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Unterkritischer Neutronenreaktor Die Erfindung bezieht sich auf einen
unterkritischen Neutronenverstärker mit einer speisenden Neutronenquelle, deren
Intensität steuerbar ist, die zusammen mit einer Mehrzahl von Verstärkerstufen in
Kaskade angeordnet ist, von denen jede drei Zonen aufweist, und zwar eine Eingangszone
mit Neutrönenmoderatormaterial, in dem von der Quelle stammende Neutronen mit epithermischer
Energie auf thermische Energie verlangsamt werden ferner eine Spaltstoffzone mit
spaltbarem Material in einer Massenkonzentration und mit geometrischen Abmessungen,
die geeignet sind, den Neutronenfluß dauernd durch Spaltreaktionen im unterkritischen
Bereich zu verstärken, sowie zwischen jeder Stufe und der nächstfolgenden Stufe
eine Neutronensperrzone, die für thermische Neutronen undurchlässig, jedoch für
epithermische Neutronen durchlässig ist, wodurch eine verstärkte Ausgangsleistung
epithermischer Neutronen unterkritisch erzeugt wird, und bei dem Mittel in der Moderatorzone
vorgesehen sind, die eine Rückstreuung der epithermischen Neutronen von einer gegebenen
Stufe zur vorhergehenden Stufe des Verstärkers verhindern.
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Bekannte Neutronenverstärker (kanadische Patentschrift 644 448, deutsche
Auslegeschrift 1 138 169,
Zeitschrift »Nucleonics«, Juni 1957, S. 116,
117), die auch Convergatron genannt werden, weisen eine steuerbare Neutronenquelle
und mehrere in Serie geschaltete Vervielfacherstufen auf, von denen sich jede aus
drei Zonen zusammensetzt. Die erste Zone ist die sogenannte Eingangs- oder Moderatorzonc.
Diese ist aus an sich bekannten Stoffen hergestellt, z. B. aus Graphit, Wasser oder
Beryllium, und bewirkt, daß schnelle (epithermische) Neutronen verlangsamt werden,
d. h. auf thermisches Energieniveau gebracht werden. Die zweite Zone wird Zwischen-
oder Brennstoffzone genannt. Diese besteht aus spaltbarem Stoff, welcher auf Neutronen
mit thermischem Energieniveau anspricht. Die Konzentration und die geometrische
Anordnung des Brennstoffs in der Zwischenzone ist so gewählt, daß durch Spaltung
Neutronen in unterkritischem Ausmaß entstehen. Die dritte Zone ist die sogenannte
Ausgangs-oder Abschirmzone für thermische Neutronen. Diese besteht aus einem Stoff,
welcher für thermische Neutronen im wesentlichen undurchlässig und für epithermische
Neutronen im wesentlichen durchlässig ist. Diese Ausgangszone hat die Wirkung, daß
jede Stufe von der auf sie folgenden Stufe hinsichtlich des thermischen Neutronenflusses
entkoppelt ist und daß ein Strom von epithermischen Neutronen von der Ausgangszone
in die Eingangszone der nächsten Stufe eindringt. Zum weiteren Verständnis sind
folgende Definitionen wichtig: Epitherme Neutronen sind solche Neutronen, deren
Energie so hoch ist, daß sie mit dem Material der für die thermischen Neutronen
vorgesehenen Absorptionszone nicht in Wechselwirkung treten.
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Streuung ist der Vorgang, durch den ein Neutron irgendeines Energieniveaus
mit anderen Stoffen oder Teilchen zusammenstößt und seine Richtung ändert, wobei
es einen Teil seiner Energie abgibt.
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Diffusion ist ein Begriff, der nur im Zusammenhang mit Neutronen thermischer
Energie verwendet wird und den Durchgang eines Neutrons durch ein anderes Material
ohne eine Änderung seiner Energie bezeichnet.
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Rückwirkungsverhältnis ist das Verhältnis der Vorwärts- zur Rückwärtsübertragung
von Neutronen zwischen den Stufen eines Convergatrons.
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Es ist ferner ein Neutronenverstärker bekannt (USA.-Patentschrift
3056737), dessen Arbeitsweise dadurch verbessert ist, daß die innere Rückwirkung
verringert ist. Das ist dadurch erreicht, daß in der Moderatorzone eine Vielzahl
von Materialien vorgesehen sind, die verschiedene Moderator-Charakteristiken für
die Neutronen mit thermischem Energiepegel aufweisen. Das Ergebnis ist, daß der
Vorwärtsfluß der thermischen Neutronen in die angrenzende Brennstoffzone erhöht
und daß der Rückfluß der thermischen Neutronen in die angrenzende Abschirmzone vermindert
wird. Insbesondere können die in der Moderatorzone vorgesehenen Materialien
eine
Schicht aus leichtem Wasser, eine Schicht aus Einkristallberylliummetall und eine
Schicht aus unorientiertem mikrokristallinem Beryllium aufweisen.
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Eine solche Rückflußsperrschicht ist jedoch teuer und ziemlich schwierig
herzustellen. Außerdem ist die Optimierung und die Justierung bei der bekannten
Rückflußsperre nicht einfach zu bewerkstelligen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rückflußsperre derart auszubilden,
daß sie billig und einfach herzustellen ist und daß sie sich leicht optimieren und
justieren läßt.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Neutronenverstärker
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Moderatorzone eine die Neutronen unelastisch
streuende Blei- oder Wismutsperre aufweist.
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Bleiplatten der verschiedensten Dicken sind ohne weiteres verfügbar,
und der Einbau solcher Platten in einen Neutronenverstärker ist leicht auszuführen.
Außerdem wird die Geometrie des Neutronenverstärkers wesentlich einfacher als die
Geometrie der bekannten Neutronenverstärker.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen
wird.
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F i g. 1 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Neutronenverstärkers;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt des Neutronenverstärkers, wobei die Verbesserungen
gemäß der Erfindung dargestellt sind.
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Der in F i g. 1 gezeigte und weiterhin beschriebene Aufbau des Neutronenverstärkers
ist ein flachgebauter Reaktor, in dem die verschiedenen Reaktorstufen in Kaskade
in einem rechteckigen Quader aus Beton angeordnet sind.
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In F i g. 1 ist ein Schnitt durch die ersten vier Stufen eines Neutronenverstärkers
gezeigt. Die Zwischenwände 10, 11 und 12 sind aus bekanntem Material
zur Abschirmung und Absorption, wie z. B. Beton, der Wasserstoff oder Wasser enthält,
hergestellt. Die drei Hauptzonen jeder Stufe sind die Moderatorzone 13, die
Spaltstoffzone 14 und die Absorptionszone für thermische Neutronen oder Sperre
15. Gleichartige Zonen aufeinanderfolgender Vervielfacherstufen sind mit
13', 14'. 15', 13". 14",
15" . . . 13N, 14N, 15' bezeichnet,
Wände 16 aus Aluminium, korrosionsbeständigem Stahl oder anderem Material,
die für Neutronenströmung durchlässig sind, sind zwischen den Zonen angeordnet,
um besondere Abteilungen zu schaffen und ein Vermischen sowie eine Verunreinigung
des Materials einer Zone mit dem Material einer angrenzenden Zone' zu verhindern.
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Eine einspeisende Neutronenquelle 17, deren Intensität steuerbar ist,
die durch einen Stab 18 getragen wird, ist in der Endwand 12 angeordnet und
durch eine Zahnstange 19 und ein Zahnrad 20 einzustellen.
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Die schnellen Neutronen der Quelle 17 treten in die Moderatorzone
13 ein. wo sie auf ein thermisches Energieniveau gedämpft oder gebremst werden.
Danach diffundieren sie. Diejenigen Neutronen. die in Vorwärtsrichtung diffundieren,
d. h. in F i g. 1 nach rechts in die Spaltstoffzone 14 hinein. werden durch
den Spaltstoff absorbiert, wobei durch Spaltung schnelle Neutronen erzeugt werden.
Einige dieser schnellen Neutronen verursachen schnelle Spaltung in der Spaltstoffzone
14. und andere werden durch elastischen Zusammenstoß mit dem Moderator in der Zone
13 gedämpft, bis sie auf thermische Energieniveaus zurückgefallen sind. Diese gedämpften
oder langsamen Neutronen diffundieren wiederum und sind in der Lage, in der Zone
14 noch mehr schnelle Neutronen zu erzeugen.
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Die in der Spaltstoffzone 14 der Stufe 1 des Verstärkers durch Spaltung
erzeugten schnellen Neutronen bewegen sich nach allen Richtungen. Diejenigen, die
sich nach vorwärts, d. h. in F i g. 1 nach rechts, bewegen, dringen durch die Sperre
für thermische Neutronen 15 hindurch und werden dann auf thermische Energieniveaus
durch das in der Stufe 2 enthaltene Moderatormaterial der Zone 13' gedämpft. Diese
auf solche Art in den thermischen Zustand versetzten Neutronen können nicht nach
rückwärts wandern, d. h. zur linken Seite der F i g. 1, da sie durch die Sperre
15 für thermische Neutronen absorbiert werden. Die meisten epithermen und schnellen
Neutronen, die in die Moderatorzone 13' wandern, werden durch Dämpfung in thermische
Neutronen verwandelt. Nur diejenigen, die nicht auf diese Weise gedämpft wurden,
tragen zu einer merklichen Rückwirkung bei.
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Die thermischen Neutronen, die in die Spaltstoffzone 14' der
Stufe 2 hineindiffundieren, erzeugen dort eine Spaltung, und die dadurch erzeugten
schnellen Spaltungsneutronen bewegen sich rückwärts in die Moderatorzone 13' hinein.
Diese schnellen Spaltungsneutronen werden in der Zone 13' durch elastischen Stoß
gedämpft. so daß dort nur eine geringe Möglichkeit besteht. daß ein schnelles Neutron
von der Spaltstoffzone 14' der Stufe 2 aus durch die Sperre 15
der
Stufe 1 für thermische Neutronen hindurchdringt. um den Spaltstoff in der Zone
14 der Stufe 1 zu beeinflussen. (Obwohl diese Möglichkeit gering ist.
ist dieser Vorgang trotzdem von Bedeutung, wie im folgenden erklärt wird.) Schnelle
oder thermische Neutronen, die durch die Wände 10 und 11 der Zone 14' entweichen.
werden am Betreten der Spaltstoffzone 14 der Stufe 1 gehindert. wie
auch der Spaltstoffzone 14" der Stufe 3. durch Bremsung oder Absorption durch
eine in der Moderatorzone 13' angeordnete Wand.
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Auf diese Weise wird die Wanderung thermischer Neutronen in dem Verstärker
der F i g. 1 auf die Stufe beschränkt. in der sie erzeugt «erden. Die rückwärtige
Strömung, d. h. Rückwirkung schneller Neutronen in eine vorhergehende Stufe. ist
durch Dämpfung auf thermische Energieniveaus in den Moderatorzonen weitgehend reduziert.
obwohl sie nicht ganz ausgeschaltet ist. Die schnellen Neutronen. die durch die
Sperren für thermische Neutronen passieren. wandern nach rechts.
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Dem oben beschriebenen Neutronenverstärker sind in seiner Arbeitsweise
Grenzen gesetzt. da die innere Rückwirkung der schnellen Neutronen unerwünscht ist.
Die folgende erläuternde Diskussion der Rückwirkung für einen zweistufigen Verstärker
zeigt besser. daß es wünschenswert ist. diese Erscheinung in einem Verstärker zu
überwachen.
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Zur Erläuterung dient ein Verstärker. der zwei Spaltstoffzonen aufweist.
die durch einen Moderator gekoppelt sind (z. B. Kadmium und Beryllium oder Beryllium
mit Kadmium-Wasserstoff-Einzelkristallen) und der durch eine äußere Neutronenquelle
in stationärem Zustand gespeist wird (z. B. ein Van-de-Graaff-Generator oder eine
RA-BE-Quelle).
Eine gegebene Zahl (N") von Quellenneutronen gelangt
in die Stufe 1 pro Sekunde und wird durch die konvergente Kettenreaktion nach der
Beziehung
verstärkt, worin Keff@ der wirksame Reproduktions-oder Multiplikationsfaktor des
Systems ist, d. h. das Verhältnis der während eines Spaltungsvorganges erzeugten
schnellen Neutronen zu der ursprünglichen Zahl schneller Neutronen in einem tatsächlichen
System begrenzter Art und worin @@ die negative Reaktionsfähigkeit der Stufe I des
Systems ist.
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Von der Zahl N, der Neutronen wird ein Bruchteil u durch die Kadmiumschicht
als epithermische Neutronen entweichen.
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Diese Neutronen a werden durch Streuung und Absorption gebremst, so
daß von denen, die das Kadmium durchdringen, ein Bruchteil a die Stufe 1I erreichen
und nützlicherweise absorbiert werden. Die tatsächliche Zahl der Neutronen. die
die Stufe 11
erreichen. ist daher in Beziehung zu der Zahl der durch die Quelle
erzeugten Neutronen
In der Stufe 1I wird diese Zahl durch eine konvergente Kettenreaktion vervielfacht.
so daß sich
Neutronen in der Stufe 1I ergeben. Die negative Reaktionsfähigkeit der Stufe II
des Systems ist durch die Größe @Y bezeichnet. Der Gewinn G ist durch die Beziehung
bestimmt. Von diesen Neutronen in Stufe 1I wird ein Bruchteil 1) von dieser
Stufe in Richtung der Stufe I entweichen. so daß diese angeregt wird. Dieser Bruchteil
h wiederum wird durch Dämpfung verringert bis unterhalb der Kadmium-Grenzenergie.
so daß nur ein Bruchteil ,; davon die Stufe I erreicht. [)je Rückwirkung auf die
Stufe I ist daher
Wenn dieser Bruchteil die Zahl N" überschreitet. überschreitet das gekoppelte System
den kritischen Punkt. Der Ubergang in dieses überkritische Stadium ist durch die
Beziehung
bestimmt. Der Neutronenausstoß .1' des Svstems ist
Der Gewinn G' mit der Rückwirkung ist daher
Die betrachtete Rückwirkung ist ihrem Wesen nach positiv und verringert die Stabilität
des Systems mit erhöhten Werten. In einem einfachen System scheint es keine analoge
negative Rückwirkung zu geben, so daß das sicherste einfache System ein solches
mit fehlender Rückwirkung ist. Das Verhältnis des Gewinnes mit Rückwirkung zu dem
Gewinn ohne Rückwirkung ist daher ein nützliches Kriterium und hat die Form
Die Konstanten n. «, h, ii, ;) und Y sind zweckmäßig zu wählende Konstruktionsgrößen.
Die Konstanten u und h beziehen sich auf die Abmessungen und die Verluste der Spaltstoffzonen
und brauchen nicht dieselben zu sein. @@ und @Y hängen nur von der Uranladung ab
und können durch sorgfältige Hinzufügung von Spaltstoff erreicht werden. @@ und
,; sind voneinander abhängige Konstanten, da eine willkürliche Verringerung von
p, die für die Unterdrückung der Rückwirkung wünschenswert ist. auch u verringert
und daher eine Kopplung zwischen den Stufen verursacht. Um den gewünschten Gewinn
zu erreichen. muß ) oder @Y verringert werden. wodurch der Sicherheitsbereich des
Systems verringert wird.
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Obwohl die Diskussion auf einem einfachen zweistufigen Neutronenverstärker
zum Zwecke der Erläuterung gerichtet war, kann sie auch auf mehrstufige Anordnungen
angewendet werden.
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Ein wünschenswertes Ziel bei der Erstellung einer Stufe ist es, den
effektiven Multiplikationsfaktor Kefl soweit wie möglich unterhalb Eins zu halten.
um die Möglichkeit des überkritischen Zustandes zu vermeiden. Da die Verstärkung
pro Stufe sich mit Kef f erhöht. sind die Forderungen einer hohen Verstärkung und
einer großen Abweichung vom kritischen Punkt (große negative Reaktionsfähigkeit)
sich entgegenstehende Ziele.
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In dem verbesserten Neutronenverstärker der vorliegenden Erfindung
wird eine Verminderung der inneren Rückwirkung der epithermen Neutronen durch Einfügung
einer Neutronensperre zwischen einer Stufe und der nächsten vorhergehenden Stufe
erreicht. wobei die genannte Neutronensperre aus einem Material besteht, dessen
Größen die unelastische Streuung der schnellen Neutronen erhöhen.
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F i g. ? zeigt eine Einrichtung gemäß der Erfindung. in der Schichten
21 aus einem Material, das die unelastische Streuung schneller (energiereicher)
Neu_ tronen bewirkt, in den Moderatorzonen 13' bis 13' des Verstärkers der
F i g. 1 angeordnet sind.
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In der in F i g. 2 gezeigten Einrichtung sind die Schichten aus Neutronenstreumaterial
flache blattförmige Teile, die in einer gegebenen Moderatorzone 13' I3" bis 13`
anliegend an den betreffenden Wänden 16 zwischen dem Spaltstoff und dem Moderator
angeordnet sind.
Für andere Formen des Verstärkers, z. B. eine solche,
die eine Mehrzahl konzentrischer Hüllen aufweist, wird das Streumaterial für die
Neutronen in der Moderatorzone des Verstärkers in derselben relativen Lage wie es
für die vorliegende Einrichtung gezeigt ist, angeordnet, jedoch wird das Material
so geformt, daß es mit der Form der Spaltstoffzone übereinstimmt.
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Wie bereits bemerkt, werden bei der vorliegenden Erfindung Blei und
Wismut verwendet, da sie für schnelle Neutronen einen hohen Querschnitt der unelastischen
Streuung und für thermische Neutronen einen Querschnitt geringer Absorption aufweisen.
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Die Verwendung von Einzelkristallen dieser Elemente oder die Verwendung
geringer Temperaturen für den Betriebszustand ist vorteilhaft als Hilfe bei der
Vermeidung Braggscher Streuungen. Auch kann die Auswahl günstiger Isotope zur Verbesserung
der unelastischen Streuung führen. Zum Beispiel kann Radioblei (Pb"), das sich als
ein Material mit einem Querschnitt geringer Bremsung für thermische Neutronen erwiesen
hat, ein vorzügliches und nützliches unelastisches Streumaterial sein. Die unelastische
Streuung energiereicher Neutronen durch Radioblei ist nicht bemerkenswert geringer
als die des normalen Bleis.
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In der Praxis hat das zur Neutronenstreuung verwendete Material im
allgemeinen eine Stärke, die eine Streuung ergibt, wie sie von ungefähr 2,54 cm
Blei erzeugt wird. Eine ausreichende Streuung kann erreicht werden durch Verwendung
einer Materialstärke, die im Bereich von weniger als 0,254 bis 25,5 cm oder mehr
liegt, abhängig von dem jeweiligen System des Verstärkers.
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Die Einfügung eines unelastischen Streümaterials in einen Verstärker
verringert geringfügig die Durchlässigkeit des Systems für epitherme Neutronen in
Vorwärtsrichtung. Daraus resultiert eine Verringerung des Gesamtgewinns der Stufen
um einen gewissen Wert, jedoch ist dieser Verlust für die Arbeitsweise nicht hinderlich.