AT241630B - Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen - Google Patents

Description

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  Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen 
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen nach dem Stammpatent Nr. 224227 und hat Verbesserungen zum Gegenstand, die den Anwendungsbereich der Vorrichtung nach dem Stammpatent vergrössern. 



   Die Vorrichtung nach dem Stammpatent besteht aus einem dichten, thermisch isolierten Behälter von geringen Abmessungen, der ein Bad mit einem primären Kühlmittel enthält und an einer Stelle mit grossem Strahlungsfluss gelegen ist, einem Wärmetauscher zum Kondensieren der von dem Bad ausgehenden Dämpfe mit einem sekundären Kühlmittel, wobei dieser Wärmetauscher in der Nähe des Bades in einem Bereich mit geringem Strahlungsfluss angeordnet ist, ferner aus einer Schwerkraftumlaufeinrichtung den kondensierten primären Kühlmittels zum Bad und einer Einrichtung zum Einführen des sekundären Kühlmittels sowie einer Einrichtung für die Umlaufbewegung des   sekundären Kühlströmungsmittels   in dem Wärmetauscher. 



   Bei dieser Vorrichtung ist es erforderlich, dass die Siedetemperatur des sekundären Kühlmittels, das einen offenen Kreislauf durchströmt, zwischen dem Siedepunkt und dem Gefrierpunkt des im geschlossenen Kreislauf vorhandenen primären Kühlmittels liegt. Wenn nämlich die Temperatur des Wärmetauschers durch die sekundäre Flüssigkeit auf einem Wert unterhalb des Gefrierpunktes der primären Flüssigkeit gehalten wird, so schlägt sich letztere in fester Form an den Wänden des Wärmetauschers nieder und kehrt nicht in das Bad zurück. 



   Es gibt noch weitere Gründe, die bei der Vorrichtung gemäss dem Stammpatent die Verwendung zweier Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen Eigenschaften ausschliessen. Gerade hieran besteht jedoch ein grosses Interesse. Auf diese Weise sind nämlich Untersuchungen von Flüssigkeiten möglich, die nur in begrenzten Mengen zur Verfügung stehen oder in denen man die durch die Strahlung gebildeten Produkte zu konzentrieren sucht. So kann beispielsweise die erste Flüssigkeit Methan und die zweite Flüssigkeit, diL vom Wärmetauscher Wärme abführt, Stickstoff mit handelsüblicher Reinheit sein. 



   Ein anderer Fall, in dem es von Interesse ist, zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Art zu benutzen, liegt dann vor, wenn man Bestrahlungen von Proben bei sehr niedriger Temperatur durchführen will und diese Proben verwerten will, ohne sie nach der Bestrahlung wieder zu erwärmen. Für Bestrahlungen bei etwa   20 K   kann die zweite Flüssigkeit Wasserstoff sein, die dem Wärmetauscher in flüssiger Form zugeführt wird, hier ihre Kühlenergie abgibt und den Wärmetauscher in Gasform im offenen Kreis verlässt. Die im Stammpatent beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen den Aufbau eines offenen Wasserstoffkreises, dessen Kontinuität durch das Einführen und Herausnehmen der Proben nicht beeinträchtigt wird, was im Hinblick auf die Betriebssicherheit von besonderer Bedeutung ist.

   Während diese Vorrichtungen jedoch auch anwendbar sind, wenn als primäre Kühlflüssigkeit gleichermassen Wasserstoff verwendet wird, so ist ihre Benutzung bei Verwendung eines Edelgases, wie beispielsweise Neon, nicht mehr möglich, obwohl dies die Konstruktion der Kühlvorrichtung und das erwähnte Einbringen der Proben sehr erleichtern würde. 

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   Man kann in gewissen Fällen die Schwierigkeit dadurch umgehen, dass man den Druck vergrössert, der im Behälter des primären Kühlmittels herrscht, um dessen Gefriertemperatur auf einem geeigneten Wert zu halten. Auf diese Weise kann mann-wie dies bereits im Stammpatent erwähnt   ist - als sekundä-   res Kühlmittel beispielsweise handelsüblichen Stickstoff und als primäres Kühlmittel Methan verwenden. 



   Die Notwendigkeit, in dem das primäre Kühlmittel enthaltenden Behälter einen verhältnismässig hohen Druck aufrechtzuerhalten, der ein Mehrfaches des Atmosphärendruckes betragen kann, ist jedoch störend und kompliziert die Vorrichtung ; es ist dann ferner erforderlich, die Druckfestigkeit und die Dichtigkeit der Behälter, der Rohrleitungen, Ventile und sonstigen Bauelemente des Kühlmittelkreises   entspre-   chend zu wählen und zu überwachen. 



   Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, die die Vorteile der Anordnung nach dem Stammpatent aufweist und die Verwendung zweier Kühlmittel unterschiedlicher Art gestattet, wobei jedoch die Mängel vermieden sind, die sich aus der Anwendung eines erhöhten Druckes im geschlossenen Kreislauf des primären Kühlmittels ergeben. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher eine isolierendevorrichtung zur Verringerung des Wärmeaustausches zwischen den beiden Kühlmitteln enthält, ferner eine Heizvorrichtung für die Wärmetauscheroberfläche, die in Berührung mit dem primären Kühlmittel steht, welche Heizvorrichtung vorzugsweise von einem mit   der W ärmetauscheroberfläche   in enger Berührung stehenden elektrischen Widerstand gebildet ist, wobei der Gefrierpunkt des primären Kühlmittels oberhalb der Verflüssigungstemperatur des sekundären Kühlmittels liegt und   beide Vorrichtungen einen Temperaturgra-   dienten zwischen den beiden Kühlmitteln hervorrufen.

   Der die Heizvorrichtung vorzugsweise bildende elektrische Widerstand kann von einem Steuerkreis gespeist werden, der eine Regulierung der umgesetzten elektrischen Leistung gestattet. 



   Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles hervor, welches im Längsschnitt schematisch dargestellt ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform   beschränkt ; es   sind vielmehr zahlreiche weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. 



   In der Zeichnung ist einevorrichtung gezeigt, die eine Bestrahlung von Proben durch den vom Kern eines Schwimmbeckenreaktors ausgehenden Neutronenstrom ermöglicht. Die Gesamtanordnung entspricht im wesentlichen der   imStammpatent   beschriebenen Ausführung. Die dargestellte Vorrichtung benutzt als sekundäres Kühlmittel flüssigen Wasserstoff mit einer Siedetemperatur   von20, 4 Kbei normalem   Atmosphärendruck und als primäres Kühlmittel flüssiges Neon mit einer Siedetemperatur von 27, 30K und einem Gefrierpunkt von 24,   5 K   bei dem gleichen Druck. Das von flüssigem Neon gebildete Kühlbad 1 steht unter der Wirkung der vom Reaktorkern ausgehenden Strahlung 2. Dieses Bad 1 befindet sich in einem Tiegel 11 oder unmittelbar in dem geschlossenen Behälter 3, in dem ein Druck nahe dem Atmosphärendruck herrscht.

   Ein Wärmeübergang vom Wasser des Schwimmbeckens, in dem sich die Vorrichtung befindet, auf den Behälter 3 wird dadurch weitgehend vermieden, dass sich der Behälter 3 in einem rohrförmigen Behälter 4 befindet und in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen diesen beiden Behältern 3,4 ein Vakuum herrscht, wie dies im Stammpatent im einzelnen beschrieben ist. 



   Das sekundäre Kühlmittel 5 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel Wasserstoff. Der flüssige Wasserstoff wird über eine Zuleitung 6 in einen Mantel 7 geführt, der einen Teil des Behälters 3 oberhalb des Bades 1 umgibt. Der verdampfte Wasserstoff entweicht über eine Leitung 8 und gelangt zu einem Kreis A, wo er von neuem verflüssigt und anschliessend wieder der Leitung 6 zugeführt wird. Der Mantel 7 wird gleichfalls von dem bereits erwähnten Vakuum umgeben. In diesem ganzen offenen Kreis herrscht ein Druck in der Nähe des Atmosphärendruckes. Der Mantel 7 kann auch durch eine einfache knollenförmige Verdickung ersetzt werden, die lediglich mit einem   winkelförmigen   Sektor des Mantels 3 in Berührung steht. 



   Die Kondensation des Neons erfolgt an der inneren Oberfläche eines Rohres 9, das aus einem guten metallischen Leiter, wie beispielsweise Kupfer, besteht und dessen Durchmesser etwas kleiner als der des Mantels 3 ist. Ein Heizwiderstand 10, der am Rohr 9 angeordnet ist und mit diesem einen engen thermischen Kontakt aufweist, liegt in einem elektrischen Kreis B, der dem Widerstand 10 eineeinstellbare Leistung zuführt. Dieser nur schematisch dargestellte Kreis B enthält einen Widerstand 12, der über eine Betätigungsvorrichtung 13 in Abhängigkeit von der Anzeige eines Thermometers 11 geregelt wird.

   Das auf den Dampfdruck ansprechende Thermometer 11 ist an der Oberfläche des Rohres 9 
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 Drähte   92     den Tiegel 11   tragen, so dass man das Rohr 9 und den Tiegel l, gemeinsam aus dem Behälter 3 herausheben kann. 

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   Der   flüssige Wasserstoff   5, der in dem Mantel 7 bei einem Druck leicht oberhalb des normalen Atmosphärendruckes siedet, hält die Wand des Behälters 3, mit der er in Berührung steht, auf einer Temperatur von   20oK.   Neon verfestigt sich in dem Zwischenraum 14 zwischen dem Behälter 3 und dem Rohr 9, dessen innere Oberfläche die   Kondensatiomfläche   für das Neon, d. h. die Oberfläche für den eigentlichen Wärmeaustausch bildet. Die feste Neonschicht in dem Zwischenraum 14 bildet einen thermischen Widerstand, der es ermöglicht, der   Wärmetauscheroberfläche   eine Temperatur zu geben, die oberhalb der Temperatur des Teiles des Wasserstoffkreises liegt, in dem dieser bei einem Druck in der Nähedes normalen Atmosphärendruckes siedet. 



   Die Temperatur der Wärmetauscheroberfläche wird dadurch   oberhalb von 24, 50K, dem   Gefrierpunkt des Neons, gehalten, dass die erforderliche elektrische Leistung der Heizwicklung. 10   in Abhängigkeit   von der Anzeige des Thermometers 11 zugeführt wird. 



   Bei Inbetriebnahme der mit   gasförmigemNeon gefüllten Vorrichtung verflüssigt   der umlaufende Wasserstoff während einer ersten Phase zunächst die Menge Neon, die für das der Strahlung ausgesetzte Bad 1 erforderlich ist. Dann wird, nachdem der Dauerbetriebszustand erreicht ist, die Leistung so geregelt, dass die aufsteigenden Neondämpfe kondensiert werden, die von der Energieumsetzung der Strahlung 2 in den Wänden, im flüssigen Neonbad und in der eventuell eingebrachten Probe herrühren. 



   Bei. einem praktischen Ausführungsbeispiel entsprechend dem in der Zeichnung dargestellten Schema weist der geschlossene Behälter 3 beispielsweise einen Durchmesser von 30 mm auf, der Zwischenraum 14 eine Stärke von 0,5 mm und die Wärmetauscheroberfläche eine Grösse von 300   cm2 : der   Durchsatz an flüssigem Wasserstoff beträgt 12 l/h. Die nutzbare Kühlleistung im Bad liegt dann bei etwa 80 W. Die zur Regulierung der Temperatur der eigentlichen Kondensationsoberfläche erforderliche elektrische Leistung ist beim Dauerbetrieb mit maximaler Leistung Null und nimmt Zwischenwerte (bis maximal 80 W) an, wenn im Bad 1 eine geringere bzw. gar keine Leistung umgesetzt wird. Die Zuführung von elektrischer Energie kann kontinuierlich oder impulsweise erfolgen, jedoch stets in Abhängigkeit der Anzeige des Thermometers 11. 



   Es sei hervorgehoben, dass der vom sekundären Kühlmittel durchströmte Kreis A, wozu auch der im Behälter 4 liegende Teil gehört, unabhängig von dem Behälter 3 mit dem primären Kühlmittel ist : Das Einbringen und Herausnehmen der Probe in den bzw. aus dem geschlossenen Behälter 3 kann über das obere Ende dieses Behälters bewirkt werden, ohne dass hiebei der Kreis A irgendwie beeinträchtigt wird ; dieser bleibt vielmehr von der Atmosphäre getrennt. Dieses zweite Merkmal ist aus Sicherheitsgründen insbesondere dann von Interesse, wenn das sekundäre Kühlmittel flüssiger Wasserstoff ist. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen, mit einem dichten, thermisch isolierten   Behältervon geringen Abmessungen, der ein   Bad mit einem primären Kühlmittel enthält und an einer Stelle mit grossem Strahlungsfluss gelegen ist,   einem Wärmetauscher   zum Kondensieren der von dem Bad ausgehenden Dämpfe mit einem sekundären Kühlmittel, wobei dieser Wärmetauscher in der Nähe des Bades in einem Bereich mit geringem Strahlungsfluss angeordnet ist, ferner mit einer Schwerkraftumlaufeinrichtung des kondensierten primären Kühlmittels zum Bad und einer Einrichtung zum Einführen des sekundären Kühlmittels 
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 -Kühlmittel (l) steht,

   welche Heizvorrichtung vorzugsweise von einem mit der   Wärmetauscherober fläche   in enger Berührung stehenden elektrischen Widerstand gebildet ist, wobei der Gefrierpunkt des primären Kühlmittels   (1)   oberhalb   der Verflüssigungstemperatur   des sekundären Kühlmittels (5) liegt und beide Vorrichtungen (14, 10) einen Temperaturgradienten zwischen den beiden Kühlmitteln hervorrufen.

Claims (1)

1. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher durch ein gut wärmeleitendes, vorzugsweise rohrförmiges Element (9) gebildet ist, das in dem dichten Behälter (3) angeordnet und durch einen schmalen Zwischenraum (14) von der in Berührung mit dem sekundären Kühlmittel (5) stehenden Oberfläche des Behälters (3) getrennt ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (14) <Desc/Clms Page number 4> derart eng bemessen ist, dass er von einem Niederschlag des primären Kühlmittels (1) in fester Phase ausgefüllt wird.