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Die Erfindung betrifft Targets für die Erzeugung von Sekundärstrahlung aus einer Primärstrahlung, eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle und Verfahren zum Betreiben der Targets.
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Stand der Technik
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Zur Erzeugung energiereicher Strahlung für technische Anwendungen werden in der Regel Radionuklidquellen oder Teilchenbeschleuniger verwendet. Ein Neutronenstrahl kann jedoch nicht mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, weil dort die Energie über elektrische und magnetische Felder eingekoppelt wird, auf die Neutronen mangels elektrischer Ladung nicht reagieren. In diesen Fällen wird eine Primärstrahlung auf ein Target geschossen und regt dieses zur Freisetzung einer Sekundärstrahlung an. Die Sekundärstrahlung wird anschließend für die technische Anwendung verwendet. Beispielsweise können Neutronen durch Beschuss eines geeigneten Targets mit Protonen als Primärstrahlung erzeugt werden.
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Dabei richtet sich die Formgebung des Targets nach der benötigten Strahlform der Sekundärstrahlung. Soll beispielsweise ein ausgedehntes Raumgebiet einem gleichmäßigen Neutronenfluss ausgesetzt werden, wird ein Spallationstarget verwendet, das Neutronen aus einem ebenfalls ausgedehnten Raumgebiet abstrahlt. Insbesondere sind Behältnisse mit flüssigem Metall, das zugleich als flüssiges Kühlmedium fungieren kann, als Spallationstargets gebräuchlich. Nachteilig dringen Protonen mit einer Energie von typischerwise 600 MeV in das flüssige Metall nur bis in eine Tiefe von etwa 20 cm ein, so dass das Target effektiv nur in einem Raumgebiet mit diesen Abmessungen Neutronen produziert.
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Aus (G. S. Bauer, „Overview an spallation target design concepts and related materials issues”, Journal of Nuclear Materials 398, 19–27 (2010)) sowie (T. Broome, „High Power Targets for Spallation Sources”, Proceedings EPAC96 Sitges/Spanien 1996) sind Targets aus mehreren Schichten bekannt, die in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeordnet sind. Jede Schicht absorbiert einen Teil der auftreffenden Primärstrahlung und setzt eine entsprechende Menge Neutronen frei. Die Schichten begrenzen jeweils Zwischenräume, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Nachteilig ist die durch das Kühlmedium abführbare Wärmeleistung der begrenzende Faktor für die Leistung, die mit der Primärstrahlung eingekoppelt werden kann, und damit auch für die erzielbare Intensität an Sekundärstrahlung.
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Aufgabe und Lösung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Target zur Verfügung zu stellen, in dem einerseits die Umwandlung der Primärstrahlung in die Sekundärstrahlung auf ein größeres Raumgebiet verteilt ist als bei den bekannten Flüssigtargets und in dem andererseits eine höhere Leistungsdichte an Primärstrahlung umsetzbar ist als bei den bekannten Schichtentargets. Es ist die weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der spezielle Brennelemente zwecks Transmutation der in ihnen enthaltenen Radionuklide homogen mit Neutronen bestrahlt werden können.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch Targets gemäß Haupt- und Nebenansprüchen, eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle gemäß weiterem Nebenanspruch sowie durch Verfahren zum Betreiben gemäß weiteren Nebenansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Die bekannten Flüssigtargets lassen sich besser kühlen als Targets aus mehreren hintereinander angeordneten festen Schichten, erzeugen die Sekundärstrahlung jedoch nur in einem begrenzten Raumgebiet. Mehrere hintereinander angeordnete feste Schichten geben die Sekundärstrahlung aus einem Gebiet heraus ab, dessen Ausdehnung durch die Anordnung der Schichten vorgegeben ist, jedoch ist ihre Kühlung problematisch und die umsetzbare Leistungsdichte hierdurch begrenzt. Die vorliegende Erfindung setzt bei beiden Grundformen von Targets am jeweils begrenzenden Faktor an. Sie fügt den Flüssigtargets eine bessere Kontrolle über das Gebiet hinzu, aus dem die Sekundärstrahlung emittiert wird. Bei den festen Targets verbessert sie die Kühlung. Im Endeffekt werden mit beiden Targets
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- • ein homogenes Neutronenfeld erzeugt.
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Während man nach dem Stand der Technik die Entscheidung für eine der beiden Grundformen danach ausrichten musste, ob die Homogenität des Neutronenfeldes oder die Effektivität der Kühlung wichtiger für die jeweilige Anwendung war, wird dieser Sachzwang durch die vorliegende Erfindung aufgehoben.
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Im Folgenden werden zunächst diejenigen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen das aktive Material, das mit der Primärstrahlung beschossen wird und für die Umwandlung in die Sekundärstrahlung verantwortlich ist, fest ist.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines aktiven Materials mit einer Primärstrahlung entwickelt. Das aktive Material, das mit der Primärstrahlung beschossen wird und für die Umwandlung in die Sekundärstrahlung verantwortlich ist, ist fest. In Strahlrichtung der Primärstrahlung sind mindestens zwei Portionen des aktiven Materials hintereinander angeordnet. Zwischen den Portionen vermag ein Kühlmedium zu strömen. Die mindestens zwei Portionen können insbesondere durch einen vom Kühlmedium durchströmbaren Raum voneinander beabstandet sein.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Portionen so angeordnet, dass sie jeweils von dem Kühlmedium um- bzw. durchströmbar sind. Diese Portionen können beispielsweise in Form von Scheiben, Lamellen oder Stäben vorliegen.
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Unter „um- bzw. durchströmbar” wird im Sinne dieser Erfindung verstanden, dass das Kühlmedium im unmittelbaren Kontakt mit der jeweiligen Portion des aktiven Materials einen geschlossenen Weg um diese Portion herum zurücklegen kann oder diese Portion auch durchströmen kann.
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Es wurde erkannt, dass auf diese Weise eine erheblich größere Oberfläche des aktiven Materials im Wärmekontakt mit dem Kühlmedium steht als nach dem Stand der Technik. Dadurch kann eine größere Wärmeleistung aus Portionen des aktiven Materials abgeführt werden, die der Primärstrahlung ausgesetzt sind. Gerade bei schwermetallhaltigen Targetmaterialien mit vergleichsweise geringem Schmelzpunkt ist eine große Wärmeübertragungsfläche wichtig, um die Gefahr eines Aufschmelzens oder Verdampfens zu vermeiden.
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Die beiden oder mehr Portionen können Teil einer festen Anordnung sein, auf die der Primärstrahl gerichtet wird. Sie können aber auch jeweils beweglich sein und in einer Strömung des Kühlmediums im Primärstrahl gehalten werden. Hierzu kann beispielsweise die Strömung des Kühlmediums der Gravitationskraft, die auf die beiden Portionen wirkt, entgegen gerichtet sein. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums kann dann so eingestellt werden, dass die Gravitationskraft durch die von der Strömung des Kühlmediums ausgeübte Kraft kompensiert wird, so dass die Portionen des aktiven Materials – wie in einem Wirbelbett – entweder in der Schwebe im Primärstrahl gehalten werden oder im Fallen so abgebremst werden, dass sie keine erhöhte mechanische Belastung erfahren.
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Dass die Portionen des aktiven Materials fest sind, bietet den weiteren Vorteil, dass temperaturbeständigere Materialien, wie beispielsweise Wolfram, eingesetzt werden können. Wolfram hat einen so hohen Schmelzpunkt, dass es nicht als Flüssigtarget verwendet werden kann. Zugleich ist es mechanisch nur schwer zu Schichten bearbeitbar.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein weiteres Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines festen aktiven Materials mit einer Primärstrahlung entwickelt. Bei diesem Target liegt erfindungsgemäß das aktive Material in einer Vielzahl fester Portionen vor, die durch den Primärstrahl hindurch bewegbar sind.
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Hierdurch werden mit anderen Mitteln die gleichen Wirkungen erzielt wie bei dem vorgenannten Target: Der Primärstrahl durchquert bei geeigneter räumlicher Verteilung der Portionen mehrere dieser Portionen nacheinander, so dass die Abgabe der Sekundärstrahlung auf ein ausgedehntes Raumgebiet verteilt ist. Zugleich wird eine Überhitzung dieser Portionen vermieden, weil sie jeweils nur sehr kurzzeitig der Primärstrahlung ausgesetzt sind und dadurch nur einen geringen Wärmeeintrag erfahren. Auf diese Weise lässt sich im gesamten Target eine höhere Leistungsdichte an Primärstrahlung umsetzen, wobei diese Umsetzung und auch die Materialbelastung über das Target homogen sind. Auf diese Weise lässt sich eine stark ausgedehnte, homogene Strahlungsquelle für die Sekundärstrahlung realisieren.
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Die Portionen können beispielsweise im freien Fall durch den Primärstrahl hindurch bewegt werden. Danach können sie beispielsweise mit einem Kühlmedium abgekühlt und auf eine Position zurückgefördert werden, von der sie erneut durch den Primärstrahl fallen können. Je länger es dauert, bevor die Portionen zurückgefördert werden, desto geringer ist der Aufwand, der im Betrieb für ihre Kühlung notwendig ist. Werden die Portionen erst zurückgefördert, wenn sie sich rein passiv abgekühlt haben, oder werden sie gar nur einmal verwendet, so ist ein Kühlmedium entbehrlich.
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Die Portionen können aber alternativ oder in Kombination hierzu auch in einer Strömung des Kühlmediums durch den Primärstrahl getrieben werden, beispielsweise in Form eines Wirbelbetts. Dies hat eine doppelte Wirkung: Zum einen werden die Portionen durch das Kühlmedium gekühlt, während sie dem Primärstrahl ausgesetzt sind, so dass sie einen längeren Beschuss überstehen, bevor sie überhitzen. Zum anderen können die Portionen mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Primärstrahl hindurch bewegt werden als dies im freien Fall möglich ist, insbesondere wenn der Antrieb durch die Strömung und die Gravitationskraft in der gleichen Richtung auf die Portionen wirken. Dies verringert die Zeitdauer, für die jede einzelne Portion dem Primärstrahl ausgesetzt ist. Im Ergebnis kann mit dem Primärstrahl eine höhere Leistung eingekoppelt werden, ohne das aktive Material zu zerstören. Dadurch kann eine höhere Intensität an Sekundärstrahlung erzielt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Target als Ganzes von dem Kühlmedium durchströmbar. Dann kann an einer Stelle oder Seite kaltes Kühlmedium in das Target eingeführt und hierdurch zugleich erwärmtes Kühlmedium an einer anderen Stelle oder Seite herausgedrückt werden. Somit kann die Rate, mit der das Kühlmedium ausgetauscht wird, durch seine Zufuhrrate gesteuert werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Target in Strahlrichtung des Primärstrahls von dem Kühlmedium durchströmbar. Dann ist bei gleicher Austauschrate und Vorlauftemperatur des Kühlmediums die Wärmeabfuhr aus dem Target besonders effektiv. Näher an der Quelle der Primärstrahlung gelegene Portionen des aktiven Materials sind im Strahlbereich tendenziell einer höheren Leistungsdichte ausgesetzt als Portionen, die erst später von der Primärstrahlung getroffen werden. Hierbei ist für eine Primärstrahlung aus geladenen Teilchen die Besonderheit zu beachten, dass die umgesetzte Leistungsdichte entlang des Strahlengangs durch das Target zunächst steigt und erst später fällt. Ursache hierfür ist, dass bei geladenen Teilchen gemäß der Bragg-Kurve der Energieverlust eines jeden Teilchens beim Durchgang durch Materie wiederum energieabhängig ist. Unabhängig hiervon ist die lokale Intensität der Primärstrahlung, also die Anzahl der auftreffenden Teilchen bzw. Strahlungsquanten pro Sekunde, an später getroffenen Portionen durch verschiedene Effekte tendenziell vermindert:
- • Abhängig von ihrer Fokussierung wird die Primärstrahlung mehr oder weniger aufgeweitet und aufgestreut.
- • Früher getroffene Portionen haben einen Teil der Primärstrahlung ohne Umwandlung in Sekundärstrahlung absorbiert und in Form von Wärme in das Kühlmedium überführt.
- • Ein weiterer Teil der Primärstrahlung wurde von früher getroffenen Portionen in Sekundärstrahlung umgewandelt.
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All diese Effekte führen in der Summe dazu, dass die Wärmebelastung in näher an der Quelle der Primärstrahlung gelegenen Bereichen höher ist als in Bereichen, die erst später von der Primärstrahlung durchdrungen werden. Indem nun das Kühlmedium in Strahlrichtung des Primärstrahls strömen kann, kann es von wärmeren Bereichen in kältere Bereiche des Targets strömen. Dadurch liegt es gerade in den wärmeren Bereichen mit einer niedrigen Temperatur vor, so dass die Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden aktiven Material und dem Kühlmedium besonders groß ist. Diese Temperaturdifferenz aber ist maßgeblich für die Rate, mit der Wärme zwischen aktivem Material und Kühlmedium transportiert wird.
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Nach dem Stand der Technik waren parallele Schichten vorgesehen, die jeweils senkrecht auf der Strahlrichtung der Primärstrahlung standen. Das Kühlmedium konnte sich nur parallel zu den durch diese Schichten definierten Ebenen bewegen. Unterschiedlichen Wärmebelastungen verschiedener Schichten konnte nur durch separate Regelung des Massenstroms an das Kühlmedium, der in verschiedenen Zwischenräumen zwischen Schichten vorgelegt wurde, Rechnung getragen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt in Strahlungsrichtung der Primärstrahlung die mittlere Massenbelegung mit aktivem Material zu. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem die Portionen des aktiven Materials in ihrer Dicke variieren und/oder indem in Strahlrichtung eine größere Anzahl dieser Portionen pro Einheit Strahlweg angeordnet ist. Hierdurch wird speziell der Tendenz geladener Teilchen als Primärstrahlung entgegengewirkt, auf Grund ihres zuvor beschriebenen Verhaltens gemäß der Bragg-Kurve den Hauptteil ihrer Energie erst kurz vor ihrem endgültigen Stopp im aktiven Material abzugeben, während zugleich gewährleistet ist, dass die für eine Neutronenerzeugung mittels Spallation erforderliche Mindestenergie entlang der gesamten Wegstrecke zur Verfügung steht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Portion des aktiven Materials eine Durchtrittsöffnung auf, durch die der Primärstrahl hindurchtreten kann.
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Dann kann insbesondere die Ruhelage des Primärstrahls so festgelegt sein, dass er durch die Durchtrittsöffnung hindurchtritt, so dass er nur dann mit der Portion des aktiven Materials wechselwirkt, wenn er aus der Ruhelage abgelenkt wird und beispielsweise auf den Rand der Durchtrittsöffnung trifft. Alternativ oder auch in Kombination zur Ablenkung kann der Primärstrahl auch aufgeweitet werden, oder sein Profil kann verändert werden. Insbesondere können mehrere Portionen, beispielsweise in Form von Schichten, in Strahlrichtung der Primärstrahlung hintereinander angeordnet sein und jeweils kreisförmige Durchtrittsöffnungen aufweisen, wobei sich in Strahlrichtung des Primärstrahls der Innendurchmesser der Durchtrittsöffnungen von einer Portion zur nächsten verengt. Die Schichten können beispielsweise in Form von Folien oder Platten realisiert sein. Der aus seiner Ruhelage abgelenkte Primärstrahl kann dann die Ränder mehrerer Durchtrittsöffnungen hintereinander angeordneter Schichten nacheinander durchdringen. Hierzu kann er insbesondere rotierend und/oder periodisch seitwärts von der Mitte zu den äußeren Rändern des durch die hintereinander angeordneten Durchtrittsöffnungen gebildeten Kegelausschnitts abgelenkt werden. Dadurch wird auch immer nur ein Teil der Schichten kurzzeitig von Strahl beaufschlagt und kann die eingebrachte Wärme in der Zwischenzeit effektiv abführen. De facto wirkt die periodische Strahlablenkung qualitativ ähnlich wie rotierende Spallationstargets, die früher schon einmal in Betracht gezogen wurden und in der Literatur beschrieben sind, jedoch quantitativ effektiver.
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Vorteilhaft weicht der Strömungswiderstand, den das Target dem Kühlmedium in mindestens einer Richtung entgegensetzt, von dem Strömungswiderstand, den es dem Kühlmedium in mindestens einer hierzu senkrechten Richtung entgegensetzt, um weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10% und ganz besonders bevorzugt um weniger als 5% ab. Dann gibt es im Wesentlichen keine Vorzugsrichtung für die Strömung des Kühlmediums, sondern das Kühlmedium kann in jeder beliebigen Richtung durch das Target fließen.
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Unter Strömungswiderstand wird in diesem Zusammenhang die Druckdifferenz verstanden, die erforderlich ist, um einen gegebenen Massenstrom an Kühlmedium durch das Target zu treiben. Diese Druckdifferenz hängt nicht nur von der inneren Struktur des Targets ab, sondern auch von seiner Ausdehnung. Je länger der von Portionen des aktiven Materials gesäumte Weg ist, den das Kühlmedium durch das Target zurücklegen muss, desto größer ist die Druckdifferenz, die für den Transport eines vorgegebenen Massenstroms notwendig ist.
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Vorteilhaft liegt das aktive Material in Form von Drähten, Fäden, einem Fasergewebe, Metallschäumen und/oder massiven bzw. hohlen Kugeln vor. In diesen Formen lässt es sich besonders einfach als regelmäßiges Muster mit hoher spezifischer Oberfläche herstellen.
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Die Kugeln, die beispielsweise in Form von Kugelschüttungen vorliegen können, können insbesondere hohl sein, so dass ihr Inneres für die Primärstrahlung transparent ist. Dadurch kann die Eindringtiefe der Primärstrahlung in das gesamte Target weiter optimiert werden, wobei gleichzeitig die Wärmeerzeugung auf beherrschbare Konditionen begrenzt wird. Die Primärstrahlung erreicht nunmehr auch Bereiche in Tiefen innerhalb des Targets, in denen sie in Targets nach dem Stand der Technik schon absorbiert worden war. Auch sind offene oder geschlossene Mehrschichtanordnungen bzw. Sandwichbauweisen anwendbar.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das aktive Material als Metallschaum vor. Dabei kann es insbesondere eine Porosität zwischen 40% und 95%, bevorzugt zwischen 70% und 95%, aufweisen. Ein Metallschaum bildet selbstorganisiert Strukturen aus, die für den Einsatz als Target vorteilhaft sind. Je größer die Porosität, desto länger ist die Strecke, die die Primärstrahlung in den Metallschaum eindringen kann. In Strahlrichtung der Primärstrahlung ist eine große Zahl von Portionen des aktiven Materials hintereinander angeordnet. Diese stehen jeweils durch eine Vielzahl metallischer Verbindungen im Wärmekontakt mit der Gesamtmatrix des Metallschaums, so dass die durch die Wechselwirkung mit der Primärstrahlung produzierte Wärme effektiv abgeführt werden kann.
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Vorteilhaft ist der Metallschaum offenporig. Dann kann ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium durch ihn hindurch gefördert werden.
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Das flüssige oder gasförmige Kühlmedium kann selbst wieder ein aktives Material sein, so dass die vorteilhaften Eigenschaften beider aktiven Materialien miteinander kombiniert werden können.
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Im Folgenden werden diejenigen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen das aktive Material, das mit der Primärstrahlung beschossen wird und für die Umwandlung in die Sekundärstrahlung verantwortlich ist, flüssig oder gasförmig ist. Kombinationen mit den Ausführungsformen, in denen das aktive Material fest ist, sowie mit den im Zusammenhang mit solchen Ausführungsformen offenbarten Einzelmaßnahmen gelten ausdrücklich auch als im Zusammenhang mit den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen offenbart.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein weiteres Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines aktiven Materials mit einer Primärstrahlung entwickelt. Das aktive Material ist flüssig oder gasförmig; es kann insbesondere ein flüssiges Metall sein, wie beispielsweise Blei oder ein Blei-Wismut-Eutektikum. Erfindungsgemäß enthält es mindestens einen für die Primärstrahlung transparenten Festkörper.
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Dieser Festkörper kann insbesondere kugel- oder plattenförmig sein oder in anderen geometrischen Formen ausgeführt sein. Er kann insbesondere hohl sein, oder partiell bzw. ganz aus leichteren Materialien bestehen (z. B. Titan), welche mit dem Primärstrahl im geringerer Weise reagieren, so dass er einen noch geringeren Anteil der Primärstrahlung absorbiert. Er kann in seiner Wandung oder in seinem Inneren ein aktives Material enthalten, das Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umwandelt, oder auch ein reiner geometrischer Verdrängerkörper sein, dessen einzige Funktion es ist, das flüssige oder gasförmige Material aus einem gewissen Bereich im Strahlengang der Primärstrahlung fernzuhalten.
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Befindet sich ein solcher Körper im Primärstrahl, trennt er durch seine Verdrängung mehrere Portionen des aktiven Materials in Richtung des Primärstrahls voneinander. Dadurch werden die Absorption des Primärstrahls und damit auch die Erzeugung der Sekundärstrahlung auf ein größeres Raumgebiet im Target verteilt. Es wird somit der gleiche Effekt erzielt wie bei den vorgenannten Targets. Dabei fungiert das flüssige oder gasförmige aktive Material nicht nur als seine eigene Kühlung, sondern kann zugleich auch die Außenseite des transparenten Festkörpers intensiv kühlen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verengt sich der quer zur Strahlrichtung der Primärstrahlung gemessene Innendurchmesser des transparenten Festkörpers entlang der Strahlrichtung. Ein Beispiel für einen solchen Festkörper ist ein, insbesondere schlanker, Kegel oder Kegelstumpf, welcher mit der Spitze in die Strahlrichtung der Primärstrahlung weist. Dann kann der Primärstrahl, bei einem Primärstrahl aus geladenen Teilchen beispielsweise durch magnetische Ablenkspulen oder Quadrupolmagnete, intermittierend oder rotierend an der inneren Oberfläche entlanggeführt werden. Dadurch ist immer nur ein geringer Teil des inneren Kegelmantels für kurze Zeit dem Primärstrahl ausgesetzt und kann bis zum erneuten Auftreffen des Strahls effektiv gekühlt werden. Die wärmeintensive Umwandlung der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung, beispielsweise durch Spallationsreaktionen, findet dann im Wesentlichen im aktiven Material statt, das beispielsweise ein flüssiges Metall sein kann und als sein eigenes Kühlmittel fungiert. Der Innenraum des Kegels kann auch ein Vakuum enthalten. Beispielsweise kann er mit dem Vakuumsystem eines zur Erzeugung der Primärstrahlung verwendeten Beschleunigers verbunden sein und damit faktisch als gekühltes Strahlfenster fungieren.
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Das o. a. Grundprinzip ist auch für Targets mit festem aktivem Material, beispielsweise in Spallationsanlagen, verwendbar, indem der Kegel außen effektiv gekühlt oder doppelwandig bzw. mehrschichtig ausgeführt wird. Zwischen den Kegelmänteln kann dann das Kühlmittel die entstehende Wärme abführen. Das Kühlmittel im Zwischenspalt kann allerdings auch aus Flüssigmetall bestehen, welches dann gleichzeitig als aktives Material, insbesondere als Spallationsmaterial, dient.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der transparente Festkörper ein Schaum mit geschlossenen Poren. Dieser Schaum kann aus einem leichten Metall oder einem anderen Material bestehen, das nur wenig bis gar nicht mit dem Primärstrahl wechselwirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Target mindestens zwei in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeordnete Kanäle, die von dem aktiven Material durchströmbar sind. Diese Kanäle können insbesondere außerhalb des Strahlengangs der Primärstrahlung miteinander verbunden sein, so dass das aktive Material nur an einer Stelle in das Kanalsystem hineingefördert werden muss. Diese Ausgestaltung ist technisch einfacher zu realisieren als geometrische Verdrängerkörper in einem flüssigen oder gasförmigen aktiven Material; das aktive Material kann ohne Querschnittsverengung durch Verdrängerkörper durch das Kanalsystem strömen.
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Die in Bezug auf die zuvor beschriebenen Targets offenbarten Maßnahmen sind auch bei diesem Target anwendbar.
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Mit jedem der erfindungsgemäßen Targets kann insbesondere ein Protonenstrahl als Primärstrahlung durch eine Wechselwirkung mit einer Vielzahl hintereinander angeordneter Portionen des aktiven Materials in einem ausgedehnten Raumgebiet in Neutronenstrahlung umgewandelt werden. Das aktive Material kann dann insbesondere durch Spallation umgewandelt werden, wobei hochangeregte Atomkerne entstehen, die wiederum durch „Abdampfen” Neutronen als Sekundärstrahlung emittieren. Um das Target bildet sich ein gleichmäßig ausgedehntes Neutronenfeld. Ein solches Feld kann genutzt werden, um Minore Aktinide (MA) und langlebige Spaltprodukte durch Kernreaktionen in weniger langlebige Radionuklide zu transmutieren. Insbesondere kann in einer das Target umgebenden Anordnung für Brennelemente eine linienförmige Neutronenquelle realisiert werden, die parallel zu den Brennelementen angeordnet werden kann und diese mit einer über die Brennstablänge homogenen Transmutationsrate umsetzt. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle, insbesondere für die Transmutation hochradioaktiver Abfälle (high-level waste HLW), mit einem Protonenbeschleuniger als Quelle für die Primärstrahlung und einem erfindungsgemäßen Target als Neutronenquelle.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in Strahlrichtung der Primärstrahlung mehrere erfindungsgemäße Targets hintereinander angeordnet. Die Vorrichtung ist dann in besonderem Maße als linienförmige Neutronenquelle zur Bestrahlung etwa von Brennelementen geeignet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält mindestens ein Target zusätzlich Minore Aktinide des zu transmutierenden Abfalls. Dies kann z. B. durch Sandwichbauweisen von Platten geschehen, in welchem zwischen zwei Metallfolien auch Aktiniden eingebracht werden. Anstelle von Fasermaterialien ließen sich auch Hohlfasern oder Röhrchen mit eingebrachten Aktiniden verwenden. Weiterhin sind Legierungen mit eingelagerten Minoren Aktiniden oder auch keramische Körper mit eingelagerten Minoren Aktiniden bzw. beschichteten oder unbeschichteten Partikeln mit Minoren Aktiniden anwendbar. Ein Teil der Aktinide würde dann direkt durch den Primärstrahl per Spallation vernichtet. Die Neutronenausbeute ist dabei wegen des hohen Atomgewichts besonders günstig und unterstützt die Transmutation in den umgebenden, als Abfall zu transmutierenden Brennelementen.
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Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Targets, bei denen
- • mindestens eine Portion des aktiven Materials bzw. mindestens ein transparenter Festkörper von einer der Gravitationskraft entgegengerichtete Kraftkomponente der Strömung des Kühlmediums im Primärstrahl gehalten wird, und/oder
- • mindestens eine Portion des aktiven Materials von der Strömung des Kühlmediums und/oder im freien Fall durch den Primärstrahl bewegt wird;
- • der Primärstrahl abgelenkt wird und/oder sein Profil und/oder sein Durchmesser verändert werden, so dass das aktive Material zeitlich variablen Intensitäten der Primärstrahlung ausgesetzt wird und/oder verschiedene Bereiche des aktiven Materials im Wechsel der Primärstrahlung ausgesetzt werden. Insbesondere Protonen, die als Primärstrahlung zur Erzeugung von Neutronenstrahlung durch Spallation verwendet werden, lassen sich gut mit magnetischen Linsen und/oder Quadrupolmagneten beeinflussen. Die nach der Umwandlung in Neutronenstrahlung als Sekundärstrahlung nicht mehr mögliche elektromagnetische Beeinflussung von Strahlrichtung, Strahldurchmesser und Strahlform wird auf die Phase vor der Umwandlung, in der noch ein elektromagnetisch beeinflussbarer Strahl geladener Teilchen vorliegt, vorverlagert.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen:
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1: eine Kugelschüttung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets
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2: eine Drahtanordnung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets
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3: eine Schichtanordnung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
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4: eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Transmutation mit Targets
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5: einen simulierten Neutronenfluss eines erfindungsgemäßen Targets
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6: eine mögliche Realisierung eines Reaktors für die Transmutation
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets. Es besteht aus einer Schüttung von Kugeln 11 aus aktivem Material, die in Sandwichkugeln zwischen Netzgittern 12 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind nur zwei Lagen von Kugeln 11 dargestellt. Es können noch weitere dieser Lagen hinzugefügt werden. Alternativ oder auch in Kombination hierzu können mehrere der in 1 gezeigten Sandwiches in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeordnet werden und zusammen ein einziges erfindungsgemäßes Target bilden. Das Kühlmedium kann durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kugeln strömen, so dass jede einzelne Kugel vom Kühlmedium umströmbar ist und das Target auch als Ganzes vom Kühlmedium durchströmbar ist. Das Kühlmedium kann sowohl von der Seite als auch von oben oder unten (Primärstrahlrichtung) durch das Target strömen.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets. Es besteht aus Drähten 21 aus aktivem Material. Diese Drähte liegen nebeneinander in Ebenen, die wiederum hintereinander angeordnet sind. Indem im Betrieb die Primärstrahlung eine der Ebenen nach der anderen durchdringt, wird die Erzeugung der Sekundärstrahlung auf ein ausgedehntes Raumgebiet verteilt.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets. Das aktive Material liegt hier in Form von Schichten 31 vor, die Durchtrittsöffnungen 32 für die Primärstrahlung aufweisen. Diese Durchtrittsöffnungen 32 haben eine doppelte Wirkung. Zum einen kann durch sie der Primärstrahl hindurchtreten, wenn er in seiner Ruhelage einfällt. Zum anderen kann auch das Kühlmedium durch diese Öffnungen hindurchtreten, so dass es das ganze Target in Strahlrichtung des Primärstrahls durchströmen kann. Dieses Target ist speziell für Primärstrahlung aus geladenen Teilchen geeignet, die sich durch elektrische und magnetische Felder beeinflussen lässt, also beispielsweise für eine Spallationsquelle zur Erzeugung von Neutronen aus energiereichen Protonen. Solange der Primärstrahl in seiner Ruhelage einfällt, wechselwirkt er nicht mit dem aktiven Material 31, und es wird keine Sekundärstrahlung erzeugt. Um Sekundärstrahlung zu erzeugen, wird der Primärstrahl entweder aus seiner Ruhelage ausgelenkt oder aber sein Strahldurchmesser aufgeweitet, so dass er in Kontakt mit den Rändern der Durchtrittsöffnungen tritt.
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4 zeigt den Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Transmutation, in dem sich erfindungsgemäße Targets befinden.
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4a zeigt eine Schnittzeichnung. Ein gepumptes UHV-Rohr 4 ist an einen Protonenbeschleuniger als Quelle für die Primärstrahlung 40 angekoppelt. In seinem unteren Teil ist durch ein Strahlfenster 41, das für die Primärstrahlung durchlässig ist, der Bereich abgetrennt, in dem sich das erfindungsgemäße Target 42 befindet. Dieser Bereich enthält das Kühlmittel Helium unter Druck. Das Target 42 enthält hintereinander angeordnete Portionen 43 des aktiven Materials, die vom Helium durchströmbar sind. Das Helium wird über einen Flansch 44 und eine in der Außenwand des UHV-Rohrs 4 verlegte Leitung 45 in den Bereich mit dem Target 42 geführt. Es durchdringt alle Portionen 43 des aktiven Materials und gelangt anschließend in eine Rückleitung 46 zu einem weiteren Flansch 47, wo es austritt. Dabei strömt das Gas vertikal von oben nach unten, weil oben der größte Wärmeeintrag stattfindet.
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4b zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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5 zeigt den simulierten Neutronenfluss, den ein erfindungsgemäßes Target unter Beschuss mit Protonen als Primärstrahlung liefert. Jedes einzelne Proton hat eine Energie von 600 MeV, der Strahlstrom beträgt 10 mA. Der Primärstrahl transportiert somit eine Leistung von 6 MW. Er hat einen runden Querschnitt mit gaußförmiger Intensitätsverteilung. Das Strahlprofil beinhaltet 95% der Gesamtintensität (3σ).
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In 5 ist der Neutronenfluss über der Eindringtiefe 1 in das Target (Ordinate) und der Entfernung r vom Zentrum des Targets (Abszisse) in Graustufen aufgetragen. Dunklere Töne entsprechen einem geringeren Neutronenfluss, hellere Töne entsprechen einem höheren Neutronenfluss. Der Primärstrahl fällt von links auf das Target ein. Das Target besteht aus hintereinander angeordneten Wolframscheiben mit einer Dichte von 19,3 g/cm3. Die Dicke der Wolframscheiben nimmt mit zunehmender Eindringtiefe in das Target zu, was durch unterschiedlich dicke Skizzen der Scheiben auf der Ordinate maßstabsgerecht eingezeichnet ist. In der Simulation ist nur die Neutronenerzeugung berücksichtigt, nicht jedoch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Scheiben zwecks Gewährleistung der Kühlung. In der konkreten technischen Realisierung können die Scheiben wahlweise in derjenigen erfindungsgemäßen Ausgestaltung gebaut werden, die sich am besten mit den Randbedingungen der konkreten Transmutationsanlage vereinbaren lässt.
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Es ist deutlich zu erkennen, dass die Flächen gleichen Neutronenflusses fast parallel zum Primärstrahl verlaufen. Somit ist über die gesamte Länge des Targets ein quasi homogener Neutronenfluss gegeben. Ein parallel zum Target angeordneter Brennstab wird somit gleichmäßig transmutiert.
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6 zeigt eine mögliche Realisierung eines Reaktors für die Transmutation gemäß der in 5 gezeigten Simulation. Durch ein Targetfenster 61 tritt der Protonenstrahl in das Target 62 ein. Um das Target herum ist ein unterkritischer Kern 63 aus den zu transmutierenden Brennstoffen rotationssymmetrisch angeordnet.
