DE2850069C2

DE2850069C2 - Target für Spallationsneutronenquellen

Info

Publication number: DE2850069C2
Application number: DE2850069A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 5176 Inden Bauer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1978-11-18
Filing date: 1978-11-18
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE2850069A1; US4582667A; CH643675A5; CA1135880A; FR2441993B1; GB2038074B; GB2038074A; FR2441993A1; JPS5581500A; US4360495A

Description

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

Mit der jüngsten Entwicklung der Beschleunigungstechnik für hohe Protonenströme (im mA-Bereich) wurde es grundsätzlich möglich, eine Spallation (Kerrverdampfung) schwerer Elemente durch energiereiche Protonen (ca. 1 GeV) zum Bau von Neutronenquellen einzusetzen, die in ihrem thermischen Neutronenfluß einem Hochflußreaktor äquivalent sind oder diesen noch übertreffen. Dabei ergeben sich gegenüber einem Reaktor grundsätzliche Vorteile, wie 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-Neutronenquellen könnten in Zukunft Forschungsreaktoren weitgehend ersetzen und auch als Vorstufe für elektrische Brütanlagen eine hohe Bedeutung 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, die eine Aufheizrate des Materials von 10⁴ K/s und mehr bewirken, bereiten erhebliche Schwierigkeiten.

Leistungsfähige Spallationsquellen wurden bisher noch nicht gebaut Als Vorstufen anzusehende gepulste Neutronenquellen verwenden wassergekühlte stationä-

re Targetanordnungen mit Leistungsdichten von einigen kW/I im zeitlichen Mittel (J. M. 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 (W66)] 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 einem Wärmetau-

scher 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 Energl-e und einigen Milliampere Stromstärke muß, um ein stationäres Einschußfenster zu vermeiden {das nach kurzer Zeit zerstört würde) in vertikale Richtung umgelenkt werden. D:es ist schwer realisierbar und mit hohem Aufwand verbunden.

— Der Flüssigmetallkreislauf 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 hoch schmelzenden Schwermeiallen, »ie W oder Ta vermieden werden.

— Zur Erzeugung besonder 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 Target als Festkörper zum Einsatz kommt, wodurch die Reaktionsprodukte weitgehend zurückgehalten werden. Angestrebt wird ferner ein gegenüber dem Flüssigmetallkreislauf 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 in an sich bekannter Weise das Targetmaterial am Umfang eines

rotierenden, innen gekühlten Rades angeordnet und von gekrümmter. Kanälen für den Kühlmittelumlauf derart durchsetzt ist, daß einheitliche Wärme weglänge η im dazwischenliegenden Targetmaterial bestehen und der auf den Radumfang auftreffende Protonenstrahl im Verlaufe der Radbewegung beständig auf Targettnate· rial in praktisch gleichbleibender Stärke trifft

Ein innen gekühltes Drehtarget ist zwar bereits aus der US-PS 40 90 086 bekannt, bei dem das Targetmaterial {Tritiumverbindung) als dünne Schicht auf den konircnen Außenflächen eines kühlmitteldurchflossenen, rotierenden Hohltorus* angeordnet ist. Diese Anordnung ist jedoch für einen Dauerbetrieb von Spallationsneutronenquellen mit hoher Leistung unge-

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Heißen Zelle vorteilhaft ist.

Gemäß einer bevon'miien Ausiuhrnngsform der Erfindung wird das Tnrgetrnateriai von evolventenfCrmigen KühlmittelkanäJen durchzogen, die für die Kühlmittelzufuhr entgegengesetzt zur Rotationsrichhing des Rades gekrümmt sind und in den Spalt zwischen Fenster und Targetmaterial münden. Die Rückführung des Kühlmittels kann über entgegengesetzt gekrümmte, evolventenförmige Kühlkanäle im Targetmaterial erfolgen oder aber längs der umhüllenden Mantelfläche.

Zu diesem Zweck kann das eigentliche ringförmige Target mit gekrümmten, insbesondere evolventenförmigen Nuten versehen oder aus Segmenten zusammenge-

eignet Ahnlich ungeeignet sind auch Anordnungen von 15 setzt sein, zwischen denen entsprechende Kanäle Neutronenqutllen mit Tritiumtargets in Form von freigelassen sind. Die Segmente können für eine rotierenden dünnen Scheiben oder Zylindern, die von einfache Montage auf dem Rad mit einem Fuß versehen Wasser gekühlt werden, wie sie aus dem DE-GM sein. Die Anordnung des Targetmaterials mit insbeson-78 05 181 oder der FR-Patentanmeldung No 76 07 919 dere evolventenförmig gekrümmten Nuten oder Kanä-(Publ. Nr. 23 44 935) bekannt sind. Von diesen 20 len hat den Vorteil, daß innerhalb des dazwischenliegenbekannten Anordnungen unterscheidet sich die vorlie- den Targetmaterials immer ein gleicher Wärmeweg für

die Ableitung der vom eindringenden Protonenstrahl erzeugten Wärme vorhanden ist

Als besonders zweckmäßig wird zur Zeit ein? (den

dung lokaler Uberhitzungen und veränderlicher Be- 25 Wärmeabfuhrbedingungen angepaßte) Segementbreite triebsbereitschaft getroffen werden. von etya 1 bis 2 cm angesehen. Die dazwischen

angeordneten Kanäle haben etwa eine Breite von 1 bis 2 mm. Diese Zusammensetzung des Targets aus gekrümmten, insbesondere evolvertenförmigen Seg-WeIIe des Rades, insbesondere über den oberhalb des 30 menten oder (zwischen Nuten gebildeten) »Pseudo-Seg-Rades befindlichen Wellenteil (unter gleichzeitiger menten« hat im übrigen den Vorteil daß über die Kühlung der Wellenlager). Das Radinnere wird durch einen umhüllenden Mantel gegen das umgebende Vakuum im Bereich des Beschleunigerkanals abgeschirmt Dieser äußere Mantel wirkt im Bereich seiner 35 allgemein zylindrischen Fläche als Eintrittsfenster für

gende Spallationsneutronenquelle durch eine Unterteilung des Targetmaterials zur Volumenkühlung desselben, wobei die genannten Vorkehrungen zu.- Vermei-

Vorzugsweise erfolgt die Innenkühlung des Rades durch Zu- und Abführung des Kühlmittels, das vorzugsweise durch Wasser gebildet wird, über die

den Protonenstrahl und besteht daher in diesem Bereich insbesondere aus einem Metall mit geringer Massenzahl, wie Al. Zr oder Ti. Dieses Fenster wird von dem über die Radwelle zutretenden Kühlmittel, welches das am Radumfang vorgesehene Targetmaterial durchsetzt unmittelbar gekühlt

Fenster und Targetmaterial sind insbesondere auswechselbar konzipiert. Das allgemein ringförmige

Gesamtdicke des Targetmaterials reichende Kühlkanäle vorgesehen werden können, ohne daß der Protonenstrahl im Verlauf der Radbewegung auf praktisch targetmaterialfreie Bereiche trifft

Um ein Aufbiegen der Segemente 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 e^wa 2,5 m.

eigentliche Target kann aus einzelnen Ringsegmenten 45 Mit Rotationsgeschwindigkeiten in der Gegend von

zusammen?esetzt sein. etwa 1 Hz kann man so erreichen, daß die Wärme durch

Das ganze Rad läuft im Volumen, das mit dem Materialtransport aus ihrer Entstehungszone genügend Volumen des Protonentunnels in Verbindung steht. Da rasch herausgeführt wird, so daß nur eine Aufheizung

der Druck im Bereich des Rads voraussichtlicn um von größenordnungsmäßig 100 K erfolgt Bei einer

einige Größenordnungen über dem im Protonentunnel so Protonenenergie von etwa 1 GEV beträgt zum Beispiel

erforderlichen Druck liegen wird, sind einige Drossel- die dafür erforderlk.-he Umfangsgeschwindigkeit rund

stellen vorgesehen, zwischen denen differentiell ge- 2 m/s pro MW der im Target umgesetzten Energie. Daj

pumpt werden kann. Targetmaterial, das im üorigen durch ein Kühlmittel -

Fur den Aufbau des Targetmaterials und der in ihm w? ii.ibisondere mit Wasser - gekühlt wird, erlangt

enthaltenen Kühlkanäle lassen sich eine Vielzahl von 55 während des restlichen Umlaufs seine Ausgangsterr.pe-

Möglichkeiten finden, die unter einer Reihe von ratur zurück.

die

Aspekten, wie mechanische und thermische Belastung. Austauschbarkeit. Kühlmittelströrnung 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°C im Targetinneren. Diese sind selbst bei

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen schematisch

F i g. 1 a und 1 b den Targetaufbau und

F i g. 2a bis 2c dessen Anordnung in einer Spallationsneutronenquelle.

Gemäß F i g. 1 a wird die erfindungsgemäßeTargetan-

hochschmelzenden Targetmaterialien nicht wünschens- 65 Ordnung li·* wesentlichen durch ein umhülltes Rad J au?

wert wegen der entslehenden mechanischen Spannun- einer Radwelle 2 gebildet, über die Kühlmittel in der in

gen. Es wird daher eine geteilte Anordnung vorgesehen, Fig. Ib skizzierten Weise zur Radscheibe und zum

die auch vom Standpunkt der Demontage in einer Targetring zubeziehungsweise von dort abgeführt wird.

Der äußere Mantel des Rades bildet an seiner allgemein zylindrischen Fläche ein Fenster 3 für den Protonenstrahl 4. Dieses Fenster kann abgeschweißt oder angeschraubt sein, wobei die im oberen Teil der Fig. la 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 Fig. la angedeutet ist, oder durch gekrümmte Segmente gebildet, wie es mehr im einzelnen in F i g. 1 b gezeigt wird.

Gemäß Fig. Ib wird das aus Segmenten 5' zusammengesetzte Targetmaterial von Kanälen 6 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, !m unteren Teil der Fig. Ib ist der Kühlmittelverlauf innerhalb der Radscheibe angedeutet. Diese kann, wie in Fig. la angedeutet ist, eine (von Kühlmittelzufuhrkanälen durchsetzte) Tragstruk- a tür aufweisen oder weitgehend hohl sein, wobei die jeweilige Ausführungsform von den bestehenden Stabilitätsforderungen bestimmt wird. Die in Fig. Ib gezeigte flächenhafte Verbindung von Segmenten mit unterschiedlicher Kriimmungsrichtung 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 das Fehlens von Phasenübergängen: 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 Radach«: in einer Spallationsneutronenquelle wird in den F i g. 2a bis 2c skizziert die den wesentlichen Aufbau einer solchen Quelle (2a) mit der Zuordnung von Targetmaterial und Protonenstrahl beziehungsweise Strahlrohren in Aufsicht (26) 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 D2O) ein, wo sie thermalisiert werden. Die Strahlrohre sind dann in je einer Ebene oberhalb und unterhalb des Targetrads angeordnet

Im einzelnen zeigt Fig.2a das Drehtarget 1 mit wasserführender Welle 2 sowie den Antriebsstator S und Antriebsrotor 9, 10 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 angeordnet. Ein Drehstopfen 22 ermöglicht eine Variation der Bestrahlungsposition bei Tieftemperaturbestrahlung. Im oberen Bereich befinden sich die obere 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 Neutronenvervielff>chung(UoderThalsTarßetmaterial)

oder:

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

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

— Vermeidung eines Flüssigmetallkreislaufs und des damit verbundenen technischen Aufwands und Gefährdungspotentials

— Vermeidung der Notwendigkeit 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 gpgenüber einem Targetring aus Vollmaterial folgende Vorteiie 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 »Schichtaufbau« aus Zu- und Abführungssegmenten auf, wie es im unteren Teil von Fig.ib angedeutet ist Die Krümmung der Segmente im Abströmbereich ist dabei entgegengesetzt zu der im

Zuströmbereich. Der Antrieb erfolgt zum Beispiel durch einen Scheibenläufer-Motor.

Außer den gezeigten Varianten des Drehtargets mit Innenkühlung - inbesondere durch spaltförmige Kanäle — sind selbstverständlich andere Ausführungsformen mit zweckmäßig verteilten Bohrungen (für den Kühlmitteltransport) im Targetring realisierbar oder auch "ine 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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Targetanordnung für Spallationsneutronenquellen. bei der kontinuierlich Targetmaterial am Auftreffpunkt des Protonenstrahls vorbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Targetmaterial am Umfang eines rotierenden, innen gekühlten Rades (1) ringförmig angeordnet und von gekrümmten Kanälen (6) für den Kühlmittelumlauf derart durchsetzt ist, daß einheitliche Wärmeweglängen im dazwischenliegenden Targetmaterial bestehen und der auf den Radumfang auftreffende Protonenstrahl im Verlaufe der Radbewegung beständig auf Targetmaterial in praktisch gleichbleibender Stärke trifft

2. Targetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) zwischen gekrümmmten Targetmaterialsegmenten (5) gebildet sind

3. Targefenardnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) im Targetmaterial (5) für die Kühlmittelzufuhr zur Rotationsrichtung entgegengesetzt gekrümmt sind.

4. Targetanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Doppelschicht-Targetaufbau aus insbesondere evolventenfwmig gekrümmten Segementen (5') mit zueinander entgegengesetztem Krümmungsverlauf in den beiden Schichten (Fig. Ib).

5. Targetanordnung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehtn.

6. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet d t"ch eine Kühlmittelzu- und -abführung (13) über die Radwelle (2), insbesondere über den oberhalb des Rades (1) befindlichen Radwellenteil.

7. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine horizontale Anordnung des rotierenden Rades (1).

8. Targetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Raddurchmesser von etwa 2,5 m.