DE1230933B

DE1230933B - Strahlenschutzwand zur Absorption von Neutronen

Info

Publication number: DE1230933B
Application number: DEU7991A
Authority: DE
Inventors: James Thomas Mattingly
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1960-05-03
Filing date: 1961-05-02
Publication date: 1966-12-22
Also published as: GB916595A; US3056028A; BE603257A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21f

Deutschem.: 21g-21/32

Nummer: 1230 933

Aktenzeichen: U 7991 VIII c/21 g

Anmeldetag: 2. Mai 1961

Auslegetag: 22. Dezember 1966

Die Erfindung betrifft eine Strahlenschutzwand zur Absorption von Neutronen mit zwei im Abstand befindlichen Begrenzungswänden und zwischen diesen gebildeten Hohlräumen, welche mit absorbierendem Pulver gefüllt sind.

In der Praxis werden zur Zeit für Schutzanordnungen von Kernreaktoren Beton, Wasser, blockartige Stahlbänder mit einer Füllung von neutronenabsorbierendem Material in Pulverform oder in flüssiger Form und Schichtplatten aus wasserstoffhaltigen Materialien einschließlich verschiedener organischer Polymere verwendet.

Die bekannten Anordnungen sind zwar ausgezeichnete Abschirmungen gegenüber langsamen Neutronen, aber weisen hinsichtlich mechanischer Festigkeit und ihrer Wirkung als Moderator und Absorber für schnelle Neutronen noch Mängel auf oder erzeugen unter dem Einfluß eines Neutronenflusses Gammastrahlen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Anordnung eines absorbierenden Füllmaterials in Pulverform nur wirksam ist, wenn sich die abzuschirmenden Neutronen im wesentlichen auf thermischer Energie befinden.

Auf dieser Energie befinden sich tatsächlich die Neutronen bei den üblichen Kernreaktoren. Trotzdem ist es natürlich erwünscht, daß die Strahlenschutzwand auch für Neutronen von wesentlich höherer nichtthermischer Energie wirksam ist. Da jedoch der Absorptionsquerschnitt des verwendeten Pulvers, welches zumeist aus einer Borverbindung besteht, eine Funktion der Neutronenenergie ist und bei steigender Neutronenenergie sehr stark abnimmt, würde eine derartige Strahlenschutzwand mit steigender Neutronenenergie immer unwirksamer werden. Um nun sämtliche Neutronen in der absorbierenden Schicht abzufangen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die der Strahlungsquelle zugewendete Begrenzungswand als Moderator ausgebildet ist, dessen Durchlaßenergie auf das Absorptionsmaximum des Pulvers abgestimmt ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine äußerst wirksame Neutronenabschirmung geschaffen, die ein großes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht besitzt und in eine Reaktoranlage als ein eine Belastung aufnehmendes Bauteil eingebracht werden kann und auch für transportable Kernreaktoren geeignet ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden beide Begrenzungswände der Strahlenschutzwand durch senkrecht auf ihnen stehende, wabenförmig nebeneinander angeordnete, prismatische Hohlkörper miteinander verbunden, von denen jeder für sich mit dem Pulver gefüllt ist.

Strahlenschutzwand zur Absorption von
Neutronen

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

James Thomas Mattingly, Danville, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 3. Mai 1960 (26 664)

Die Anordnung von wabenförmigen Elementen als Teil einer Schutzwand ist zwar an sich bekannt, jedoch verlaufen in der bekannten Anordnung die Hohlräume der Waben parallel zu den Begrenzungswänden und nicht senkrecht hierzu. Demgegenüber werden mit Schutzwänden nach der Erfindung verbesserte Festigkeitseigenschaften erzielt.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Strahlenschutzwand;

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strahlenschutzwand mit mehrschichtigen Seitenverkleidungen;

F i g. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mehrschichtigen Strahlenschutzwand, die aus verschiedenen Abschirmplatten schichtenweise zusammengesetzt ist.

Im allgemeinen werden bewegliche Reaktoren in einem Metallbehälter in Form eines Kreiszylinders, eines Kubus, eines Prismas, einer Kugel od. dgl. errichtet. Die Abschirmung wird im allgemeinen um einen solchen Reaktorbehälter herum angebracht, so daß die Kernzonen des Reaktors völlig eingeschlossen sind, um zu verhindern, daß ausströmende Neutronen

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die Instrumente, die Räume und das Personal in der ausgeübt wird, aufzunehmen. Die Wirkung der

Umgebung des Reaktors erreichen. Dementsprechend Begrenzungswände auf die Neutronen besteht darin,

kann die allgemeine Konfiguration der Abschirmung daß die Energie der einfallenden Neutronen auf ein

verändert werden, um gerade die Form zu erhalten, die Niveau verringert wird, das dem Absorptionsmaximum

für den jeweiligen Reaktor erforderlich ist. Die Grund- 5 des Absorberpulvers entspricht. Das Absorberpulver

bauweise der Schutzwände ist jedoch in allen Fällen seinerseits absorbiert oder entfernt auf andere Weise

die gleiche, und die. Beschreibung bezieht sich zum Neutronen aus dem einfallenden Neutronenfluß.

Zweck der Darstellung lediglich auf die Bauweise. Dieser Absorptionsvorgang ist in hohem Maß wirk-

In F i g. 1 ist ein plattenförmiger Abschnitt 10 sam, da die Neutronen bereits durch eine Moderatoreiner solchen Abschirmung dargestellt, in der sich ein io schicht, d. h. die Begrenzungswand hindurchgeführt Kern, der ein zellenartiges Gerüst 11 bildet, befindet. wurden, bevor sie in das Absorberpulver eintreten. Das zellenartige Gerüst ist so gebaut, daß eine große Wie vorhin ausgeführt wurde, besitzt das Absorber-Anzahl prismatischer Hohlräume 12 entstehen, die pulver eine bauliche Funktion. Die Anwesenheit von durch dünne Wände voneinander getrennt sind, welche zahlreichen kleinen Teilchen mit einer relativen eine kontinuierliche Matrix bilden. Die Hohlräume 12 15 Bewegungsfreiheit in den wabenartigen Zellen dient erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu der als ein kinetisches Energiereservoir für die Abschirm-Ebene des Kerns. Die ,Hohlräume werden in einer platte; Schwingungsenergie, die der Platte zugeführt weiter unten näher'ausgeführten Weise verwendet. Der wird, wird in translatorische kinetische Energie der wabenartige Kern 11 ist zwischen parallelen, ebenen Absorberteilchen umgewandelt. Der Gesamteffekt ist Begrenzungswänden 13 und 14 angeordnet und mit 20 der, daß das Absorberpulver die Schwingung der diesen verbunden, wodurch eine Steifheit, eine Festig- Platte völlig dämpft. Eine andere bauliche Funktion keit und ein Verschluß der Hohlräume 12 erhalten des Absorberpulvers ist es, den wabenartigen Zellen wird. Die wabenartigen Hohlräume 12 sind senkrecht eine erhöhte Festigkeit gegen Querkräfte zu verleihen, zu den Begrenzungswänden 13 und 14 orientiert. Der Wenn reine Druckbelastungen auf den beiderseitig Einschluß ■ des Kernes 11 wird mittels eines Wand- 25 beschichteten Wabenkörper ausgeübt werden, dienen Streifens 16 vervollständigt, der rund um den Umfang die Zellwände als zahlreiche kleine Säulen, die eine der Begrenzungswände und der Stirnflächen des Last, "welche parallel zu ihren Längen wirkt, aufwabenartigen Kerns 11 angeordnet und mit diesen nehmen. Wenn hingegen Querkräfte auf den beiderverbunden ist. ■:,·, seitig beschichteten Wabenkörper ausgeübt werden,

Der Ausdruck »wabenartig« oder »zellenartig« wird 30 neigen die Zellwände dazu, sich zu verdrehen und

in diesem Zusammenhang für eine Kernstruktur unter der Last auszuknicken. Das Absorberpulver

verwendet, die die Form einer geordneten Zellen- stabilisiert in baulicher Hinsicht die wabenartigen

Struktur aus regulären, vieleckigen Zellen besitzt, Zellen gegen dieses Ausknicken, das von Querkräften

wobei jede · Zelle eine geschlossene, in Abschnitte hervorgerufen wird.

unterteilte Wandung aufweist und wobei ein Hohl- 35 Ein anderes Merkmal nach der Erfindung ist, daß raum durch diese Wandung bestimmt wird. Hinsicht- die Struktureigenschaften der Abschirmplatte von der lieh der Art des Aufbäus und der Herstellung solcher " chemischen Zusammensetzung des Absorberpulvers Gerüste sind zahlreiche Informationsquellen verfügbar. unabhängig sind. Darunter wird verstanden, daß das Eine umfassende Diskussion der Anwendungsmöglich- Absorberpulver einzig auf Grund seiner Neutronenkeiten einer auf beiden Seiten mit Schichten versehenen 40 absorptionseigenschaften gewählt werden kann. GeZellenstruktur für den Bau von leichten, steifen maß der Praxis nach der Erfindung ist beabsichtigt, Konstruktionen ist von E. W. K u e η ζ i erfolgt in daß die Neutronenenergie auf das thermische Niveau »Structural Sandwich Construction«, Forest Products reduziert werden soll, d. h. auf 0,025 Elektronenvolt, Laboratory P & E121, 1956. Die mechanischen bevor die Neutronen in das Absorberpulver eintreten. Eigenschaften von einer zwischen Schichten angeord- 45 Für die Absorption von thermischen Neutronen sind neten Wabenstruktur werden in der American Society die geeignetsten Absorbermaterialien Bor und Lithiumfor Testing Materials, Special Technical Publication verbindungen. Bor und Lithium sind nämlich die Nr. 118 (1951), dargestellt. Einen Abriß über Ver- einzigen Stoffe, die einer (n, a)-Reaktion eher als fahren zur Herstellung von Zellenstrukturen wird von der allgemeineren (n, y)-Reaktion unterworfen sind, A. Marshall in der Zeitschrift »Machine Design« 50 nämlich:
vom 15. 5.1958 gegeben.

Gemäß der Erfindung ist ein Neutronenabsorber tm₀ , 1 .. τ·₇ ,

mit niederem Schüttgewicht, beispielsweise in Form so 3

eines Pulvers 17, in die Hohlräume 12 eingefüllt, und ^und

die der Strahlungsquelle zugewendete Begrenzungs- 55 Lr³ -(- n¹ > H³ + oc.

wand besteht aus einem Neutronenmoderator oder
schließt einen Neutronenmoderator ein, um die hervorragenden neutronenabschirmenden Eigenschaften, wie Als Folge der Absorption von Neutronen durch weiter unten näher ausgeführt werden wird, zu erhalten. Bor oder Lithium resultiert keine energiereiche

Im Unterschied von der bekannten, beiderseitig 60 Gammastrahlung, die eine zusätzliche Armabschir-

beschichteten Zellehkonstruktion verrichten die Bau- mung erfordern würde. Ein anderer Faktor, der die

elemente der in F i g. 1 dargestellten Abschirmplatte Wahl von Bor und Lithium als Absorbermaterial

mehrere Funktionen. Die Begrenzungswände und das bestimmt, ist der verhältnismäßig hohe Absorptions-

neutronenabsorbierende Pulver tragen gemeinsam zu querschnitt für thermische Neutronen, der 755 bzw.

den strukturellen und neutronenabsorbierenden Eigen- 65 945 barns beträgt.

schäften der Abschirmplatte bei. Die bauliche Funktion Die Wahl einer besonderen Absorberverbindung

der Begrenzungswände besteht darin, den Hauptteil hängt weitgehend von der beabsichtigten Verwendung

der Beanspruchung auf Biegung, die auf die Platte des Abschirmkörpers ab. Hingegen können verschie-

dene Forderungen an alle Absorber gestellt werden; diese sind:

1. Ein hoher Gewichtsprozentanteil an Bor oder Lithium,

2. eine niedere Dichte,

3. in der Verbindung vorhandene Elemente außer Bor oder Lithium sollen keine energiereiche Gammastrahlung auf Grund der Neutronenabsorption emittieren,

4. Strahlungsstabilität,

5. thermische Stabilität,

6. inerte chemische Eigenschaften,

7. relativ billig zu erhalten,

8. leicht in großen Mengen zu bekommen.

Die Eigenschaften von verschiedenen brauchbaren Absorberverbindungen sind in der Tabelle I dargestellt.

Tabelle I

Verbindung	Gewichts prozent B oder Li	Dichte (g/cm³)	Schmelz punkt ⁰C
B B₄C B₂O₃ CaB₆ Li₂CO₃ LiOH LiBO₂ Li₂O	100,0 78,5 31,4 62,4 19,0 29,2 22(B) 14(Li) 46,5	2,34 2,50 1,84 2,45 2,10 1,43 1,30 2,00	2300 2450 450 2235 618 450 840 1750

Für die meisten Anwendungszwecke nach der Erfindung einschließlich der Abschirmung von Hochtemperaturantriebsreaktoren wird B und B₄C als neutronenabsorbierender Zellfüllstoff verwendet. Zusätzlich zu seinem hohen Schmelzpunkt und seinem hohen Prozentanteil an Bor, besitzt B₄C den weiteren Vorteil, daß es 21,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält. Die Kohlenstoff kerne dienen als Moderatoren, um die Energien von irgendwelchen schnellen Neutronen, die die Begrenzungswände durchquert haben, zu verringern, ohne daß sie darin moderiert werden.

Wie bereits oben erwähnt wurde, besitzen die Begrenzungswände zwei Funktionen. Die erste ist, daß sie den Hauptteil der Biegebeanspruchung, mit der die Abschirmkonstruktion belastet ist, aufnehmen. Die zweite Funktion ist, daß sie schnelle Neutronen auf thermische Energien moderieren, so daß die thermischen Neutronen ebenfalls von den mit Pulver gefüllten wabenartigen Zellen absorbiert werden. Um diese Funktionen in optimaler Weise hervorzurufen, sind die Begrenzungswände vorzugsweise aus Beryllium hergestellt. Unter den festen Elementen ist Beryllium der beste Neutronenmoderator; es besitzt einen niedrigen thermischen Absorptionsquerschnitt und ein Bremsverhältnis, das 10% größer ist als das des Kohlenstoffs. Die Bruchfestigkeit von Beryllium, 3164 kg/cm², ist größer als die von Aluminium, und eine Abschirmkonstruktion, die mit Verkleidungsflächen aus Beryllium versehen ist, kann eine wesentlich größere Belastung aufnehmen als dieselbe Konstruktion, welche mit Aluminiumverkleidungen hergestellt ist. Darüber hinaus wird, wenn die Abschirmkonstruktion mit Berylliumwänden neben einem Reaktorkern angeordnet wird, der keinen Reflektor besitzt, die Berylliumwand die zusätzliche Funktion eines Reflektors ausüben, wodurch der Wirkungsgrad der Neutronenausnutzung in dem Kern ansteigt. Auf diese Weise ersetzt die Begrenzungswand wenigstens einen Teil der Reflektor-Moderator-Konstruktion des Reaktors.

Für geringere Beanspruchungen als diejenigen, die für die Abschirmung von Hochtemperaturreaktoren in Frage kommen, kann die Schutzkonstruktion mit

ίο billigeren geschichteten Begrenzungswänden versehen sein. In Fig. 2 ist ebenso wie in Fig. 1 eine Konstruktion zum Abschirmen von Neutronen dargestellt, bei der die Begrenzungswände aus Schichtplatten 3 bzw. 4 und 21 bzw. 22 bestehen, zwischen denen Moderatorplatten 18 bzw. 19 eingeschlossen sind.

Bei der Ausführungsform nach der Erfindung, die in F i g. 2 dargestellt ist, sind die Moderatorplatten aus wärmehärtbarem Kunstharz hergestellt. Die in dem Harz vorhandenen Kohlenstoff- und Wasserstoffkerne moderieren die Energien von Neutronen, die auf die Platte auffallen. Das Harz muß durch Wärme härtbar sein, um eine mechanische Verformung oder Verzerrung, die durch Wärmeeinwirkungen erzeugt werden, zu vermeiden. Es stehen verschiedene Harzarten zur Verfügung, die für die Verwendung in einer solchen geschichteten Konstruktion geeignet sind. Diese sind: vernetzte Polystyrol-Polymere, Epoxyd-Harze, Phenol-Formaldehyd-Kondensationspolymere und verschiedene Styrol-Alkyl-Polyester. Diese Materialien behalten ihre mechanische Festigkeit und chemische Identität bei Temperaturen bis zu 200⁰C. Für Arbeitstemperaturen über 200° C ist es erforderlich, Begrenzungswände aus fe'stem Beryllium zu verwenden, wie bereits oben erwähnt wurde.

Die Funktion der Schichtplatten 3, 4, 21 und 22 besteht darin, die relativ niedere Biegefestigkeit der Moderatorplatten 18 und 19 aus Kunstharz zu vergrößern. Die Zugfestigkeiten von Kunstharzen sind im

φο allgemeinen geringer als 703 kg/cm². Um die in F i g. 2 dargestellte Anordnung als lastaufnehmenden Teil in einer Abschirmanordnung verwenden zu können, ist es deshalb nötig, die Moderatorplatten zu verstärken. Wenn, wie in F i g. 2 dargestellt ist, die Moderatorplatten zwischen relativ dünnen Platten aus einem Material mit hoher Zugfestigkeit eingeschichtet sind, wird die Gesamtbiegefestigkeit der Schutzkonstruktion beträchtlich erhöht. Plattenförmiges Aluminium ist ein bevorzugtes Material für die Verwendung als Verstärkung der Moderatorplatten, da es billig ist, geeignete Eigenschaften für die Verwendung in einem Kernreaktor und eine ausreichende Zugfestigkeit besitzt, nämlich 2461 kg/cm².
Bei einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung können mehrere Abschirmplatten der oben beschriebenen Art zusammengesetzt werden, so daß sich eine zusammengesetzte Konstruktion von stark erhöhter mechanischer Festigkeit und ebenso stark vergrößerter Neutronenabsorptionskapazität ergibt.

In F i g. 3 ist eine solche zusammengesetzte Schutzkonstruktion dargestellt, die einzelne Abschirmplatten 23, 24 und 26 aufweist, die im einzelnen einer der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen entsprechen, die mit ihren entsprechenden Begrenzungswänden aneinandergeschichtet sind. Für Arbeitstemperaturen unter etwa 200 ⁰C können die Platten mit einem organischen Klebstoff zusammengeklebt werden, wobei in der holzverarbeitenden und

in der Kunststoffindustrie wohlbekannte Verfahren hierfür verwendet werden. Um noch höhere Temperaturen auszuhalten, können die Platten miteinander verlötet oder verschweißt werden.

Zusätzlich zu der erhöhten Festigkeit der Konstruktion besitzt die mehrschichtige Bauweise nach Fig. 3 einen anderen Vorteil. Jede Schicht der wabenartigen Zellen kann mit einem anderen Absorberpulver gefüllt werden als die angrenzende Schicht. Zum Beispiel kann die Schicht 23 in F i g. 3 mit BeO-Pulver, die "> Schicht 24 mit B₄C und die Schicht 26 mit B gefüllt werden. Die auf die Platte 23 auffallenden Neutronen werden durch das BeO-Pulver moderiert, bevor sie in die Platte 24 eindringen. Das B₄C-Pulver in der Platte 24 bewirkt eine zusätzliche Abbremsung durch die Kohlenstoffkerne, und die Absorption der thermischen Neutronen erfolgt durch die Borkerne. Das Borpulver in der Platte 26 wird dann alle Neutronen absorbieren, die nicht von dem B₄C-Pulver in der Platte 24 absorbiert wurden.

Claims

Patentansprüche:

1. Strahlenschutzwand zur Absorption von Neutronen mit zwei im Abstand befindlichen Begrenzungswänden und zwischen diesen gebildeten Hohlräumen, welche mit absorbierendem Pulver gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet., daß die der Strahlungsquelle zugewendete Begrenzungswand als Moderator ausgebildet ist, dessen Durchlaßenergie auf das

' Absorptionsmaximum des Pulvers abgestimmt ist.

2. Strahlenschutzwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Begrenzungswände durch senkrecht auf diesen stehende, wabenförmig nebeneinander angeordnete, prismatische Hohlkörper miteinander verbunden sind, von denen jeder für sich mit dem absorbierenden Pulver gefüllt ist.

3. Strahlenschutzwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Pulver aus einem der folgenden Stoffe bzw. Verbindungen besteht: B, B₄C, BeO₃, CaB₆, Li₂CO₃, LiOH, LiBO₂, Li₂O.

4. Strahlenschutzwand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswände aus Beryllium bestehen.

5. Strahlenschutzwand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswändeaus drei Schichtplatten bestehen, von denen die mittlere Schichtplatte aus wasserstoffhaltigem Harz und die beiden Außenplatten aus einem Material mit wesentlich größerer Zugfestigkeit als das Harz bestehen.

6. Strahlenschutzwand nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Zwischenwände (23, 24) und in den entstehenden Hohlräumen befindliches absorbierendes Pulver unterschiedlicher Zusammensetzung, dessen Absorptionsquerschnitt von der Strahlungsquelle nach außen zunimmt, während gleichzeitig die Bremswirkung nach außen hin abnimmt. ;

7. Strahlenschutzwand nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zwei Zwischenwände und in den Hohlräumen befindliches absorbierendes Pulver mit folgender Zusammensetzung in Richtung von der Strahlenquelle nach außen: BeO, B₄C, B.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 194 028;
USA.-Patentschrift Nr. 2 773 459;
»Nuclear Engineering«, Oktober 1957, S. 428.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen