DE1288206B

DE1288206B - Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen mit dem im Kern eines Schwimmbeckenreaktors erzeugten Neutronenfluss

Info

Publication number: DE1288206B
Application number: DEC30505A
Authority: DE
Inventors: Doulat Jacques; Bochirol Louis; Weil Louis
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1959-12-15
Filing date: 1963-07-22
Publication date: 1969-01-30
Also published as: CH370489A; NL295857A; FR1252681A; LU44116A1; AT241630B; NL295856A; CH399611A; GB968820A; FR77733E; DK119070B; BE597515A; BE635475A; US3250684A; NL114074C; GB975166A; LU39443A1; FR82207E; DE1288205B; CH399610A; GB929585A

Description

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Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zum Be- deutung ist. Während diese Vorrichtungen jedoch strahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen mit dem auch anwendbar sind, wenn als erste Kühlflüssigkeit im Kern eines Schwimmbeckenreaktors erzeugten gleichermaßen Wasserstoff verwendet wird, so ist Neutronenfluß, mit einem geschlossenen Kreislauf, ihre Benutzung bei Verwendung eines Edelgases, wie in dem ein strahlungsunempfindliches Kühlmittel in 5 beispielsweise Neon, nicht mehr möglich, obwohl dies einem unteren, dem Neutronenfluß ausgesetzten Ab- die Konstruktion der Kühlvorrichtung und des erschnitt eine Probe des zu bestrahlenden Stoffs um- wähnte Einbringen der Proben sehr erleichtern würde, strömt, diese kühlt und in einem oberen, außerhalb Man kann in gewissen Fällen die Schwierigkeit

des Neutronenflusses gelegenen Abschnitt über die dadurch umgehen, daß man den Druck vergrößert, Wandung eines Wärmetauschers mit einem strah- io der im Behälter des ersten Kühlmittels herrscht, um lungsempfindlichen Kühlmittel in Energieaustausch dessen Gefriertemperatur auf einem geeigneten Wert tritt, sich abkühlt und wieder zur Probe zurück- zu halten. Auf diese Weise kann man — wie dies beströmt, wobei die Vorrichtung einen von einem eva- reits im Hauptpatent erwähnt ist — als zweites Kühlkuierten Isoliermantel bildenden Rohr umgebenen mittel beispielsweise handelsüblichen Stickstoff und dreiteiligen Aufbau aufweist, der aus einem oberen 15 als erstes Kühlmittel Methan verwenden, vertikalen, Kühlmittelzuleitungen enthaltenden Teil, Die Notwendigkeit, in dem das erste Kühlmittel

einem mittleren horizontalen Verbindungsteil, der in enthaltenden Behälter einen verhältnismäßig hoher solcher Tiefe in dein Wasserbecken liegt, daß die Druck aufrechtzuerhalten, der ein Mehrfaches des darüber befindliche Wasserschicht die biologische Atmoshärendruckes betragen kann, ist jedoch stö-Abschirmung gewährleistet, und einem unteren ver- 20 rend und kompliziert die Vorrichtung; es ist dann tikalen Teil besteht, der den geschlossenen Kreis für ferner erforderlich, die Druckfestigkeit und die Dichdas strahlungsunempfindliche Kühlmittel, in dem tigkeit der Behälter, der Rohrleitungen, Ventile und dieses im unteren Abschnitt verdampft, in den oberen sonstigen Bauelemente des Kühlmittelkreises entspreaufsteigt, dort im Wärmeaustausch mit dem strah- chend zu wählen und zu überwachen, lungsempfindlichen Kühlmittel wieder kondensiert 25 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, und, der Schwerkraft folgend, in den unteren Ab- eine verbesserte Vorrichtung zu entwickeln, die schnitt zurückfließt und einen Kreis enthält, indem das die Vorteile der Anordnung gemäß dem Hauptpastrahlungsempfindliche Kühlmittel in flüssiger Form tent aufweist und die Verwendung zweier Kühlmittel eintritt, in dem es an der Wandung des Wärmetau- unterschiedlicher Art gestattet, bei der jedoch die schers verdampft und diesen in Dampfform verläßt. 30 Mangel vermieden sind, die sich aus der Anwendung Bei dieser Vorrichtung ist es erforderlich, daß die eines erhöhten Druckes im geschlossenen Kreislauf

Siedetemperatur des_zweiten Kühlmittels, das den des ersten Kühlmittels ergeben. .

zweiten Kreis durchströmt, zwischen dem Siedepunkt Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

und dem Gefrierpunkt des im geschlossenen Kreis- löst, daß der Wärmetauscher eine isolierende Vorlauf vorhandenen Kühlmittels liegt. Wenn nämlich 35 richtung zur Verringerung des Wärmeaustausches die Temperatur des Wärmetauschers durch die zweite zwischen den beiden Kühlmitteln und ferner eine Flüssigkeit auf einem Wert unterhalb des Gefrier- Heizvorrichtung für die Wärmetauscheroberfläche Punktes der ersten Flüssigkeit gehalten wird, so enthält, die in Berührung mit dem ersten Kühlmittel schlägt sich letztere in fester Form an den Wänden steht, dessen Gefrierpunkt oberhalb der Verflüssides Wärmetauschers nieder und kehrt nicht in das 40 gungstemperatur. des zweiten Kühlmittels liegt, wobei Bad zurück. beide Vorrichtungen einen Temperaturgradienten

Es gibt noch weitere Gründe, die bei der Vorrich- zwischen den beiden Kühlmitteln hervorrufen, tung gemäß dem Hauptpatent die Verwendung zweier Die Heizvorrichtung wird beispielsweise durch

Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen Eigenschaf- einen elektrischen Widerstand gebildet, der von einem ten ausschließen. Gerade hieran besteht jedoch ein 45 Steuerkreis gespeist wird, der eine Regulierung der großes Interesse. Auf diese Weise sind nämlich Un- umgesetzten elektrischen Leistung gestattet, tersuchungen von Flüssigkeiten möglich, die nur in Diese und zahlreiche weitere Einzelheiten der Erbegrenzten Mengen zur Verfügung stehen oder in findung gehen aus der folgenden Beschreibung eines denen man die durch die Strahlung gebildeten Pro- in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeidukte zu konzentrieren sucht. So kann beispielsweise 50 Spieles hervor. Die Erfindung beschränkt sich jedoch die erste Flüssigkeit Methan und die zweite Flüssig- nicht auf diese Ausgestaltung; es sind vielmehr zahlkeit, die vom Wärmetauscher Wärme abführt, Stick- reiche Abwandlungen im einzelnen möglich, ohne das stoff mit handelsüblicher Reinheit sein. der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Ein anderer Fall, in dem es von Interesse ist, zwei In der Zeichnung ist eine Kühlvorrichtung veran-

Flüssigkeiten unterschiedlicher Art zu benutzen, liegt 55 schaulicht, die eine-Bestrahlung von Proben durch dann vor, wenn man Bestrahlungen von Proben bei den vom Kern eines Schwimmbeckenreaktors aussehr niedriger Temperatur durchführen will und diese gehenden Neutronenstrom ermöglicht. Die Gesamt-Proben verwerten will, ohne sie nach der Bestrahlung anordnung entspricht im wesentlichen der im Hauptwieder zu erwärmen. Für Bestrahlungen bei etwa patent beschriebenen Ausführung. Die dargestellte 20° K kann die zweite Flüssigkeit Wasserstoff sein, 60 Vorrichtung benutzt als zweites Kühlmittel flüssigen die dem Wärmetauscher in flüssiger Form zugeführt Wasserstoff mit einer Siedetemperatur von 20,4° K wird, hier ihre Kühlenergie abgibt und den Wärme- bei normalem Atmosphärendruck und als erstes tauscher in Gasform im zweiten Kreis verläßt. Die Kühlmittel flüssiges Neon mit einer Siedetemperatur im Hauptpatent beschriebenen Vorrichtungen ermög- von 27,3° K und einem Gefrierpunkt von 24,5° K liehen den Aufbau eines Wasserstoffkreises, dessen 65 bei dem gleichen Druck. Das von flüssigem Neon geKontinuität durch das Einführen und Herausnehmen bildete Kühlbad 1 steht unter der Wirkung der vom der Proben nicht beeinträchtigt wird, was im Hin- Reaktorkern ausgehenden Strahlung 2. Dieses Bad 1 blick auf die Betriebssicherheit von besonderer Be- befindet sich in einem Tiegel I₁ oder unmittelbar in

dem geschlossenen Behälter 3, in dem ein Druck nahe dem Atmosphärendruck herrscht. Ein Wärmeübergang vom Wasser des Schwimmbeckens, in dem sich die Vorrichtung befindet, auf den Behälter 3 wird dadurch weitgehend vermieden, daß sich der Behälter 3 in einem rohrförmigen Behälter 4 befindet und und in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen diesen beiden Behältern 3, 4 ein Vakuum herrscht, wie dies im Hauptpatent im einzelnen beschrieben ist.

Das zweite Kühlmittel 5 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel Wasserstoff. Der flüssige Wasserstoff wird über eine Zuleitung 6 in einen Mantel 7 geführt, der einen Teil des Behälters 3 oberhalb des Bades 1 umgibt. Der verdampfte Wasserstoff entweicht über eine Leitung 8 und gelangt zu einem Kreis-, wo er von neuem verflüssigt und anschließend wieder der Leitung 6 zugeführt wird. Der Mantel 7 wird gleichfalls von dem bereits erwähnten Vakuum umgeben. In diesem ganzen offenen Kreis herrscht ein Druck in der Nähe des Atmosphärendruckes. Der Mantel 7 kann auch durch eine einfache knollenförmige Verdickung ersetzt werden, die lediglich mit einem winkelförmigen Sektor des Mantels 3 in Berührung steht.

Die Kondensation des Neons erfolgt an der inneren Oberfläche eines Rohres 9, das aus einem guten metallischen Leiter, wie beispielsweise Kupfer, besteht und dessen Durchmesser etwas kleiner als der des Mantels 3 ist. Ein Heizwiderstand 10, der am Rohr 9 angeordnet ist und mit diesem einen engen thermisehen Kontakt aufweist, liegt in einem elektrischen Kreis B, der dem Widerstand 10 eine einstellbare Leistung zuführt. Dieser nur schematisch dargestellte Kreis B enthält einen Widerstand 12, der über eine Betätigungsvorrichtung 13 in Abhängigkeit von der Anzeige eines Thermometers 11 geregelt wird. Das auf den Dampfdruck ansprechende Thermometer 11 ist an der Oberfläche des Rohres 9 befestigt. Das Rohr 9 kann mittels metallischer Drähte 9_X aufgehängt werden und seinerseits über die Drähte 9₂ den Tiegel I₁ tragen, so daß man das Rohr 9 und den Tiegel I₁ gemeinsam aus dem Behälter 3 herausheben kann.

Der flüssige Wasserstoff 5, der in dem Mantel 7 bei einem Druck leicht oberhalb des normalen Atmosphärendruckes siedet, hält die Wand des Behälters 3, mit der er in Berührung steht, auf einer Temperatur von 20° K. Neon verfestigt sich in dem Zwischenraum 14 zwischen dem Behälter 3 und dem Rohr 9, dessen innere Oberfläche die Kondensationsfläche für das Neon, d. h. die Oberfläche für den eigentlichen Wärmeaustausch bildet. Die feste Neonschicht in dem Zwischenraum 14 bildet einen thermischen Widerstand, der es ermöglicht, der Wärmetauscheroberfläche eine Temperatur zu geben, die oberhalb der Temperatur des Teiles des Wasserstoffkreises liegt, in dem dieser bei einem Druck in der Nähe des normalen Atmosphärendruckes siedet.

Die Temperatur der Wärmetauscheroberfläche wird dadurch oberhalb von 24,5° K, dem Gefrierpunkt des Neons, gehalten, daß die erforderliche elektrische Leistung der Heizwicklung 10 in Abhängigkeit von der Anzeige des Thermometers 11 zugeführt wird.

Bei Inbetriebnahme der mit gasförmigem Neon gefüllten Vorrichtung verflüssigt der umlaufende Wasserstoff während einer ersten Phase zunächst die Menge Neon, die für das der Strahlung ausgesetzte Bad 1 erforderlich ist. Dann wird, nachdem der Dauerbetriebszustand erreicht ist, die Leistung so geregelt, daß die aufsteigenden Neondämpfe kondensiert werden, die von der Energieumsetzung der Strahlung 2 in den Wänden, im flüssigen Neonbad und in der eventuell eingebrachten Probe herrühren.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel entsprechend dem in der Zeichnung dargestellten Schema weist der geschlossene Behälter 3 beispielsweise einen Durchmesser von 30 mm auf, der Zwischenraum 14 eine Stärke von 0,5 mm und die Wärmetauscheroberfläche eine Größe von 300 cm²; der Durchsatz an flüssigem Wasserstoff beträgt 12 1/Std. Die nutzbare Kühlleistung im Bad liegt dann bei etwa 80 W. Die zur Regulierung der Temperatur der eigentlichen Kondensationsoberfläche erforderliche elektrische Leistung ist beim Dauerbetrieb mit maximaler Leistung Null und nimmt Zwischenwerte (bis maximal 80 W) an, wenn im Bad 1 eine geringere bzw. gar keine Leistung umgesetzt wird. Die Zuführung von elektrischer Energie kann kontinuierlich oder impulsweise erfolgen, jedoch stets in Abhängigkeit der Anzeige des Thermometers 11.

Es sei hervorgehoben, daß der vom zweiten Kühlmittel durchströmte Kreis A, wozu auch der im Behälter 4 liegende Teil gehört, unabhängig von dem Behälter 3 mit dem ersten Kühlmittel ist: Das Einbringen und Herausnehmen der Probe in den bzw. aus dem geschlossenen Behälter 3 kann über das obere Ende dieses Behälters bewirkt werden, ohne daß hierbei der Kreis- irgendwie beeinträchtigt wird; dieser bleibt vielmehr von der Atmosphäre getrennt. Dieses zweite Merkmal ist aus Sicherheitsgründen insbesondere dann von Interesse, wenn das zweite Kühlmittel flüssiger Wasserstoff ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen mit dem im Kern eines Schwimmbeckenreaktors erzeugten Neutronenfluß, mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein strahlungsunempfindliches Kühlmittel in einem unteren, dem Neutronenfluß ausgesetzten Abschnitt eine Probe des zu bestrahlenden Stoffs umströmt, diese kühlt und in einem oberen, außerhalb des Neutronenflusses gelegenen Abschnitt über die Wandung eines Wärmeaustauschers mit einem strahlungsempfindlichen Kühlmittel in Energieaustausch tritt, sich abkühlt und wieder zur Probe zurückströmt, wobei die Vorrichtung einen von einem evakuierten Isoliermantel bildenden Rohr umgebenen dreiteiligen Aufbau aufweist, der aus einem oberen vertikalen, Kühlmittelzuleitungen enthaltenden Teil, einem mittleren horizontalen Verbindungsteil, der in solcher Tiefe in dem Wasserbecken liegt, daß die darüber befindliche Wasserschicht die biologische Abschirmung gewährleistet, und einem unteren vertikalen Teil besteht, der den geschlossenen Kreis für das strahlungsunempfindliche Kühlmittel, indem dieses im unteren Abschnitt verdampft, in den oberen aufsteigt, dort im Wärmeaustausch mit dem strahlungsempfindlichen Kühlmittel wieder kondensiert und, der Schwerkraft folgend, in den unteren Abschnitt zurückfließt, und einen Kreis enthält, in dem das strahlungsempfindliche Kühlmittel in flüssiger Form eintritt, in dem es an der Wandung des

Wärmeaustauschers verdampft und den es in Dampfform verläßt, nach Patent 1260 037, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (9) eine isolierende Vorrichtung (14) zur Verringerung des Wärmeaustausches zwischen den beiden Kühlmitteln und ferner eine Heizvorrichtung (10) für die Wärmetauscheroberfläche enthält, die in Berührung mit dem ersten Kühlmittel (1) steht, dessen Gefrierpunkt oberhalb der Verflüssigungstemperatur des zweiten Kühlmittels (5) liegt, wobei beide Vorrichtungen einen Temperaturgrädienten zwischen den beiden Kühlmitteln hervorrufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher durch ein gut wärmeleitendes Element (9) gebildet ist, das vorzugsweise rohrförmig ausgebildet und in dem dichten Behälter (3) angeordnet ist und das durch einen schmalen Zwischenraum (14) von der in Berührung mit dem zweiten Kühlmittel (5) stehenden Oberfläche des Behälters getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung durch einen elektrischen Widerstand (10) gebildet ist, der in enger Berührung mit dem Element (9) steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (14) so gewählt ist, daß er von einem Niederschlag des ersten Kühlmittels (1) in fester Phase ausgefüllt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen