DE69909962T2 - Neutronverstärkersanlage - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Neutronenverstärkeranlage, die eine leicht unterkritische Anordnung von Spaltmaterial umfasst, das einem primären Neutronenfluss ausgesetzt ist.
• Der Neutronenfluss wird nicht nur für Forschungszwecke, sondern auch zur Lebensmittelbestrahlung, Krebsbehandlung und sogar zur Regelung eines Kernkraftgenerators verwendet. Beispielsweise wäre eine hohe Neutronenintensität über 10¹⁷ s^–1 für viele Zwecke nützlich. Ein solch hoher Fluss liegt jenseits der praktischen Möglichkeiten moderner Beschleuniger, sogar in Verbindung mit einem Spallationstarget. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Neutronenverstärkeranlage bereitzustellen, die einen intensiven und leicht regelbaren Neutronenfluss liefert.
• Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung mit der in Anspruch 1 definierten Neutronenverstärkeranlage erreicht. Für weitere Verbesserungen dieser Anlage wird Bezug auf die abhängigen Ansprüche genommen.
• Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungen und der beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen:
• 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung der Vorrichtung im Querschnitt;
• 2: das Verhältnis zwischen der Masse und Schichtdicke des Spaltmaterials in der hohlen zylindrischen Anordnung mit vorgegebenen Größen für k_eff = 1;
• 3: eine Variante, die dafür konzipiert ist, einen hohen Fluss schneller Neutronen zu erzeugen; und
• 4: eine verbesserte Ausführung mit zwei unterkritischen Anordnungen hintereinander.
• Gemäß einer in 1 dargestellten ersten Ausführung ist Am^242m, das Spaltmaterial. Dieses Material bildet eine dünne Schicht 1 auf der inneren Oberfläche eines Hohlzylinders 2 mit kreisförmigem Querschnitt, der aus einem Neutronen-Moderatormaterial wie Graphit oder Beryllium besteht. Entlang der Achse dieses Zylinders ist ein Spallationstarget 3 angeordnet, auf das ein Protonenstrahl aus einem Beschleuniger (nicht dargestellt) längs der Axialrichtung des Zylinders 2 gelenkt werden soll. Beispielsweise betragen die Höhe und der Innendurchmesser des Zylinders beide 1 m, während das Target 3 einen Durchmesser von 30 cm aufweist.
• Die Dicke der Schicht 1 liegt im Mikrometerbereich und wird später spezifiziert. Diese Dicke hängt von der Art des Spaltmaterials und dessen Konzentration in der Schicht ab. In jedem Fall muss die Dicke ausreichend klein genug sein, um schnelle Neutronen ohne Wechselwirkung durchlassen und stattdessen thermische Neutronen einfangen zu können.
• Die vom Target 3 startenden Neutronen können entweder thermische oder schnelle Neutronen sein.
• Thermische Neutronen reagieren sofort mit der Schicht 1 und erzeugen schnelle Neutronen, während schnelle Neutronen ohne Wechselwirkung die Schicht passieren. Schnelle Neutronen dringen in beiden Fällen in den Graphitzylinder 2 ein und werden moderiert. Wenn diese Neutronen erneut in die Schicht 1 eindringen, lösen sie mehr Kernspaltungen aus. Die Neutronen, die aus dem Zylinder an dessen Außenseite entweichen, bilden die Leistung der Verstärkeranlage.
• Es ist anzumerken, dass die Spaltmaterialschicht auf der inneren Oberfläche des Graphitzylinders so dick sein sollte, dass die Anordnung nicht kritisch wird; es sollte jedoch ein Kritikalitätsfaktor keff nahe 1 erreicht werden, um den Neutronenverstärkungsfaktor zu steigern.
• Die nachfolgenden Tabellen zeigen für einen Zylinder, bei dem der Innendurchmesser Φ der Höhe gleicht, die Dicke einer Schicht aus Am^242m bzw. U²³⁵, die für verschiedene Innendurchmesser Φ des Zylinders erforderlich ist, um das System kritisch zu machen.
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  Tabelle 1: Schichtdicke von metallischem Am^242m und die entsprechende Masse, die für Kritikalität bei verschiedenen Zylinderdurchmessern Φ erforderlich sind.
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  Tabelle 2: Schichtdicke von metallischem U²³⁵ und die entsprechende Masse, die für Kritikalität bei verschiedenen Zylinderdurchmessern Φ erforderlich sind.
• Diese Werte sind auch im Diagramm von 2 als kleine Kreise bzw. Kreuze dargestellt. Daraus kann man beispielsweise ableiten, dass Kritikalität mit einer Am^242m-Schichtdicke von 4 μm auf der inneren Oberfläche (Durchmesser 60 cm) eines Graphitzylinders (Axiallänge 60 cm) erreicht wird. Die gesamte kritische Masse des Spaltmaterials beträgt unter diesen Umständen nur 80 g, was beträchtlich weniger ist als die (bloße) kritische Masse einer vollen Kugel gleichen Materials (4,7 kg).
• Demzufolge wird die Anordnung subkritisch sein, wenn eine Dicke unter 4 μm gewählt wird. Beträgt der Kritikalitätsfaktor k_eff beispielsweise 0,95, dann ergibt sich für seinen Neutronenverstärkungsfaktor ein Wert von 20.
• Ein herkömmliches Zyklotron mit einem Protonenstrahl von 150 MeV produziert in einem Spallationstarget aus Blei ungefähr 1 Neutron pro Proton.
• Bedingt durch die Spaltmaterialschicht erzeugt dieses Neutron durchschnittlich M Neutronen, wobei M = 1/(1 – k_eff). Bei k_eff = 0,95 ist M ungefähr gleich 20.
• Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung beschränkt. Man könnte andere Spaltmaterialien wie z. B. U²³⁵ verwenden (siehe Tabelle 2 und 2). Es ist ferner anzumerken, dass die Erfindung nicht nur auf reine Spaltmaterialien, sondern auch auf andere Materialien anwendbar ist, bei denen das Spaltmaterial in der Schicht in wesentlich geringerer Menge vorhanden ist.
• Die innere Spaltmaterialschicht 1 kann auch mit einer Moderatormaterialschicht 6 bedeckt werden, um die durch hochenergetische Neutronen bedingten Schäden an der Spaltmaterialschicht zu reduzieren.
• Die Neutronenquelle kann statt eines Spallationstargets aus einem Neutronenstrahler wie z. B. Californium bestehen.
• Der Zylinder 2 muss nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt wie in den Zeichnungen haben. Der Querschnitt könnte quadratisch sein oder innen eine gerippte, sternähnliche Form aufweisen. Im letzteren Fall kann der Gesamtdurchmesser des Zylinders 2 verkleinert werden, solange beim Spaltmaterial eine gleich große Oberfläche erhalten bleibt.
• Die Wärmebildung ist in der Anordnung ziemlich gering: Bei dem obigen Beispiel mit einem 150-MeV-Beschleuniger, der bedingt durch die Spaltmaterialschicht 1 einen Protonenstrom von 2 mA (entspricht 300 kW Abgabeleistung) und einen Neutronenverstärkungsfaktor von 20 liefert, ergibt sich für die Neutronenintensität ein Wert von ungefähr 2,5·10¹⁷ s^–1. Da die Neutronenerzeugungsrate ungefähr der Spaltrate gleicht, beträgt die Wärmeerzeugungsrate etwa 8 MW. Diese Wärme kann leicht durch Kühlkanäle im Graphitzylinder entzogen werden.
• Falls kein Fluss thermischer Neutronen, sondern ein Fluss schneller Neutronen gewünscht wird, sollte die in 1 dargestellte Anordnung wie in 3 mit einer weiteren Spaltmaterialschicht 4 auf der äußeren Oberfläche des Graphitzylinders 2 und optional mit einer diese Schicht umschließenden Metallummantelung 5, die hauptsächlich aus Wolfram besteht, ergänzt werden. Diese zweite Schicht 4 ist ebenfalls für schnelle Neutronen durchlässig, da sie nur mit Neutronen interagiert, die im Graphitzylinder moderiert wurden. Diese Neutronen verursachen Spaltungen, woraus schnelle Neutronen resultieren. Ein Teil dieser schnellen Neutronen entweicht durch die Ummantelung, wohingegen andere in den Graphitzylinder zurückkehren und weitere Spaltungen in einer der Spaltmaterialschichten verursachen.
• Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung sind zwei oder mehr Spaltmaterialschichten zwischen dem Spallationstarget und dem Innendurchmesser des Graphitzylinders angeordnet, vorzugsweise in einer konzentrischen axialen Konfiguration. Ein solches Beispiel ist in 4 dargestellt. Hier ist eine zusätzliche Spaltmaterialschicht 6 vorhanden, die entweder selbsttragend oder auf einem Metallrohr aufgeschichtet ist, das beispielsweise aus Wolfram besteht (nicht dargestellt).
• Zur weiteren Verbesserung können eine oder mehrere Moderatorstäbe (nicht dargestellt) kontrolliert in den freien Raum im Graphitzylinder eingefahren werden. Dieses Einfahren steigert den Kritikalitätsfaktor und ermöglicht eine Feineinstellung des Neutronenverstärkungsfaktors und des Kritikalitätsfaktors, um Inhomogenitäten in den dünnen Schichten und deren Abbrand einzukalkulieren.

Claims (7)

1. Neutronenverstärkeranlage umfassend eine Anordnung von Spaltmaterial, das einem primären Neutronenfluss ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch eine dünne Spaltmaterialschicht (1) auf der inneren Oberfläche eines hohlen Moderatormaterial-Trägerzylinders (2), wobei die Dicke der Spaltmaterialschicht und der Innendurchmesser des Zylinders so ausgewählt sind, dass die Anordnung nahe an der Kritikalität ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere dünne zylindrische Spaltmaterialschicht (4) im Zylinder beabstandet von der vorherigen Schicht (1) angeordnet ist, wobei der Durchmesser und die Dicke der Schicht (4) so ausgewählt sind, dass die gesamte Konfiguration wieder eine fast kritische Anordnung bildet.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Neutronenfluss von einem Neutronenstrahler erzeugt wird, der in der Mitte der Anlage angeordnet ist.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Neutronenstrahler von einem Spallationstarget (3) gebildet wird, das mit beschleunigten Teilchen beschossen werden soll.
5. Anlage nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (2) aus Graphit besteht.
6. Anlage nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (2) von einer Spaltmaterialschicht (4) umgeben ist.
7. Anlage nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Moderatormaterialstab beweglich in den freien Raum des Hohlzylinders (2) eingefahren ist.