DE102010032216B4 - Pulsed spallation neutron source - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses insbesondere für einen unterkritisch betriebenen Kernreaktor. Die Vorrichtung umfasst einen Teilchenbeschleuniger, der einen gepulsten Teilchenstrahl mit einer sehr hohen Pulsrepetitionsrate von bspw. 3 kHz erzeugt. Der Teilchenstrahl trifft auf ein Spallationstarget, aus dem er einen ebenfalls gepulsten Neutronenfluss herausschlägt, der seinerseits in einen Neutronenmoderator gelangt. Der Neutronenmoderator weist eine bekannte Verteilung von Verweilzeiten auf. Eine zeitliche Glättung des den Moderator verlassenden Neutronenflusses wird dadurch erreicht, dass die Verweilzeit und die Pulsrepetitionsrate aneinander angepasst sind, indem entweder ein Moderator gewählt wird, der eine geeignete Verteilung von Verweilzeiten aufweist, oder indem bei einem bestimmten, festen Moderator eine passende Pulsrepetitionsrate fpuls eingestellt wird. Bspw. kann gelten 1/fpuls = TV,0, wobei TV,0 die wahrscheinlichste Verweilzeit der Verteilung angibt.The invention relates to a device for generating a time-smoothed neutron flux, in particular for a subcritically operated nuclear reactor. The device comprises a particle accelerator which generates a pulsed particle beam with a very high pulse repetition rate of, for example, 3 kHz. The particle beam hits a spallation target, from which it knocks out a likewise pulsed neutron flux, which in turn reaches a neutron moderator. The neutron moderator has a known distribution of dwell times. A temporal smoothing of the neutron flux leaving the moderator is achieved in that the dwell time and the pulse repetition rate are adapted to one another, either by choosing a moderator who has a suitable distribution of dwell times, or by setting a suitable pulse repetition rate fpuls for a specific, fixed moderator becomes. E.g. 1 / fpuls = TV, 0, where TV, 0 indicates the most likely dwell time of the distribution.

Description

Die Erfindung betrifft eine Neutronenquelle zum Einsatz bei einem unterkritischen Kernreaktor.The invention relates to a neutron source for use in a subcritical nuclear reactor.

In einem unterkritischen Kernreaktor laufen die Kernreaktionen ab, ohne dass der Reaktor in den kritischen Zustand übergeht. Anstatt eine selbstständige Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, wird eine externe Neutronenquelle verwendet, um die für die Kernreaktionen benötigten Neutronen zur Verfügung zu stellen. Diesen Zweck erfüllt bspw. ein Teilchenbeschleuniger, dessen Teilchenstrahl auf ein Spallationstarget gerichtet wird, aus dem in der Folge Neutronen herausgeschlagen werden, die schließlich in den unterkritischen Kernreaktor gelangen, um dort die Kernreaktionen zu bewirken. Diese Technologie ist an sich bekannt, z. B. aus der WO 01/03142 A2 . Derartige unterkritische Kernreaktoren, die sich einen Teilchenbeschleuniger zunutze machen, werden als ADS-Reaktoren (”Accelerator Driven System”) oder kurz ADSR bezeichnet.In a subcritical nuclear reactor, the nuclear reactions take place without the reactor going into the critical state. Instead of maintaining a self-contained chain reaction, an external neutron source is used to provide the neutrons needed for the nuclear reactions. This purpose is fulfilled, for example, by a particle accelerator whose particle beam is directed towards a spallation target from which neutrons are subsequently ejected, which finally reach the subcritical nuclear reactor in order to effect the nuclear reactions there. This technology is known per se, for. B. from the WO 01/03142 A2 , Such subcritical nuclear reactors that utilize a particle accelerator are referred to as ADS (Accelerator Driven System) reactors, or ADSRs for short.

Unterkritische Reaktoren weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Bspw. können sie verwendet werden, um schwere Isotope zu zerstören, die in den verbrauchten Brennstoffen konventioneller Kernreaktoren enthalten sind, wobei gleichzeitig Energie erzeugt werden kann. Theoretisch können auch die in Nuklearabfällen enthaltenen Transurane gespalten werden, wobei wiederum Energie gewonnen werden kann, während die resultierenden Spaltungsprodukte weniger langlebig sind als die Transurane. Ein derartiger Prozess ist z. B. aus der US 2006/0215799 A1 bekannt. Eine Weiterentwicklung der unterkritischen Reaktoren und der diese antreibenden beschleunigergetriebenen Neutronenquellen ist daher von großem Interesse.Subcritical reactors have a number of advantages. For example. they can be used to destroy heavy isotopes contained in the spent fuel of conventional nuclear reactors, while at the same time generating energy. Theoretically, the transuranium contained in nuclear waste can be split, which in turn energy can be obtained, while the resulting cleavage products are less durable than the transuranic. Such a process is z. B. from the US 2006/0215799 A1 known. Further development of the subcritical reactors and their driving accelerator driven neutron sources is therefore of great interest.

Bei den hierzu geeigneten Beschleunigerstrukturen muss unterschieden werden zwischen normalleitenden und supraleitenden Beschleunigern:

  • – Die normalleitenden Beschleuniger müssen in der Praxis gepulst betrieben werden, da die geforderten Baugrößen zu elektrischen Feldern in den Beschleunigerzellen (Resonatoren bzw. Kavitäten) führen, die in den umgebenden, feldumschließenden Leiterstrukturen, bspw. in den Resonatorwänden, eine exzessive Verlustleistung verursachen. Ein gepulster Beschleunigerbetrieb und in der Folge ein gepulster Neutronenfluss aus dem Spallationstarget hat jedoch zur Folge, dass der Reaktorkern in der Energieproduktion stark schwankt und damit thermisch und mechanisch stark belastet wird.
  • – Dieses Problem könnte unter Verwendung eines supraleitenden Beschleunigers gelöst werden. Dieser könnte zwar kontinuierlich betrieben werden und damit das genannte Problem des normalleitenden Beschleunigers vermeiden, jedoch wäre eine kompakte Baugröße nicht realisierbar. Bspw. für die Europäische Spallations-Neutronenquelle ESS ergäbe sich eine Länge von 630 m. Aufgrund dieses Nachteils ist die Verwendung eines supraleitenden Beschleunigers für eine weitestgehend kommerzielle Anwendung nahezu ausgeschlossen.
For the accelerator structures suitable for this purpose, a distinction must be made between normal-conducting and superconducting accelerators:
  • - The normal-conducting accelerator must be operated pulsed in practice, since the required sizes lead to electric fields in the accelerator cells (resonators or cavities), which cause in the surrounding field enclosing conductor structures, for example. In the resonator walls, an excessive power loss. However, a pulsed accelerator operation and, as a consequence, a pulsed neutron flux from the spallation target has the result that the reactor core fluctuates greatly in energy production and is thus heavily loaded thermally and mechanically.
  • This problem could be solved using a superconducting accelerator. Although this could be operated continuously and thus avoid the mentioned problem of normal-conducting accelerator, but a compact size would not be feasible. For example. for the European spallation neutron source ESS a length of 630 m would result. Due to this disadvantage, the use of a superconducting accelerator for commercial use is almost impossible.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses anzugeben, deren Verwendung bspw. mit einem unterkritischen Kernreaktor die genannten Nachteile nicht aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a compact device for generating a time-smoothed neutron flux whose use, for example. With a subcritical nuclear reactor does not have the disadvantages mentioned.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the features specified in the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von einem mit Hilfe einer entsprechend eingerichteten Steuervorrichtung gepulst betriebenen, normalleitenden Beschleuniger aus, dessen gepulster Teilchenstrahl auf ein Spallationstarget gelenkt wird, aus dem in bekannter Weise Neutronen herausgeschlagen werden. Dabei wird eine extrem hohe Pulsrepetitionsrate gewählt, bspw. in einer Größenordnung von ≥ 3 kHz. Dem Spallationstarget nachgeschaltet, d. h. zwischen Target und Reaktorkern, ist ein Neutronenmoderator mit einer bekannten Neutronenverweilzeit angeordnet, mit dem erreicht werden soll, dass der in den unterkritischen Reaktorkern gelangende Neutronenfluss aus dem Target zeitlich geglättet ist, dass also der aus dem Moderator in den Reaktorkern gelangende Neutronenfluss nicht wesentlich schwankt. Bspw. wäre eine Größenordnung von bis zu etwa 20% akzeptabel. Grundsätzlich ist dies jedoch natürlich von der jeweiligen geplanten Anwendung abhängig.The solution according to the invention starts from a normal-conducting accelerator operated in pulsed fashion with the aid of a correspondingly established control device, whose pulsed particle beam is directed onto a spallation target from which neutrons are knocked out in a known manner. In this case, an extremely high pulse repetition rate is selected, for example of the order of ≥3 kHz. Downstream of the spallation target, d. H. between the target and the reactor core, a neutron moderator with a known neutron residence time is arranged, with which it is to be achieved that the reaching into the subcritical reactor core neutron flux from the target is temporally smooth, so that the passing of the moderator into the reactor core neutron flux does not vary significantly. For example. would be an order of magnitude of up to about 20% acceptable. In principle, however, this of course depends on the respective intended application.

Dies wird dadurch erreicht, dass entweder ein Neutronenmoderator verwendet wird, dessen Neutronenverweilzeit, also eine vom Material und von den Dimensionen des Moderators abhängige Größe, in etwa der gewählten Pulsrepetitionsrate entspricht, oder dass die Pulsrepetitionsrate bspw. mit Hilfe einer entsprechenden Steuervorrichtung für den Teilchenbeschleuniger an die bekannte Neutronenverweilzeit angepasst wird. Weiterhin ist die Verweilzeit natürlich auch abhängig von der Geschwindigkeit der Neutronen und damit zu einem gewissen Anteil vom Target. Eine genaue Verweilzeitskurve ist bspw. durch Simulation des Gesamtsystems zu erhalten.This is achieved by either using a neutron moderator whose neutron residence time, that is to say a size dependent on the material and dimensions of the moderator, approximately corresponds to the selected pulse repetition rate, or the pulse repetition rate, for example, with the aid of a corresponding control device for the particle accelerator the known Neutronenverweilzeit is adjusted. Furthermore, of course, the residence time is also dependent on the speed of the neutrons and thus to a certain extent from the target. An accurate residence time curve can be obtained, for example, by simulating the overall system.

Bspw. wird eine Pulsrepetitionsrate bzw. dementsprechend ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen der Pulsfolge gewählt, der in etwa der Neutronenverweilzeit entspricht. D. h. bei einer Repetitionsrate von bspw. 3 kHz sollte die Verweilzeit im Moderator in etwa 1/(3 kHz) ≈ 0,33 ms oder mehr betragen. Dies hat zur Folge, dass der Neutronenfluss aus dem Moderator trotz des gepulsten Teilchenstrahls und trotz des das Target verlassenden gepulsten Neutronenflusses zeitlich nicht wesentlich schwankt und dementsprechend der vom Neutronenfluss getriebene Reaktorkern keine exzessiven Leistungsschwankungen ausführt.For example. a pulse repetition rate or, accordingly, a time interval between two successive pulses of the pulse sequence is selected, which corresponds approximately to the neutron dwell time. Ie. at a repetition rate of, for example, 3 kHz, the dwell time in the moderator should be approximately 1 / (3 kHz) ≈ 0.33 ms or more. This has the consequence that the neutron flux from the moderator, despite the pulsed particle beam and despite the pulsed neutron flux leaving the target, does not vary significantly in time and, accordingly, the reactor core driven by the neutron flux does not perform excessive power fluctuations.

Aufgrund einer evtl. komplexeren Geometrie des Moderators und/oder der gesamten Anordnung können sich die Laufwege der einzelnen Neutronen durch den Moderator mehr oder weniger stark unterscheiden, so dass nicht mehr von einer einzigen Neutronenverweilzeit gesprochen werden kann, sondern von einer Verteilung der Neutronenverweilzeiten zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert. In diesem Fall stehen mehrere Möglichkeiten der Anpassung von Verweilzeit und Repetitionsrate zur Verfügung, wie im Zusammenhang mit den Figuren erläutert wird.Due to a possibly more complex geometry of the moderator and / or the entire arrangement, the paths of the individual neutrons may differ more or less strongly by the moderator, so that it is no longer possible to speak of a single neutron residence time but of a distribution of the neutron residence times between one Minimum value and a maximum value. In this case, there are several possibilities for adjusting dwell time and repetition rate, as explained in connection with the figures.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Neutronenflusses Nmod weist auf:

  • – einen Teilchenbeschleuniger mit einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung derart einstellbar ist, dass mit dem Teilchenbeschleuniger ein gepulster Teilchenstrahl S umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate fpuls erzeugbar ist,
  • – ein Spallationstarget, das im Teilchenstrahl S positionierbar ist und aus dem durch den Teilchenstrahl S ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss Ntar herausschlagbar ist,
  • – einen Neutronenmoderator, der eine bekannte Verteilung Xn(TV) von Neutronenverweilzeiten TV aufweist, wobei das Target und der Moderator derart zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses Ntar in den Moderator gelangen und diesen durchqueren kann, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss Nmod den Moderator verlässt.
The device according to the invention for generating a neutron flux N mod has:
  • A particle accelerator having a control device, wherein the control device is adjustable such that with the particle accelerator a pulsed particle beam S comprising a pulse train with a multiplicity of pulses with a pulse repetition rate f puls can be generated,
  • A spallation target which can be positioned in the particle beam S and from which a first neutron flux N tar comprising a multiplicity of neutrons can be knocked out by the particle beam S,
  • A neutron moderator having a known distribution X n (T V ) of neutron residence times T V , the target and the moderator being arranged relative to one another such that at least part of the first neutron flux N tar can reach the moderator and pass through it that the neutron flux N mod to be generated leaves the moderator.

Die Pulsrepetitionsrate fpuls und die Verteilung Xn(TV) der Neutronenverweilzeiten TV des Moderators sind nun derart aufeinander abgestimmt, dass der den Moderator verlassende Neutronenfluss Nmod zeitlich geglättet ist.The pulse repetition rate f puls and the distribution X n (T V ) of the neutron residence times T V of the moderator are now matched to one another in such a way that the neutron flux N mod leaving the moderator is smoothed over time.

Hierzu ist die Steuervorrichtung derart einstellbar, dass die Pulsrepetitionsrate fpuls der Neutronenverweilzeit TV entspricht.For this purpose, the control device is adjustable in such a way that the pulse repetition rate f pulse corresponds to the neutron residence time T V.

Speziell ist die Steuervorrichtung derart einstellbar, dass für den zeitlichen Abstand ΔTpuls = 1/fpuls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls S gilt:
ΔTpuls = 1/fpuls ≥ TV,min, wobei TV,min die minimale Verweilzeit der Verteilung Xn(TV) der Neutronenverweilzeiten TV ist.
Specifically, the control device is adjustable so that for the time interval ΔT pulse = 1 / f pulse between two successive pulses of the particle beam S:
ΔT pulse = 1 / f pulse ≥ T V, min , where T V, min is the minimum residence time of the distribution X n (T V ) of the neutron residence times T V.

Dabei wird gilt für den zeitlichen Abstand ΔTpuls = 1/fpuls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls S weiterhin: ΔTpuls = 1/fpuls ≤ TV,max, wobei TV,max die maximale Verweilzeit der Verteilung Xn(TV) der Neutronenverweilzeiten TV ist.In this case, the following applies for the time interval ΔT pulse = 1 / f pulse between two successive pulses of the particle beam S: ΔT pulse = 1 / f pulse ≦ T V, max , where T V, max is the maximum dwell time of the distribution X n (T V ) of the neutron residence times T V.

Durch diese Relation zwischen ΔTpuls, TV,min und TV,max ist sichergestellt, dass der durch einen ersten Puls des Teilchenstrahls ausgelöste Neutronenfluss Nmod noch nicht abgeklungen ist, wenn durch den nachfolgenden Puls des Teilchenstrahls ein weiterer Neutronenfluss Nmod erzeugt wird.This relation between ΔT pulse , T V, min and T V, max ensures that the neutron flux N mod triggered by a first pulse of the particle beam has not yet decayed when a further neutron flux N mod is generated by the subsequent pulse of the particle beam ,

Die Steuervorrichtung kann auch derart einstellbar sein, dass für den zeitlichen Abstand ΔTpuls = 1/fpuls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls S gilt:
ΔTpuls = 1/fpuls ≈ TV,0, wobei TV,0 die wahrscheinlichste Verweilzeit der Verteilung Xn(TV) der Neutronenverweilzeiten TV ist.
The control device may also be adjustable in such a way that for the time interval ΔT pulse = 1 / f pulse between two successive pulses of the particle beam S:
ΔT puls = 1 / f pulse ≈ T V, 0 , where T V, 0 is the most probable residence time of the distribution X n (T V ) of the neutron residence times T V.

Es wird eine Pulsrepetitionsrate fpuls von zumindest 3 kHz gewählt.It is chosen a pulse repetition rate f pulse of at least 3 kHz.

Der Moderator ist derart angeordnet, dass der den Moderator verlassende Neutronenfluss Nmod in einen Reaktorkern eines insbesondere unterkritisch betriebenen Kernreaktors gelangt.The moderator is arranged in such a way that the neutron flux N mod leaving the moderator passes into a reactor core of a nuclear reactor, which operates in a subcritical manner in particular.

Aufgrund der Glättung des Neutronenflusses wird der Kernreaktor bzw. dessen Kern trotz der Verwendung eines gepulsten Teilchenstrahls weder thermisch/mechanisch stark belastet noch schwankt die Energieproduktion über ein tolerierbares Maß hinaus.Due to the smoothing of the neutron flux, the nuclear reactor or its core is neither thermally / mechanically heavily loaded despite the use of a pulsed particle beam nor fluctuates the energy production beyond a tolerable level.

Der Teilchenstrahl ist vorteilhafterweise ein Protonenstrahl.The particle beam is advantageously a proton beam.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines Neutronenflusses Nmod, erzeugt ein Teilchenbeschleuniger einen gepulsten Teilchenstrahl S umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate fpuls. Der gepulste Teilchenstrahl wird auf ein Spallationstarget gerichtet, wobei aus dem Target durch den Teilchenstrahl ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss Ntar herausgeschlagen wird. Zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses Ntar gelangt in einen Neutronenmoderator und durchquert diesen, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss Nmod den Moderator verlässt. Der Moderator weist eine bekannte Verteilung Xn(TV) von Neutronenverweilzeiten TV auf. Der den Moderator verlassende Neutronenfluss Nmod wird nun zeitlich geglättet, indem die Pulsrepetitionsrate fpuls und die Verteilung Xn(TV) der Neutronenverweilzeiten TV des Moderators aufeinander abgestimmt werden.In the method according to the invention for generating a neutron flux N mod , a particle accelerator generates a pulsed particle beam S comprising a pulse train having a multiplicity of pulses with a pulse repetition rate f puls . The pulsed particle beam is directed onto a spallation target, wherein a first neutron flux N tar comprising a multiplicity of neutrons is knocked out of the target by the particle beam. At least part of the first neutron flux N tar passes into a neutron moderator and traverses it, so that the neutron flux N mod to be generated leaves the moderator. The moderator has a known distribution X n (T V ) of neutron residence times T V. The neutron flux N mod leaving the moderator is now time-smoothed by the pulse repetition rate f puls and the distribution X n (T V ) of the Neutron dwell times T V of the moderator are matched.

Die Anpassung wird derart ausgeführt, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≥ TV,min, wobei TV,min die minimale Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.The adaptation is carried out in such a way that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S): ΔT pulse = 1 / f pulse ≥ T V, min , where T V, min the minimum residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ).

Weiterhin gilt für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S): ΔTpuls = 1/fpuls ≤ TV,max, wobei TV,max die maximale Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.Furthermore, for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S): ΔT pulse = 1 / f pulse ≦ T V, max , where T V, max is the maximum residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ).

Insbesondere wird die Anpassung derart ausgeführt, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt:
ΔTpuls = 1/fpuls ≈ TV,0 wobei TV,0 die wahrscheinlichste Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.
In particular, the adaptation is carried out in such a way that the following applies for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S):
ΔT puls = 1 / f pulse ≈ T V, 0 where T V, 0 is the most likely residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ).

Zusammengefasst wird die Aufgabe also gelöst durch die Verwendung eines Teilchenbeschleunigers, der mit extrem hoher Pulswiederholrate betrieben wird, in Kombination mit einem geeigneten Neutronenmoderator, der den das Target verlassenden Neutronenfluss zeitlich glättet. Dabei sind der Neutronenmoderator bzw. die Neutronenverweilzeit im Moderator und die Pulsrepetitionsrate aneinander angepasst.In summary, the problem is solved by the use of a particle accelerator, which is operated with extremely high pulse repetition rate, in combination with a suitable neutron moderator, which temporally smoothes the neutron flux leaving the target. The neutron moderator or the neutron residence time in the moderator and the pulse repetition rate are adapted to each other.

Um die hohe Pulsrepetitionsrate zu erreichen, ist eine HF-Sendeanordnung notwendig, die entsprechend geringe Füllzeiten der HF-Resonatoren der Beschleunigerstrecke ermöglicht (maximale HF-Leistung bei variierender Last). Eine Lösung dieses Problems ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, findet sich jedoch in der DE 10 2009 053 624 A1 . Dort werden HF-Kavitäten bzw. -Resonatoren sowie ein mit diesen HF-Kavitäten ausgestatteter Beschleuniger angegeben, wobei insbesondere das Problem der Einkopplung von HF-Leistung in die HF-Kavität im Vordergrund steht. Es wird daher hinsichtlich des Problems der gering zu haltenden Füllzeiten der Resonatoren, welches mit einer geeigneten Vorrichtung zur Einkopplung der HF-Leistung in die Resonatoren lösbar ist, auf die DE 10 2009 053 624 A1 verwiesen.In order to achieve the high pulse repetition rate, an RF transmission arrangement is necessary, which allows correspondingly short filling times of the RF resonators of the accelerator path (maximum RF power with varying load). A solution to this problem is not the subject of the present invention, but is found in the DE 10 2009 053 624 A1 , There, RF cavities or resonators as well as an accelerator equipped with these RF cavities are indicated, whereby in particular the problem of the coupling of RF power into the RF cavity is in the foreground. It is therefore with regard to the problem of low filling times of the resonators, which is solvable with a suitable device for coupling the RF power in the resonators, on the DE 10 2009 053 624 A1 directed.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiment described below and with reference to the drawings.

Dabei zeigt:Showing:

1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses für einen unterkritischen Kernreaktor, 1 the device according to the invention for producing a time-smoothed neutron flux for a subcritical nuclear reactor,

2 das zeitliche Verhalten des gepulsten Teilchenstrahls sowie der verschiedenen Neutronenflüsse und 2 the temporal behavior of the pulsed particle beam and the different neutron fluxes and

3 eine exemplarische Verteilung von Neutronenverweilzeiten. 3 an exemplary distribution of neutron residence times.

Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses N. Dargestellt sind der Kern 110 eines unterkritischen Kernreaktors 100 sowie ein Spallationstarget 120 und ein Neutronenmoderator 130. Das Target 120 wird mit einem Protonenstrahl S aus einem Teilchenbeschleuniger 200 bestrahlt, wobei der Teilchenbeschleuniger 200 eine Ionenquelle 220, eine Beschleunigerstrecke 230 mit zumindest zwei HF-Resonatoren 231, 232 sowie eine Steuervorrichtung 210 zur Ansteuerung der HF-Resonatoren 231, 232 aufweist.The 1 shows a device for generating a temporally smoothed neutron flux N. Shown are the core 110 a subcritical nuclear reactor 100 as well as a spallation target 120 and a neutron moderator 130 , The target 120 becomes with a proton beam S from a particle accelerator 200 irradiated, wherein the particle accelerator 200 an ion source 220 , an accelerator route 230 with at least two RF resonators 231 . 232 and a control device 210 for driving the RF resonators 231 . 232 having.

Die HF-Resonatoren 231, 232 der Beschleunigerstrecke 230 sind in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und bewirken die Beschleunigung der der Ionenquelle 220 entnehmbaren Teilchen, bspw. Protonen.The RF resonators 231 . 232 the accelerator route 230 are arranged one behind the other in the beam direction and cause the acceleration of the ion source 220 removable particles, for example. Protons.

Durch die Steuervorrichtung 210 werden in den HF-Resonatoren 213, 232 HF-Felder erzeugt, die zur Beschleunigung der der Ionenquelle entnommenen Teilchen dienen. Diese grundsätzliche Arbeitsweise derartiger Beschleuniger einschließlich der Art und Weise der Erzeugung der HF-Felder in den HF-Resonatoren bspw. unter Verwendung eines Klystrons ist bekannt und soll hier nicht weiter dargelegt werden. Die Formulierung, dass ”die Steuervorrichtung 210 die HF-Felder erzeugt”, soll diese an sich bekannte Wirkungsweise beinhalten, d. h. die Steuervorrichtung 210 beinhaltet sowohl die zur Erzeugung der HF-Felder in den Resonatoren benötigten Komponenten einschließlich bspw. des Klystrons und der ggf. verwendeten Hohlleiter etc. als auch eine Elektronikbaugruppe, die die diversen notwendigen Berechnungen sowie die tatsächliche Ansteuerung der Komponenten vornimmt.By the control device 210 be in the RF resonators 213 . 232 Generates RF fields which serve to accelerate the particles taken from the ion source. This basic mode of operation of such accelerators, including the manner of generating the RF fields in the RF resonators, for example using a klystron, is known and will not be described further here. The wording that "the control device 210 generates the RF fields ", this should include per se known mode of action, ie the control device 210 includes both the components needed to generate the RF fields in the resonators, including, for example, the klystron and the possibly used waveguide, etc., as well as an electronic assembly that performs the various necessary calculations as well as the actual control of the components.

Mit Hilfe der Steuervorrichtung 210 können die HF-Resonatoren 231, 232, wie auch in DE 10 2009 053 624 A1 beschrieben, separat angesteuert werden, d. h. das HF-Feld des ersten HF-Resonators 231 kann unabhängig vom HF-Feld des zweiten Resonators 232 erzeugt werden. Aufgrund der so erreichbaren HF-Entkopplung ist es möglich, die einzelnen HF-Kavitäten 231, 232 mit Hilfe der Steuervorrichtung 210 unabhängig voneinander anzusteuern, wodurch der Beschleuniger 200 flexibler betrieben und flexibler an die jeweils zu erreichende, gewünschte Beschleunigung angepasst werden kann. Die Anpassung ist flexibler als bei einem Beschleuniger, bei dem die HF-Kavitäten im HF-Bereich miteinander gekoppelt sind, so dass die Steuerung einer HF-Kavität gleichzeitig die HF-Felder in den benachbarten HF-Kavitäten beeinflusst. Nichtsdestotrotz ist die hier dargelegte Erfindung auch mit einem Beschleuniger realisierbar, bei dem die einzelnen HF-Resonatoren 231, 232 nicht separat angesteuert werden.With the help of the control device 210 can the RF resonators 231 . 232 as well as in DE 10 2009 053 624 A1 be described separately, ie the RF field of the first RF resonator 231 can be independent of the RF field of the second resonator 232 be generated. Due to the achievable RF decoupling, it is possible, the individual RF cavities 231 . 232 with the help of the control device 210 independently of each other, causing the accelerator 200 more flexible and more flexible to each reaching, desired acceleration can be adjusted. The adaptation is more flexible than with an accelerator, in which the RF cavities in the RF region are coupled together so that the control of one RF cavity simultaneously influences the RF fields in the adjacent RF cavities. Nevertheless, the invention set forth here can also be realized with an accelerator in which the individual RF resonators 231 . 232 can not be controlled separately.

Unabhängig davon, ob die HF-Resonatoren 231, 232 separat angesteuert werden, ist die Steuervorrichtung 210 derart eingerichtet, dass der Teilchenbeschleuniger 200 gepulst betrieben wird, dass also der dem Teilchenbeschleuniger 200 entnehmbare Teilchenstrahl S als Pulszug bestehend aus aufeinander folgenden Teilchenpaketen bzw. -pulsen, sog. Bunches, besteht.Regardless of whether the RF resonators 231 . 232 be controlled separately, is the control device 210 set up such that the particle accelerator 200 is operated pulsed, that is the the particle accelerator 200 removable particle beam S as a pulse train consisting of successive particle packets or pulses, so-called bunches.

In der 2A ist ein Pulszug P(t) des Teilchenstrahls bzw. die Teilchenflussdichte des Teilchenstrahls rein exemplarisch und in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.In the 2A is a pulse train P (t) of the particle beam or the particle flux density of the particle beam purely exemplary and shown in arbitrary units as a function of time t.

Wie einleitend beschrieben, bewirkt der Teilchenstrahl S im Spallationstarget 120 des Kernreaktors 100, dass aus dem Target 120 Neutronen herausgeschlagen werden. Aufgrund des gepulsten Teilchenstrahls S ist der das Target 120 verlassende Neutronenfluss Ntar ebenfalls gepulst (2B), d. h. der Neutronenfluss Ntar weist ein ähnliches zeitliches Verhalten auf, wie der gepulste Teilchenstrahl S.As described in the introduction, the particle beam S causes the spallation target 120 of the nuclear reactor 100 that from the target 120 Neutrons are knocked out. Due to the pulsed particle beam S is the target 120 leaving neutron flux N tar also pulsed ( 2 B ), ie the neutron flux N tar has a similar temporal behavior as the pulsed particle beam S.

Dieser gepulste Neutronenfluss Ntar gelangt nun zunächst in einen Neutronenmoderator 130, in dem die Neutronen abgebremst werden. Der den Moderator 130 verlassende Neutronenfluss Nmod (2C) gelangt in den Kern 110 des Kernreaktors 100, wo schließlich die gewünschten Kernreaktionen stattfinden. Nmod gibt dabei die Anzahl der den Moderator 130 pro Zeiteinheit verlassenden Neutronen an. Das zeitliche Verhalten von Nmod ist von der Verteilung der Verweilzeiten TV im Moderator 130 abhängig. Die Verweilzeit beschreibt diejenige Zeitspanne, die die Neutronen benötigen, um den Moderator 130 zu durchqueren. Die Verweilzeit ist demzufolge abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit der das Target 120 verlassenden bzw. in den Moderator 130 eindringenden Neutronen, vom Bremsvermögen des Moderators 130 und von der Länge des Weges, den die Neutronen durch den Moderator 130 zurücklegen, d. h. von dessen Geometrie und Abmessungen.This pulsed neutron flux N tar first enters a neutron moderator 130 , in which the neutrons are slowed down. The moderator 130 leaving neutron flux N mod ( 2C ) gets into the nucleus 110 of the nuclear reactor 100 where finally the desired nuclear reactions take place. N mod gives the number of the moderator 130 neutron leaving per unit time. The temporal behavior of N mod is the distribution of the residence times T V in the moderator 130 dependent. The residence time describes the period of time that the neutrons need to be the moderator 130 to cross. The residence time is therefore dependent on the initial speed of the target 120 leaving or in the moderator 130 penetrating neutrons, from the braking power of the moderator 130 and by the length of the path that the neutrons pass through the moderator 130 cover, ie its geometry and dimensions.

Die 3 zeigt exemplarisch und in stark vereinfachter Weise die Verteilung der Verweilzeiten TV der durch einen Puls des Teilchenstrahls S aus dem Target 120 herausgeschlagenen Neutronen im Moderator 130. Aufgetragen ist die Anzahl der Neutronen Xn als Funktion der Verweilzeit TV. Die Kurve ist also so zu interpretieren, dass bspw. eine gewisse Anzahl Xn,1 für einen Zeitraum TV,1 im Moderator verbleibt, bevor sie in den Reaktorkern gelangt. Dementsprechend verbleibt eine Anzahl Xn,2 für einen Zeitraum TV,2 im Moderator usw. Die Fläche unter der Kurve entspricht also letztlich der Gesamtzahl der durch einen Puls des Teilchenstrahls aus dem Target herausgeschlagenen Neutronen (unter der Voraussetzung, dass keines dieser Neutronen verloren geht). In der 3 wurde angenommen, dass die Verlaufskurve Xn(TV) ein quadratisches Verhalten zeigt bzw. parabelförmig ist, d. h. im Prinzip
Xn(TV) = –C1·(TV – TV,0)2 + C2, wobei C1, C2 und TV,0 Konstanten sind, die von der Wahl des Moderators abhängen.
The 3 shows by way of example and in a greatly simplified manner the distribution of the residence times T V by a pulse of the particle beam S from the target 120 knocked out neutrons in the moderator 130 , Plotted is the number of neutrons X n as a function of the residence time T V. The curve is therefore to be interpreted such that, for example, a certain number X n, 1 remains in the moderator for a period T V, 1 before it enters the reactor core. Accordingly, a number X n, 2 remains for a period T V, 2 in the moderator, etc. Thus, the area under the curve corresponds to the total number of neutrons knocked out of the target by a pulse of the particle beam (provided that none of these neutrons are lost goes). In the 3 it was assumed that the trajectory X n (T V ) shows a quadratic behavior or is parabolic, ie in principle
X n (T V ) = -C 1 * (T V - T V, 0 ) 2 + C 2 , where C 1, C 2 and T V, 0 are constants that depend on the choice of moderator.

In der Praxis hängt die Form der Verlaufskurve natürlich im Wesentlichen von Geometrie und Material des Moderators 130, Geometrie und Material des Targets 120 sowie von der zeitlichen Länge und Form der Pulse des Teilchenstrahls S ab. TV,min bzw. TV,max bezeichnen die minimale bzw. die maximale Verweilzeit der Neutronen im Moderator. TV,0 bezeichnet allgemein diejenige Verweilzeit, die die überwiegende Zahl der Neutronen im Moderator verbringt bzw. diejenige Verweilzeit, für die die Kurve Xn ein Maximum aufweist. TV,0 kann also als die wahrscheinlichste Verweilzeit bezeichnet werden.Of course, in practice, the shape of the trajectory depends essentially on the geometry and material of the moderator 130 , Geometry and material of the target 120 and on the time length and shape of the pulses of the particle beam S from. T V, min and T V, max denote the minimum and the maximum residence time of the neutrons in the moderator. T V, 0 generally designates the residence time that the majority of neutrons spend in the moderator or the residence time for which the curve X n has a maximum. T V, 0 therefore can be described as the most likely dwell time.

Der durch einen einzelnen Puls bewirkte Neutronenfluss Nmod(t) hat ein qualitativ im Wesentlichen vergleichbares zeitliches Verhalten wie die in der 3 dargestellte Kurve. Unter der Annahme, dass der Puls das Target 120 zum Zeitpunkt t = 0 trifft, verlassen zu einem Zeitpunkt tV,min die ersten Neutronen den Moderator 130. Zu einem Zeitpunkt tV,0 ist der den Moderator verlassende Neutronenfluss maximal, während der Neutronenfluss zum Zeitpunkt tV,max wieder abgeklungen ist.The neutron flux N mod (t) caused by a single pulse has a qualitatively substantially similar temporal behavior to that in the 3 illustrated curve. Assuming that the pulse is the target 120 At the time t = 0, the first neutrons leave the moderator at a time t V, min 130 , At a time t V, 0 , the neutron flux leaving the moderator is maximum, while the neutron flux has decayed again at the time t V, max .

Durch eine geeignete Wahl des Moderators 130, insbesondere bzgl. Material, Geometrie und Anordnung relativ zum Target 120, kann die Verlaufskurve gemäß 3 bzw. die Verteilung der Verweilzeiten TV beeinflusst werden. Umgekehrt zeichnet sich ein bestimmter Moderator 130 durch eine bestimmte Neutronenverweilzeit TV bzw. durch eine bestimmte Verteilung der Verweilzeiten TV aus. Im Extremfall wäre eine Anordnung denkbar, mit der die Verteilung der Verweilzeiten nicht wie in der 3 vergleichsweise breit ist, sondern im Wesentlichen auf einen vergleichsweise schmalen einzelnen Peak bei TV = TV,0 reduziert ist. Bspw. könnte der Moderator 130 in Strahlrichtung gesehen hinter dem Target 120 angeordnet sein, so dass nur die das Target in Strahlrichtung geradeaus verlassenden Neutronen auf den Moderator treffen, so dass diese Neutronen im Wesentlichen die selbe Zeitspanne TV,0 benötigen, um den Moderator zu durchqueren.By a suitable choice of the moderator 130 , in particular with regard to material, geometry and arrangement relative to the target 120 , the trajectory according to 3 or the distribution of the residence times T V are influenced. Conversely, a particular moderator stands out 130 by a certain Neutronenverweilzeit T V or by a certain distribution of residence times T V out. In an extreme case, an arrangement would be conceivable, with the distribution of the residence times not as in the 3 is relatively wide, but is essentially reduced to a comparatively narrow single peak at T V = T V, 0 . For example. could be the moderator 130 seen in the beam direction behind the target 120 may be arranged so that only the neutrons leaving the target straight ahead in the beam direction strike the moderator, so that these neutrons essentially require the same time period T V, 0 to pass through the moderator.

Für den Verlauf der Nmod-Kurve in 2C wurde nun angenommen, dass die Verteilung der Verweilzeiten TV bzw. damit zusammenhängend das zeitliche Verhalten des durch einen Puls ausgelösten Neutronenflusses Nmod der Kurve der 3 entspricht.For the course of the N mod curve in 2C It has now been assumed that the distribution of the residence times T V or the chronological behavior of the pulse-triggered neutron flux N mod of the curve of the 3 equivalent.

In der 2C ist basierend auf dem Verhalten gemäß 3 der aus einer Vielzahl von Pulsen resultierende Neutronenfluss Nmod dargestellt. Dabei ist mit den gestrichelten Kurven für jeden einzelnen Puls der durch diesen Puls separat ausgelöste Neutronenfluss angedeutet. Der gesamte Neutronenfluss Nmod ergibt sich hier durch eine einfache Summation der einzelnen Neutronenflüsse.In the 2C is based on the behavior according to 3 the neutron flux N mod resulting from a plurality of pulses. It is indicated by the dashed curves for each pulse of separately triggered by this pulse neutron flux. The entire neutron flux N mod results from a simple summation of the individual neutron fluxes.

Der gesamte, überlagerte Neutronenfluss Nmod aus dem Moderator 130 gemäß 2C weist ein gänzlich anderes Zeitverhalten auf als der durch einen einzelnen Puls ausgelöste Neutronenfluss gemäß 3: Nach einer bestimmten Anzahl von Pulsen bzw. nach der Einschwingphase ist der Neutronenfluss Nmod zeitlich geglättet und schwankt zwischen einem Minimalwert Nmod,min und einem Maximalwert Nmod,max mit ΔNmod = Nmod,max – Nmod,min.The entire superimposed neutron flux N mod from the moderator 130 according to 2C has a completely different time behavior than the neutron flux triggered by a single pulse 3 After a certain number of pulses or after the transient phase, the neutron flux N mod is temporally smoothed and fluctuates between a minimum value N mod, min and a maximum value N mod, max with ΔN mod = N mod, max -N mod, min .

Die Differenz zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert des Neutronenflusses Nmod, d. h. die Schwankung ΔNmod des Neutronenflusses, hängt nun von mehreren Faktoren ab. Das Zusammenspiel zwischen dem zeitlichen Abstand ΔTpuls der Pulse des Teilchenstrahls auf der einen Seite und der Verteilung der Verweilzeiten TV für die Neutronen eines Pulses gemäß 3 auf der anderen Seite bestimmt letztlich das zeitliche Verhalten des Neutronenflusses Nmod.The difference between the minimum and the maximum value of the neutron flux N mod , ie the fluctuation ΔN mod of the neutron flux, now depends on several factors. The interaction between the time interval ΔT pulse of the pulses of the particle beam on the one hand and the distribution of the residence times T V for the neutrons of a pulse according to 3 on the other hand, the temporal behavior of the neutron flux N mod ultimately determines.

Ist also, vereinfacht ausgedrückt, die maximale Verweilzeit TV,max kleiner als der zeitliche Abstand ΔTpuls der Pulse des Teilchenstrahls, so wird der Minimalwert Nmod,min des Neutronenflusses Nmod vergleichsweise klein, d. h. Nmod,min ≈ 0, da der durch einen ersten Puls ausgelöste Neutronenfluss bereits abgeklungen ist, wenn der durch den nachfolgenden Puls ausgelöste Neutronenfluss auftritt. Es kommt also zu keiner Akkumulation der Neutronenflüsse und zu keinem Einschwingen. Dementsprechend ist die Schwankung ΔNmod des den Moderator 130 verlassenden Neutronenflusses Nmod sehr groß, was wie einleitend erläutert vermieden werden soll. Umgekehrt lässt sich das in der 2C dargestellte Verhalten erreichen, wenn gilt TV,max > ΔTpuls. Im dortigen, exemplarischen Beispiel beträgt das Verhältnis TV,max:ΔTpuls in etwa 3:1.If, in simple terms, the maximum residence time T V, max is smaller than the time interval ΔT pulse of the pulses of the particle beam, the minimum value N mod, min of the neutron flux N mod becomes comparatively small, ie N mod, min ≈ 0, since the By a first pulse triggered neutron flux has already decayed when the triggered by the subsequent pulse neutron flux occurs. So there is no accumulation of neutron fluxes and no settling. Accordingly, the fluctuation ΔN mod of the moderator 130 leaving neutron flux N mod very large, which should be avoided as explained in the introduction. Conversely, that can be in the 2C reach behaved when T V, max > .DELTA.T pulse applies. In the exemplary example there, the ratio T V, max : ΔT pulse is approximately 3: 1.

Erfindungsgemäß sind nun der Moderator und die Pulsrepetitionsrate aufeinander abgestimmt. Bei einem fest vorgegebenen Moderator mit bekannten Eigenschaften insbesondere bzgl. der Verteilung Xn der Neutronenverweilzeiten TV kann mit Hilfe der Steuervorrichtung 210 die Pulsrepetitionsrate fpuls entsprechend angepasst werden.According to the invention, the moderator and the pulse repetition rate are matched to one another. At a fixed predetermined moderator with known properties, especially regarding. The distribution of X n Neutronenverweilzeiten T V, with the aid of the control device 210 the pulse repetition rate f pulse can be adjusted accordingly.

Umgekehrt kann sich auch die Auswahl und Auslegung des Moderators 130 nach einer gewünschten Pulsrepetitionsrate fpuls = 1/ΔTpuls des Teilchenstrahls S richten, d. h. der Typ bzw. das Material sowie die Abmessungen und die Geometrie des Moderators 130 werden dahingehend ausgewählt, dass die Verteilung Xn der Verweilzeiten TV der Neutronen des Neutronenflusses Ntar vom Target 120 im Moderator 130 an die Pulsrepetitionsrate angepasst ist.Conversely, the selection and interpretation of the moderator may also change 130 after a desired pulse repetition rate f pulse = 1 / ΔT pulse of the particle beam S judge, ie the type or material and the dimensions and the geometry of the moderator 130 are selected such that the distribution X n of the residence times T V of the neutrons of the neutron flux N tar from the target 120 in the moderator 130 adapted to the pulse repetition rate.

In beiden genannten Fällen der Anpassung könnte als Anpassungskriterium verwendet werden, dass die minimale Verweilzeit TV,min der Verteilung Xn(TV) zumindest dem zeitlichen Abstand ΔTpuls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls entspricht, d. h. ΔTpuls = 1/fpuls ≥ TV,min. Ein weiter einschränkendes Kriterium, das auch zur Erstellung des Diagramms der 2C verwendet wurde, wäre bspw. TV,min ≤ ΔTpuls ≤ TV,max oder konkreter ΔTpuls ≈ TV,0. Je nach Breite der Verteilung der Verweilzeiten muss in diesem Fall ΔTpuls mehr oder weniger genau TV,0 entsprechen.In both said cases of adaptation, it could be used as an adaptation criterion such that the minimum residence time T V, min of the distribution X n (T V ) corresponds at least to the time interval ΔT pulse between two successive pulses of the particle beam, ie ΔT pulse = 1 / f pulse ≥ T V, min . A further limiting criterion, which is also used to create the diagram of the 2C T V, min ≦ ΔT pulse ≦ T V, max or concrete ΔT pulse ≈ T V, 0 would be used, for example. Depending on the width of the distribution of the residence times, in this case ΔT pulse must correspond more or less exactly to T V, 0 .

Die Steuervorrichtung 220 ist nun derart eingerichtet, dass sie eine extrem hohe Pulsrepetitionsrate von bspw. fpuls ≥ 3 kHz erzeugt.The control device 220 is now set up so that it generates an extremely high pulse repetition rate of, for example, f pulse ≥ 3 kHz.

Die hohe Pulsrepetitionsfrequenz von ≥ 3 kHz erfordert natürlich möglichst kurze Füllzeiten der HF-Energie in die HF-Kavitäten des Beschleunigers, d. h. eine möglichst große Sendeleistung. Dies ist gerade bei Hochleistungsbeschleunigern ein erstrebenswertes Ziel. Die vom Teilchenstrahl in der Kavität absorbierte Leistung sollte bekanntlich auch im Interesse eines hohen Wirkungsgrades die Verlustleistung im Beschleuniger dominieren. Damit kann während der Füll- bzw. Einschwingphase, d. h. ohne Teilchenstrahl, die gesamte verfügbare Sendeleistung zur Füllung der Kavität dienen, so dass kurze Füllzeiten ermöglicht werden. Das HF-Konzept des Beschleunigers muss so ausgelegt werden, dass möglichst viel HF-Leistung während der Füllphase, d. h. bei variabler HF-Last, zur Verfügung steht. Eine hierzu geeignete Vorrichtung einschließlich der geeigneten HF-Kavität wird bspw. in DE 10 2009 053 624 A1 beschrieben.Of course, the high pulse repetition frequency of ≥ 3 kHz requires the shortest possible filling times of the RF energy in the RF cavities of the accelerator, ie a maximum transmission power. This is a worthwhile goal, especially with high-performance accelerators. The power absorbed by the particle beam in the cavity should, as is known, also dominate the power loss in the accelerator in the interest of high efficiency. Thus, during the filling or transient phase, ie without particle beam, the entire available transmission power can be used to fill the cavity, so that short filling times are made possible. The RF concept of the accelerator must be designed so that as much RF power as possible is available during the filling phase, ie with variable HF load. A suitable device including the appropriate RF cavity is, for example. In DE 10 2009 053 624 A1 described.

Claims (13)

Vorrichtung zur Erzeugung eines Neutronenflusses (Nmod), aufweisend: – einen Teilchenbeschleuniger (200) mit einer Steuervorrichtung (210), wobei die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass mit dem Teilchenbeschleuniger (200) ein gepulster Teilchenstrahl (S) umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate fpuls erzeugbar ist, – ein Spallationstarget (120), das im Teilchenstrahl (S) positionierbar ist und aus dem durch den Teilchenstrahl (S) ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss (Ntar) herausschlagbar ist, – einen Neutronenmoderator (130), der eine bekannte Verteilung (Xn(TV)) von Neutronenverweilzeiten (TV) aufweist, wobei das Target (120) und der Moderator (130) derart zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses (Ntar) in den Moderator (130) gelangen und diesen durchqueren kann, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss (Nmod) den Moderator verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrepetitionsrate (fpuls) und die Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) des Moderators (130) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der den Moderator (130) verlassende Neutronenfluss (Nmod) zeitlich geglättet ist.Device for generating a neutron flux (N mod ), comprising: - a particle accelerator ( 200 ) with a control device ( 210 ), wherein the control device ( 210 ) is adjustable so that with the particle accelerator ( 200 ) a pulsed particle beam (S) comprising a pulse train with a plurality of pulses with a pulse repetition rate f pulse can be generated, - a spallation target ( 120 ), which can be positioned in the particle beam (S) and from which a first neutron flux (N tar ) comprising a plurality of neutrons can be knocked out by the particle beam (S), - a neutron moderator ( 130 ) having a known distribution (X n (T V )) of neutron residence times (T V ), the target ( 120 ) and the moderator ( 130 ) are arranged to each other such that at least a part of the first neutron flux (N tar ) in the moderator ( 130 ) and can traverse this, so that the neutron flux (N mod ) to be generated leaves the moderator, characterized in that the pulse repetition rate (f puls ) and the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ) of the moderator ( 130 ) are so coordinated that the moderator ( 130 ) leaving neutron flux (N mod ) is temporally smoothed. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass die Pulsrepetitionsrate (fpuls) der Neutronenverweilzeit (TV) entspricht.Device according to claim 1, characterized in that the control device ( 210 ) is adjustable such that the pulse repetition rate (f pulse ) corresponds to the neutron dwell time (T V ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≥ TV,min, wobei TV,min die minimale Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.Device according to claim 1, characterized in that the control device ( 210 ) is adjustable such that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S): ΔT pulse = 1 / f pulse ≥ T V, min , where T V, min is the minimum Residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) weiterhin gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≤ TV,max , wobei TV,max die maximale Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.Device according to claim 3, characterized in that the control device ( 210 ) is adjustable such that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S): ΔT pulse = 1 / f pulse ≦ T V, max , wherein T V, max the maximum residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≈ TV,0, wobei TV,0 die wahrscheinlichste Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 210 ) is adjustable such that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S) applies: ΔT pulse = 1 / f pulse ≈ T V, 0 , where T V, 0 the most likely Residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrepetitionsrate (fpuls) zumindest 3 kHz beträgt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pulse repetition rate (f pulse ) is at least 3 kHz. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernreaktor (100), insbesondere ein unterkritischer Kernreaktor (100), mit einem Reaktorkern (110) vorgesehen ist, wobei der Moderator (130) derart angeordnet ist, dass der den Moderator (130) verlassende Neutronenfluss (Nmod) in den Reaktorkern (110) gelangt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a nuclear reactor ( 100 ), in particular a subcritical nuclear reactor ( 100 ), with a reactor core ( 110 ), the moderator ( 130 ) is arranged such that the moderator ( 130 ) leaving neutron flux (N mod ) in the reactor core ( 110 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl ein Protonenstrahl ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the particle beam is a proton beam. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenbeschleuniger (200) mindestens zwei in Strahlverlaufsrichtung hintereinander angeordnete HF-Resonatoren (231, 232) aufweist, durch die der mehrere Teilchenpulse umfassende Pulszug beschleunigbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the particle accelerator ( 200 ) at least two in the beam direction successively arranged RF resonators ( 231 . 232 ), by means of which the pulse train comprising a plurality of particle pulses can be accelerated. Verfahren zur Erzeugung eines Neutronenflusses (Nmod), bei dem – ein Teilchenbeschleuniger (200) einen gepulsten Teilchenstrahl (S) umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate fpuls erzeugt, – der gepulste Teilchenstrahl (S) auf ein Spallationstarget (120) gerichtet wird, wobei aus dem Target (120) durch den Teilchenstrahl ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss (Ntar) herausgeschlagen wird, – zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses (Ntar) in einen Neutronenmoderator (130) gelangt und diesen durchquert, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss (Nmod) den Moderator verlässt, wobei der Moderator (120) eine bekannte Verteilung (Xn(TV)) von Neutronenverweilzeiten (TV) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der den Moderator (130) verlassende Neutronenfluss (Nmod) zeitlich geglättet wird, indem die Pulsrepetitionsrate (fpuls) und die Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) des Moderators (130) aufeinander abgestimmt werden.Method for generating a neutron flux (N mod ), in which - a particle accelerator ( 200 ) generates a pulsed particle beam (S) comprising a pulse train with a plurality of pulses at a pulse repetition rate f puls , - the pulsed particle beam (S) onto a spallation target ( 120 ), wherein from the target ( 120 ) a first neutron flux (N tar ) comprising a multiplicity of neutrons is ejected by the particle beam, - at least part of the first neutron flux (N tar ) is converted into a neutron moderator ( 130 ) and passes through it so that the neutron flux (N mod ) to be generated leaves the moderator, the moderator ( 120 ) has a known distribution (X n (T V )) of neutron residence times (T V ), characterized in that the moderator ( 130 ) Leaving neutron flux (N mod) is smoothed in time by the pulse repetition rate (f pulse) and the distribution (X n (T V)) of the Neutronenverweilzeiten (T V) of the moderator ( 130 ) are coordinated. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart ausgeführt wird, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≥ TV,min, wobei TV,min die minimale Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.A method according to claim 10, characterized in that the adaptation is carried out such that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S) applies: ΔT pulse = 1 / f pulse ≥ T V , min , where T V, min is the minimum residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart ausgeführt wird, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≤ TV,max wobei TV,max die maximale Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.A method according to claim 11, characterized in that the adaptation is executed such that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S) applies: ΔT pulse = 1 / f pulse ≤ T V, max where T V, max, the maximum residence time of Distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart ausgeführt wird, dass für den zeitlichen Abstand (ΔTpuls = 1/fpuls) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ΔTpuls = 1/fpuls ≈ TV,0, wobei TV,0 die wahrscheinlichste Verweilzeit der Verteilung (Xn(TV)) der Neutronenverweilzeiten (TV) ist.Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the adaptation is carried out such that for the time interval (ΔT pulse = 1 / f pulse ) between two successive pulses of the particle beam (S) applies: ΔT pulse = 1 / f pulse ≈ T V, 0 , where T V, 0 is the most likely residence time of the distribution (X n (T V )) of the neutron residence times (T V ).
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