CH643675A5

CH643675A5 - Targetanordnung fuer spallationsneutronenquellen.

Info

Publication number: CH643675A5
Application number: CH940979A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Bauer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1978-11-18
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1984-06-15
Also published as: FR2441993B1; DE2850069C2; US4360495A; DE2850069A1; GB2038074B; US4582667A; GB2038074A; CA1135880A; FR2441993A1; JPS5581500A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Targetanordnung für Spallationsneutronenquellen, bei der kontinuierlich Targetmaterial am Auftreffpunkt des Protonenstrahls vorbeigeführt wird.

Mit der jüngsten Entwicklung der Beschleunigungstechnik für hohe Protonenströme (im mA-Bereich) wurde es grundsätzlich möglich, eine Spallation (Kernverdampfung) schwerer Elemente durch energiereiche Protonen (etwa 1 GeV) zum Bau von Neutronenquellen einzusetzen, die in ihrem thermischen Neutronenfluss einem Hochflussreaktor äquivalent sind oder diesen noch übertreffen. Dabei ergeben sich gegenüber einem Reaktor grundsätzliche Vorteile, wie zum Beispiel der Verzicht auf spaltbares Material, wesentlich reduzierte Erzeugung radioaktiver Edelgase und ein erheblich geringeres Gefährdungspotential für die Umwelt, da keine kritische Anordnung existiert.

Derartige Spallations-Neutronenquellen könnten in Zukunft Forschungsreaktoren weitgehend ersetzen und auch als Vorstufe für elektrische Brütanlagen eine hohe Bedeutung gewinnen, wenn das Problem der Wärmeabfuhr aus dem Target befriedigend gelöst werden kann. Die in einem Spalla-tionstarget anfallenden hohen Wärmedichten von etwa 10 MW/1, die eine Aufheizrate des Materials von 104 k/s und mehr bewirken, bereiten erhebliche Schwierigkeiten.

Leistungsfähige Spallationsquellen wurden bisher noch nicht gebaut. Als Vorstufen anzusehende gepulste Neutronenquellen verwenden wassergekühlte stationäre Targetanordnungen mit Leistungsdichten von einigen kW/1 im zeitlichen Mittel (J.M. Carpenter, Nuc. Inst. Met. 145 [1977] 91-112).

Nach einem Projektvorschlag von 1966 (Bartholomew G.A. und Tunnicliffe P.R. «The AECL-Study for an intense neutron generator, Chalk River, AECL-2600 [1966]) soll der Protonenstrahl vertikal in ein strömendes Target aus flüssigem Blei-Wismut-Eutektikum eingeschossen werden, das mit hoher Geschwindigkeit (etwa 5 m/s) in einem das Target und einen Wärmetauscher enthaltenden Kreislauf umgepumpt wird. Dabei muss eine grosse Menge flüssigen radioaktiven Metalls (einige Tonnen) in Umlauf gehalten werden. Dieses Konzept wurde bislang für die einzig mögliche Lösung des Problems gehalten. Eine derartige Anlage hat jedoch folgende Nachteile:

- Der Protonenstrahl von 1 GeV Energie und einigen Milliampere Stromstärke muss, um ein stationäres Einschussfenster zu vermeiden (das nach kurzer Zeit zerstört würde) in vertikale Richtung umgelenkt werden. Dies ist schwer realisierbar und mit hohem Aufwand verbunden.

- Der Flüssigmetallkreislauf ist auf die Verwendung des Pb-Bi-Eutektikums angewiesen. Dadurch wird bei der Spallation das langlebige, flüchtige und giftige Quecksilberisotop 194-Hg und durch Neutroneneinfang im Wismut das besonders unangenehme, weil a-aktive und flüchtige Polonium erzeugt. Beides könnte bei Einsatz von hochschmelzenden Schwermetallen, wie W oder Ta, vermieden werden.

- Zur Erzeugung besonders hoher Neutronenflüsse ist es unter Umständen wünschenswert, die durch schnelle Neutronen spaltbaren Materialien Th oder U-238 einzusetzen. Diese können wegen ihres hohen Schmelzpunktes ebenfalls nur in festem Zustand verwendet werden.

- Der Flüssigmetallkreislauf ist technisch sehr aufwendig, mit hohen Kosten verbunden und wegen der grossen gespeicherten Wärmemenge im Falle eines Bruchs der stark belasteten Rohrleitungen gefährlich.

- Eine Rückhaltung der Reaktionsprodukte ist in der Flüssigkeit nicht gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Targetanordnung zu entwickeln, die ein hohes Mass an Flexibilität in der Wahl des Targetmaterials gewährleistet und bei der das Target als Festkörper zum Einsatz kommt, wodurch die Reaktionsprodukte weitgehend zurückgehalten werden. Angestrebt wird ferner ein gegenüber dem Flüssigmetallkreislauf geringerer technischer Aufwand und eine Anordnung, die einen horizontalen Einschuss des Protonenstrahls erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Targetanordnung der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial am Umfang eines rotierenden, innen gekühlten Rades angeordnet ist.

Vorzugsweise erfolgt die Innenkühlung des Rades durch Zu- und Abführung des Kühlmittels, das vorzugsweise durch Wasser gebildet wird, über die Welle des Rades, insbesondere über den oberhalb des Rades befindlichen Wellenteil (unter gleichzeitiger Kühlung der Wellenlager). Das Radinnere wird durch einen umhüllenden Mantel gegen das umgebende Vakuum im Bereich des Beschleunigerkanals abgeschirmt. Dieser äussere Mantel wirkt im Bereich seiner allgemein zylindrischen Fläche als Eintrittsfenster für den Protonenstrahl und besteht daher in diesem Bereich insbesondere aus einem Metall mit geringer Massenzahl, wie AI, Zr oder Ti. Dieses Fenster wird von dem über die Radwelle zutretenden Kühlmittel, welches das am Radumfang vorgesehene Targetmaterial durchsetzt, unmittelbar gekühlt.

Fenster und Targetmaterial sind insbesondere auswechselbar konzipiert. Das allgemein ringförmige eigentliche Target kann aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt sein.

Das ganze Rad läuft im Volumen, das mit dem Volumen des Protonentunnels in Verbindung steht. Da der Druck im Bereich des Rads voraussichtlich um einige Grössenordnun-gen über dem im Protonentunnel erforderlichen Druck liegen wird, sind einige Drosselstellen vorgesehen, zwischen denen

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Für den Aufbau des Targetmaterials und der in ihm enthaltenen Kühlkanäle lassen sich eine Vielzahl von Möglichkeiten finden, die unter einer Reihe von Aspekten, wie mechanische und thermische Belastung, Austauschbarkeit, Kühlmittelströmung und anderes mehr zu beurteilen sein werden. Der einfachste Fall eines vollen Rings, der nur aussen vom Kühlmittel umströmt wird, ist zwar prinzipiell realisierbar, führt aber wegen der grossen Wärmeleitungsstrecken von etwa 3 cm bei einem 6 cm hohen Target zu Temperaturen um 800 °C im Targetinneren. Diese sind selbst bei hochschmelzenden Targetmaterialien nicht wünschenswert, wegen der entstehenden mechanischen Spannungen. Es wird daher eine geteilte Anordnung vorzusehen sein, die auch vom Standpunkt der Demontage in einer Heissen Zelle vorteilhaft ist.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Targetmaterial von evolventenförmigen Kühlmittelkanälen durchzogen, die für die Kühlmittelzufuhr entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rades gekrümmt sind und in den Spalt zwischen Fenster und Targetmaterial münden. Die Rückführung des Kühlmittels kann über entgegengesetzt gekrümmte, evolventenförmige Kühlkanäle im Targetmaterial erfolgen oder aber längs der umhüllenden Mantelfläche.

Zu diesem Zweck kann das eigentliche ringförmige Target mit gekrümmten, insbesonders evolventenförmigen Nuten versehen oder aus Segmenten zusammengesetzt sein, zwischen denen entsprechende Kanäle freigelassen sind. Die Segmente können für eine einfache Montage auf dem Rad mit einem Fuss versehen sein. Die Anordnung des Targetmaterials mit insbesondere evolventenförmig gekrümmten Nuten oder Kanälen hat den Vorteil, dass innerhalb des dazwischenliegenden Targetmaterials immer ein gleicher Wärmeweg für die Ableitung der vom eindringenden Protonenstrahl erzeugten Wärme vorhanden ist.

Als besonders zweckmässig wird zurzeit eine (den Wärmeabfuhrbedingungen angepasste) Segmentbreite von etwa 1 bis 2 cm angesehen. Die dazwischen angeordneten Kanäle haben etwa eine Breite von 1 bis 2 mm. Diese Zusammensetzung des Targets aus gekrümmten, insbesondere evolventenförmigen Segmenten oder (zwischen Nuten gebildeten) «Pseudo-Seg-menten» hat im übrigen den Vorteil, dass über die Gesamtdicke des Targetmaterials reichende Kühlkanäle vorgesehen werden können, ohne dass der Protonenstrahl im Verlauf der Radbewegung auf praktisch targetmaterialfreie Bereiche trifft.

Um ein Aufbiegen der Segmente durch die Zentrifugalkraft zu vermeiden, könnten für hohe Drehzahlen flächenhaft Bleche auf der Ober- und Unterseite der Segmente mit diesen verbunden werden.

Vorzugsweise ist das Rad horizontal angeordnet, und sein an der Peripherie vorgesehenes Targetmaterial bewegt sich so senkrecht zu einem in allgemein horizontaler Richtung auftreffenden Protonenstrahl. Der Raddurchmesser liegt insbesondere bei etwa 2,5 m. Mit Rotationsgeschwindigkeiten in der Gegend von etwa 1 Hz kann man so erreichen, dass die Wärme durch Materialtransport aus ihrer Entstehungszone genügend rasch herausgeführt wird, so dass nur eine Aufheizung von grössenordnungsmässig 100 K erfolgt. Bei einer Protonenenergie von etwa 1 GeV beträgt zum Beispiel die dafür erforderliche Umfangsgeschwindigkeit rund 2 m/s pro MW der im Target umgesetzten Energie. Das Targetmaterial, das im übrigen durch ein Kühlmittel - wie insbesondere mit Wasser - gekühlt wird, erlangt während des restlichen Umlaufs seine Ausgangstemperatur zurück.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen schematisch:

Fig. la und lb den Targetaufbau und

Fig. 2a bis 2c dessen Anordnung in einer Spallationsneu-tronenquelle.

Gemäss Figur la wird die erfindungsgemässe Targetanordnung im wesentlichen durch ein umhülltes Rad 1 auf einer Radwelle 2 gebildet, über die Kühlmittel in der in Figur lb skizzierten Weise zur Radscheibe und zum Targetring zu-beziehungsweise von dort abgeführt wird.

Der äussere Mantel des Rades bildet an seiner allgemein zylindrischen Fläche ein Fenster 3 für den Protonenstrahl 4. Dieses Fenster kann angeschweisst oder angeschraubt sein, wobei die im oberen Teil der Figur la gezeigte Variante einen erleichterten Fensterwechsel gestattet. Das Targetmaterial 5 ist längs des Radumfanges verteilt und wird insbesondere von nutenförmigen Kühlkanälen durchsetzt, wie es im Schnitt A-A von Figur la angedeutet ist, oder durch gekrümmte Segmente gebildet, wie es mehr im einzelnen in Figur lb gezeigt wird.

Gemäss Figur lb wird das aus Segmenten 5' zusammengesetzte Targetmaterial von Kanälen 6 durchsetzt, die vorzugsweise zwischen den Segmenten gebildet werden. Das über die entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rades gekrümmten Kühlkanäle zutretende Kühlmittel gelangt, unterstützt durch Fliehkraftwirkung, in den Spalt 7 zwischen Target 5 und Fenster 3, das auf diese Weise intensiv gekühlt wird. Die Rückführung des Kühlmittels erfolgt entweder durch entgegengesetzt gekrümmte Kanäle innerhalb des Targets oder aber längs des Radmantels. Im unteren Teil der Figur lb ist der Kühlmittelverlauf innerhalb der Radscheibe angedeutet. Diese kann, wie in Figur la angedeutet ist, eine (von Kühlmittelzufuhrkanälen durchsetzte) Tragstruktur aufweisen oder weitgehend hohl sein, wobei die jeweilige Ausführungsform von den bestehenden Stabilitätsforderungen bestimmt wird. Die in Figur lb gezeigte flächenhafte Verbindung von Segmenten mit unterschiedlicher Krümmungsrichtung hat den Vorteil, dass ein Aufbiegen der Segmente weitgehend verhindert wird. Der gezeigte Schichtaufbau bietet ferner die Möglichkeit, ein heterogenes Target vorzusehen, da die mittleren Segmente aus dem Material des Spallationstargets und die äusseren aus einem neutronenmultiplizierenden Medium (zum Beispiel Be) gefertigt sein könnten. Falls spaltbares Material zum Einsatz kommen sollte, könnte der Mittelteil aus U-238 (oder, wegen der leichteren Bearbeitbarkeit, besseren Wärmeleitung und des Fehlens von Phasenübergängen: aus Thorium) gefertigt werden, und die äusseren (Be-)Seg-mente könnten mit einer etwa 1-2 mm dicken Schicht aus 20% angereichertem Uran belegt werden, in dem die zurückströmenden thermischen Neutronen nahezu völlig absorbiert und zur Spaltung ausgenutzt werden. Auch in diesem Fall könnten die äusseren Segmente aus Be gefertigt sein, um die n-2n-Prozesse bei Energien oberhalb 2 MeV zu nutzen und für die Spaltneutronen eine gewisse Reflektorwirkung zu erzielen.

Die Anordnung eines solchen Targets mit senkrecht stehender Radachse in einer Spallationsneutronenquelle wird in den Figuren 2a bis 2c skizziert, die den wesentlichen Aufbau einer solchen Quelle (2a) mit der Zuordnung von Targetmaterial und Protonenstrahl beziehungsweise Strahlrohren in Aufsicht (2b) sowie die Anordnung des Drehtargets und dessen Lagerung im Moderatortank (2c) zeigen.

Wie man sieht, tritt der Protonenstrahl durch die Peripherie des Rades ein. Die im Target freigesetzten Neutronen treten an der Ober- und Unterseite des Targets aus und in einen dort angeordneten Moderator (zum Beispiel D2O) ein, wo sie thermalisiert werden. Die Strahlrohre sind dann in je einer Ebene oberhalb und unterhalb des Targetrads angeordnet.

Im einzelnen zeigt Figur 2a das Drehtarget 1 mit wasser5

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führender Welle 2 sowie den Antriebsstator 8 und Antriebsrotor 9. 10 und 11 sind ein loses und ein festes Wellenlager. Über Drehdurchführungen 12 erfolgt der Wasserzu- und -ablauf 13. Mit 14 ist der Lagerblock bezeichnet. Die Abschirmung umfasst eine obere bewegliche Abschirmung 15, eine untere bewegliche Abschirmung 16 sowie eine Abschirmung 17 in Targethöhe. Ein vakuumdichtes Schleusentor 18 kann über nicht näher dargestellte Fahrschienen verschoben werden.

Im Moderatortank 19 sind die Strahlrohre 20 sowie ein Rüssel 21 der Tieftemperaturbestrahlungsanlage angeordnet. Ein Drehstopfen 22' ermöglicht eine Variation der Bestrahlungsposition bei Tieftemperaturbestrahlung. Im oberen Bereich befinden sich die obere Abschirmung 23 des Moderatortanks 19, ein entfernbarer Stopfen 24 sowie eine Abpumpleitung 25 zur Erzeugung von Hochvakuum. Eine Hochvakuumleitung 25' ist ebenfalls am Protonentunnel 26 vorgesehen. 27 ist ein Strahlrohr zum Einbringen einer kalten Neutronenquelle.

Der Wasserzu- und -ablauf 13 ist in den Zeichnungen um 90° versetzt dargestellt.

Gegenüber einem Flüssigmetalltarget nach dem Stande der Technik zeigt das erfindungsgemässe, innen gekühlte Drehtarget folgende Vorteile:

- Absolute Flexibilität in der Wahl des Targetmaterials. Dies erlaubt entweder:

die Nutzung der Kernspaltung zur Neutronenvervielfachung (U oder Th als Targetmaterial)

oder:

die Vermeidung von Transuranproduktion durch Einsatz von Pb oder Bi, die sich durch niedrigen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen auszeichnen, wobei aber die Erzeugung der flüchtigen Schwermetalle Hg und Po in Kauf genommen wird,

oder:

den Einsatz von Ta oder W als Targetmaterialien, bei denen weder Transurane oder Hg und Po gebildet werden, die allerdings einen etwas geringeren Neutronenfluss erwarten lassen.

- Vermeidung eines Flüssigmetallkreislaufs und des damit verbundenen technischen Aufwands und Gefährdungspotentials.

- Vermeidung der Notwendigkeit eines vertikalen Protoneneinschusses, dessen praktische Realisierbarkeit für Ströme von einigen mA in Frage gestellt ist, zumindest aber einen

5 erheblichen technischen und Kostenaufwand darstellt.

Das am Umfang des Rades angeordnete Targetmaterial nimmt etwa Va des Radradius ein. Es ist, wie weiter oben näher erläutert wurde, vorzugsweise in Form von gekrümmten Targetsegmenten oder Pseudosegmenten vorgesehen, was io gegenüber einem Targetring aus Vollmaterial folgende Vorteile hat:

- Verminderung der thermischen Spannungen,

- Optimierung der Kühlmittelströmung,

- Vergrösserung der Kühlfläche,

- Minimierung des Weges für Wärmeleitung,

- leichtere Montage und insbesondere Demontage im aktivierten Zustand.

Die Dicke der Segmente ist dem Anwendungsfall entsprechend auszulegen. Insbesondere weist das Target einen «Schichtaufbau» aus Zu- und Abführungssegmenten auf, wie es im unteren Teil von Figur lb angedeutet ist. Die Krümmung der Segmente im Abströmbereich ist dabei entgegengesetzt zu der im Zuströmbereich. Der Antrieb erfolgt zum Beispiel durch einen Scheibenläufer-Motor.

25 Ausser den gezeigten Varianten des Drehtargets mit Innenkühlung - insbesondere durch spaltförmige Kanäle -sind selbstverständlich andere Ausführungsformen mit zweckmässig verteilten Bohrungen (für den Kühlmitteltransport) im Targetring realisierbar oder auch eine Anordnung 30 von Targetmaterial in Form von Kugeln (gegebenenfalls mit zwei unterschiedlichen Durchmessern), die vom Kühlmittel umströmt werden. Der Targetring kann auch durch (stationäres) Flüssigmetall gebildet werden, das durch kühlmitteldurchströmte Rohre gekühlt werden kann. 35 Das vorstehend beschriebene erfindungsgemässe Drehtarget für Spallationsquellen bietet gegenüber festen Targets, die bereits im Einsatz oder im Bau sind, ausserordentliche Vorteile. Insbesondere entfällt die beim stationären Target zur Bewältigung der erheblichen Wärmedichte für notwendig 40 gehaltene sehr aufwendige Flüssigmetallkühlung.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Targetanordnung für Spallationsneutronenquellen, bei der kontinuierlich Targetmaterial am Auftreffpunkt des Protonenstrahls vorbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

dass das Targetmaterial (5) am Umfang eines rotierenden, innen gekühlten Rades (1) angeordnet ist.

2. Targetanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kühlmittelzu- und -abführung über die Radwelle (2), insbesondere über den oberhalb des Rades befindlichen Radwellenteil.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Targetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine horizontale Anordnung des rotierenden Rades.

4. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch evolventenförmige Kanäle (6) im Targetmaterial (5) für die Kühlmittelzufuhr mit zur Rotationsrichtung entgegengesetzter Krümmung.

5. Targetanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (6) durch Nuten im Targetmaterial oder zwischen gekrümmten, insbesondere evolventenförmi-gen Targetmaterialsegmenten (5) gebildet werden.

6. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen das Rad umhüllenden äusseren Mantel, dessen allgemein zylindrische Fläche als Fenster wirkt und insbesondere aus einem Metall mit geringer Massenzahl, wie AI, Zr oder Ti besteht.

7. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Raddurchmesser von etwa 2,5 m.

8. Targetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial (5) in unterteilter Form unter Freilassung gekrümmter Kühlmittelbahnen angeordnet ist.