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Die
Erfindung betrifft einen Decoupler, insbesondere ein Decouplersystem
für den
Einsatz zwischen Neutronenmoderatoren, sowie ein Verfahren zum Betreiben
eines solchen Decouplersystems.
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Für die Neutronenforschung
werden Neutronen z. B. durch eine Kernspaltung oder einen Spallationsprozess
erzeugt. Die dabei entstehenden Neutronen sind für die Neutronenforschung allerdings
zu schnell. Aus diesem Grund müssen
die schnellen Neutronen abgebremst werden, was in so genannten Moderatoren
oder "Kalten Quellen" erfolgt. Moderatoren
bremsen die Geschwindigkeit der Spaltungs- oder Spallationsneutronen
auf Werte herab, die für die
Experimente der Neutronenforschung gut geeignet sind. Moderatoren
bestehen beispielsweise aus wasserstoff- oder methanhaltigen Materialien
und werden bei Temperaturen teilweise unterhalb von 20 K eingesetzt.
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Die
Instrumente zur Neutronenforschung werden in der Regel derart angeordnet,
dass ihre Neutronenstrahlrohre auf den Moderator ausgerichtet sind.
Da für
Neutronenforschungsexperimente je nach Aufgabenstellung häufig unterschiedliche
Moderatoren besonders geeignet sind, ist es sinnvoll, die unterschiedlichen
Moderatoren unmittelbar nebeneinander anzuordnen. So werden beispielsweise kryogene
Moderatoren neben Moderatoren, die bei Raumtemperatur betrieben
werden, angeordnet. Um die unterschiedliche Moderationswirkung der
verschiedenen Moderatoren voneinander zu trennen, können so
genannte "Decoupler" (Entkoppler) zwischen
den unterschiedlichen Moderatoren positioniert werden, die einen
Neutronenfluss von einem Moderator zu einem benachbart liegenden
Moderator verhindern. Zu diesem Zweck ist z. B. Gadolinium (Gd)
besonders geeignet.
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Mit
fortschreitender Entwicklung von Spallationsquellen für die Neutronenforschung
wird die Leistungsfähigkeit
dieser Anlagen und damit der Neutronenfluss in den zugehörigen Moderatoren
immer größer. Das
bedeutet, dass zur geeigneten Entkopplung zweier nebeneinander angeordneter
Moderatoren wegen des Abbrandes des Entkoppler-Materials entweder
die Standzeit des Decouplers entsprechend verkürzt werden muss oder die Dicke
des Decouplers entsprechend zunehmen muss.
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Die
Schwierigkeiten zur Positionierung eines Decouplers zwischen verschiedenen,
unmittelbar nebeneinander angeordneten Moderatoren liegen in der
Regel darin, dass einerseits der Einbauraum der Moderatoren begrenzt
und eine Vergrößerung der
Dicke des Decouplers um einige Millimeter ggfs. nicht möglich ist.
Andererseits führt
das Auswechseln eines Decouplers zwischen den Moderatoren regelmäßig zu erheblichen
Betriebsunterbrechungen, da sich die Moderatoren im Strahlungsfeld
befinden und aktiviert sind. Dies bedingt, dass sich um die Moderatoren
herum in erheblichem Maße
Abschirmungsmaterial befindet, durch das hindurch die Zugänglichkeit zu
den Moderatoren stark beeinträchtigt
ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Decouplersystem für Neutronenmoderatoren
zu schaffen, welches einerseits sehr kompakt aufgebaut ist und andererseits
eine verlängerte
Standzeit gewährt. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Decouplersystem für Neutronenmoderatoren
zur Verfügung
zu stellen, welches zum Austausch nur geringe Auswechselzeiten beansprucht.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Decouplersystem
mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte
Ausführungsformen
des Decouplersystems finden sich in den auf Anspruch 1 rückbezogenen
Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Decouplersystem
(Entkopplersystem) werden vorteilhaft Folien aus Decouplermaterial
oder mit Decouplermaterial beschichtete Folien eingesetzt, wobei
beispielsweise Gadolinium als Decouplermaterial verwendet wird. Die
der Erfindung zugrunde liegende Idee basiert darauf, dass das Decouplermaterial
in Form einer Folie an den Moderatoren vorbei geführt wird
und über wenigstens
eine Rolle umgelenkt, bzw. auf- oder abgerollt wird. Die Dicke der
Folien, bzw. beschichteten Folien, im Folgenden nur noch als Folien
bezeichnet, liegt dabei regelmäßig unterhalb
von 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,1 und 0,3 mm. Sie ist einerseits mindestens
so dick, dass ein Zerreißen
während
des Betriebs ausgeschlossen werden kann, und andererseits maximal
so dick, dass ein Auf- oder Abrollen, bzw. ein Umlenken der Folie
um eine Rolle mit sehr geringem Durchmesser (bauartbedingt) noch
möglich
ist. Vorteilhaft wird zumindest eine der Rollen über einen vorzugsweise elektrischen
Antrieb angetrieben, insbesondere über einen Antrieb, der außerhalb
der Abschirmung der Moderatoren angeordnet ist.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung wird die Decouplerfolie zwischen zwei Umlenkrollen
in Form einer Endlosfolie zwischen zwei Moderatoren geführt. Das
Decouplersystem weist vorteilhaft ein Gehäuse (Einschub) auf, in welchem
die Decouplerfolie und die Rolle, bzw. Rollen angeordnet sind. Vorteilhaft
ist das Gehäuse
derart aufgebaut, dass es beim Einbau zwischen zwei Moderatoren über die
Abschirmung der Moderatoren hinaus reicht. Zur Kühlung der Decouplerfolie ist
regelmäßig innerhalb
des Gehäuses
ein Mittel zum Kühlen,
insbesondere Wasser, vorgesehen. Da immer zwei Bereiche der Folie
zwischen den Moderatoren angeordnet sind, kann die Stärke des
Entkopplermaterials auf bzw. in der Folie vorteilhaft halbiert werden.
Wird beispielsweise eine Materialstärke von 0,5 mm zur Entkopplung
zweier Moderatoren benötigt,
so kann in dieser Ausgestaltung eine 0,25 mm starke Folie eingesetzt
werden. Sobald der Bereich der Decouplerfolie, der zwischen den
Moderatoren angeordnet ist, verbraucht ist, wird die Folie über die
Umlenkrollen soweit weiter geführt
werden, dass sich ein frischer, unverbrauchter Bereich zwischen
den Moderatoren befindet. Aufgrund der Geometrie des Decouplersystems,
welches vorteilhaft über
die Abschirmung hinausgeht und mit einem Antrieb ausgestattet ist,
kann so zunächst
mehrfach die Folie verschoben werden, bevor ein endgültiger Austausch
des gesamten Decouplersystems notwendig wird. Dadurch wird besonders
viel Austauschzeit eingespart.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in das vorgenannte
Decouplersystem einen Moderator mit zu integrieren. Im Fall der
Wasserkühlung
für die
Decouplerfolie kann auf diese Weise ein Wasser-Moderator einfach
mit in dem Gehäuse
angeordnet werden. Diese Ausführungsform
spart einen separaten Wasser-Moderator ein. Der Austausch der Geräte erfolgt
durch einen einzigen Einschub. Das Kühlwasser kann vorteilhaft für beide Funktionen
genutzt werden.
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In
einer dritten Ausführungsform
wird die Decouplerfolie nicht als Endlosfolie zwischen zwei Umlenkrollen
geführt,
sondern die Folie wird zwischen zwei Rollen aufgespannt, wobei sie
zunächst
hauptsächlich
aufgerollt auf einer ersten Rolle vorliegt. Während des Betriebs wird die
Folie dann Stück
um Stück
von der ersten Rolle abgerollt und auf die zweite Rolle aufgerollt.
In dieser Ausführungsform
liegt jeweils nur eine Lage der Folie zwischen den Moderatoren,
so dass die Folien die benötigte
Gesamtstärke an
Decouplermaterial umfassen muss. Auch diese Ausführungsform wird vorteilhaft
in einem Gehäuse angeordnet,
in dem sich Mittel zum Kühlen
der Decouplerfolie befinden. Auch in dieser Ausgestaltung bietet
sich Wasser als Kühlmedium
an.
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Analog
zur zweiten Ausführungsform
ist auch eine Kombination mit einem Moderator denkbar, der direkt
in das Gehäuse
des Decouplersystems eingebaut ist.
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Allen
vorgenannten Decouplersystemen ist gemeinsam, dass während des
Betriebs mehrere Bereiche mit frischem Decouplermaterial zwischen
den Moderatoren angeordnet werden könne, bevor ein kompletter Austausch
des Decouplersystems notwendig wird. Dadurch wird vorteilhaft wertvolle
Austauschzeit eingespart. Zudem sind die Decouplersysteme aufgrund
ihrer Gehäuse,
die vorteilhaft als Einschübe
ausgebildet sind, einfach zu wechseln.
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Nachfolgend
wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne
dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen
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1a: Schematischer Aufbau
eines erfindungsgemäßen Decouplersystems
mit einer Decoupler-Endlosfolie, welches zwischen zwei Moderatoren
angeordnet ist, und durch die Abschirmung hindurchreicht.
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1b: Vergrößerter Ausschnitt
aus 1a.
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2a: Schematischer Aufbau
eines erfindungsgemäßen Decouplersystems
mit einer Decoupler-Endlosfolie und integriertem Moderator, welches
benachbart zu einem weiteren Moderator angeordnet ist, und durch
die Abschirmung hindurchreicht.
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2b: Vergrößerter Ausschnitt
aus 2a.
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3a: Schematischer Aufbau
eines erfindungsgemäßen Decouplersystems
mit einer Decouplerfolie zwischen zwei Rollen zum Auf- bzw. Abrollen
der Folie, welches zwischen zwei Moderatoren angeordnet ist, und
durch die Abschirmung hindurchreicht.
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3b: Vergrößerter Ausschnitt
aus 3a.
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4a: Schematischer Aufbau
eines erfindungsgemäßen Decouplersystems
mit einer Decouplerfolie zwischen zwei Rollen zum Auf- bzw. Abrollen
der Folie und integriertem Moderator.
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4b: Vergrößerter Ausschnitt
aus 4a.
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5a-c: Ablauf des Verfahrens
zum Austausch der Decouplerfolie ohne Austausch des gesamten Decouplersystems,
a)
Anordnung des Decouplersystems wie unter 1 beschrieben,
b) Folie im Bereich
zwischen den Moderatoren erschöpft
(grau),
c) Weiterführung
der Folie über
die Rollen, bis unverbrauchte Decouplerfolie zwischen den Moderatoren angeordnet
ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
kann durch verschiedene unterschiedliche Ausführungsformen gelöst werden.
Gemeinsam ist allen Ausführungsformen,
dass Folien aus Decoupler-Material, wie beispielsweise Gadolinium,
oder mit Decoupler-Material beschichtete Folien mit Dicken kleiner
als 0,5 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 mm eingesetzt
werden. Die maximale Schichtdicke wird dabei durch den Umstand vorgegeben,
dass die Folie um wenigstens eine Rolle mit sehr geringen Rol lendurchmesser
geführt
werden soll, und dementsprechend biegsam sein soll. Die minimale
Schichtdicke der Folie ist durch die Materialeingenschaft des Decouplermaterials,
bzw. bei beschichteten Folien durch den Träger begrenzt, und sollte so
gewählt werden,
dass ein nachteiliges Zerreißen
der Folie während
des Betriebs der Moderatoren ausgeschlossen werden kann.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Decouplersystems besteht
darin, dass mindestens einer der Moderatoren beim Austausch des
Decouplers an seiner Position verbleiben kann und somit mindestens
ein Moderatorbehälter weder
entleert noch ausgetauscht werden muss.
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Die 1a und 1b zeigen den Bau eines Einschubes mit
einem erfindungsgemäßen Decouplersystem,
der ausschließlich
der Versorgung des Decouplers mit notwendiger Kühlflüssigkeit und der Bereitstellung
des Decouplers selbst dient. Der Decoupler wird über die gesamte Länge von
der Außenseite
der Abschirmung bis zur Position zwischen den Moderatoren geführt und über Umlenkrollen
geleitet. Dabei kann der über
eine Länge
von bis zu einigen Tausend Millimetern aufgespannte Decoupler außerhalb
der Abschirmung mit einem Antrieb ausgestattet werden, der nach
Ablauf der Entkopplungs-Wirkung den
Decoupler ein solches Stück
weit voran treibt, dass wieder unverbrauchter Decoupler zwischen
den Moderatoren entkoppelnd wirken kann. Der Austausch des Decouplers
erfolgt regelmäßig nach
vollständigem
Verbrauch der gesamten Decouplerfolie durch Entnahme des Decoupler-Einschubs
in eine Abschirm-Flasche. Ein neuer, baugleicher Decoupler-Einschub
kann gleich wie der eingebaut werden, ohne dass es zu erheblichen
Ausfallzeiten kommt.
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Die 2a und 2b zeigen den Bau eines Einschubes, bei
dem ein Einschub neben dem Decoupler auch einen Moderator enthält und das
Moderatormaterial gleichzeitig zur Kühlung des Decouplers genutzt
werden kann (Moderator-Decoupler-Einschub). Dabei wird der Decoupler über die
gesamte Länge
von der Außenseite
der Abschirmung bis zur Position zwischen den Moderatoren geführt. Die
Führung
der Decopler-Folie erfolgt durch Umlenkrollen so, dass die Folie
im Bereich der nebeneinander angeordneten Moderatoren zwischen den
beiden Moderatoren liegt. Dabei kann der über eine Länge von bis zu einigen Tausend
Millimetern aufgespannte Decoupler außerhalb der Abschirmung mit
einem Antrieb ausgestattet werden, der nach Ablauf der Entkopplungs-Wirkung
den Decoupler ein solches Stück weit
voran treibt, dass wieder unverbrauchter Decoupler zwischen den
Moderatoren entkoppelnd wirken kann. Der Austausch des Decouplers
erfolgt vorteilhaft durch Entnahme des kombinierten Moderator-Decoupler-Einschubs
in eine Abschirm-Flasche. Ein
neuer, baugleicher Moderator-Decoupler-Einschub kann gleich wieder eingebaut
werden, ohne dass es zu erheblichen Ausfallzeiten kommt.
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In
den 3a und b werden Ausführungsformen eines Decouplersystems
dargestellt, die den Decoupler über
der Breite des Moderators wie ein Film im Fotoapparat vor der Linse
zwischen zwei Rollen aufspannen. Zunächst ist der Decoupler auf
einer Rolle aufgerollt und wird in Abhängigkeit des Verbrauchs auf
der zweiten Rolle aufgerollt. In diesem Fall können die Decoupler-Einheit
und die Versorgungsleitungen z. B. zur Zuführung der notwendigen Kühlflüssigkeit
als eine zusammenhängende
oder als zwei von einander getrennte Einheiten ausgeführt werden.
Je nach Ausführung
kann nach Verbrauch des gesamten Decoupler-Materials die Decoupler-Einheit
allein oder zusammen mit der Einheit, die die Versorgungsleitungen
des Decouplers enthält, ausgetauscht
werden. Dies erfolgt dadurch, dass die auszuwechselnden Teile in
eine Abschirm-Flasche, die an der Außenseite der Abschirmung angedockt werden
kann, gezogen werden. Ein neuer, baugleicher Decoupler-Einschub
kann gleich wieder eingebaut werden, ohne dass es zu erheblichen
Ausfallzeiten kommt.
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Die 4a und 4b offenbaren Decouplersysteme, bei denen
ein Einschub sowohl einen Moderator als auch den Decoupler enthält und das
Moderatormaterial gleichzeitig der Kühlung des Decouplers dient
(Moderator-Decoupler-Einschub).
Dabei ist der Decoupler über
der Breite des Moderators wie ein Film im Fotoapparat vor der Linse
zwischen zwei Rollen aufgespannt. Zunächst ist der Decoupler auf
einer Rolle aufgerollt und wird in Abhängigkeit des Verbrauchs auf
der zweiten Rolle aufgerollt. Auch in diesem Fall können die
Moderator-Decoupler-Einheit und
die Versorgungsleitungen z. B. zur Zuführung der notwendigen Kühlflüssigkeit
als eine zusammenhängende
oder als zwei von einander getrennte Einheiten ausgeführt werden.
Je nach Ausführung
kann nach Verbrauch des gesamten Decoupler-Materials die Moderator-Decoupler-Einheit
allein oder zusammen mit der Einheit, die die Versorgungsleitungen der
Einheit ent hält,
ausgetauscht werden. Ein neuer, baugleicher Moderator-Decoupler-Einschub
kann gleich wieder eingebaut werden, ohne dass es zu erheblichen
Ausfallzeiten kommt.
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Vorstellbar
sind auch Ausführungsformen, ähnlich wie
die in den 3a und 3b bzw. 4a und b dargestellten,
bei denen die der Abschirmung benachbarten Rollen zum Auf- oder
Abrollen der Decouplerfolie außerhalb
der Abschirmung angeordnet sind. Zudem sind auch noch weitere Rollen
zur Umlenkung bei allen vorgenannten Ausführungsformen denkbar.
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Die 5a bis c verdeutlichen
die Handhabung der erfindungsgemäßen Decouplersysteme.
In 5a ist nochmals die
Anordnung zu sehen, wie sie bereits in der Beschreibung zu 2 offenbart wurde. Die Decouplerfolie
ist noch komplett unverbraucht (weiß). während des Betriebs der Neutronenquelle
und der Moderatoren erschöpft
sich mit der Zeit die Decouplerfolie im Bereich zwischen den Moderatoren.
Dies wird in 5b durch
den grauen Bereich der Folie angedeutet. Anders als im Stand der Technik,
wo dann der gesamte Decoupler ausgetauscht werden müsste, kann
nun vorteilhaft die Folie über
die Umlenkrollen so weit weitergeführt werden, bis zwischen den
Moderatoren ein Bereich der Folie angeordnet ist, der wieder frischen,
unverbrauchten Decoupler aufweist. Da sich die Anordnung vorteilhaft
durch die Abschirmung erstreckt, und damit einige Meter lang sein
kann, kann die Folie zunächst mehrfach
(mindestens 5-fach) in der oben beschriebenen Weise weitergeleitet
werden, bevor ein endgültiger
Austausch des kompletten Einschubs notwendig wird.
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Bei
den Ausführungsformen
mit einer Rolle zum Abrollen und einer weiteren Rolle zum Aufrollen der
Folie, ist dieser Effekt noch deutlicher, da hier regelmäßig eine
mehrere Meter lange Folie eingesetzt werden kann.