DE2850069A1

DE2850069A1 - Target fuer spallationsneutronenquellen

Info

Publication number: DE2850069A1
Application number: DE19782850069
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Bauer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1978-11-18
Filing date: 1978-11-18
Publication date: 1980-05-22
Also published as: FR2441993B1; DE2850069C2; US4360495A; GB2038074B; US4582667A; CH643675A5; GB2038074A; CA1135880A; FR2441993A1; JPS5581500A

Description

Kernforschungsanlage Jülich
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Target für Spallationsneutronenquellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Targetanordnung für Spallationsneutronenquellen, bei dsr kontinuierlich Targetmaterial am Auftreffpunkt des Protonenstrahls vorbeigeführt wird.

Mit der jüngsten Entwicklung der Beschleunigungstechnik für hohe Protonsnströme (im mA-Bereich) wurde es grundsätzlich möglich, eine Spallation (Kernverdampfung) schwerer Elemente durch energiereiche Protonen (ca. 1 GeV) zum Bau von Neutronenquellen einzusetzen, die in ihrem thermischen NeutronenfIuB einem Hochflußreaktor äquivalent sind oder diesen noch übertreffen. Dabei ergeben sich gegenüber einem Reaktor grundsätzliche Vorteile, wiis zum Beispiel der Verzicht auf spaltbares Material, wesentlich reduzierte Erzeugung radioaktiver Edelgase und ein erheblich geringeres Gefährdungspotential für die Umwelt, da keine kritische Anordnung existiert.

Derartige Spallations-Neutronanquellen könnten in Zukunft

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Forschungsreaktoren weitgehend ersetzen und auch als Vorstufe für elektrische Brütanlagen eine hohe Dedeutung gewinnen, wenn das Problem der Wärmeabfuhr aus dem Target befriedigend gelöst werden kann. Die in einem Spallationstarget anfallenden hohen Wärmedichten von etwa 10 MW/1,

4 die eine Aufheizrate des Materials von 10 K/s und mehr bewirken, bereiten erhebliche Schwierigkeiten.

Leistungsfähige Spallationsquellen wurden bisher noch nicht gebaut. Als Vorstufen anzusehende gepulste Neutronenquellen verwenden wassergekühlte stationäre Targetanordnungen mit Leistungsdichten von einigen kW/1 im zeitlichen Mittel (J. fi. Carpenter, Nuc. Inst. Met. 145 (1977) 91-112).

Nach einem Projektvorschlag von 1966 [^Bartholomew G. A. und Tunnicliffe P. R. "The AECL-Study for an intense neutron generator, Chalk River, AECL-2600 (1966)] soll der Protonenstrahl vertikal in ein strömendes Target aus flüssigem Blei-Wismut-Eutektikum eingeschossen werden, das mit hoher Geschwindigkeit (ca. 5 m/s) in einem das Target und einen Wärmetauscher enthaltenden Kreislauf umgepumpt wird. Dabei muß eine große Menge flüssigen radioaktiven Metalls (einige Tonnen) in Umlauf gehalten werden. Dieses Konzept wurde bislang für die einzig mögliche Lösung des Problems gehalten. Eine derartige Anlage hat jedoch folgende Nachteile:

- Der Protonenstrahl von 1 GeV Energie und einigen Milli-

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ampere Stromstärke muß, um ein stationäres Einschußfenster zu vermeiden (das nach kurzer Zeit zerstört würde) in vertikale Richtung umgelenkt werden. Dies ist schwer realisierbar und mit hohem Aufwand verbunden.

- Der Flüssigrnetallkreislauf ist auf die Verwendung des Pb-Bi-Eutektikums angewiesen. Dadurch wird bei der Spallation das langlebige, flüchtige und giftige Quecksilberisotop 194-Hg und durch Neutroneneinfang im Wismut das besonders unangenehme, weil «,-aktive und flüchtige Polonium erzeugt.· Beides könnte bei Einsatz von hochschmelzenden Schwermetallen, wie W oder Ta vermieden werden.

- Zur Erzeugung besonders hoher Neutronenflüsse ist es unter Umständen wünschenswert, die durch schnelle Neutronen spaltbaren Materialien Th oder U-238 einzusetzen. Diese können wegen ihres hohen Schmelzpunktes ebenfalls nur in festem Zustand verwendet werden.

- Der Flüssigmetallkreislauf ist technisch sehr aufwendig, mit hohen Kosten verbunden und wegen der großen gespeicherten Wärmemenge im Falle eines Bruchs der stark belasteten Rohrleitungen gefährlich.

- Eine Rückhaltung der Reaktionsprodukte ist in der Flüssigkeit nicht gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Targetanordnung zu entwickeln, die ein hohes Maß an Flexibilität in der Wahl des Targetmaterials gewährleistet und bei der das

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Target als Festkörper zum Einsatz kommt, wodurch die Reaktionsprodukte weitgehend zurückgehalten werden. Angestrebt wird ferner ein gegenüber dem Flüssigmetallkrsislauf geringerer technischer Aufwand und eine Anordnung, die einen horizontalen Einschuß des Protonenstrahls erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Targetanordnung der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial am Umfang eines rotierenden, innen gekühlten Rades angeordnet ist.

Vorzugsweise erfolgt die Innenkühlung des Rades durch Zu- und Abführung des Kühlmittels, das vorzugsweise durch Wasser gebildet wird, über die Welle des Rades, insbesondere über den oberhalb des Rades befindlichen Wellenteil (unter gleichzeitiger Kühlung dsr Wellenlagsr). Das Radinnere wird durch einen umhüllenden Mantel gegen das umgebende Vakuum im Bereich des Beschleunigerkanals abgeschirmt. Dieser äußere Mantel wirkt im Bereich seiner allgemein zylindrischen Fläche als Eintrittsfenster für den Protonenstrahl und besteht daher in diesem Bereich insbesondere aus 8inem Metall mit geringer Massenzahl, wie Al, Zr oder Ti. Dieses Fenster wird von dsm über die Radwelle zutretenden Kühlmittel, welches das am Radumfang vorgesehene Targetmafcnrial durchsetzt, unmittelbar gekühlt.

Fenster und Targetmaterial sind insbesondere auswechselbar konzipiert. Das allgemein ringförmige eigentliche Tar-

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get kann aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt sein.

Das ganze Rad läuft im Volumen, das mit dem Volumen des Protonentunnels in Verbindung steht. Da der Druck im Bereich des Rads voraussichtlich um einige Größenordnungen über dem im Protonentunnel erforderlichen Druck liegen wird, sind einige Drosselstellen vorgesehen, zwischen denen differentiell gepumpt werden kann.

Für den Aufbau des Targetmaterials und der in ihm enthaltenen Kühlkanäle lassen sich eine Vielzahl von Möglichkeiten finden, die unter einer Reihe von Aspekten, wie mechanische und thermische Belastung, Austauschbarkeit, Kühlmittelströmung und anderes mehr zu beurteilen sein werden. Der einfachste Fall eines vollen Rings, der nur außen vom Kühlmittel umströmt wird, ist zwar prinzipiell realisierbar, führt aber wegen der großen Wärmeleitungsstrecken von etwa 3 cm bei einem 6 cm hohen Target zu Temperaturen um 800 ⁰C im Targetinneren. Diese sind selbst bei hochschmelzenden Targetmaterialien nicht wünschenswert, wegen der entstehenden mechanischen Spannungen. Es wird daher eine geteilte Anordnung vorzusehen sein, die auch vom Standpunkt der Demontage in einer Heißen Zelle vorteilhaft ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Targetmaterial von evolventenförmigen Kühlmittelkanälen durchzogen, die für die Kühlmittelzufuhr entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rades gekrümmt sind

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und in den Spalt zwischen Fenster und Targetmaterial münden. Die Rückführung des Kühlmittels kann über entgegengesetzt gekrümmte, evolventenf örrnige Kühlkanäle im Targetmaterial erfolgen oder aber längs dsr umhüllenden Mantelfläche.

Zu diesem Zweck kann das eigentliche ringförmige Target mit gekrümmten, insbesondere evolventenförmigen Nuten versehen oder aus Segmanten zusammengesetzt sein, zwischen denen entsprechende Kanäle freigelassen sind. Die Segmente können für eine einfache Montage auf dem Rad nih einem Fuß versehen sein. Die Anordnung des Targetmaterials mit insbesondere! evolventenförmig gekrümmten Nuten oder Kanälen hat den Vorteil, daß innerhalb des dazwischenliegenden Targetnaterials immer ein gleicher Wärmeweg für die Ableitung dar vom eindringenden Protonenstrahl erzeugten W-SrNiE; vürh-ündsn ist.

Alt; besonders zweckmäSig wird zur Zeit eine Cden Wärmeabfu.'-.rbedingungen angepaiste) Segmsntbreite von etwa 1 bis 2 cm angesehen. Die dazwischen angeordneten Kanals haben etwa eine Ereiti; von 1 bis 2 mm. Diese Zusammensetzung des Targets aus gekrümmten, insbesondere evolventenförmigen Se^manttiH oder (zwischen Muten gebildeten) "PseudoSegmenten" hat im übrigen den Vorteil, da3 über die Gesamtdicke des Targetmaterials raichends "Kühlkanäle vorgesehen werden können, ohne daß der Protonenstrahl im Verlauf der Radbewegung auf praktisch targetmaterialfreie Bereiche, trifft.

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Um ein Aufbiegen dar Segmente durch die Zentrifugalkraft zu vermeiden, könnten für hohe Drehzahlen flächenhaft Bleche auf der Ober- und Unterseite der Segmente mit diesen verbunden werden.

Vorzugsweise ist das Rad horizontal angeordnet und sein an der Peripherie vorgesehenes Targetmaterial bewegt sich so senkrecht zu einem in allgemein horizontaler Richtung auftreffenden Protonenstrahl. Der Raddurchmesser liegt insbesondere bei etwa 2,5 m. Mit Rotationsgeschwindigkeiten in der Gegend von etwa 1 Hz kann man so erreichen, daß die Wärme durch Materialtransport aus ihrer Entstehungszone genügend rasch herausgeführt wird, so daß nur eine Aufheizung von größenordnungsmäßig 100 K erfolgt. Bei einer Protonenenergie von etwa 1 GEV beträgt zum Beispiel die dafür erforderliche Umfangsgeschwindigkeit rund 2 m/s pro MW der im Target umgesetzten Energie. Das Targetmaterial, das im übrigen durch ein Kühlmittel - wie insbesondere mit Wasser - gekühlt wird, erlangt während des restlichen Umlaufs seine Ausgangstemperatur zurück.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen näher beschriebenj as zeigen schematisch:

Figur 1 a und 1 b den Targetaufbau und

Figur 2 a bis 2 c dessen Anordnung in einer Spallationsneutronenquelle.

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Gemäß Figur 1a wird die erfindungsgemäBe Targetanordnung im wesentlichen durch ein umhülltes Rad 1 auf einer Radwelle 2 gebildet, über die Kühlmittel in der in Figur 1b skizzierten Weise zur Radscheibe und zum Targetring zu- beziehungsweise von dort abgeführt wird.

Der äußere Mantel des Rades bildet an seiner allgemein zylindrischenFläche ein Fenster 3 für den Protonenstrahl 4. Dieses Fenster kann angeschweißt oder angeschraubt sein, wobei die im oberen Teil der Figur 1a gezeigte Variante einen erleichterten Fensterwechsel gestattet. Das Targetmaterial 5 ist längs des Radumfanges verteilt und wird insbesondere von nutenförmigen Kühlkanälen durchsetzt, wie es im Schnitt A-A von Figur 1a angedeutet ist, (Hierdurch gekrümmte Segmente gebildet, wie es mehr im einzelnen in Figur 1 b gezeigt wird.

Gemäß Figur 1b wird das aus Segmenten 5¹ zusammengesetzte Targetmaterial von Kanälen B durchsetzt, die vorzugsweise zwischen den Segmenten gebildet werden. Das über die entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rades gekrümmten Kühlkanäle zutretende Kühlmittel gelangt unterstützt durch Fliehkraftwirkung in den Spalt 7 zwischen Target 5 und Fenster 3, das auf diese Weise intensiv gekühlt wird. Die Rückführung des Kühlmittels erfolgt entweder durch entgegengesetzt gekrümmte Kanäle innerhalb des Targets oder aber längs des Radmantels. Im unteren Teil der Figur 1 b ist der Kühlmittelverlauf innerhalb der

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Radscheibe angedeutet. Diese kann, wie in Figur 1 a angedeutet ist, eine (von Kuhlmittelzufuhrkanälen durchsetzte) Tragstruktur aufweisen oder weitgehend hohl sein, wobei die jeweilige Ausführungsform von den bestehenden Stabilitätsforderungen bestimmt wird. Die in Figur 1b gezeigte flächenhafte Verbindung von Segmenten mit unterschiedlicher Krümmungsrichtung hat den Vorteil, daß ein Aufbiegen der Segmente weitgehend verhindert wird. Der gezeigte Schichtaufbau bietet ferner die Möglichkeit, ein heterogenes Target vorzusehen, da die mittleren Segmente aus dem Material des Spallationstargets und die äußeren aus einem neutronenmultiplizierenden Medium (zum Beispiel Be) gefertigt sein könnten. Falls spaltbares Material zum Einsatz kommen sollte, könnte der Mittelteil aus U-238 (oder, wegen der leichteren Bearbeitbarkeit, besseren Wärmeleitung und des Fehlens von Phasen-Übergängen: aus Thorium) gefertigt werden und die äußeren (Be-) Segmente könnten mit einer etwa 1-2 mm dicken Schicht aus 20 % angereichtertem Uran belegt werden, in dem die zurückströmenden thermischen Neutronen nahezu völlig absorbiert und zur Spaltung ausgenutzt werden. Auch in diesem Fall könnten die äußeren Segmente aus Be gefertigt sein,um die n-2n Prozesse bei Energien oberhalb 2 MeV zu nutzen und für die Spaltneutronen eine gewisse Reflektorwirkung zu erzielen.

Die Anordnung eines solchen Targets mit senkrecht stehender Radachse in einer Spallationsneutronenquelle wird in den Figuren 2a bis 2c skizziert, die den wesentlichen

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Aufbau einer solchen Quelle (2a) mit der Zuordnung von Targetmaterial und Protonenstrahl beziehungsweise Strahlrohrßn in Aufsicht (2b) sowie die Anordnung des Drehtargets und dessen Lagerung im Moderatortank (2c) zeigen.

Wie man sieht, tritt der Protonenstrahl durch die Peripherie des Rades ein. Die im Target freigesetzten Neutronen treten an der Ober- und Unterseite des Targets aus und in einen dort angeordneten Moderator (zum Beispiel D-D) ein, wo sie thermalisiert werden. Die Strahlrohre sind dann in je einer Ebene oberhalb und unterhalb des Targetrads angeordnet.

Im einzelnen zoigt Figur 2a das Drehtarget 1 mit wasserführender Welle 2-sowie den Antriebsstator 8 und Antriebsrotor 9. 1D und 11 sind ein loses und ein festes Wellenlager. Über Drehdurchführungen 12 erfolgt der Wasserzu- und -ablauf 13. Mit 14 ist der Lagerblock bezeichnet. Die Abschirmung umfaßt eine obere bewegliche Abschirmung 15, eine untere bewegliche Abschirmung 16 sowie eine Abschirmung 17 in Targethöhe. Ein vakuumdichtes Schleusentor 18 kann über nicht näher dargestellte Fahrschienen verschoben werden.

Im Moderatortank 19 sind die Strahlrohre 20 sowie ein Rüssel 21 der Tieftemperaturbestrahlungsanlage angeordnst. Ein Drehstopfen 22 ermöglicht eine Variation der Bestrahlungsposition bei Tieftemperaturbestrahlung. Im

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oberen Bereich befinden sich die obers Abschirmung 23 des Moderatortanks 19, ein entfernbarer Stopfen 24 sowie eine Abpumpleitung 25 zur Erzeugung von Hochvakuum. Eine Hochvakuumleitung 25' ist ebenfalls am Protonentunnel 26 vorgesehen. 27 ist ein Strahlrohr zum Einbringen einer kalten Neutronenquelle.

Der Wasserzu- und -ablauf 13 ist in den Zeichnungen um 90 versetzt dargestellt.

Gegenüber einem Flüssigmetalltarget nach dem Stande der Technik zeigt das erfindungsgemäße, innen gekühlte Drehtarget folgende Vorteile:

- Absolute Flexibilität in der Wahl des Targetmaterials. Dies erlaubt entweder:

die Nutzung der Kernspaltung zur Neutronenvervielfachung (U oder Th als Targetmaterial)
oder:

die Vermeidung von Transuranproduktion durch Einsatz von Pb oder Bi, die sich durch niedrigen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen auszeichnen, wobei aber diB Erzeugung der flüchtigen Schwermetalle Hg und Po in Kauf genommen wird ober:

den Einsatz von Ta oder W als Targetmaterialien, bei denen weder Transurane oder Hg und Po gebildet werden, die allerdings einen etwas geringeren NeutronenfIuB erwarten lassen.

- Vermeidung eines Flüssigmetallkreislaufs und des damit

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verbundenen technischen Aufwands und Gefährdungspotentials

- Vermeidung der Notwendikeit eines vertikalen Protoneneinschusses, dessen praktische Realisierbarkeit für Ströme von einigen mA in Frage gestellt ist, zumindest aber einen erheblichen technischen und Kostenaufwand darstellt.

Das am Umfang des Rades angeordnete Targetmaterial nimmt etwa 1/4 des Radradius ein. Es ist, wie weiter oben näher erläutert wurde vorzugsweise in Form von gekrümmten Targetsegmenten oder Pseudosegmenten vorgesehen, was gegenüber einem Targetring aus Vollmaterial folgende Vorteile hat:

- Verminderung der thermischen Spannungen

- Optimierung der Kühlmittelströmung

- Vergrößerung der Kühlfläche

- Minimierung des Weges für Wärmeleitung

- Leichtere Montage und insbesondere Demontage im aktivierten Zustand.

Die Dicke der Segmente ist dem Anwendungsfall entsprechend auszulegen. Insbesondere weist das Target einen "Schichtaufbau¹¹ aus Zu- und Abführungssegmenten auf, wie es im unteren Teil von Figur 1b angedeutet ist. Die Krümmung der Segmente im Abströmbereich ist dabei entgegengesetzt zu der im Zuströmbereich. Der Antrieb erfolgt zum Beispiel durch einen Scheibenläufer-Motor.

AuBer den gezeigten Varianten des Drehtargets mit Innen-

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kühlung - insbesondere durch spaltförmige Kanäle - sind selbstverständlich andere Ausführungsformen mit zweckmäßig verteilten Bohrungen (für den Kühlmitteltransport) im Targetring realisierbar oder auch eine Anordnung von Targetmaterial in Form von Kugeln (gegebenenfalls mit zwei unterschiedlichen Durchmessern), die vom Kühlmittel umströmt werden. Der Targetring kann auch durch (stationäres) Flüssigmetall gebildet werden, das durch kühlmitteldurchströmte Rohre gekühlt werden kann.

Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Drehtarget für Spallationsquellen bietet gegenüber festen Targets, die bereits im Einsatz oder im Bau sind, außerordentliche Vorteile. Insbesondere entfällt die beim stationären Target zur Bewältigung der erheblichen Wärmedichte für notwendig gehaltene sehr aufwendige Flüssigmetallkühlung.

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Claims

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Kernforschungsanlags Jülich
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

Iy Targetanordnung für Spallationsneutronenquell^n, bei der kontinuierlich Targetmaterial am Auftraffpunkt des Protonenstrahls vorbeigaführt wird, dadurch gekennzeichnet, daS das Targetmaterial CS) am Umfang eines rotisrenden, innen gokühlten Radas (1) angeordnet ist.
2. Targetanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kühlmittelzu- und -abführung über dia Radwelle [2), insbesondere über den oberhalb des Rades befindlichen Radwe.llenteil.
3. Targetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine horizontale Anordnung des rotierenden Rades.
4. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch evolventenförmige Kanäle (6) im Targetmaterial (5) für die Kühlmittelzufuhr mit zur Rotationsrichtung entgegengesetzter Krümmung.
5. Targetanordnung nach Anspruch 4, dadurch

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gekennzeichnet, da3 die Kanäle (6) durch Nuten im Targetmaterial oder zwischen gekrümmten, insbesondere evolventenförmigen Targetmaterialsegmenten C5) gebildet werden.
6. Tarp;etanardnuri£ nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen das Rad umhüllenden äußeren Mantel, dessen allgemein zylindrische Fläche als Fenster wirkt und insbesondere aus einem Metall mit geringer Massenzahl, wie Al, Zr oder Ti besteht.
7. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Raddurchmesser von ntwa 2,5 m.

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