DE2041125A1

DE2041125A1 - Quelle von Neutronen niedriger Energie

Info

Publication number: DE2041125A1
Application number: DE19702041125
Authority: DE
Inventors: Samuel Untermeyer
Original assignee: NAT NUCLEAR CORP
Current assignee: NAT NUCLEAR CORP
Priority date: 1969-09-03
Filing date: 1970-08-19
Publication date: 1972-03-09
Also published as: CA919314A; JPS5027158B1; GB1252119A

Description

National Nuclear Corporation _s Palo Alto, Kalif. (V. St.,A.)

Quelle von Neutronen niedriger Energie.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 854 907 vom 3. September I969 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf Quellen zur Erzeugung

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von Neutronen niedriger Energie und insbesondere auf eine derartige Neutronenquelle, welche kompakt, in sich geschlossen und unabhängig ist.

Wenn Lithium mit Alphateilchen bombardiert wird, erzeugt es Neutronen nach der Gleichung

Li (α,η) B oder Li (He^,n) B .

Zunächst könnte man annehmen, daß sich Lithium mit jedem Alphastrahlung abgebenden Stoff innig vermischen und eine geeignete Neutronenquelle erhalten ließe. Langlebige Quellen benötigen jedoch langlebige radioaktive Alphastrahlenemitter, die vorzugsweise aus einem Transuran bestehen. Wenn Transurane (wie z.B. Uran, Plutonium, Americium oder auch Curium . und Californium), die langlebige Alphastrahlung niedriger Energie abgeben, zwecks Herstellung einer Quelle von Neutronen niedriger Energie mit metallischem Lithium vermischt werden, zeigt sich, daß die Alphaemitter infolge ihrer hohen Dichte im geschmolzenen Lithium einsinken, so daß sich eine Trennung

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und eine niedrige Neutronenausbeute ergibt. Die hohe chemische Reaktionsfähigkeit von Lithium im pulverisierten, metallischen Zustand macht seine Verwendung für die Ausbildung eines Feststoffteilchengemischs unmöglich. Daher ist bis jetzt kein zufriedenstellendes System zur Herstellung von Neutronenquellen niedriger Energie unter Verwendung von Lithium und Transuranen als Alphaemitter entwickelt worden.

Es sind bereits hochaktive, kurzlebige Neutronenquellen hergestellt worden, indem geschmolzenes Lithium mit alphaemittierenden Stoffen hoher spezifischer Aktivität wie z.B. kondensierten Teilchen von Polonium 210 vermischt wurden, welche jedoch infolge ihrer verhältnismäßig geringen Raummasse und ihrer kleinen Teilchengröße dazu neigen, sich von dem Lithium abzusetzen. Ihre Anwendbarkeit ist jedoch infolge der kurzen Lebensdauer derartiger Stoffgemische (z.B. 138 Tage für Polonium 210) begrenzt.

Durch die Erfindung soll daher eine Quelle für Neutronen niedriger Energie geschaffen werden, die eine große Lebensdauer besitzt, kompakt ausgebildet ist und kein hoch reaktionsfreudiges metallisches Lithium benötigt. Für die Neutronenquelle soll Lithium als Auffangmaterial für die bombardierenden Alphastrahlen verwendet werden, und die Quelle soll sehr wirksam und verhältnismäßig frei von Neutronen höherer Energie sein.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es eine außergewöhnlich stabile Lithiumverbindung in der Form von Lithiumhydrid gibt und daß ein stabiles, sich nicht trennendes

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Gemisch aus einem feinen Lithiumhydridpulver hergestellt und mit einem vergleichbaren Pulver aus dem Oxid eines schweren Elements wie z.B. eines Alphastrahlung emittierenden Transuranoxide vermischt werden kann« Das Lithiumhydrid-.pulverbesteht dabei vorzugsweise aus Elementen_s die auf eine Korngröße von mehr als 2Oy Durchmesser zerkleinert sind_s und die Korn- oder Teilchengröße des Alphaemitters beträgt vorzugsweise nicht mehr als etwa 10 μ Durchmesser. ·

Weitere Merkmale der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele■-, sowie anhand der Zeichnung ersichtlich., die einen teilweise aufgeschnittenen Aufriß einer erfindungsgemäß ausgeführten Neutronenquelle zeigt.

Ganz allgemein ist die Erfindung auf eine Neutronenquelle gerichtet, die aus einem innigen Gemisch eines pulverisierten, Alphastrahlen emittierenden Stoffes (A) und pulverisiertem Lithiumhydrid (LiH) besteht. Entsprechend einer •bevorzugten Ausführung ist der alphaemittierende Stoff ein Transuranelement oder eine Transuranverbindung niedriger Energie, welches bzw. welche bei Vermischung mit Lithiumhydrid eine langlebige Quelle von Neutronen niedriger Energie bildet, entsprechend der Gleichung

A-B +ot ; Li (α,η) B, worin A der Alphaemitter und B dessen Folgeelement ist, .

Geeignete Transuranstoffe sind die Elemente Uran, Plutonium, Americium, Curium und Californium. Diese Stoffe können als Metalle, Oxide, Karbide und Hydride vorliegen.

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Eine besonders bevorzugte Verbindung ist das Dioxid von Plutonium 238 (Halbwertszeit 89 Jahre).

Als Lithiumverbindung wurde aus zwei Hauptgründen anstelle einer Halogen- oder Oxidverbindung Lithiumhydrid ausgewählt. Der erste Grund dafür besteht darin, daß bei Verwendung von Lithiumhydrid ein höherer Prozentsatz der Alphateilchen im Lithiumanteil der Lithiumverbindung abgebremst wird als bei jeder anderen Lithiumverbindung. Somit ergibt sich die wirksamste Verwendung von Lithium. In Lithiumhydrid, das vier Elektronen enthält, werden beispielsweise drei Viertel der Alphateilchen im Lithium abgebremst, während ein Viertel der Teilchen im Wasserstoff abgebremst wird. Im Gegensatz dazu werden bei Dilithiumoxid, welches vierzehn Elektronen enthält, nur drei Siebentel der Alphateilchen durch Lithium abgebremst.

Es dürfte nun zu erwarten sein, daß sich Plutoniumoxid mit Lithiumhydrid umsetzt und eine Verbindung wie z.B. Lithiumdioxid, Plutoniumhydrid, Lithiumhydroxyd oder Wasser bildet. Versuche haben jedoch gezeigt, daß in inniger Weise miteinander vermischte Pulver dieser Stoffe auch bei Erhitzung bis zu 6OO ⁰C im Vakuum nicht miteinander reagieren. Die Stabilität dieses Gemisches macht es daher besonders gut geeignet zur Verwendung in abgeschlossenen Behältern.

Ein weiterer Grund für die Verwendung von Lithiumhydrid ist darin zu sehen, daß eine Quelle von Neutronen niedriger Energie erhalten werden soll, die verhältnismäßig frei von Neutronen hoher Energie ist. Bei der Bombardierung mit

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Alphateilchen neigt Wasserstoff nicht dazu, Teilchen hoher Energie zu erzeugen, was im unmittelbaren Gegensatz steht zu Sauerstoff und den Halogenen, bei welchen diese erzeugt werden.

Im allgemeinen liegt ein nutzbares Gewichtsverhältnis von Lithiumhydridpulver zu dem Gesamtgewicht in einem Bereich von 50 bis 90 %, und der Transuranstoff sollte 10 bis 50 % der Gesamtmenge entsprechen. Es lassen sich jedoch auch Gewichtsverhältnisse außerhalb dieses Bereiches verwenden, wobei jedoch der Wirkungsgrad geringer ist oder die Quelle größer ausgebildet sein muß. Im allgemeinen stellt das Gewi chts verhältnis von 1:1 einen oberen Grenzwert für die Transurankomponente dar, wenn die·Neutronenabgabe als Punktion des Quellenvolumens einen Maximalwert annehmen soll. Der untere Grenzwert kann bei nur 1 bis 10 % liegen, wobei jedoch die Neutronenausbeute für eine Quelle vorgegebener Größe stark herabgesetzt ist.

Die relativen und absoluten Teilchengrößen des Lithiumhydrids und des Alphaemitters, sowie der Vermischungsgrad der beiden Komponenten werden so gewählt, daß der Wirkungsgrad der Quelle optimalisiert wird und die Teilchengrößen des Alphaemitters und des Lithiumhydrids wesentlich kleiner sind als die-Reichweite der Alphateilchen. In einer Quelle kann so z.B. die Teilchengröße des Lithiumhydrids und des Alphaemitters kleiner sein als etwa die der U.S. Sieb größe 200 mesnyent- Ηη'-sprechende Maschenweite. Je kleiner die Teilchengröße und je inniger die Vermischung ist, desto größer ist die Neutronenausbeute. Die Komponenten liegen vorzugsweise in der Form

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eines feinen Pulvers vor, wobei beispielsweise die Größe 200 mesh ausreichend fein ist.

Wenn es jedoch besonders darauf ankommt, Neutronen niedriger Energie zu erzeugen, auch unter Inkaufnahme einer geringeren Neutronenausbeute, können die Teilchengrößen grosser gewählt werden, so daß die Energie der aus dem Alphaemitter austretenden und in das Lithiumhydrid eindringenden ' Alphateilchen geringer ist. In diesem Fall kann die Teilchengröße des Transuranelementes bis zu 200 μ betragen.

Zur besseren Erläuterung der Beschaffenheit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Neutronenquelle wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Beispiel

Es wurde ein verschlossener Behälter 10 aus rostfreiem Stahl von insgesamt 11 ecm Innenvolumen in doppelwandiger Ausführung verwendet. Zur Herstellung der Neutronenquelle wurden k 50 Curie (3 Gramm) von fein zerkleinertem Pulver aus Pu-238-dioxid 12 (Maximalgröße etwa 10 μ) und 6 Gramm fein zerkleinertes Lithiumhydridpulver (Maximalgröße angenähert 20 μ) in einer Kugelmühle drei Stunden lang gründlich vermischt, und das auf diese Weise erhaltene Pulvergemisch 12 wurde in die innere Kapsel des Behälters eingebracht und der Behälter dicht verschlossen. Der zwischen der Behälterwand und dem Pulver angeordnete Wärmeableiter 13 aus Kupfer dient dazu, eine überhitzung des Lithiumhydrids während des Verschweißens des Behälters zu vermeiden.

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Claims

P a t e n t a η s ρ r ü ehe

Xj Quelle von Neutronen., dadurch gekennzeichnet^ daß sie aus einem mit fein zerkleinertem Lithiumhydridpulver innig vermischtem, fein zerkleinertem, Alphateilchen emittierendem Stoff besteht.
2. Quelle von Neutronen niedriger Energie, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem mit Lithiumhydridpulver innig vermischtem, fein zerkleinertem, Alphateilchen emittierendem Transuran besteht.
3. Neutronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Transuran ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Uran, Plutonium, Americium, Curium, Californium und Verbindungen derselben.
4. Neutronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Transuran aus Plutonium-238-dioxid besteht.
5. Neutronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus 10 bis 50 Gew.% Transuran und bis zu etwa 50 Gew.% Lithiumhydrid besteht.
6. Neutronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Transuran zu Lithiumhydrid von etwa 0,1 bis 1 zu 1 beträgt.
7. Neutronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des Transurans absichtlich bis zu

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200 μ vergrößert ist, wodurch die effektive Energie der emittierten Alphateilchen verringert und dadurch die effektive Neutronenenergie verringert ist.

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