DE2922608C2

DE2922608C2 - Spallation source targets, methods for their cooling and use

Info

Publication number: DE2922608C2
Application number: DE19792922608
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 5176 Inden Bauer; Friedrich Dr. 5170 Jülich Stelzer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1979-06-02
Filing date: 1979-06-02
Publication date: 1982-02-25
Also published as: GB2052835B; FR2458133B1; GB2052835A; DE2922608A1; FR2458133A1; JPS561400A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmeabführung aus einem mit einem energiereichen Teilchenstrahl beschossenen Spallationsquellentarget mittels einer Flüssigkeit, sowie auf ein derart gekühltes Target und dessen Verwendung;The invention relates to a method for dissipating heat from a high-energy device Particle beam bombarded spallation source target by means of a liquid, as well as on such a cooled Target and its use;

Gegenstand der Erfindung ist speziell ein Target für eine Spallatiönsqüelle, bei dem hohe Energiedichten zugelassen werden können und eine intensive Wärmeabführung erfolgt. The invention specifically relates to a target for a Spallatiönsqüelle, in which high energy densities can be allowed and an intensive heat dissipation takes place.

Spallalionsquelleri gehören zum bekannten Stand der Technik. Bei den bisher bekannten Ausführungen bestehen erhebliche Schwierigkeiten, die extrem hohe Wärmeproduktion im Targetmaterial zu beherrschen. Bekanntermaßen wird der Protonenstrahl in ein schnell strömendes Flüssigmetall hineingeschossen und das um eine gewisse Temperaturspanne erwärmte Flüssigmetall irn Kreislauf mittels einer Pumpe durch einen Wärmeaustauscher geschickt und wieder abgekühlt Dabei müssen große Mengen von flüssigem Metall bewegt werden (zum Beispiel bei 2 MW Leistungseingabe und einer Aufheizspanne von 100⁰K etwa 140 kg/sSpallalionsquelleri belong to the known state of the art. In the previously known designs, there are considerable difficulties in controlling the extremely high heat production in the target material. As is known, the proton beam is shot into a rapidly flowing liquid metal and the liquid metal, heated by a certain temperature range, is sent in a circuit by means of a pump through a heat exchanger and cooled again 100 ⁰ K about 140 kg / s

in flüssiges Blei), die das Rohrleitungssjstern an den Umlenkstellen erheblich mechanisch belasten und für deren Transport erhebliche Pumpleistungen erforderlich sind. Der Zwang zur Anwendung einer Pumpe ist bereits an sich von Nachteil, da zum Beispielin liquid lead) that connects the pipeline system to the Significant mechanical stresses on deflection points and considerable pumping speeds are required for their transport are. The compulsion to use a pump is already disadvantageous in itself, for example

π Kreiselpumpen in Flüssigmetall unter schwierigen Bedingungen arbeiten und das System im Hinblick auf enge Fertigungstoleranzen sowie gegebenenfalls notwendige Durchführungen und Dichtungen störanfällig machen. Ferner kann dadurch der sichere Einschluß desπ centrifugal pumps in liquid metal under difficult Conditions work and the system with regard to tight manufacturing tolerances as well as any necessary Make bushings and seals prone to failure. Furthermore, the secure containment of the

2i radioaktiven Materials nicht unbedingt gewährleistet werden. Induktionspumpen weisen diese konstruklionsbedingten Nachteile zwar nicht auf, sind aber wegen ihres schlechten Wirkungsgrades, insbesondere bei Blei, energetisch sehr inattraktiv und in ihrer Leistung 2i radioactive material cannot be guaranteed. Induction pumps do not have these design-related disadvantages, but because of their poor efficiency, especially with lead, they are very inattractive in terms of energy and in terms of their performance

-■> begrenzt. Weiterhin nachteilig ist, daß die gesamte große Flüssigmetallmenge radioaktiv wird, was bei der Siillegung der Anlage zu Schwierigkeiten führt. Insbesondere aber entsteht bei Verwendung von Blei-Wismut-Eutektikum für den Flüssigmetallkreislauf- ■> limited. Another disadvantage is that the entire large amount of liquid metal becomes radioactive, which occurs in the Decommissioning the facility leads to difficulties. In particular, however, arises when using Lead-bismuth eutectic for the liquid metal cycle

in durch Neutroneneinfang -x-aktives Polonium, das einen höheren Dampfdruck hat als die Targetflüssigkeit und somit eine Gefährdung darstellt.in by neutron capture -x-active polonium, the one has a higher vapor pressure than the target liquid and is therefore a hazard.

Eine andere von der Anmelderin vorgeschlagene Ausführung umfaßt ein sog. Drehtarget: Bei dieser ArtAnother embodiment proposed by the applicant comprises a so-called rotary target: In this type

η der Spallatiönsqüelle ist ein Ring aus Spallationsmetall in fester Form auf einem kreiseiförmigen Gebilde mit vertikaler Achse befestigt, wobei der Kreisel auf den Oberflächen von Kühlwasser überströmt wird. Durch die gleichmäßige Drehung des Kreisels wird erreicht.η der Spallatiönsqüelle is a ring made of spallation metal fixed in solid form on a circular structure with a vertical axis, with the top on the Cooling water flows over surfaces. The uniform rotation of the gyro is achieved.

daß jeweils nur ein kleiner Sektor des Targetringes dem Protonenstrahl kurzfristig ausgesetzt wird, so daß die örtliche Erwärmung nicht sehr hoch ist. Nachteilig an dieser Konstruktion ist. daß das Target angetrieben werden muß. wozu vakuum- und kühlwasserdichtethat only a small sector of the target ring is briefly exposed to the proton beam, so that the local warming is not very high. The disadvantage of this design is. that the target is driven must become. why vacuum and cooling water tight

4-> Wellendurchführungen. Lager und Motor erforderlich werden. Außerdem ist in dem rotierenden Targetrad eine beträchtliche mechanische Energie gespeichert, die im Fall eines Wellenbruchs zu Zerstörungen führen könnte. Obwohl die Menge des hochradioaktiv4-> shaft feedthroughs. Bearings and motor required will. In addition, a considerable amount of mechanical energy is stored in the rotating target wheel could lead to destruction in the event of a shaft break. Although the amount of the highly radioactive

V) werdenden Materials beim Drehtarget wesentlich geringer als beim Flüssignietallkreislauf ist. hält sie sich immer noch im Tonnenbereich.V) the material being generated is significantly less in the case of the rotary target than in the case of the liquid metal cycle. she holds up still in the ton range.

Aufgabe der Erfindung ist es. ein einfaches Verfahren zur Wärmeabführung aus einem Spallationsquellentar-It is the object of the invention. a simple process for heat dissipation from a spallation source

π get mittels einer Flüssigkeit und ein konstruktiv einfaches Spallationstarget /u schaffen, das mit geringem Aufwand zu betreiben ist, den Sicherheitsan· forderungen genügt und möglichst wenig hochradioaktives Material entstehen läßt. π get by means of a liquid and create a structurally simple spallation target / u, which can be operated with little effort, meets the safety requirements and allows as little highly radioactive material as possible to arise.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst,daß der Pha^ senübergang der Flüssigkeit in die Dampfphase zur Wärmeabführung ausgenützt Und die durch den Teilchenbeschuß Verdampfte Flüssigkeit nach KühlungThis object is achieved according to the invention at the beginning mentioned method solved in that the Pha ^ The transition of the liquid into the vapor phase is used to dissipate heat Particle bombardment Vaporized liquid after cooling

und Kondensation im Kreislauf insbesondere durch Schwerkrafliintfieb, zurückgeführt wird. Das zugehörige Target ist erfindungsgefnäß gekennzeichnet durch einen der Verdampfung unterliegenden Flüssigkeitsvopand condensation in the cycle, in particular through gravity drift, is returned. The associated According to the invention, the target is characterized by a liquid vessel subject to evaporation

rat im Strahlengang des energiereichen Teilchenstrahls qnd eine Wärmesenke in einem Niveau oberhalb des Flüssigkeitsvorrates, von wo aus das Kondensat unter der Wirkung der Schwerkraft zum Flüssigkeitsvorrat zurückkehrt.rat in the path of the high-energy particle beam qnd a heat sink at a level above the liquid reservoir, from where the condensate is below the effect of gravity returns to the liquid supply.

Bei diesem Verfahren gemäß der Erfindung sind wegen der verhältnismäßig hohen spezifischen Verdampfungsenthalpie nur kleine Metallmengen am Kreislauf beteiFgt (zum Beispiel 2,35 kg/s Blei bei 2 MW Leistungseingabe).In this method according to the invention, because of the relatively high specific enthalpy of vaporization only small amounts of metal are involved in the cycle (e.g. 2.35 kg / s lead at 2 MW Power input).

Die kontinuierliche Rückkondensation erfolgt vorzugsweise auf entsprechend dimensionierten wassergekühlten Rippen oder Kondensationsflächen oberhalb des Flüssigmetallvorrats, so daß das Kondensat durch die Schwerkraft zum Vorrat zurückfließt. Wegen dieses in sich geschlossenen, selbstumlaufenden Systems sind keine Antriebsorgane und damit auch keine entsprechende Energiezufuhr (zum Beispiel in Form von Pumpen oder Motoren) erforderlich.The continuous recondensation is preferably carried out on appropriately dimensioned water-cooled Ribs or condensation surfaces above the liquid metal supply, so that the condensate through gravity flows back to the reservoir. Because of this self-contained, self-rotating system no drive mechanisms and therefore no corresponding energy supply (for example in the form of Pumps or motors) required.

Es hat sich gezeigt, daß es ohne weiteres möglich ist, die bislang für notwendig erachtete Wärmeabführung mittels eines intensiven Zwangsumlaufs große. Flüssigkeitsmengen durch eine Kühlung mittels relativ geringer Flüssigkeitsmengen in einem Selbstumlaufsystem zu ersetzen, da offensichtlich der Phasenübergang der Flüssigkeit rasch genug erfolgt und sich keine »Wärmeflußsperre« am Ort der Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit (etwa durch Dampfschichten) ausbildet.It has been shown that it is easily possible to remove the heat previously considered necessary large by means of an intensive forced circulation. Amounts of liquid by cooling by means of relatively small amounts of liquid in a self-circulation system to replace, since obviously the phase transition of the liquid takes place quickly enough and none "Heat flow barrier" at the place where the heat is transferred to the liquid (for example through layers of vapor).

Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Abkühlung der kondensierten Flüssigkeit auf Temperaturen, die in der Nähe ihres Schmelzpunktes liegen und vorzugsweise wird der sich bildende Dampfstrom durch die Düsen einer als Dampfstrahlpumpe wirkenden Anordnung geleitet, die insbesondere — wie weiter unten anhand von Beispielen gezeigt wird — konzentrisch zum Teilchenstrahl angeordnet ist.However, it is particularly useful to cool the condensed liquid to temperatures below are close to their melting point and preferably the steam flow that forms through the nozzles an arrangement acting as a steam jet pump, which in particular - as further below with reference to is shown by examples - is arranged concentrically to the particle beam.

Besondere Vorteile der als Verdampfungstarget bezeichneten Anordnung gemäß der Erfindung sind ihre relativ geringen Abmessungen und die Möglichkeit, die geometrisch · Gestalt den Erfordernissen einer günstigen räumlichen Strahlrohrverteilung anzupassen, /um Beispiel durch eine Zylinderform mit tangential in mehreren Ebenen verlaufenden Strahlrohrachsen.Particular advantages of the arrangement referred to as an evaporation target according to the invention are its relatively small dimensions and the possibility of the geometrical · shape to adapt to the requirements of a favorable spatial distribution of the jet pipe, / to Example using a cylindrical shape with the jet pipe axes tangential in several planes.

Vorteilhaft ist ferner, daß gemäß der Erfindung — speziell bei der geometrisch günstigen Gestaltung des Targets — nur eine vergleichsweise s. "hr geringe Menge von hochradioaktivem Material entsteht: Zur Abschätzung kann man davon ausgehen, daß die erforderliche Materialmenge praktisch durch die Notwendigkeit der vollen Abbremsung des Protonenstrahls bestimmt wird und etwa JOO-400 kg betragen kann.It is also advantageous that according to the invention - especially with the geometrically favorable design of the target - only a comparatively small amount of highly radioactive material arises: For the assessment one can assume that the required The amount of material is practically determined by the need for full deceleration of the proton beam and can be about JOO-400 kg.

Ein wei'erer Vorteil besteht dann, daß sich das Temperaturniveau der Anordnung während des Betriebs nicht ändert, selbst wenn die eingegebene Protonenleistung .n gewissen Grenzen variiert wird. wodurch zum Beispiel die mechanische und thermische Belastung des F.inschlußgefäßes konstant bleibt und lebensdauer vermindernde Transienten ausgeschlossen werden.Another advantage is that the The temperature level of the arrangement does not change during operation, even if the entered Proton power. Is varied within certain limits. whereby, for example, the mechanical and thermal The load on the containment vessel remains constant and life-reducing transients are excluded will.

Wegen des einfachen Aufbaus und bedingt durch die Tatsache, daß das Targetmaterial ständig sowohl dem einfallenden Protonenstrahl als auch einem hohen Neutronenfliiß ausgesetzt ist, ist zum Beispiel auch die Vernichtung langlebiger schwerer und hochradioaktiver Kerne insbesondere der «-aktiven Isotope 237-Np, 238-Pu und 239-Pu damit besonders effizient möglich. In entsprechend aufbereiteter Form könnten diese Stoffe dem flüssigen Metall beigefügt werden, wobei durch dieBecause of the simple structure and due to the fact that the target material is constantly both the is exposed to the incident proton beam as well as a high neutron flux, is for example also the Destruction of long-lived, heavy and highly radioactive nuclei, especially the «-active isotopes 237-Np, 238-Pu and 239-Pu are therefore particularly efficient. In an appropriately prepared form, these substances could are added to the liquid metal, whereby through the

Siedeturbulenzen und die geeignet geführte rückströmende Targetflüssigkeit die Partikel zum Beispiel in Schwebeverteilung gehalten und durch die Targetflüssigkeit gekühlt werden. Nach hinreichend fortgeschrittenem Abbau der langlebigen α-Strahler wird der gesamte Targetbehälter ausgetauscht und einer Aufbereitung beziehungsweise Endlagerung zugeführt.Boiling turbulence and the suitably guided backflow Target liquid, the particles, for example, kept in suspension and through the target liquid be cooled. After sufficiently advanced dismantling of the long-lived α emitters, the entire target container exchanged and sent for processing or final storage.

In ähnlicher Weise könnte auch brütbarer Kernbrennstoff, zum Beispiel Thorium, aus dem durch Neutroneneinfang thermisch spaltbares 233-Uran entsteht, der Flüssigkeit beigemischt und in spaltbaren Kernbrennstoff übergeführt werden.In a similar way, fertile nuclear fuel, for example thorium, could also be produced by Neutron capture thermally fissile 233 uranium is created, mixed with the liquid and converted into fissile Nuclear fuel to be transferred.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Kondensationsteil des Targetgefäßes — wie bereits angedeutet — als Dampfstrahl- oder Diffusionspumpe ausgelegt. Dadurch können im Target entstehende flüchtige Substanzen im Ringraum des Kondensationsgefäßes konzentriert, aus diesem abgepumpt und in geeigneter Weise abgesondert und isoliert werden.According to a particular embodiment, the condensation part of the target vessel is - as already indicated - designed as a steam jet or diffusion pump. This can result in volatile substances concentrated in the annulus of the condensation vessel, pumped out of this and in appropriately segregated and isolated.

Wegen der kleinen Abmessungen, des geringen Gewichts und des einfachen Aufbaus zeichnet sich das Target gemäß der Erfindung darüber hinaus durch niedrigere Herstellungskosten, leichtere Handhabbarkeit bei Montage und Reparatur und höhere Betriebssicherheit als die bekannten Konstruktionen aus.Because of the small dimensions, the small This is characterized by weight and simple construction Target according to the invention also by lower manufacturing costs, easier handling in assembly and repair and higher operational reliability than the known constructions.

Nachtolgend wird die Erfindung anhand der schematischen Darstellungen erläutert. Es zeigenThe invention is explained below with reference to the schematic representations. Show it

F i g. 1 und 2 ^rargetanordnungen, bei denen der Teilchen- bzw. F'rotonenstrahl von oben (Fig. 1) beziehungsweise von der Seite her (F i g. 2) eintritt; undF i g. 1 and 2 ^r argetanordnungen in which the particle or F'rotonenstrahl from above or fro (F i g. 2) enters from the side (Fig. 1); and

Fig. 3 eine Ausführungsform, bei welcher der Kondensationsraum als Diffusionspumpe ausgebildet ist.3 shows an embodiment in which the condensation space is designed as a diffusion pump is.

Die in F1 g. 1 gezeigte zylindrische Anordnung umfaßt einen Flüssigmetall »orrat 1 mit einer Hilfsheizung 2 (die insbesondere bei Inbetriebnahme erforderlich ist) und eine Kondensationseinrichtung 3 oberhalb des Flüssigmetallvorrats 1. Durch die Pfeile 4 wird der längs der Zylinderachse der Anordnung von oben her eintretende Protonenstrahl angedeutet, der ungehindert auf den Flüssigmetallvorrat 1 trifft und hier (wie angedeutet) zur Entwicklung von Metalldämpfen führt. die aufsteigen und in der Kondensationseinrichtung Ϊ gekühlt und kondensiert werden, woraufhin die Flüssigkeit unter der Wirkung der Schwerkraft zum Flüssigkeitsmetallvorrat 1 zurückgelangt. Einige außen liegende Kühlrohre 5 können für eine zusätzliche Kühlung von außen sorgen.The in F1 g. 1 shown cylindrical arrangement comprises a liquid metal »orrat 1 with an auxiliary heater 2 (which is particularly necessary during commissioning) and a condensation device 3 above of the liquid metal supply 1. The arrows 4 indicate the arrangement from above along the cylinder axis entering proton beam indicated, which is unhindered meets the liquid metal supply 1 and here (as indicated) leads to the development of metal vapors. which rise and are cooled and condensed in the condensation device Ϊ, whereupon the Liquid returned to the liquid metal supply 1 under the action of gravity. Some outside lying cooling pipes 5 can provide additional cooling from the outside.

Die in F i g. 2 gezeigte Anordnung umfaßt mit gleichen Bezugs/eichen versehene analoge Elemente wie die Anordnung gemäß Fig. 1, jedoch tritt hier der Protonenstrahl 4 seitlich in den Flüssigkeitsvorrat 1 en und der Metallkreislauf umfaßt eine abgewandelte Konuensationseinrichtung 3 mit Kühlrohren 5'. von der aus die kondensierte Flüssigkeit über eine Hückführungsleitung wieder zum Flüssigmetallvorrat 1 zurücK-geleitet wird.The in F i g. Arrangement shown 2 covered with the same reference / calibrate provided analog elements such as the arrangement of FIG. 1, but the proton beam 4 in the fluid supply here takes the side 1 s and the metal circuit includes a modified Konuensationseinrichtung 3 with cooling tubes 5 '. from which the condensed liquid is returned to the liquid metal supply 1 via a return line.

Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform gelangt der durch einen Pfeil angedeutete Protonenstrahl 4 vertikal von oben her in den Flüssigkeitsvorrat 1 (mit Hilfsheizung 2) und die gebildeten Dämpfe werden durch die Hauptkühlung 3' (mit Hauptküblmktelzufuhr 3") abgekühlt und kondensiert. Eine Hilfskühlung 6) mit Kühlmittelzufuhr 7 dient zur weiteren Kühlung der rückströmenden TeMe der Flüssigkeit. Die aus dem Flüssigkeitsvorrat 1 aufsteigenden Dämpfe gelangen zwangsläufig in das Düsensystem 8 der Diffusionspumpe innerhalb des Kondensationsraumes. Eine thermischIn the case of the in FIG. 3, the proton beam 4 indicated by an arrow arrives vertically from above into the liquid reservoir 1 (with auxiliary heater 2) and the vapors formed cooled and condensed by the main cooling 3 '(with main tank supply 3 "). An auxiliary cooling 6) with Coolant supply 7 is used for further cooling of the backflowing TeMe of the liquid. The ones from the Vapors rising from the liquid supply 1 inevitably reach the nozzle system 8 of the diffusion pump within the condensation space. One thermal

isolierende Zwischenwand 9 ist zum Schutz der Außenwand 10 vorgesehen, die durch die gekühlte rückströmeride Tafgetfliissigkeit II gekühlt wird, welche bei 12 wieder in das Targetgefäß eintritt.insulating partition 9 is provided to protect the outer wall 10, which is cooled by the return flow table liquid II is cooled, which re-enters the target vessel at 12.

Innerhalb der Targetflüssigkeit gebildete flüchtige Anteile können über den Ringraum 13 abgetrennt werden, nachdem sie mit den kondensierbaren Dämpfen durch die Düsen 8 der Diffusionspumpe ausgetretenVolatile fractions formed within the target liquid can be separated off via the annular space 13 are after they emerged with the condensable vapors through the nozzles 8 of the diffusion pump

sind.are.

Mit dieser besonderen Ausgestaltung des Kondensationsbereiches mit anschließender Nachkühlung der kondensierten Flüssigkeit bis in die Nähe des Schmelzpunktes kann die strahlenbelastete Außenwand besonders wirksam gekühlt werden_t so daß Strahlenschäden in diesem Bereich vermindert sind.With this particular embodiment of the condensation region with subsequent after-cooling of the condensed liquid to the vicinity of the melting point of the Radiation exposed outer wall can be more effectively cooled _t so that radiation damage is reduced in this area.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for heat dissipation from a bombarded with a high-energy particle beam Spallation source target by means of a liquid, characterized in that the phase transition exploited the liquid in the vapor phase for heat dissipation and through the Particle bombardment, vaporized liquid after cooling and condensation in the circuit, in particular by gravity drive.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquid is a liquid metal, especially liquid lead is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid vapors through the nozzles of a diffusion or steam jet pump arrangement skilfully and preferably sucked out volatile impurities that separate themselves will.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the liquid is cooled down to temperatures close to their melting point.

5. Target for a liquid-cooled spallation source, with heat dissipation according to claim 1, marked! by a liquid supply (1) lying underneath the evaporation in the beam path of the high-energy particle beam (4) and a heat sink (3, 5) at a level above the liquid. ^r reservoir (1), from where the condensate returns to the liquid reservoir under the action of gravity.

6. Target according to claim 5, characterized in that that the heat sink (3) is annular around the vertically incident particle beam is arranged and in particular an arrangement of the type Includes diffusion or vapor jet pumps.

7. Target according to claim 5, characterized by an oversizing of the heat extraction surfaces and a double-walled container (9, 10) for the liquid supply (1), through its outer space condensate cooled below the condensation point is returned, its temperature preferably is close to Fp.

8. Use of the targets according to one of claims 5 to 7 for the elimination of heavy α-emitters or long-lived radioisotopes through spallation and / or neutron capture.

9. Use of the targets according to one of claims 5 to 7 for the production of Nuclear fuel through breeding reactions.