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Die
Erfindung betrifft einen Entkoppler, insbesondere ein Entkopplungssystem
für den
Einsatz zwischen Neutronenmoderatoren, sowie ein Verfahren zum Betreiben
eines solchen Entkopplungssystems.
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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.
Vorschläge
für die
Einrichtung zur Erzeugung von Neutronen und deren Moderation finden
sich beispielsweise in den Patentschriften
DE 35 34 760 C1 , DE-PS 1
925 981 oder auch
US 4,760,266 .
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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 un mittelbar 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 "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 Entkopplermaterials entweder
die Standzeit des Entkopplers entsprechend verkürzt werden muss oder die Dicke
des Entkopplers entsprechend zunehmen muss.
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Die
Schwierigkeiten zur Positionierung eines Entkopplers zwischen verschiedenen,
unmittelbar nebeneinander angeordneten Moderatoren liegen in der
Regel darin, dass einerseits der Einbauraum der Moderatoren begrenzt
und eine Vergrößerung der
Dicke des Entkopplers um einige Millimeter ggf. nicht möglich ist.
Andererseits führt
das Auswechseln eines Entkopplers 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
Abschirmungs material befindet, durch das hindurch die Zugänglichkeit zu
den Moderatoren stark beeinträchtigt
ist.
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Aufgabe und Lösung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entkopplungssystem für Neutronenmoderatoren
zu schaffen, welches einerseits sehr kompakt aufgebaut ist und andererseits
eine verlängerte
Standzeit gewährt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entkopplungssystem
für Neutronenmoderatoren
zur Verfügung
zu stellen, welches zum Austausch nur geringe Auswechselzeiten beansprucht.
Ferner ist es die Aufgabe dieser Erfindung, ein einfaches Verfahren
zur Entkopplung von Neutronenmoderatoren zur Verfügung zu
stellen.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Entkopplungssystem
mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Hauptanspruch sowie durch ein
Verfahren zum Entkopplung von Neutronenmoderatoren gemäß Nebenanspruch.
Vorteilhafte Ausführungsformen
des Entkopplungssystems und des Verfahrens finden sich in den jeweils
auf diese rückbezogenen
Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Entkopplungssystem
werden vorteilhaft Folien aus Entkopplermaterial oder mit Entkopplermaterial
beschichtete Folien eingesetzt, wobei beispielsweise Gadolinium
als Entkopplermaterial verwendet wird. Die der Erfindung zugrunde
liegende Idee basiert darauf, dass das Entkopplermaterial 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. der 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 groß, dass
ein Zerreißen
während
des Betriebs ausgeschlossen werden kann, und andererseits maximal
so groß,
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 Entkopplerfolie zwischen zwei Umlenkrollen
in Form einer Endlosfolie zwischen zwei Moderatoren geführt. Das
Entkopplungssystem weist vorteilhaft ein Gehäuse (Einschub) auf, in welchem die
Entkopplerfolie 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 Entkopplerfolie 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 Entkopplerfolie, 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 Entkopplungssystems,
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 Entkopplungssystems notwendig wird. Dadurch wird besonders
viel Austauschzeit eingespart.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in das vorgenannte
Entkopplungssystem einen Moderator mit zu integrieren. Im Fall der
Wasserkühlung
für die
Entkopplerfolie 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 Entkopplerfolie 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 Entkopplermaterial umfassen muss. Auch diese Ausführungsform
wird vorteilhaft in einem Gehäuse
angeordnet, in dem sich Mittel zum Kühlen der Entkopplerfolie 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 Entkopplungssystems eingebaut ist.
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Allen
vorgenannten Entkopplungssystemen ist gemeinsam, dass während des
Betriebs mehrere Bereiche mit frischem Entkopplermaterial zwischen den
Moderatoren angeordnet werden können,
bevor ein kompletter Austausch des Entkopplungssystems notwendig
wird. Dadurch wird vorteilhaft wertvolle Austauschzeit eingespart.
Zudem sind die Entkopplungssysteme aufgrund ihrer Gehäuse, die
vorteilhaft als Einschübe
ausgebildet sind, einfach zu wechseln.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend
wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
in den Figuren näher
erläutert.
Es zeigen
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1a:
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Entkopplungssystems mit
einer Entkoppler-Endlosfolie, welches zwischen zwei Moderatoren
angeordnet ist und durch die Abschirmung hindurchreicht.
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1b:
den vergrößerten Ausschnitt
aus 1a.
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2a:
den schematischen Aufbau eines erfindungs gemäßen Entkopplungssystems mit
einer Entkoppler-Endlosfolie und einem integrierten Moderator, welches
benachbart zu einem weiteren Moderator angeordnet ist und durch
die Abschirmung hindurchreicht.
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2b:
den vergrößerten Ausschnitt
aus 2a.
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3a:
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Entkopplungssystems mit
einer Entkopplerfolie zwischen zwei Rollen zum Auf- bzw. Abrollen
der Folie, welches zwischen zwei Moderatoren angeordnet ist und
durch die Abschirmung hin-durchreicht.
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3b:
den vergrößerten Ausschnitt
aus 3a.
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4a:
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Entkopplungssystems mit
einer Entkopplerfolie zwischen zwei Rollen zum Auf- bzw. Abrollen
der Folie und integriertem Moderator.
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4b:
den vergrößerten Ausschnitt
aus 4a.
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5a–5c:den
prinzipiellen Ablauf des Verfahrens zum Austausch der Entkopplungsfolie ohne
Austausch des gesamten Entkopplungssystems,
- a)
Anordnung des Entkopplungssystems wie unter 1 beschrieben,
- b) Folie im Bereich zwischen den Moderatoren erschöpft (grau),
- c) Weiterführung
der Folie über
die Rollen, bis unverbrauchte Entkopplerfolie zwischen den Moderatoren
angeordnet ist.
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Dabei
bedeuten in den Figuren:
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- A
- Abschirmung
- M,
M1, M2
- Moderator
- R,
R1, R2
- Umlenkrollen
- EF
- Entkopplungsfolie
- EE
- Entkopplungs-Einschub
- MEE
- Moderator-Entkopplungs-Einschub
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
kann durch verschiedene unterschiedliche Ausführungsformen gelöst werden.
Gemeinsam ist allen Ausführungsformen,
dass Folien EF aus Entkoppler-Material, wie beispielsweise Gadolinium,
oder mit Entkoppler-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 R mit sehr geringem Rollendurchmesser
führbar
sein soll, und dementsprechend biegsam sein soll. Die minimale Schichtdicke
der Folie EF ist durch die Materialeigenschaft des Entkopplermaterials,
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 Entkopplungssystems besteht
darin, dass mindestens einer der Moderatoren beim Austausch des
Entkopplers 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 Entkoppler-Einschubes
EE mit einem erfindungsgemäßen Entkopplungssystem,
der ausschließlich
der Versorgung des Entkopplers mit notwendiger Kühlflüssigkeit und der Bereitstellung
des Entkopplers selbst dient. Der Entkoppler wird über die
gesamte Länge
von der Außenseite
der Abschirmung A bis zur Position zwischen den Moderatoren M1,
M2 geführt
und über
Umlenkrollen R geleitet. Dabei kann die über eine Länge von bis zu einigen Tausend
Millimetern aufgespannte Entkopplerfolie EF außerhalb der Abschirmung A mit
einem Antrieb ausgestattet werden, der nach Ablauf der Entkopplungs-Wirkung
die Entkopplerfolie ein solches Stück weit voran treibt, dass
wieder unverbrauchter Entkoppler zwischen den Moderatoren entkoppelnd
wirken kann. Der Austausch des Entkopplers erfolgt regelmäßig nach
vollständigem
Verbrauch der gesamten Entkopplerfolie EF durch Entnahme des Entkoppler-Einschubs
EE in eine Abschirm-Flasche. Ein neuer, baugleicher Entkoppler-Einschub
EE kann gleich wieder 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 Entkoppler
auch einen Moderator M enthält
und das Moderatormaterial gleichzeitig zur Kühlung des Entkopplers genutzt
werden kann (Moderator-Entkoppler-Einschub MEE). Dabei wird die
Entkopplerfolie EF über
die gesamte Länge
von der Außenseite
der Abschirmung A bis zur Position zwischen den Moderatoren M geführt. Die
Führung
der Entkoppler-Folie EF
erfolgt durch Umlenkrollen R so, dass die Folie im Bereich der nebeneinander
angeordneten Moderato ren zwischen den beiden Moderatoren liegt.
Dabei kann der über
eine Länge
von bis zu einigen Tausend Millimetern aufgespannte Entkoppler außerhalb
der Abschirmung mit einem Antrieb ausgestattet werden, der nach
Ablauf der Entkopplungs-Wirkung den Entkoppler ein solches Stück weit
voran treibt, dass wieder unverbrauchter Entkoppler zwischen den
Moderatoren entkoppelnd wirken kann. Der Austausch des Entkopplers
erfolgt vorteilhaft durch Entnahme des kombinierten Moderator-Entkoppler-Einschubs MEE in
eine Abschirm-Flasche. Ein neuer, baugleicher Moderator-Entkoppler-Einschub
MEE kann gleich wieder eingebaut werden, ohne dass es zu erheblichen
Ausfallzeiten kommt.
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In
den 3a und 3b werden
Ausführungsformen
eines Entkopplungssystems dargestellt, die den Entkoppler über der
Breite des Moderators wie einen Film im Fotoapparat vor der Linse
zwischen zwei Rollen aufspannen. Zunächst ist der Entkoppler auf
einer Rolle R1 aufgerollt und wird in Abhängigkeit vom Verbrauch auf
der zweiten Rolle R2 aufgerollt. In diesem Fall können die
Entkoppler-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 Entkoppler-Materials die Entkoppler-Einheit
EE allein oder zusammen mit der Einheit, die die Versorgungsleitungen des
Entkopplers 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 Entkopp ler-Einschub
EE kann gleich wieder eingebaut werden, ohne dass es zu erheblichen
Ausfallzeiten kommt.
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Die 4a und 4b offenbaren
Entkopplungssysteme, bei denen ein Einschub sowohl einen Moderator
als auch den Entkoppler enthält
und das Moderatormaterial gleichzeitig der Kühlung des Entkopplers dient
(Moderator-Entkoppler-Einschub MEE). Dabei ist der Entkoppler über der
Breite des Moderators wiederum wie ein Film im Fotoapparat vor der
Linse zwischen zwei Rollen aufgespannt. Zunächst ist der Entkoppler auf
einer Rolle R1 aufgerollt und wird in Abhängigkeit vom Verbrauch auf
der zweiten Rolle R2 aufgerollt. Auch in diesem Fall können die
Moderator-Entkoppler-Einheit MEE und die Versorgungsleitungen z.
B. zur Zuführung
der notwendigen Kühlflüssigkeit
als eine zusammenhängende
oder als zwei voneinander getrennte Einheiten ausgeführt werden.
Je nach Ausführung
kann nach Verbrauch des gesamten Entkoppler-Materials die Moderator-Entkoppler-Einheit
MEE allein oder zusammen mit der Einheit, die die Versorgungsleitungen
der Einheit enthält,
ausgetauscht werden. Ein neuer, baugleicher Moderator-Entkoppler-Einschub MEE 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 4b dargestellten,
bei denen die der Abschirmung A benachbarten Rollen R zum Auf- oder
Abrollen der Entkopplerfolie EF 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 5c verdeutlichen
die Handhabung der erfindungsgemäßen Entkopplungssysteme.
In 5a ist nochmals die Anordnung zu sehen, wie sie
bereits in der Beschreibung zu 2 offenbart
wurde. Die Entkopplerfolie EF ist noch komplett unverbraucht (weiß). Während des
Betriebs der Neutronenquelle und der Moderatoren M erschöpft sich
mit der Zeit die Entkopplerfolie EF im Bereich zwischen den Moderatoren
M. Dies wird in 5b durch den grauen Bereich
der Folie angedeutet. Anders als im Stand der Technik, wo dann der
gesamte Entkoppler ausgetauscht werden müsste, kann nun vorteilhaft
die Folie EF über
die Umlenkrollen R so weit weitergeführt werden, bis zwischen den
Moderatoren M ein Bereich der Folie EF angeordnet ist, der wieder
frischen, unverbrauchten Entkoppler aufweist. Da sich die Anordnung
vorteilhaft durch die Abschirmung A 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.