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Neutronen-Generator Die Erfindung bezieht sich. auf eine Einrichtung zur Erzeugung insbesondere extrem hoher Neutronenflüsse, also einen Neutronen-Generator mit einem evakuierten Strahlrohr für den Zustrom hochenergetischer Protonen zu einem Neutronen erzeugenden Target, welches für Protonenstrahlen verwendet werden kann, die eine Strahlstromstärke bis zu 100 mA besitzen und durch gesteuerte elektromagnetische Felder auf 1 GeV beschleunigt sind.
Die Gesamtenergie dieses Protonenstrahls wird dann etwa in der Grössenordnung von 60 Megawatt liegen, von denen angenähert 35 Megawatt als Wärme aus dem Target abgeführt werden müssen, während die Nuklearkaskade eine Neutronenquelle mit einer Leistung von 1019 Neutronen pro Sekunde bilden kann. Im Strahlrohr wird dazu ein Vakuum von etwa 10-9 Torr erzeugt.
Wenn sich das Target nicht in einem Vakuum befindet, müssen Massnahmen getroffen werden, die das Vakuum, in dem der Protonenstrahl erzeugt wird, so lange ungestört lassen, bis der Strahl das Target erreicht. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht in der Anordnung eines Fensters aus einem Material, das für Protonen verhältnismässig durchlässig ist. Als Material für dieses Fenster wäre Beryllium denkbar, jedoch ergeben sich an diesem Fenster sehr starke Strahlungsschäden, die durch den Neutronen- fluss vom Target und dem Protonenstrom verursacht werden.
Neutronenbestrahlung von Beryllium und rostfreiem Stahl erhöht die Zugfestigkeit, verringert die Leitfähigkeit und kann bei Beryllium zu einer Volu- menvergrösserung führen. Diese Veränderungen beruhen wahrscheinlich auf der Bildung von Zwischenglie- derketten und Leerstellenketten sowie auf Helium, das durch Umwandlung von Beryllium erzeugt wird. Mit dem Wachsen des Heliumgehalts im Beryllium nimmt die mechanische Anfälligkeit des Vakuumdichtungsfen- sters zu.
Ausserdem würde bei einem 60 Megawatt Strahl die Wärmeabgabe an einem Fenster von 19 kW pro mm Dicke Beryllium auf 72 kW pro mm Eisen variieren. Die Probleme der Korrosion und Kühlung könnten durch Anordnung des Fensters an der Aussenseite der Targetanlage sowie dadurch erleichtert werden, dass der Raum zwischen dem Fenster und einem Flüssigmetalltarget mit einem Inertgas unter Druck gesetzt wird. Jedoch würde die Wärmeabgabe in einer 2 Meter Argonsäule bei 2,11 kg/cm2 42 kW und bei Helium 3,6 kW betragen. Es ergibt sich, dass das Fenster selbst gekühlt werden müsste und.
das die durch das Kühlmittel absorbierte Strahlung darüber hinaus die Erwärmung des Fensters und die dadurch bedingten Energieverluste vergrössern würde. Das Druckgas müsste kontinuierlich ersetzt werden, um die Verluste in einem fliessenden Flüssigmetall auszugleichen.
Die vorgenannten Probleme werden durchweg dadurch vermieden, dass als Target ein flüssiger Metallstrom dient, der am Ende des Strahlrohrs vorbeigeführt ist und zu einem Wärmeaustauscher und wieder zum Strahlrohr zurückströmt, um im Wärmeaustauscher die im Targetbereich erzeugte Wärme abzugeben.
Zweckmässigerweise besteht der flüssige Metallstrom, der sowohl den fensterlosen Abschluss des Strahlrohres wie auch das Target und dazu noch das Wärmetransportmittel vom Targetbereich zum Wärmeaustauscher bildet, aus einer Blei-Wismuth-Le- gierung. Des weitern betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Generators, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der flüssige Metallstrom mit einer solchen Geschwindigkeit am Ende des Strahlrohres vorbeigeführt wird, dass sich am Strahlrohrende eine das Rohr abschliessende Kavitationsblase bildet.
Im Gegensatz zu einer Anordnung mit Fenster liefert die Anordnung nach der Erfindung einen klaren und ungestörten Weg für den Protonenstrahl zum Tar- get, ferner ein Target, das gegen die durch die Bestrahlung erzeugte starke Hitze widerstandsfähig ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine Modifikation werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Neutro- nen-Generators gemäss der Erfindung;
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Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des in dem erfindungsgemässen Neutronengenerator verwendeten Protonenstrahl- und Targetsystems und Fig.3A und 3B eine abgewandelte Ausführungsform im Aufbau des Strahlrohrs und des Fluidstroms des Kühlmittel-Targets.
Gemäss Fig. 1 wird ein Protonenstrahl 10 in ein Target 11 geschickt, das von einem in einem Schutzmantel 13 eingeschlossenen Moderator 12, z. B. Schwerwasser, umgeben ist. Eine Pumpe 14 pumpt ein Wärmeaustauschmedium vom Target 11 zum Wärme- austauscher 15 und zurück zum Target 11. Auf diese Weise wird die im Target während des Betriebs erzeugte Wärme durch eine herkömmliche Wärmeüber- tragungs-Wärmeaustauscheinrichtung vom Target abgeführt.
Beim Betrieb eines Neutronen-Generators bestrahlt der Protonenstrahl 10 das Target und erzeugt einen intensiven Neutronenfluss und Wärme im Target 11. Der intensive Neutronenfluss kann mit Hilfe nicht dargestellter Strahllöcher durch den Moderator 12 hindurch nach aussen geleitet werden, während die Wärme vom Target durch ein Wärmeaustauschmedium abgezogen wird, das durch den Wärmeaustauscher 15 strömt.
In der Fig. 2 ist eine nach der Erfindung ausgebildete Anordnung für die Erzeugung eines intensiven Neutronenflusses dargestellt. Wie zuvor wird ein Protonenstrahl 10 entlang einem Strahlrohr 16 in ein Tar- get 11 beschleunigt und ruft, wie auch andere Bestrahlungen, einen intensiven Neutronenfluss und Wärme hervor. Das Target besteht aus einer flüssigen Legierung, hier einer Blei-Wismuth-Legierung, die gleichzeitig auch das Arbeitsmittel für den Wärmeaustauschkreislauf abgibt. Die gewählte Blei-Wismuth-Legierung kann jede gewünschte Zusammensetzung haben; bevorzugt wird jedoch das Eutektikum, da es den niedrigsten Schmelzpunkt hat, womit es für den Generator als höchst erwünscht erscheint.
Das flüssige Blei-Wismuth- Eutektikum gelangt über das. Rohr 17 in den Targetbe- reich und strömt nach unten durch den verengten Abschnitt IS des Rohrs 17 und an dem offenen Ende 19 des Stralrohrs 16 vorbei. Die flüssige Blei-Wismuth- Legierung wird dann im Targetbereich 11 dem Protonenstrahl 10 ausgesetzt und dort stark erhitzt; an- schliessend wird die Legierung durch den unteren Abschnitt 20 des Rohrs 17 abgezogen.
Die flüssige Blei- Wismuth-Legierung wird beim Durchgang durch den Targetbereich beträchtlich erhitzt; diese Wärme wird mit Hilfe eines Wärmeaustauschers abgezogen, und es wird die flüssige Blei-Wismuth-Legierung dann erneut durch den Targetbereich geschickt. Wie in der Fig.2 gezeigt, wird erfindungsgemäss am freien Ende 19 des Strahlrohrs 16 eine Kavitationsblase 21 gebildet, die in wirkungsvoller Weise das freie Ende des Strahlrohrs 16 abdichtet und auf diese Weise dafür sorgt, dass das Vakuum des Protonenstrahl-Generatorsystems ungestört bleibt.
Die schnellfliessende Targetflüssigkeit strömt durch einen eingeschnürten Abschnitt 18 des Rohrs 17 und erzeugt am freien Ende 19 des Strahlrohrs 16 ein sehr kleines Vakuum und demzufolge eine Kavitationsblase 21. Hierdurch wird das Vakuum ohne ein Fenster und ohne alle diejenigen schwerwiegenden Nachteile und Probleme aufrechterhalten, die bei Verwendung eines Vakuumfensters vorliegen. Auf diese Weise werden bei einem Neutronengenerator mit einer Protonenstrahlenergie von 65 Megawatt ungefähr 37 Megawatt durch Ionisationsprozess in dem Blei-Wis- muthtarget abgegeben. Die Neutronen bilden etwa 15 Megawatt als kinetische Energie, von der ein grosser Teil in dem in üblicher Weise von Schwerwasser gebildeten Moderator 12 gefangen wird.
Die verbleibenden 13 Megawatt Eneraie erscheinen als Gammastrahlung im Target, Moderator und Schutzmantel 13.
Bei ausschliesslicher Betrachtung der Wärme im Target 11. kann in diesem ein Temperaturanstieg von angenähert 250 C zugelassen werden. Dementsprechend ist ein Massenstrom von etwa 1 Tonne pro Sekunde durch den Targetbereich 11 erforderlich. Die Fig. 2 zeigt die axiale Strömungsgeometrie einer für die Verwendung bei einem Neutronen-Generator geeigneten Vorrichtung. Diese besondere Axialströmungsan- ordnung geniesst aus zahlreichen Gründen den Vorzug. Erstens verdrängt das Targetmaterial ein Minimum des Moderators. Die axiale Symmetrie liefert ein Maximum an Flexibilität in der Anordnung von Neutronenstrahlrohren und Strahlungseinrichtungen.
Das Protonenstrahlrohr 16 liegt koaxial zu dem Flüssigmetallrohr 17, wobei die Fliessgeschwindigkeit so hoch gewählt ist, dass am Ende 19 des Strahlrohrs 16 Kavita- tion auftritt. Glücklicherweise liegen die Dampfdrücke von Blei und Wismuth bei den vorherrschenden Temperaturen im Bereich von 10-7 Torr. Kavitation tritt ein, und es arbeitet das System als Exhaustor oder als Strahlpumpe, so dass ein Strahlrohrfenster überflüssig ist. Der Rückstrom von Metalldampf kann durch Kühlung der Wände des Strahlrohrs mit einer kalten Auffangeinrichtung 22 verhindert werden.
Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass der heisseste Bereich des Eutektikums sich nicht mit dein Strahlrohr 16 in Berührung befindet. Die Temperatur der mit dem Rohr 20 in Berührung befindlichen Flüssigkeit liegt nahe der Massentemperatur des Targetmaterials nach Absorbierung der Strahlenergie.
Die Fig. 3A und 3B zeigen eine weitere Ausführungsform des Rohrs 17 und des Strahlrohrs 16, die verwendet werden können. Der grundsätzliche Unterschied zwischen dieser Ausbildung des Rohrs 17 und derjenigen in Fig. 2 besteht darin, dass um das Strahlrohr 16 herum innerhalb des Rohrs 17 eine Mehrzahl von Leitflügeln vorgesehen und so angeordnet sind, dass sie eine Rotation der flüssigen Blei-Wismuth-Le- gierung um das Ende des Strahlrohrs 16 und im Abschnitt 18 des Rohrs 1.7 verursachen, so dass sich am Ende 19 des Strahlrohrs 16 ein umlaufender Strom ergibt, der die Stabilität der Kavitationsblase 21 erhöht.
Die Erfindung ermöglicht somit einen verbesserten Aufbau für einen Neutronen-Generator sowie ein verbessertes Target, der aus flüssiger Blei-Wismuth-Legie- rung besteht; dieses Target wird vom Strom einer flüssigen Blei-Wismuth-Legierung gebildet, der koaxial zum Strahlrohr des Protonengenerators liegt und auf diese Weise am freien Ende des Strahlrohrs eine Kavi- tationsblase hervorruft, so dass die Vakuumabdichtung durch ein für Protonen transparentes Fenster und die damit verbundenen Nachteile beseitigt sind.