DE102011121740B3 - Arrangement, useful for generating cold neutrons using superfluid hydrogen, comprises a tube spirally wound in a multiple turns and in at least one winding layer, through which superfluid liquid hydrogen is guided to flow - Google Patents

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Abstract

Arrangement for generating cold neutrons using superfluid hydrogen, comprises a tube spirally wound in a multiple turns and in at least one winding layer, through which superfluid liquid hydrogen is guided to flow. The tube has a wall thickness of >= 1 mm and an outer diameter of >= 10 mm, where the diameter of the coil with the smallest radius of curvature is greater than twice the outer radius of the tube. The tube is made of a material which complies with the requirements for guiding superfluid hydrogen and the radiation exposure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung kalter Neutronen mittels der Moderation mit supraflüssigem Wasserstoff.The invention relates to an arrangement for generating cold neutrons by means of the moderation with superfluid hydrogen.

Stand der TechnikState of the art

Neutronen mit einem breiten Spektrum unterschiedlicher Energien werden an Forschungsreaktoren und Spallationsquellen weltweit zur Grundlagenforschung und anwendungsnahen Forschung, hier besonders zur Bestimmung von Materialstruktureigenschaften, eingesetzt.Neutrons with a wide range of different energies are used in research reactors and spallation sources worldwide for basic research and application-oriented research, in particular for the determination of material structure properties.

Das Spektrum der direkt aus dem Kernspaltungs- oder Spallationsprozess gewonnenen Neutronen weist überwiegend einen Anteil an schnellen (> 1 MeV) Neutronen auf. Diese werden zumeist durch Moderation mit schwerem oder leichtem Wasser in thermische Neutronen (etwa 0,025 eV) umgewandelt. Für die meisten anwendungsnahen Experimente zur Materialcharakterisierung werden jedoch heute kalte Neutronen (5 × 10–5 eV – 0,025 eV) benötigt.The spectrum of neutrons obtained directly from the nuclear fission or spallation process predominantly has a proportion of fast (> 1 MeV) neutrons. These are usually converted into thermal neutrons (about 0.025 eV) by moderation with heavy or light water. However, cold neutrons (5 × 10 -5 eV - 0.025 eV) are needed for most practical material characterization experiments today.

Die Bereitstellung von kalten Neutronen erfolgt im Wesentlichen durch eine neutronengerechte Konstruktion, die geeignet ist, die spektrale Verteilung der Neutronen zu modifizieren. Eine derartige Vorrichtung wird gemeinhin als Kalte Neutronen Quelle (Cold Neutron Source, CNS) bezeichnet, wenn sie besonders langsame, sogenannte „kalte” Neutronen emittiert. Die Modifikation der Geschwindigkeit der Neutronen wird im Moderator zumeist durch tiefkaltes (≤ 25 K) Gas bewirkt.The provision of cold neutrons essentially takes place by means of a neutron-compatible construction which is suitable for modifying the spectral distribution of the neutrons. Such a device is commonly referred to as Cold Neutron Source (CNS) when it emits particularly slow, so-called "cold" neutrons. The modification of the speed of the neutrons is usually effected in the moderator by cryogenic (≤ 25 K) gas.

Das Moderatormedium kann zudem zur Wärmeabfuhr, die durch die Aufnahme der Energie der thermischen Neutronen entsteht, hier besonders auch durch das Material des Behälters, dienen.The moderator medium can also serve for heat dissipation, which results from the absorption of the energy of the thermal neutrons, here in particular by the material of the container.

Der Einsatz der Bauteile bei tiefkalten Temperaturen, hohen Drücken, möglichen raschen Temperaturwechseln, dem Einsatz von Wasserstoff und der Bestrahlung mit Neutronen und elektromagnetischer Strahlung bringen besondere Anforderungen an das Material, die Fertigung und die Auslegung der Bauteile mit sich. Im Aufsatz I von D. J. Alexander „Materials for Cold Neutron Sources: Cryogenic and Irradiation Effects” (abrufbar unter http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/21/053/21053648.pdf, Stand 16.12.2011) werden die Eigenschaften von Aluminium-Magnesium- und Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen unter tiefkalten Bedingungen und gleichzeitiger hoher Bestrahlungsdichte besprochen und deren Vorzugsstellung im Einsatz zur Fertigung von Bauteilen für Kalte Neutronen Quellen.The use of the components at cryogenic temperatures, high pressures, possible rapid temperature changes, the use of hydrogen and the irradiation with neutrons and electromagnetic radiation make special demands on the material, the manufacture and the design of the components. In essay I by DJ Alexander "Materials for Cold Neutron Sources: Cryogenic and Irradiation Effects" (available at http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/21/053/21053648.pdf, as of 16.12. 2011) discusses the properties of aluminum-magnesium and aluminum-magnesium-silicon alloys under cryogenic conditions with simultaneous high irradiance and their preferential position in use for the production of components for cold neutron sources.

Im Aufsatz II von D. L. Selby et al. „High Flux Isotope Reactor Cold Neutron Source Reference Design Concept” (DOI 10.2172/677114) werden die möglichen Schwachstellen eines Systems zur Führung von tiefkaltem superfluidem Wasserstoff eingehend betrachtet. Als besonders kritisch haben sich Schweißnähte, die an Kanten geführt sind, herausgestellt (Kapitel 2.7.2). Diese hielten einer Belastung unter Betriebsbedingungen teilweise nicht stand und wiesen nach Belastung Leckagen auf. Dies führte zur Reduzierung der Schweißnähte bis auf eine verbleibende Schweißnaht unter völliger Vermeidung von Schweißnähten an Kanten.In Review II of D.L. Selby et al. "High Flux Isotope Reactor Cold Neutron Source Reference Design Concept" (DOI 10.2172 / 677114) thoroughly reviews the potential shortcomings of a system for conducting cryogenic superfluid hydrogen. Welded seams that are led along edges are particularly critical (Chapter 2.7.2). These partially withstood a load under operating conditions and showed leaks after loading. This led to the reduction of the welds to a remaining weld with complete avoidance of welds on edges.

Auch im Aufsatz III von P. A. Kopetka et al. „Cold Neutron at NIST” (in Nuclear Engineering and Technology, Vol. 38 No. 5, Special Issue an HANARO 2005, S. 427–432) wird die Notwendigkeit einer geringen Anzahl von Schweißnähten und besonders der Ausschluss von nicht geschweißten Verbindungen dargelegt. Hier wird auch die aufwändige Herstellung eines entsprechenden Bauteils aus einem Aluminiumblock vorgestellt. Des Weiteren wird ausgeführt, dass eine weitere Anforderung an die Bauteile in einer möglichst geringen Menge an eingebrachtem Material besteht. Dies ist verbunden mit der proportional zur Masse des Materials aufgenommenen Wärmeleistung, die entsprechend abzuführen ist. Dieser Umstand wird auch in Aufsatz II von D. L. Selby et al. dargelegt (Kap. 2.1 und 2.4).Also in the article III of P. A. Kopetka et al. "Cold Neutron at NIST" (in Nuclear Engineering and Technology, Vol. 38 No. 5, Special Issue to HANARO 2005, pp. 427-432) sets out the need for a small number of welds, and especially the exclusion of non-welded joints. Here, the elaborate production of a corresponding component from an aluminum block is presented. Furthermore, it is stated that there is a further requirement on the components in the smallest possible amount of introduced material. This is associated with the absorbed in proportion to the mass of the material heat output, which is correspondingly dissipate. This fact is also discussed in Essay II by D.L. Selby et al. (Chapters 2.1 and 2.4).

Im Aufsatz II von D. L. Selby et al. wird ein Moderator beschrieben, der für den Betrieb im Forschungsreaktor HFIR (High Flux Isotope Reactor) des Oak Ridge National Laboratory, Strahlrohr HB-4 konzipiert wurde. Als Moderatormedium dient supraflüssiger Wasserstoff. Der Behälter ist aus Al-6061 T6 gefertigt. Er besteht aus einem hemisphärisch geformten Endstück, auf dessen Grundfläche sich am Rand gegenüberliegend der Wasserstoff-Zu- und -Ablauf befindet. Zu- und Ablauf sind symmetrisch und annähernd flaschenhalsförmig ausgebildet.In Review II of D.L. Selby et al. describes a facilitator designed for operation in the High Flux Isotope Reactor (HFIR) of Oak Ridge National Laboratory, HB-4. The moderator medium is superfluid hydrogen. The container is made of Al-6061 T6. It consists of a hemispherically shaped end piece, on the base of which is opposite to the edge of the hydrogen inlet and outlet. Inlet and outlet are symmetrical and approximately bottle neck shaped.

Im Aufsatz IV von X. Yu et al. „Heat Transfer Research an a Special Cryogenic Heat Exchanger – a Neutron Moderator Cell (NMC)” (International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 1047; 2010) wird ein Kalte Neutronen Moderator beschrieben, der mit flüssigem Wasserstoff betrieben wird. Er besteht aus einer ¾ Ringkammer, die in einem Heliumtank untergebracht ist.In Review IV of X. Yu et al. "Heat Transfer Research to a Special Cryogenic Heat Exchanger - a Neutron Moderator Cell (NMC)" (International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Paper 1047, 2010) describes a cold neutron moderator operated with liquid hydrogen. It consists of a ¾ ring chamber housed in a helium tank.

In JP 2002-207100 A1 ist eine Kalte Neutronen Quelle beschrieben, die aus einem halbierten doppelwandigen Zylinder besteht, der an den Enden durch zwei halbierte, doppelwandige Halbkugeln komplettiert wird. Der Behälter besteht demnach aus drei Teilen.In JP 2002-207100 A1 is a cold neutron source described, which consists of a halved double-walled cylinder, which is completed at the ends by two halved, double-walled hemispheres. The container therefore consists of three parts.

Das Regelwerk AD 2000 (Beuth Verlag GmbH; online über http://www.ad-2000-online.de/) konkretisiert alle wesentlichen Sicherheitsanforderungen, die nach der europäischen Druckgeräte-Richtlinie (97/23/EG) erfüllt werden müssen, und enthält Ausführungen über die Druckfestigkeit verschiedener Geometrien von Druckbehältern, nach denen Rohre aufgrund ihrer speziellen Ausformung besonders druckfest sind. The rules and regulations AD 2000 (Beuth Verlag GmbH, online at http://www.ad-2000-online.de/) specifies all essential safety requirements that have to be met according to the European Pressure Equipment Directive (97/23 / EC), and It contains information on the compressive strength of various geometries of pressure vessels, according to which pipes are particularly pressure-resistant due to their special shape.

Geometrien von Druckbehältern, nach denen Rohre aufgrund ihrer speziellen Ausformung besonders druckfest sind.Geometries of pressure vessels, according to which pipes are particularly pressure-resistant due to their special shape.

Wie zudem allgemein bekannt ist, verursachen sogenannte Totvolumina, d. h. Bereiche, die kaum oder gar nicht durchströmt werden, Probleme bei der Wärmeabfuhr durch ungenügenden Austausch des Kühlmediums.As is well known, so-called dead volumes, d. H. Areas that are hardly or not at all traversed, problems in heat dissipation due to insufficient replacement of the cooling medium.

Aufgabenstellungtask

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen eine Anordnung zur Erzeugung kalter Neutronen anzugeben, die verbindungs- und schweißnahtfrei, bei möglichst geringem Materialeinsatz, günstiger Wärmeabfuhr und einfacher Herstellung zu realisieren ist.Based on the disadvantages of the known prior art, the object of the present invention is to provide an arrangement for generating cold neutrons indicate that connection and free of welds, with the lowest possible use of materials, favorable heat dissipation and ease of production can be realized.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demnach kommt ein gewickeltes Rohr, das der Durchströmung mit supraflüssigem Wasserstoff dient und eine Wandstärke ≥ 1 mm und einen Außendurchmesser ≥ 10 mm aufweist, zum Einsatz. Die Wicklungen sind spiralförmig in mehreren Windungen mit beliebigem Abstand zueinander und in einer oder mehreren Wicklungslagen geführt. Der Krümmungsradius der Windungen muss dabei der Vorgabe, dass der kleinste Durchmesser der Windungen (d_min_Wicklung), größer ist als der zweifache Außenradius des eingesetzten Rohres (d_Rohr), d_min_Wicklung ≥ 2 × d_Rohr, genügen. Als Rohrmaterial kommen Materialien, die den Anforderungen zur Führung von supraflüssigem Wasserstoff und der Strahlenbelastung genügen, in Betracht.This object is solved by the features of claim 1. Accordingly, a wound tube, which serves to flow through with supra-liquid hydrogen and has a wall thickness ≥ 1 mm and an outer diameter ≥ 10 mm, is used. The windings are spirally guided in multiple turns at any distance from each other and in one or more winding layers. The radius of curvature of the windings must satisfy the requirement that the smallest diameter of the windings ( d_min_Wicklung ) is greater than twice the outer radius of the inserted pipe ( d_tube ), d_min_Wicklung ≥ 2 × d _Rohr . Suitable tube materials are materials that meet the requirements for the management of superfluid hydrogen and the radiation exposure into consideration.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die günstigen Eigenschaften von Rohren bezüglich hoher Druckfestigkeit bei gleichzeitigem geringem Materialeinsatz und die gleichzeitige völlige Vermeidung von Totvolumina ausgenutzt. Zusätzlich bietet der Einsatz von gebogenem Rohr den Vorteil, schweißnaht- und verbindungsfrei geformt werden zu können. Die Wicklungen sind zudem flexibel ausführbar unter der Berücksichtigung der Limitierungen an den Krümmungsradius mit d_min_Wicklung ≥ 2 × d_Rohr. Durch die Variation der formgebenden Parameter der Wicklung, wie Anzahl und Abstand der Windungen, Anzahl der Wicklungslagen, Variation der absoluten und relativen Größe der Durchmesser und Neigen der Wicklungsachse gegenüber der Basis der Spirale, können die Ausführungsformen der Erfindung flexibel an verschiedene Strahlrohr-, Reaktor- oder Spallationsquellen-Geometrien angepasst werden. Die Höhe, der Durchmesser und somit das Volumen sowie die Geometrie des umfassten Volumens, wie z. B. Zylinder, schiefer Zylinder, Kugel oder Ellipsoid, sind nach Umgebungsbedarf einstellbar und an die Flussverteilung der Neutronen anpassbar.In the solution according to the invention, the favorable properties of tubes with respect to high compressive strength combined with low material usage and the simultaneous total avoidance of dead volumes are utilized. In addition, the use of bent pipe offers the advantage of being able to be formed without weld seams or joints. The windings can also be implemented flexibly, taking into account the limitations on the radius of curvature with d _min_Wickellung ≥ 2 × d _Rohr . By varying the shaping parameters of the winding, such as the number and pitch of turns, number of winding layers, varying the absolute and relative sizes of the diameters and tilting the winding axis relative to the base of the spiral, the embodiments of the invention can be flexibly adapted to different jet pipe, reactor - or spallation source geometries are adjusted. The height, the diameter and thus the volume and the geometry of the volume included, such. As cylinder, slated cylinder, sphere or ellipsoid are adjustable according to environmental requirements and adaptable to the flux distribution of neutrons.

In Ausführungsformen der Erfindung ist die Verwendung von unterschiedlichen Materialien, die für den Einsatz zur Führung von supraflüssigem Wasserstoff und unter hoher Strahlenbelastung geeignet sind, wie z. B. AlMg3 oder Aluminium, vorgesehen.In embodiments of the invention, the use of different materials suitable for use in the management of superfluid hydrogen and under high radiation exposure, such as e.g. B. AlMg 3 or aluminum provided.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail in the following embodiment with reference to drawings.

Die Figuren hierzu zeigenThe figures show this

1: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung kalter Neutronen mittels supraflüssigen Wasserstoffs; 1 an arrangement according to the invention for generating cold neutrons by means of superfluid hydrogen;

2: die Anordnung gemäß 1, nunmehr um 90° gedreht. 2 : the arrangement according to 1 , now rotated by 90 °.

Die in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung zeigt eine in einer Lage ausgeführte Wicklung des Rohres, die ein kegelförmiges Volumen umfasst, wobei die Wicklung, beginnend mit einer Windung mit Durchmesser d1 = 10 cm am unteren, spitzen Ende des Kegels, in 6 Windungen kontinuierlich über einen Durchmesser d2 = 15 cm bis auf einen Durchmesser d3 = 20 cm mit d1 < d2 < d3 ausgeführt ist. Die Führung der Rohrendstücke erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Kegelachse, wobei das untere Ende durch den inneren Teil geführt ist und beide Rohrendstücke in einem 90° Winkel senkrecht zur Grundfläche des Kegels in Windungsrichtung nach oben gebogen sind. Die Wandstärke des Rohres beträgt d_Wand = 0,1 cm und der Durchmesser des Rohres d_Rohr_außen = 1,2 cm.The in the 1 and 2 illustrated inventive arrangement shows a running in a layer winding of the tube, which comprises a conical volume, wherein the winding, starting with a winding with diameter d 1 = 10 cm at the lower, pointed end of the cone, in 6 turns continuously over a diameter d 2 = 15 cm to a diameter d 3 = 20 cm with d 1 <d 2 <d 3 is executed. The leadership of Rohrendstücke takes place in this embodiment, parallel to the cone axis, wherein the lower end is guided by the inner part and both Rohrendstücke are bent in a 90 ° angle perpendicular to the base of the cone in the winding direction upwards. The wall thickness of the tube is d_Wand = 0.1 cm and the diameter of the tube d _Rohr_außen = 1.2 cm.

Die Ausführung, die in den Figuren beispielhaft gezeigt ist, ist geeignet für den Einbau an einem konischen Strahlrohr, wobei insbesondere durch eine mögliche schiefe Ausführung eine Anpassung an einen schief zur Achse des Strahlrohrs angeordneten Beryllium-Moderator erfolgt.The embodiment, which is shown by way of example in the figures, is suitable for installation on a conical jet pipe, wherein in particular by a possible oblique design an adaptation to an obliquely arranged to the axis of the jet pipe beryllium moderator takes place.

Mit der Einstellung von d1 = d2 = d3 folgt ein zylinderförmig umfasstes Volumen. Mit der Einstellung von d1 < d2 > d3 folgt ein ellipsoides oder gegebenenfalls ein kugelförmiges umfasstes Volumen. Mit d1 > d2 < d3 folgt ein sanduhrförmiges umfasstes Volumen. Mit anderen Verhältnissen von d1, d2 und d3 und gegebenenfalls weiteren Folgen von verschiedenen Durchmessern können weitere umfasste Geometrien und Variationen der beschriebenen Geometrien erfolgen, soweit es technisch möglich ist die verwendeten Rohre entsprechend zu biegen.The setting of d 1 = d 2 = d 3 is followed by a cylinder-shaped volume. The setting of d 1 <d 2 > d 3 is followed by an ellipsoidal or optionally spherical volume. With d 1 > d 2 <d 3 followed by an hourglass-shaped encompassed volume. With other ratios of d 1 , d 2 and d 3 and optionally further consequences of different diameters further included geometries and variations of the described geometries can be made, as far as it is technically possible to bend the pipes used accordingly.

Die Höhe und die absoluten Größen der Durchmesser bestimmen das umfasste Volumen.The height and the absolute sizes of the diameters determine the included volume.

Durch eine Neigung der Wicklungsachse zur Basis der Spirale erfolgen die angeführten Geometrien in schiefer Ausführung.By an inclination of the winding axis to the base of the spiral, the stated geometries are carried out in a slate design.

Zusätzlich können Ausführungen in mehreren Wicklungslagen erfolgen.In addition, executions can be made in several winding layers.

Zu- und Ablauf des supraflüssigen Wasserstoffs kann wahlweise an einem der Rohrenden erfolgen.Inlet and outlet of the superfluid hydrogen can optionally take place at one of the pipe ends.

Die Führung der Rohrenden kann in beliebiger Richtung und Neigung zur Wicklungsachse oder Basis der Spirale ausgeführt werden.The leadership of the pipe ends can be performed in any direction and inclination to the winding axis or base of the spiral.

Als Material für das Rohr kommen alle Materialien in Frage, die den technischen Anforderungen genügen.As material for the tube, all materials in question, which meet the technical requirements.

Die Wandstärke und der Durchmesser des verwendeten Rohrs können den Anforderungen entsprechend gewählt werden.The wall thickness and the diameter of the pipe used can be selected according to the requirements.

Claims (6)

Anordnung zur Erzeugung kalter Neutronen mittels supraflüssigen Wasserstoffs, gekennzeichnet durch ein in mehreren Windungen und in einer oder mehreren Wicklungslagen spiralförmig gewickeltes Rohr, das der Durchströmung mit supraflüssigem Wasserstoff dient, mit einer Wandstärke ≥ 1 mm und einem Außendurchmesser ≥ 10 mm, wobei der Durchmesser der Windung mit dem kleinsten Krümmungsradius größer als der zweifache Außenradius des Rohres ist, wobei das Rohr aus einem Material besteht, welches den Anforderungen zur Führung von supraflüssigem Wasserstoff und der Strahlenbelastung genügt.Arrangement for the production of cold neutrons by means of superfluid hydrogen, characterized by a spiral wound in several turns and in one or more winding layers, which serves to flow through superfluid hydrogen, with a wall thickness ≥ 1 mm and an outer diameter ≥ 10 mm, the diameter of the Winding with the smallest radius of curvature is greater than twice the outer radius of the tube, the tube is made of a material that meets the requirements for the management of superfluid hydrogen and radiation exposure. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das gewickelte Rohr aus AlMg3, entsprechend Euronorm EN AW5754, gebildet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the wound tube of AlMg 3 , according to Euronorm EN AW5754, is formed. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das gewickelte Rohr aus Aluminium gebildet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the wound tube is formed of aluminum. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das gewickelte Rohr ein Kegelvolumen umschließt.Arrangement according to claim 1, characterized in that the wound tube encloses a cone volume. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Rohr 6 Windungen aufweist und die Rohrendstücke parallel zur Kegelachse geführt sind, wobei das untere Ende durch den inneren Teil des umschlossenen Kegels geführt ist und beide Rohrendstücke in einem 90° Winkel senkrecht zur Grundfläche des Kegels in Windungsrichtung nach oben gebogen sind.Arrangement according to claim 4, characterized in that the tube has 6 turns and the tube end pieces are guided parallel to the cone axis, wherein the lower end is guided through the inner part of the enclosed cone and both Rohrendstücke at a 90 ° angle perpendicular to the base of the cone in Winding direction are bent upwards. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das spiralförmig gewickelte Rohr ein Zylindervolumen umschließt.Arrangement according to claim 1, characterized in that the spirally wound tube encloses a cylinder volume.
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