde se generan neutrones en la fuente de neutrones del reactor nuclear 200. Por tanto, la fuente de neutrones proporcionada puede aprovechar eficazmente el diseño de la fuente de neutrones del núcleo del reactor desde el objetivo. El objetivo 404 puede disponerse en otras ubicaciones como se describirá a continuación.

La fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada 200 también puede comprender una salida de haz de neutrones adicional 224 dispuesta a través del recinto 202 para proporcionar un paso de neutrones adicional para los neutrones desde la cámara 204 (véase la Figura 2-4). El acto de instalar 106 el generador de haz 402 puede comprender entonces dirigir el haz al interior de la cámara 204 por medio del paso de neutrones adicional sobre el objetivo 404. El uso de una salida de haz de neutrones 224 existente reduce el coste y proporciona un paso eficaz para que el haz alcance el objetivo 404.

Para el fin de las investigaciones sobre dispersión de neutrones, se pueden utilizar neutrones con diferentes energías cinéticas. Las energías de neutrones pueden denominarse epitermales, de > 500 meV, calientes, de aproximadamente 100 meV - 500 meV, térmicas, de aproximadamente 10 - 100 meV, y frías, de <10 meV. Los neutrones calientes, térmicos y fríos pueden denominarse neutrones "lentos".

Para investigar materiales mediante técnicas de dispersión de neutrones, se utilizan preferentemente los neutrones lentos. A modo de ejemplos no limitativos, los neutrones generados desde el objetivo pueden emitirse desde los moderadores, teniendo los moderadores diferentes temperaturas, habitualmente, pero sin limitación, 25 - 40 K de hidrógeno o metano para neutrones fríos, 300 K de agua para los térmicos y 2000 K de grafito para los calientes. En este caso, la palabra "moderador" se utiliza en el sentido de ralentizar neutrones para su uso en haces emitidos, que se describen con la palabra "fuente" para fuentes de neutrones del reactor, por ejemplo, "fuente fría". Cabe señalar que el moderador, cualquiera de las "fuentes" de temperatura controlada de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada originalmente puede usarse como moderadores para la producción de neutrones basada en el generador de haz de acuerdo con esta invención. También se pueden utilizar neutrones epitermales de hasta varias energías MeV, por ejemplo, a efectos de radiografía de objetos masivos, tales como estructuras de hormigón y emulación de condiciones de radiación cósmica para probar equipos electrónicos. Generalmente, la mayoría de los neutrones epitermales son expulsados directamente por el objetivo, pero también pueden estar presentes en los espectros de los neutrones emitidos desde los moderadores. De este modo puede proporcionarse una reducción de neutrones epitermales y el paso de neutrones de radiación gamma. Esta disposición puede, por ejemplo, ser deseable para una fuente de neutrones de reactor nuclear con una geometría de núcleo dividido por la que el paso de neutrones sea proporcionado por un tubo de haz de neutrones térmicos que no esté dirigido directamente a los elementos de combustible nuclear.

De este modo, la cámara 204 de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada 200 puede comprender además un moderador 208 como se ha analizado anteriormente. El acto de instalar 108 un objetivo puede comprender entonces disponer un objetivo 502 dentro del moderador 208, ver la fuente de neutrones 500 proporcionada en la Figura 5. El moderador 208 puede ralentizar de este modo los neutrones expulsados del objetivo 502 permitiendo una energía reducida, es decir, una dispersión de neutrones térmicos y fríos. La salida de haz de neutrones 209 y la salida de haz de neutrones adicional 224 se ilustran para mayor claridad en diferentes ubicaciones a las mostradas en la Figura 2. El experto en la técnica se da cuenta de que la salida de haz de neutrones 209 y la salida de haz de neutrones adicional 224 pueden ser las mismas que en la Figura 2 o estar formadas por salidas de haz de neutrones adicionales de la fuente de neutrones del reactor nuclear 200. De manera alternativa, se pueden proporcionar nuevas salidas de haz de neutrones para formar la fuente de neutrones 500 de la Figura 5. Para este fin, el generador de haz 402 puede estar dispuesto para dirigir el haz al interior de la cámara 204 y sobre el objetivo 502 a través de diferentes pasos de neutrones.

La cámara 204 de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada 200 puede comprender además un reflector 226. El acto de instalar 108 un objetivo puede comprender entonces disponer el objetivo 602 dentro del reflector 226, ver la fuente de neutrones 600 proporcionada en la Figura 6.

La salida del haz de neutrones 209 y la salida del haz de neutrones adicional 224 se ilustran aquí para mayor claridad en ubicaciones diferentes que en las figuras anteriores. El experto en la técnica se da cuenta de que la salida del haz de neutrones 209 y la salida del haz de neutrones adicional 224 pueden ser las mismas que en, por ejemplo, la Figura 5 o estar formadas por otras salidas de haz de neutrones de la fuente de neutrones del reactor nuclear 200. De manera alternativa, se pueden proporcionar nuevas salidas de haz de neutrones para formar la fuente de neutrones 600 de la Figura 6. Para este fin, el generador de haz 402 puede estar dispuesto para dirigir el haz al interior de la cámara 204 y sobre el objetivo 602.

El reflector 226 puede mejorar la intensidad de los neutrones lentos emitidos por un objetivo directamente, o por medio del moderador 208 reflejando neutrones de vuelta al interior del moderador 208 que de otro modo escaparían de la cámara 204 sin interactuar con el moderador 208. De este modo, se puede proporcionar una población mayor de neutrones para experimentos tales como la dispersión de neutrones u otras investigaciones basadas en neutrones.

La cámara 204 de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada 200 puede comprender además una fuente de neutrones caliente o fría 230, ver, por ejemplo, las Figuras 2 y 7. El acto de instalar 108 un objetivo 702 puede comprender disponer el objetivo 702 adyacente a la fuente de neutrones calientes o fríos 230. El objetivo 702 puede, por ejemplo, estar dispuesto dentro del vacío 218 como se ilustra en la fuente de neutrones 700 de la Figura 7.

Sin embargo, cabe señalar que la fuente de neutrones fríos puede estar dispuesta, en otras disposiciones, fuera del vacío, tal como en el moderador o el reflector. La fuente de neutrones calientes o fríos puede, por ejemplo, estar dispuesta dentro de la posición de flujo máximo dentro de la región del reflector.

De este modo, los neutrones expulsados del objetivo pueden interactuar con la fuente de neutrones fríos. Después de la interacción, la distribución espectral de neutrones normalmente maxwelliana puede cambiarse a energías más bajas por neutrones que se ralentizan a través de procesos de dispersión inelástica con la fuente de neutrones fríos.

El acto de instalar un generador de haz dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara, puede comprender instalar una fuente de neutrones de espalación para proporcionar el haz del generador de haz. La fuente de neutrones de espalación puede, por ejemplo, estar dispuesta para producir protones y acelerar estos protones a energías por encima de un umbral de 120 MeV. La fuente de neutrones de espalación puede denominarse acelerador de espalación. De este modo, se pueden lograr procesos de espalación eficaces dirigiendo el haz de protones sobre un objetivo. El objetivo para dichos procesos puede denominarse objetivo de espalación. Los procesos de espalación pueden proporcionar una generación eficaz de neutrones.

Para lograr un proceso de espalación eficaz, el acto de instalar un objetivo puede comprender la instalación de un objetivo, es decir, un objetivo de espalación, que comprende un material seleccionado del grupo que consiste en mercurio, tantalio, plomo, aleación líquida de plomo-bismuto, wolframio, renio o aleaciones de estos.

El acto de instalar un generador de haz dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara, puede comprender instalar una fuente de neutrones compacta para proporcionar el haz del generador de haz.

El acto de instalar un objetivo puede comprender entonces la instalación de un objetivo que comprenda un material seleccionado del grupo que consiste en berilio o litio.

Cabe señalar que las fuentes de espalación nos permiten producir los flujos de neutrones más altos. Son más caras que las fuentes compactas, en particular, fuentes compactas por debajo de 10 MeV de energía de protones, que requieren menor blindaje. Las fuentes compactas son más baratas de construir y manejar que las fuentes de espalación. Con un diseño vanguardista de objetivo-moderador-reflector, pueden entregar una cantidad suficiente de neutrones para una serie de usos, donde entonces no es deseable utilizar las fuentes de espalación más intensas, sino también más caras.

El generador de haz puede disponerse para proporcionar un haz pulsado. De este modo puede proporcionarse una fuente de neutrones pulsados de forma eficaz.

Para una fuente de neutrones pulsados, la velocidad de repetición de la aceleración del protón es un parámetro importante a considerar. La naturaleza pulsada de las fuentes de neutrones puede ofrecer una ventaja para experimentos que utilizan un método de tiempo de vuelo, TDV, en el que la velocidad del neutrón se mide temporizando su vuelo desde la fuente al detector.

Cuando se utiliza una trayectoria de vuelo de neutrones larga para mejorar la resolución TDV, una velocidad de repetición lenta es también deseable para minimizar la superposición de referencial, es decir, donde los neutrones rápidos de un pulso se superponen con los neutrones lentos del pulso anterior.

Para fuentes de neutrones pulsados, el calor se produce fundamentalmente en el objetivo durante los pulsos. Esto permite que el calor se disipe lentamente en el período entre pulsos, por lo que la potencia instantánea y el flujo de neutrones se pueden aumentar.

Como ejemplos no limitantes, fuentes de neutrones de espalación de pulso corto, que normalmente entregan anchos de pulso de protón de 1 js , han predominado debido a la buena resolución temporal proporcionada para mediciones TOF de la energía neutrónica. La fuente de neutrones puede comprender además estructuras de anillo, es decir, sincrotrones o anillos acumuladores/de almacenamiento para proporcionar altas intensidades de protones en pulsos tan cortos.

De manera alternativa, fuentes de pulso largo, normalmente con anchos de pulso de protón de 1 o unos pocos ms, pueden utilizarse para proporcionar una fuente de neutrones con mayor potencia y con una alta resolución de temporización proporcionada por otros medios, por ejemplo, mediante cuchillas mecánicas que actúan sobre los haces de neutrones lentos.

En la descripción anterior, el moderador, el reflector y/o la fuente de neutrones fríos, se han descrito para formar parte de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada 200. El experto en la materia, sin embargo, se da cuenta de que se puede añadir el moderador, el reflector, y/o la fuente de neutrones calientes, térmicos y fríos, de acuerdo con el presente método, a una fuente de neutrones de reactor nuclear proporcionada que no comprende estos elementos, o como adiciones para mejorar la producción de neutrones lentos desde el objetivo.

El objetivo puede instalarse junto con una estructura circundante que puede comprender estructuras refrigeradoras, reflectoras y moderadoras y otras estructuras de materiales para adaptarse y complementar las estructuras reutilizadas a partir de la fuente de neutrones del reactor nuclear. Para este fin, Además, se pueden añadir elementos adicionales tales como una salida de haz de neutrones a la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada. Por tanto, la fuente de neutrones puede comprender una pluralidad de salidas de haz de neutrones. La fuente de neutrones puede comprender además una pluralidad de objetivos con una pluralidad de moderadores y reflectores o partes de sistemas reflectores. Una pluralidad de objetivos puede ser proporcionada por una pluralidad de generadores de haz y el haz de un generador de haz puede ser compartido por varios objetivos de manera simultánea o alternativa en el tiempo, incluyendo el envío de pulsos de haz posteriores desde el generador de haz a diferentes objetivos.

Puede usarse una pluralidad de centrales experimentales y una pluralidad de salidas de haz de neutrones. Por tanto, se pueden proporcionar neutrones a la pluralidad de centrales experimentales por medio de una o más salidas de haz de neutrones.

Además, deberá entenderse que la fuente de neutrones compacta o parte de ella también se puede poner dentro de una columna térmica, o en el eje de acceso vertical utilizado anteriormente para acceder al núcleo del reactor nuclear, incluyendo el cambio de elementos de combustible nuclear de la fuente de neutrones del reactor nuclear anterior. Partes del antiguo reactor se pueden reutilizar o reemplazar de acuerdo con un análisis individualizado. En un tipo de piscina de la fuente de neutrones de reactor nuclear, el equipo instalado, tal como el generador de haz, puede ponerse dentro de una estructura de tubo, tal que un tubo dispuesto para ser hermético. De manera alternativa, el agua se puede reemplazar por material protector sólido.

Los reflectores, los moderadores, las fuentes frías también se pueden reutilizar, reutilizar parcialmente, modificar o reemplazar.

El generador de haz puede disponerse alternativamente para generar radiación electromagnética tal como rayos gamma.

El generador de haz puede disponerse alternativamente para generar electrones. El generador de haz de electrones puede producir neutrones en un material objetivo usando la reacción de fotoneutrones de Bremsstrahlung.

El haz generado desde el generador de haz se proporciona generalmente en un tubo de vacío de aproximadamente 5-10 cm de diámetro a unos pocos metros del objetivo. Para este fin, una parte de la cámara que rodea al objetivo puede evacuarse de manera que se forme un vacío.

El generador de haz puede estar dispuesto para generar una pluralidad de haces dirigidos al interior de la cámara. Se puede instalar una pluralidad de objetivos dentro de la cámara, estando los objetivos dispuestos para expulsar neutrones con el impacto del haz de manera que los neutrones sean expulsados desde los objetivos y emitidos desde la cámara.

Por tanto, se pueden poner varios objetivos dentro de la cámara. Para manejar estos objetivos múltiples, se puede utilizar un haz de un generador de haz dividido entre varios objetivos o, alternativamente, se pueden utilizar varios generadores de haz.

La pluralidad de objetivos se puede manejar simultáneamente en el tiempo.

Puede disponerse un objetivo cerca o adyacente a una salida de haz de neutrones para mejorar la salida de neutrones. El experto en la materia se da cuenta de que la presente invención de ninguna manera está limitada a las realizaciones preferentes descritas anteriormente. Por el contrario, son posibles muchas modificaciones y variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Por ejemplo, el acto de instalar un generador de haz puede comprender instalar el generador de haz o una parte del generador de haz dentro de la cámara, no mostrada. De este modo, puede proporcionarse una fuente de neutrones con una huella más pequeña.

La fuente de neutrones del reactor proporcionada puede comprender varias salidas de haz u otros ejes, aberturas para tal uso. Además, se pueden proporcionar nuevas salidas de haz abriendo, perforando, cortando orificios a través del recinto, blindaje, la cámara y otras estructuras.

El recinto de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender además una columna térmica o un eje de acceso, no mostrado. El acto de instalar el generador de haz puede comprender entonces dirigir el haz al interior de la cámara por medio de la columna térmica o el eje de acceso sobre el objetivo. El uso de la columna existente o un eje de acceso reduce el coste y proporciona un paso eficaz para que los iones alcancen el objetivo. El moderador de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender un material seleccionado del grupo que consiste en H2O, D2O, hidrógeno o deuterio líquido o sólido, metano líquido o sólido, mesiteleno y hielo. El reflector de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada puede comprender un material seleccionado del grupo que consiste en grafito, berilio, acero, carburo de wolframio, níquel, wolframio, agua pesada, plomo, aleaciones de estos.

Cabe señalar que cuando el objetivo se instala en algún lugar dentro de la cámara, por ejemplo, en el núcleo del reactor nuclear o dentro del moderador o el reflector, el objetivo puede estar rodeado por un moderador de objetivo adicional, un reflector de objetivo adicional y/o una estructura de blindaje de objetivo adicional, con el fin de complementar el reflector y/o blindaje preexistente o para llenar un vacío formado, por ejemplo, por el acto de retirada descrito anteriormente.

El blindaje puede ser de plomo, acero y hormigón por un lado y polietileno borado por otro. La huella del blindaje puede ser, por ejemplo, de 2-3 m a lo ancho para energías de protones por debajo de 10 MeV, pero a medida que aumentan las energías, el blindaje del objetivo debe aumentar de tamaño, ya que las energías de neutrones rápidos generados cada vez son más altas.

Tal y como se ha indicado anteriormente, la producción de neutrones utilizando un generador de haz y un objetivo dentro de la cámara puede proporcionarse sin retirar todos o cualquiera de los elementos de combustible nuclear de la fuente de neutrones del reactor nuclear. Una ventaja del método es que se proporciona una fuente de neutrones donde los neutrones pueden ser proporcionados por reacciones nucleares por el elemento de combustible nuclear o por el objetivo. Por tanto, se proporciona una fuente dual para la producción de neutrones. La vida útil de la fuente de neutrones basada en el reactor nuclear puede aumentarse a medida que se reduce la cantidad de combustible nuclear necesario para producir neutrones. De este modo se producirán menos residuos nucleares. El material de combustible nuclear también puede permanecer en la cámara reduciendo el coste asociado al desmantelamiento del núcleo del reactor nuclear o partes del mismo.

El objetivo puede, por ejemplo, instalarse en el reflector como se ilustra en la Figura 8, las ventajas se describen arriba. El experto en la materia, sin embargo, se da cuenta de que el objetivo o los objetivos pueden disponerse en otros lugares de la cámara como se ha comentado anteriormente.

Además, el experto en la materia puede entender y efectuar variaciones de las realizaciones divulgadas a la hora de poner en práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la divulgación y las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un método para proporcionar una fuente de neutrones, comprendiendo el método (100):

proporcionar (102) una fuente de neutrones de un reactor nuclear (200), comprendiendo la fuente de neutrones del reactor nuclear (200): un recinto (202) que delimita una cámara (204), un núcleo de reactor nuclear (206) dispuesto dentro de la cámara (204), el núcleo del reactor nuclear (206) está configurado para producir neutrones a partir de un elemento de combustible nuclear (207) dentro del núcleo del reactor nuclear (206);

instalar (106) un generador de haz (402) dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara (204); retirar (104) el elemento de combustible nuclear (207) del núcleo del reactor nuclear (206) desde la cámara (204); e

instalar (108), dentro de la cámara (204), un objetivo (404) dispuesto para expulsar neutrones con el impacto del haz de manera que los neutrones sean expulsados desde el objetivo (404) y emitidos desde la cámara (204), en donde el acto de instalar un generador de haz (106) dispuesto para generar un haz dirigido al interior de la cámara comprende instalar el generador de haz (106) para formar parte de una fuente de neutrones de espalación para proporcionar neutrones o para formar parte de una fuente de neutrones compacta para proporcionar neutrones.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada (200) comprende una salida de haz de neutrones (209) dispuesta a través del recinto (202) para proporcionar un paso de neutrones para neutrones desde la cámara (204) y en donde el acto de instalar (108) el objetivo comprende disponer el objetivo (402) de manera que los neutrones expulsados desde el objetivo (404) sean emitidos desde la cámara (204) por medio del paso de neutrones.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el acto de retirar (104) el elemento de combustible nuclear (207) del núcleo del reactor nuclear (206) desde la cámara (204) forma un vacío (218) dentro de la cámara (204), y en donde el acto de instalar (108) ) el objetivo comprende disponer el objetivo (404) dentro del vacío (218).

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la cámara (204) de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada (200) comprende además un moderador (208), y en donde el acto de instalar (108) el objetivo comprende disponer el objetivo (502) dentro del moderador (208).

5. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la cámara (204) de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada (200) comprende además un reflector (226), y en donde el acto de instalar (108) el objetivo comprende disponer el objetivo (602) dentro del reflector (226).

6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada (200) comprende además una salida de haz de neutrones adicional (224) dispuesta a través del recinto (202) para proporcionar un paso de neutrones adicional para los neutrones desde la cámara (204), y en donde el acto de instalar (108) el generador de haz (402) comprende dirigir el haz al interior de la cámara (204) por medio del paso de neutrones adicional (224) sobre el objetivo (404, 502, 602, 702).

7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el recinto (202) de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada comprende además una columna térmica o un eje de acceso, y en donde el acto de instalar (106) el generador de haz comprende dirigir el haz al interior de la cámara (204) por medio de la columna térmica o el eje de acceso sobre objetivo.

8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el acto de instalar (106) un generador de haz comprende instalar el generador de haz o una parte del generador de haz dentro de la cámara.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el moderador (208) de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada (200) comprende un material seleccionado del grupo que consiste en H2O, D2O, hidrógeno o deuterio líquido o sólido, metano líquido o sólido, mesiteleno y hielo.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el reflector (226) de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada comprende un material seleccionado del grupo que consiste en grafito, berilio, acero, níquel de carburo de tungsteno, wolframio, agua pesada, plomo y aleaciones de estos.

11. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el acto de instalar (108) un objetivo comprende instalar un objetivo que comprende un material seleccionado del grupo que consiste en mercurio, tantalio, plomo, aleación líquida de plomo-bismuto, wolframio, renio, aleaciones de estos, o berilio y litio.

12. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la cámara (204) de la fuente de neutrones del reactor nuclear proporcionada (200) comprende además una fuente de neutrones calientes o fríos (230), y en donde el acto de instalar (108) un objetivo comprende disponer el objetivo (702) adyacente a la fuente de neutrones calientes o fríos (230).