EP2679079A2 - Targets für die erzeugung von sekundärstrahlung aus einer primärstrahlung, vorrichtung für die transmutation radioaktiver abfälle und verfahren zum betreiben - Google Patents

Targets für die erzeugung von sekundärstrahlung aus einer primärstrahlung, vorrichtung für die transmutation radioaktiver abfälle und verfahren zum betreiben

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Publication number
EP2679079A2
EP2679079A2 EP12715574.5A EP12715574A EP2679079A2 EP 2679079 A2 EP2679079 A2 EP 2679079A2 EP 12715574 A EP12715574 A EP 12715574A EP 2679079 A2 EP2679079 A2 EP 2679079A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
active material
primary
radiation
target
primary radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12715574.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno THOMAUSKE
Rahim Nabbi
John Kettler
Nikhil Vittal SHETTY
Werner F. VON LENSA
Frank Esser
Jörg WOLTERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH, Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2679079A2 publication Critical patent/EP2679079A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/06—Generating neutron beams

Definitions

  • the invention relates to targets for the generation of secondary radiation from a primary radiation, a device for the transmutation of radioactive waste and methods of operation.
  • PRIOR ART Generating high-energy radiation for technical applications generally uses radionuclide sources or particle accelerators.
  • a neutron beam can not be generated with a particle accelerator, because there the energy is coupled in via electrical and magnetic fields to which neutrons do not react for lack of electrical charge.
  • a primary radiation is shot at a target and stimulates this to release a secondary radiation.
  • the secondary radiation is then used for technical application.
  • neutrons can be generated by bombarding a suitable target with protons as primary radiation.
  • the shape of the target depends on the required beam shape of the secondary radiation. If, for example, an extended space area is to be exposed to a uniform neutron flux, a spallation target is used which emits neutrons from an equally extensive space area.
  • containers with liquid metal which at the same time can act as a liquid cooling medium, are commonly used as spallation targets.
  • protons with an energy of typically 600 MeV only penetrate into the liquid metal to a depth of approximately 20 cm, so that the target effectively produces neutrons only in a space region with these dimensions.
  • targets of several layers are known, which are arranged one behind the other in the beam direction of the primary beam. Each layer absorbs part of the incident primary radiation and sets one corresponding amount of neutrons free. The layers each delimit intermediate spaces through which a cooling medium can flow.
  • a disadvantage is the dissipated by the cooling medium heat output of the limiting factor for the power that can be coupled with the Priniärstrahlung, and thus also for the achievable intensity of secondary radiation.
  • the known liquid targets can be cooled better than targets of several solid layers arranged one behind the other, but generate the secondary radiation only in a limited spatial area.
  • a plurality of solid layers arranged one behind the other emit the secondary radiation out of an area whose extension is determined by the arrangement of the layers, but their cooling is problematic and the achievable power density is thereby limited.
  • the present invention starts with both basic forms of targets at the respective limiting factor. It adds to the liquid targets better control over the area from which the secondary radiation is emitted. With the fixed targets it improves the cooling. In the end, with both targets
  • a target for generating a secondary radiation by bombarding an active material with a primary radiation has been developed.
  • the active material which is bombarded with the primary radiation and responsible for the conversion into the secondary radiation, is solid.
  • at least two portions of the active material are arranged one behind the other. Between the portions a cooling medium can flow.
  • the at least two portions can in particular be spaced apart from one another by a space through which the cooling medium can flow.
  • the two portions are arranged so that they can be flowed around or through each of the cooling medium. These portions may be in the form of slices, slats or bars, for example.
  • cooling medium can cover a closed path around this portion in direct contact with the respective portion of the active material or it can also flow through this portion.
  • the two or more portions may be part of a fixed assembly to which the primary beam is directed. However, they can also be movable in each case and held in a flow of the cooling medium in the primary jet. For example, the flow of the Cooling medium of gravitational force, which acts on the two portions to be directed against. The flow rate of the cooling medium can then be adjusted so that the force of gravity is compensated by the force exerted by the flow of the cooling medium, so that the portions of the active material - as in a fluidized bed - either held in suspension in the primary beam or falling so be slowed down that they do not experience increased mechanical stress.
  • the portions of the active material are solid offers the further advantage that more temperature-resistant materials, such as tungsten, can be used.
  • Tungsten has such a high melting point that it can not be used as a liquid target. At the same time, it is difficult to process layers mechanically.
  • a further target for generating secondary radiation by bombardment of a solid active material with a primary radiation has been developed.
  • the active material is present in a multiplicity of solid portions which are movable through the primary beam.
  • the primary beam traverses a plurality of these portions successively with a suitable spatial distribution of the portions, so that the delivery of the secondary radiation is distributed over an extensive area of space.
  • overheating of these portions is avoided, because they are only exposed to the primary radiation for a very short time and thus experience only a small heat input.
  • a higher power density of primary radiation can be implemented in the entire target, whereby this reaction and also the material load over the target are homogeneous. In this way, a highly extended, homogeneous radiation source for the secondary radiation can be realized.
  • the portions may be moved through the primary jet in free fall. Thereafter, they may be cooled, for example, with a cooling medium and reclaimed to a position from which they may again fall through the primary jet.
  • a cooling medium is dispensable.
  • the portions can alternatively or in combination be driven in a flow of the cooling medium through the primary jet, for example in the form of a fluidized bed.
  • the portions are cooled by the cooling medium while they are exposed to the primary jet, so that they survive a longer shot before they overheat.
  • the portions can be moved through the primary jet at a higher speed than is possible in free fall, especially when the drive acts on the portions in the same direction by the flow and the gravitational force. This reduces the amount of time that each individual serving is exposed to the primary jet. As a result, higher power can be coupled in with the primary beam without destroying the active material. As a result, a higher intensity of secondary radiation can be achieved.
  • the target as a whole can be flowed through by the cooling medium. Then cold cooling medium can be introduced into the target at one point or side, thereby simultaneously expelling heated cooling medium at another point or side.
  • the rate at which the cooling medium is exchanged can be controlled by its feed rate.
  • the target can be traversed by the cooling medium in the jet direction of the primary jet. Then, with the same exchange rate and flow temperature of the cooling medium, the heat removal from the target is particularly effective. Portions of the active material closer to the source of the primary radiation tend to be exposed to a higher power density in the beam area than portions which are hit later by the primary radiation.
  • the special feature is that the converted power density along the beam path through the target initially increases and falls later. The reason for this is that with charged particles according to the Bragg curve, the energy loss of each particle is again energy-dependent when passing through matter. Irrespective of this, the local intensity of the primary radiation, that is to say the number of incident particles or radiation quanta per second, tends to be reduced on later portions by various effects:
  • the primary radiation is more or less widened and scattered. • Previously made portions have absorbed a portion of the primary radiation without conversion to secondary radiation and transferred in the form of heat into the cooling medium.
  • the cooling medium can flow in the beam direction of the primary beam, it can flow from warmer areas into colder areas of the target. As a result, it is just in the warmer areas with a low temperature, so that the temperature difference between the active material to be cooled and the cooling medium is particularly large. However, this temperature difference is decisive for the rate at which heat is transported between the active material and the cooling medium.
  • At least one portion of the active material has an opening through which the primary jet can pass.
  • the rest position of the primary beam can be set so that it passes through the passage opening, so that it only with the portion of the active material change acts when it is deflected from the rest position and, for example, strikes the edge of the passage opening.
  • the primary beam can also be widened, or its profile can be changed.
  • a plurality of portions for example in the form of layers, can be arranged one behind the other in the jet direction of the primary radiation and each have circular passage openings, the inner diameter of the passage openings narrowing in the jet direction of the primary jet from one portion to the next.
  • the layers can be realized for example in the form of films or plates.
  • the deflected from its rest position primary beam can then penetrate the edges of several passage openings successively arranged layers in succession. For this purpose, it can in particular be deflected laterally and / or periodically sideways from the center to the outer edges of the conical section formed by the successively arranged passage openings.
  • periodic beam deflection is qualitatively similar to rotating spallation targets previously considered and described in the literature, but more quantitatively effective.
  • the flow resistance which the target opposes the cooling medium in at least one direction, deviates from the flow resistance which it opposes to the cooling medium in at least one direction perpendicular thereto, by less than 20%, preferably less than 10% and most preferably less than 5% off. Then there is essentially no preferred direction for the flow of the cooling medium, but the cooling medium can flow in any direction through the target.
  • the pressure difference which is required to drive a given mass flow of cooling medium through the target. This pressure difference depends not only on the internal structure of the target, but also on its extent. The longer the path lined by portions of the active material that the cooling medium has to travel through the target, the greater the pressure difference necessary for transporting a given mass flow.
  • the active material is in the form of wires, filaments, a fiber fabric, metal foams and / or solid or hollow balls. In these forms, it is particularly easy to produce as a regular pattern with a high specific surface area.
  • the balls which may be in the form of pebbles for example, may in particular be hollow, so that their interior is transparent to the primary radiation.
  • the primary radiation now also reaches areas in depths within the target in which it had already been absorbed in prior art targets. Also, open or closed multi-layer arrangements or sandwich constructions are applicable.
  • the active material is present as a metal foam. It may in particular have a porosity between 40% and 95%, preferably between 70% and 95%.
  • a metal foam forms self-organized structures, which are advantageous for use as a target. The larger the porosity, the longer the distance that the primary radiation can penetrate into the metal foam.
  • Beam direction of the primary radiation is a large number of portions of the active material arranged one behind the other. These are each in thermal contact with the overall matrix of the metal foam by a large number of metallic compounds, so that the heat produced by the interaction with the primary radiation can be dissipated effectively.
  • the metal foam is open-pored. Then, a liquid or gaseous cooling medium can be conveyed through it.
  • the liquid or gaseous cooling medium can itself be an active material again, so that the advantageous properties of both active materials can be combined with one another.
  • the active material which is bombarded with the primary radiation and is responsible for the conversion into the secondary radiation, is liquid or gaseous. Combinations with the embodiments in which the active material is solid and with the individual measures disclosed in connection with such embodiments are expressly also disclosed as being in connection with the embodiments described below.
  • the active material is liquid or gaseous; it may in particular be a liquid metal such as lead or a lead bismuth eutectic. According to the invention, it contains at least one solid body transparent to the primary radiation.
  • This solid body may in particular be spherical or plate-shaped or executed in other geometric shapes.
  • it may be hollow, or partially made of lighter materials (e.g., titanium), which react less with the primary jet so as to absorb an even smaller portion of the primary radiation.
  • lighter materials e.g., titanium
  • It may contain in its wall or in its interior an active material, which converts primary radiation into secondary radiation, or may also be a pure geometric displacement body whose only function is to keep the liquid or gaseous material out of a certain range in the beam path of the primary radiation.
  • the liquid or gaseous active material not only acts as its own cooling, but at the same time can also intensively cool the outside of the transparent solid.
  • the measured transverse to the beam direction of the primary radiation inner diameter of the transparent solid along the beam direction.
  • a solid is a, in particular slender, cone or truncated cone, which points with the tip in the beam direction of the primary radiation.
  • the primary beam may be intermittently or rotationally guided along the inner surface.
  • the heat-intensive conversion of the primary radiation into secondary radiation for example by spallation reactions, then essentially takes place in the active material, which is, for example, a liquid metal can be and acts as its own coolant.
  • the interior of the cone may also contain a vacuum.
  • it may be connected to the vacuum system of an accelerator used to generate the primary radiation and thus in fact act as a cooled jet window.
  • the above basic principle is also for targets with solid active material, for example in
  • the coolant in the intermediate gap can, however, also consist of liquid metal, which then simultaneously serves as an active material, in particular as a cleavage material.
  • the transparent solid is a foam with closed pores.
  • This foam may be made of a light metal or other material that interacts little to no with the primary jet.
  • the target contains at least two channels arranged one after the other in the jet direction of the primary jet and through which the active material can flow. These channels can be connected to one another, in particular outside the beam path of the primary radiation, so that the active material only has to be conveyed into the channel system at one point.
  • This embodiment is technically easier to implement than geometric displacement in a liquid or gaseous active material; the active material can flow without a cross-sectional constriction by displacer through the channel system.
  • a proton beam as primary radiation can be converted into neutron radiation by an interaction with a large number of portions of the active material arranged one behind the other in an extended spatial area.
  • the active material can be transformed by spallation to produce highly excited atomic nuclei, which in turn emit neutrons as secondary radiation by "evaporation.”
  • a uniformly expanded neutron field forms around the target, which can be used to generate minor actinides. MA) and to transform long-lived fission products into less durable radionuclides by nuclear reactions.
  • a line-shaped neutron source can be realized in an arrangement for fuel elements surrounding the target, which can be arranged parallel to the fuel elements and converts them with a transmutation rate which is homogeneous over the fuel rod length.
  • the invention therefore also relates to a device for the transmutation of radioactive waste, in particular for the transmutation of highly radioactive waste (high-level waste HLW), with a proton accelerator as the source of the primary radiation and a target according to the invention as a neutron source.
  • a plurality of targets according to the invention are arranged one behind the other in the beam direction of the primary radiation.
  • the device is then particularly suitable as a line-shaped neutron source for the irradiation of about fuel elements.
  • At least one target additionally contains minor actinides of the waste to be transmuted.
  • minor actinides of the waste to be transmuted This can e.g. By sandwich construction of plates done in which between two metal foils and actinides are introduced. Instead of fiber materials also hollow fibers or tubes could be used with introduced actinides.
  • the neutron yield is particularly favorable because of the high atomic weight and supports the transmutation in the surrounding, as waste to be transmuted fuel elements.
  • the invention also relates to methods for operating a target according to the invention, in which ⁇ at least one portion of the active material or at least one transparent solid is held in the primary beam by a force component of the flow of the cooling medium that is opposite to the gravitational force, and / or
  • Figure 1 ball bed as an exemplary embodiment of the target of the invention.
  • FIG. 2 Wire arrangement as an exemplary embodiment of the target according to the invention.
  • FIG. 3 Layer arrangement as an exemplary embodiment of the target according to the invention.
  • FIG. 4 Device according to the invention for transmutation with targets.
  • FIG. 5 Simulated neutron flux of a target according to the invention.
  • FIG. 6 Possible realization of a reactor for transmutation.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the target according to the invention. It consists of a bed of balls 1 1 of active material, which are arranged in sandwich balls between mesh grids 12. In this embodiment, only two layers of balls 1 1 are shown. There can be added more of these layers. Alternatively or in combination, several of the sandwiches shown in FIG. 1 can be arranged one behind the other in the jet direction of the primary jet and together form a single target according to the invention.
  • the cooling medium can flow through the spaces between the individual balls, so that each individual ball can be flowed around by the cooling medium and the target can also be flowed through as a whole by the cooling medium.
  • the cooling medium can flow from the side as well as from above or below (primary jet direction) through the target.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the target according to the invention. It consists of wires 21 of active material. These wires lie side by side in planes, which in turn are arranged one behind the other. In operation, as the primary radiation penetrates one level after another, the generation of secondary radiation is distributed over an extended area of space.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the target according to the invention.
  • the active material is present here in the form of layers 31 which have openings 32 for the primary radiation. These passages 32 have a double effect.
  • the primary jet can pass through it when it is incident in its rest position.
  • the cooling medium can pass through these openings, so that it can flow through the entire target in the beam direction of the primary beam.
  • This target is especially suitable for primary radiation from charged particles, which can be influenced by electric and magnetic fields, for example for a spallation source for the generation of neutrons from high-energy protons.
  • the primary beam is either deflected from its rest position or its beam diameter widened so that it comes into contact with the edges of the passage openings.
  • FIG. 4 shows the part of the device according to the invention for transmutation in which targets according to the invention are located.
  • FIG. 4a shows a sectional drawing.
  • a pumped UHV tube 4 is coupled to a proton accelerator as a source of primary radiation 40.
  • a beam window 41 which is permeable to the primary radiation, the area in which the inventive target 42 is located.
  • This area contains the coolant helium under pressure.
  • the target 42 contains successively arranged portions 43 of the active material through which helium can flow.
  • the helium is guided via a flange 44 and a laid in the outer wall of the UHV tube 4 line 45 in the area with the target 42. It penetrates all portions 43 of the active material and then passes into a return line 46 to another flange 47, where it exits.
  • the gas flows vertically from top to bottom, because above the largest heat input takes place.
  • FIG. 4b shows a perspective view of the device according to the invention.
  • FIG. 5 shows the simulated neutron flux which a target according to the invention delivers as primary radiation when bombarded with protons.
  • Each proton has an energy of 600 MeV, the beam current is 10 mA.
  • the primary beam thus transports a power of 6 MW. It has a round cross section with Gaussian intensity distribution.
  • the beam profile contains 95% of the total intensity (3 ⁇ ).
  • the neutron flux is plotted over the penetration depth 1 into the target (ordinate) and the distance r from the center of the target (abscissa) in gray scale. Darker tones correspond to a lower neutron flux, lighter tones correspond to a higher neutron flux.
  • the primary beam is incident on the target from the left.
  • the target consists of successively arranged tungsten disks with a density of 19.3 g / cmJ .
  • the thickness of the tungsten disks increases with increasing depth of penetration into the target, which is drawn to scale by different thickness sketches of the disks on the ordinate.
  • only the neutron production is considered, but not the inventive design of the discs for the purpose of ensuring the cooling.
  • the concrete technical realization of the discs can be built optionally in those embodiment of the invention, which can be best agreed with the boundary conditions of the concrete Transmutationsstrom.
  • FIG. 6 shows a possible realization of a reactor for transmutation according to the simulation shown in FIG.
  • a target window 61 the proton beam enters the target 62.
  • a subcritical core 63 of the fuels to be transmuted is rotationally symmetrical.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Targets für die Erzeugung von Sekundärstrahlung aus einer Primärstrahlung, eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle und Verfahren zum Betreiben. Mit den Targets wird die Sekundärstrahlung jeweils erzeugt, indem ein aktives Material mit einer Primärstrahlung beschossen wird. Eine erste Ausgestaltung des Targets ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Portionen des aktiven Materials in der Strahlrichtung des Primärstrahls so hintereinander angeordnet sind, dass sie jeweils von einem Kühlmedium umströmbar sind. In einer weiteren Ausgestaltung liegt das aktive Material in einer Vielzahl fester Portionen vor, die durch den Primärstrahl hindurch bewegbar sind. In einer dritten Ausgestaltung enthält das aktive Material mindestens einen für die Primär Strahlung transparenten Festkörper. Diese Maßnahmen bewirken einzeln oder auch in Kombination, dass die Primär Strahlung tiefer in das Target eindringt und ein homogeneres Feld der Sekundärstrahlung erzeugt wird als nach dem bisherigen Stand der Technik. Die Targets können insbesondere als Neutronenquellen für Transmutation von Radionukliden verwendet werden.

Description

B e s c h r e i b u n g
Targets für die Erzeugung von Sekundärstrahlung aus einer Primärstrahlung, Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle und Verfahren zum Betreiben
Die Erfindung betrifft Targets für die Erzeugung von Sekundärstrahlung aus einer Primärstrahlung, eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle und Verfahren zum Betreiben.
Stand der Technik Zur Erzeugung energiereicher Strahlung für technische Anwendungen werden in der Regel Radionuklidquellen oder Teilchenbeschleuniger verwendet. Ein Neutronenstrahl kann jedoch nicht mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, weil dort die Energie über elektrische und magnetische Felder eingekoppelt wird, auf die Neutronen mangels elektrischer Ladung nicht reagieren. In diesen Fällen wird eine Primärstrahlung auf ein Target geschossen und regt dieses zur Freisetzung einer Sekundär Strahlung an. Die Sekundär Strahlung wird anschließend für die technische Anwendung verwendet. Beispielsweise können Neutronen durch Beschuss eines geeigneten Targets mit Protonen als Primärstrahlung erzeugt werden.
Dabei richtet sich die Formgebung des Targets nach der benötigten Strahlform der Sekundärstrahlung. Soll beispielsweise ein ausgedehntes Raumgebiet einem gleichmäßigen Neutronen- fluss ausgesetzt werden, wird ein Spallationstarget verwendet, das Neutronen aus einem ebenfalls ausgedehnten Raumgebiet abstrahlt. Insbesondere sind Behältnisse mit flüssigem Metall, das zugleich als flüssiges Kühlmedium fungieren kann, als Spallationstargets gebräuchlich. Nachteilig dringen Protonen mit einer Energie von typischerweise 600 MeV in das flüssige Metall nur bis in eine Tiefe von etwa 20 cm ein, so dass das Target effektiv nur in einem Raumgebiet mit diesen Abmessungen Neutronen produziert.
Aus (G.S. Bauer,„Overview on spallation target design concepts and related materials is- sues", Journal of Nuclear Materials 398, 19-27 (2010)) sowie (T. Broome,„High Power Targets for Spallation Sources", Proceedings EPAC96 Sitges/Spanien 1996) sind Targets aus mehreren Schichten bekannt, die in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeord- net sind. Jede Schicht absorbiert einen Teil der auftreffenden Primärstrahlung und setzt eine entsprechende Menge Neutronen frei. Die Schichten begrenzen jeweils Zwischenräume, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Nachteilig ist die durch das Kühlmedium abfuhrbare Wärmeleistung der begrenzende Faktor für die Leistung, die mit der Priniärstrahlung eingekoppelt werden kann, und damit auch für die erzielbare Intensität an Sekundärstrahlung. Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Target zur Verfugung zu stellen, in dem einerseits die Umwandlung der Primärstrahlung in die Sekundärstrahlung auf ein größeres Raumgebiet verteilt ist als bei den bekannten Flüssigtargets und in dem andererseits eine höhere Leistungsdichte an Primärstrahlung umsetzbar ist als bei den bekannten Schichtentargets. Es ist die weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der spezielle Brennelemente zwecks Transmutation der in ihnen enthaltenen Radionuklide homogen mit Neutronen bestrahlt werden können.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch Targets gemäß Haupt- und Nebenansprüchen, eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle gemäß weiterem Ne- benanspruch sowie durch Verfahren zum Betreiben gemäß weiteren Nebenansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Ge enstand der Erfindung
Die bekannten Flüssigtargets lassen sich besser kühlen als Targets aus mehreren hintereinan- der angeordneten festen Schichten, erzeugen die Sekundärstrahlung jedoch nur in einem begrenzten Raumgebiet. Mehrere hintereinander angeordnete feste Schichten geben die Sekundärstrahlung aus einem Gebiet heraus ab, dessen Ausdehnung durch die Anordnung der Schichten vorgegeben ist, jedoch ist ihre Kühlung problematisch und die umsetzbare Leistungsdichte hierdurch begrenzt. Die vorliegende Erfindung setzt bei beiden Grundformen von Targets am jeweils begrenzenden Faktor an. Sie fügt den Flüssigtargets eine bessere Kontrolle über das Gebiet hinzu, aus dem die Sekundärstrahlung emittiert wird. Bei den festen Targets verbessert sie die Kühlung. Im Endeffekt werden mit beiden Targets
• sowohl die extremen Wärmestromdichten in den Bereichen, wo der hochenergetische Partikelstrahl mit vorzugsweise schweren Atomen des Targets reagiert, als auch · ein homogenes Neutronenfeld erzeugt. Während man nach dem Stand der Technik die Entscheidung für eine der beiden Grundformen danach ausrichten musste, ob die Homogenität des Neutronenfeldes oder die Effektivität der Kühlung wichtiger für die jeweilige Anwendung war, wird dieser Sachzwang durch die vorliegende Erfindung aufgehoben. Im Folgenden werden zunächst diejenigen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen das aktive Material, das mit der Primärstrahlung beschossen wird und für die Umwandlung in die Sekundärstrahlung verantwortlich ist, fest ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Target für die Erzeugung einer Sekundär Strahlung durch Beschuss eines aktiven Materials mit einer Primärstrahlung entwickelt. Das aktive Material, das mit der Primär Strahlung beschossen wird und für die Umwandlung in die Sekundärstrahlung verantwortlich ist, ist fest. In der Strahlrichtung der Primärstrahlung sind mindestens zwei Portionen des aktiven Materials hintereinander angeordnet. Zwischen den Portionen vermag ein Kiihlmediurn zu strömen. Die mindestens zwei Portionen können insbesondere durch einen vom Kühlmedium durchströmbaren Raum voneinander beabstandet sein. Erfindungsgemäß sind die beiden Portionen so angeordnet, dass sie jeweils von dem Kühlmedium um- bzw. durchströmbar sind. Diese Portionen können beispielsweise in Form von Scheiben, Lamellen oder Stäben vorliegen.
Unter„um- bzw. durchströmbar" wird im Sinne dieser Erfindung verstanden, dass das Kühl- medium im unmittelbaren Kontakt mit der jeweiligen Portion des aktiven Materials einen geschlossenen Weg um diese Portion herum zurücklegen kann oder diese Portion auch durchströmen kann.
Es wurde erkannt, dass auf diese Weise eine erheblich größere Oberfläche des aktiven Materials im Wärmekontakt mit dem Kühlmedium steht als nach dem Stand der Technik. Dadurch kann eine größere Wärmeleistung aus Portionen des aktiven Materials abgeführt werden, die der Primär Strahlung ausgesetzt sind. Gerade bei schwermetallhaltigen Targetmaterialien mit vergleichsweise geringem Schmelzpunkt ist eine große Wärmeübertragungsfläche wichtig, um die Gefahr eines Aufschmelzens oder Verdampfens zu vermeiden.
Die beiden oder mehr Portionen können Teil einer festen Anordnung sein, auf die der Primärstrahl gerichtet wird. Sie können aber auch jeweils beweglich sein und in einer Strömung des Kühlmediums im Primärstrahl gehalten werden. Hierzu kann beispielsweise die Strömung des Kühlmediums der Gravitationskraft, die auf die beiden Portionen wirkt, entgegen gerichtet sein. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums kann dann so eingestellt werden, dass die Gravitationskraft durch die von der Strömung des Kühlmediums ausgeübte Kraft kompensiert wird, so dass die Portionen des aktiven Materials - wie in einem Wirbelbett - entweder in der Schwebe im Primärstrahl gehalten werden oder im Fallen so abgebremst werden, dass sie keine erhöhte mechanische Belastung erfahren.
Dass die Portionen des aktiven Materials fest sind, bietet den weiteren Vorteil, dass temperaturbeständigere Materialien, wie beispielsweise Wolfram, eingesetzt werden können. Wolfram hat einen so hohen Schmelzpunkt, dass es nicht als Flüssigtarget verwendet werden kann. Zugleich ist es mechanisch nur schwer zu Schichten bearbeitbar.
Im Rahmen der Erfindung wurde ein weiteres Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines festen aktiven Materials mit einer Primärstrahlung entwickelt. Bei diesem Target liegt erfindungsgemäß das aktive Material in einer Vielzahl fester Portionen vor, die durch den Primärstrahl hindurch bewegbar sind. Hierdurch werden mit anderen Mitteln die gleichen Wirkungen erzielt wie bei dem vorgenannten Target: Der Primärstrahl durchquert bei geeigneter räumlicher Verteilung der Portionen mehrere dieser Portionen nacheinander, so dass die Abgabe der Sekundärstrahlung auf ein ausgedehntes Raumgebiet verteilt ist. Zugleich wird eine Überhitzung dieser Portionen vermieden, weil sie jeweils nur sehr kurzzeitig der Primärstrahlung ausgesetzt sind und dadurch nur einen geringen Wärmeeintrag erfahren. Auf diese Weise lässt sich im gesamten Target eine höhere Leistungsdichte an Primärstrahlung umsetzen, wobei diese Umsetzung und auch die Materialbelastung über das Target homogen sind. Auf diese Weise lässt sich eine stark ausgedehnte, homogene Strahlungsquelle für die Sekundärstrahlung realisieren.
Die Portionen können beispielsweise im freien Fall durch den Primärstrahl hindurch bewegt werden. Danach können sie beispielsweise mit einem Kühlmedium abgekühlt und auf eine Position zurückgefordert werden, von der sie erneut durch den Primärstrahl fallen können. Je länger es dauert, bevor die Portionen zurückgefördert werden, desto geringer ist der Aufwand, der im Betrieb für ihre Kühlung notwendig ist. Werden die Portionen erst zurückgefördert, wenn sie sich rein passiv abgekühlt haben, oder werden sie gar nur einmal verwendet, so ist ein Kühlmedium entbehrlich. Die Portionen können aber alternativ oder in Kombination hierzu auch in einer Strömung des Kühlmediums durch den Primärstrahl getrieben werden, beispielsweise in Form eines Wirbelbetts. Dies hat eine doppelte Wirkung: Zum Einen werden die Portionen durch das Kühlmedium gekühlt, während sie dem Primärstrahl ausgesetzt sind, so dass sie einen längeren Be- schuss überstehen, bevor sie überhitzen. Zum Anderen können die Portionen mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Primärstrahl hindurch bewegt werden als dies im freien Fall möglich ist, insbesondere wenn der Antrieb durch die Strömung und die Gravitationskraft in der gleichen Richtung auf die Portionen wirken. Dies verringert die Zeitdauer, für die jede einzelne Portion dem Primärstrahl ausgesetzt ist. Im Ergebnis kann mit dem Primärstrahl eine höhere Leistung eingekoppelt werden, ohne das aktive Material zu zerstören. Dadurch kann eine höhere Intensität an Sekundärstrahlung erzielt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Target als Ganzes von dem Kühlmedium durchströmbar. Dann kann an einer Stelle oder Seite kaltes Kühlmedium in das Target eingeführt und hierdurch zugleich erwärmtes Kühlmedium an einer anderen Stelle oder Seite herausgedrückt werden. Somit kann die Rate, mit der das Kühlmedium ausgetauscht wird, durch seine Zufuhrrate gesteuert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Target in Strahlrichtung des Primärstrahls von dem Kühlmedium durchströmbar. Dann ist bei gleicher Austauschrate und Vorlauftemperatur des Kühlmediums die Wärmeabfuhr aus dem Target besonders effektiv. Näher an der Quelle der Primärstrahlung gelegene Portionen des aktiven Materials sind im Strahlbereich tendenziell einer höheren Leistungsdichte ausgesetzt als Portionen, die erst später von der Primärstrahlung getroffen werden. Hierbei ist für eine Primärstrahlung aus geladenen Teilchen die Besonderheit zu beachten, dass die umgesetzte Leistungsdichte entlang des Strahlengangs durch das Target zunächst steigt und erst später fällt. Ursache hierfür ist, dass bei geladenen Teilchen gemäß der Bragg-Kurve der Energieverlust eines jeden Teilchens beim Durchgang durch Materie wiederum energieabhängig ist. Unabhängig hiervon ist die lokale Intensität der Primärstrahlung, also die Anzahl der auftreffenden Teilchen bzw. Strahl ungsquanten pro Sekunde, an später getroffenen Portionen durch verschiedene Effekte tendenziell vermindert:
· Abhängig von ihrer Fokussierung wird die Primärstrahlung mehr oder weniger aufgeweitet und aufgestreut. • Früher getroffene Portionen haben einen Teil der Primärstrahlung ohne Umwandlung in Sekundärstrahlung absorbiert und in Form von Wärme in das Kühlmedium überführt.
• Ein weiterer Teil der Primärstrahlung wurde von früher getroffenen Portionen in Se- kundärstrahlung umgewandelt.
All diese Effekte führen in der Summe dazu, dass die Wärmebelastung in näher an der Quelle der Primärstrahlung gelegenen Bereichen höher ist als in Bereichen, die erst später von der Primär Strahlung durchdrungen werden. Indem nun das Kühlmedium in Strahlrichtung des Primärstrahls strömen kann, kann es von wärmeren Bereichen in kältere Bereiche des Targets strömen. Dadurch liegt es gerade in den wärmeren Bereichen mit einer niedrigen Temperatur vor, so dass die Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden aktiven Material und dem Kühlmedium besonders groß ist. Diese Temperaturdifferenz aber ist maßgeblich für die Rate, mit der Wärme zwischen aktivem Material und Kühlmedium transportiert wird.
Nach dem Stand der Technik waren parallele Schichten vorgesehen, die jeweils senkrecht auf der Strahlrichtung der Primärstrahlung standen. Das Kühlmedium konnte sich nur parallel zu den durch diese Schichten definierten Ebenen bewegen. Unterschiedlichen Wärmebelastungen verschiedener Schichten konnten nur durch separate Regelung des Massenstroms an Kühlmedium, der in verschiedenen Zwischenräumen zwischen Schichten vorgelegt wurde, Rechnung getragen werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt in Strahlungsrichtung der Primär Strahlung die mittlere Massenbelegung mit aktivem Material zu. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem die Portionen des aktiven Materials in ihrer Dicke variieren und oder indem in Strahlrichtung eine größere Anzahl dieser Portionen pro Einheit Strahlweg angeordnet sind, Hierdurch wird speziell der Tendenz geladener Teilchen als Pri- märstrahlung entgegengewirkt, auf Grund ihres zuvor beschriebenen Verhaltens gemäß der Bragg-Kurve den Hauptteil ihrer Energie erst kurz vor ihrem endgültigen Stopp im aktiven Material abzugeben, während zugleich gewährleistet ist, dass die für eine Neutronenerzeugung mittels Spallation erforderliche Mindestenergie entlang der gesamten Wegstrecke zur Verfügung steht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Portion des aktiven Materials eine Durchtrittsöffnung auf, durch die der Primärstrahl hindurchtreten kann. Dann kann insbesondere die Ruhelage des Primärstrahls so festgelegt sein, dass er durch die Durch trittsöffnung hindurchtritt, so dass er nur dann mit der Portion des aktiven Materials wechsel wirkt, wenn er aus der Ruhelage abgelenkt wird und beispielsweise auf den Rand der Durchtrittsöffnung trifft. Alternativ oder auch in Kombination zur Ablenkung kann der Pri- märstrahl auch aufgeweitet werden, oder sein Profil kann verändert werden. Insbesondere können mehrere Portionen, beispielsweise in Form von Schichten, in Strahlrichtung der Primärstrahlung hintereinander angeordnet sein und jeweils kreisförmige Durchtrittsöffnungen aufweisen, wobei sich in Strahlrichtung des Primärstrahls der Innendurchmesser der Durchtrittsöffnungen von einer Portion zur nächsten verengt. Die Schichten können beispielsweise in Form von Folien oder Platten realisiert sein. Der aus seiner Ruhelage abgelenkte Primärstrahl kann dann die Ränder mehrerer Durchtrittsöffnungen hintereinander angeordneter Schichten nacheinander durchdringen. Hierzu kann er insbesondere rotierend und/oder periodisch seitwärts von der Mitte zu den äußeren Rändern des durch die hintereinander angeordneten Durchtrittsöffnungen gebildeten Kegelausschnitts abgelenkt werden. Dadurch wird auch immer nur ein Teil der Schichten kurzzeitig von Strahl beaufschlagt und kann die eingebrachte Wärme in der Zwischenzeit effektiv abführen. De facto wirkt die periodische Strahlablenkung qualitativ ähnlich wie rotierende Spallationstargets, die früher schon einmal in Betracht gezogen wurden und in der Literatur beschrieben sind, jedoch quantitativ effektiver.
Vorteilhaft weicht der Strömungswiderstand, den das Target dem Kühlmedium in mindestens einer Richtung entgegensetzt, von dem Strömungs widerstand, den es dem Kühlmedium in mindestens einer hierzu senkrechten Richtung entgegensetzt, um weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 % und ganz besonders bevorzugt um weniger als 5 % ab. Dann gibt es im Wesentlichen keine Vorzugsrichtung für die Strömung des Kühlmediums, sondern das Kühlmedium kann in jeder beliebigen Richtung durch das Target fließen. Unter Strömungs widerstand wird in diesem Zusammenhang die Druckdifferenz verstanden, die erforderlich ist, um einen gegebenen Massenstrom an Kühlmedium durch das Target zu treiben. Diese Druckdifferenz hängt nicht nur von der inneren Struktur des Targets ab, sondern auch von seiner Ausdehnung. Je länger der von Portionen des aktiven Materials gesäumte Weg ist, den das Kühlmedium durch das Target zurücklegen muss, desto größer ist die Druckdifferenz, die für den Transport eines vorgegebenen Massenstroms notwendig ist. Vorteilhaft liegt das aktive Material in Form von Drähten, Fäden, einem Fasergewebe, Metallschäumen und/oder massiven bzw. hohlen Kugeln vor. In diesen Formen lässt es sich besonders einfach als regelmäßiges Muster mit hoher spezifischer Oberfläche herstellen.
Die Kugeln, die beispielsweise in Form von Kugelschüttungen vorliegen können, können insbesondere hohl sein, so dass ihr Inneres für die Primärstrahlung transparent ist. Dadurch kann die Eindringtiefe der Primärstrahlung in das gesamte Target weiter optimiert werden, wobei gleichzeitig die Wärmeerzeugung auf beherrschbare Konditionen begrenzt wird. Die Primärstrahlung erreicht nunmehr auch Bereiche in Tiefen innerhalb des Targets, in denen sie in Targets nach dem Stand der Technik schon absorbiert worden war. Auch sind offene oder geschlossene Mehrschichtanordnungen bzw. Sandwichbauweisen anwendbar.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das aktive Material als Metallschaum vor. Dabei kann es insbesondere eine Porosität zwischen 40 % und 95 %, bevorzugt zwischen 70 % und 95 %, aufweisen. Ein Metallschaum bildet selbstorganisiert Strukturen aus, die für den Einsatz als Target vorteilhaft sind. Je größer die Porosität, desto länger ist die Strecke, die die Primärstrahlung in den Metallschaum eindringen kann. In
Strahlrichtung der Primärstrahlung ist eine große Zahl von Portionen des aktiven Materials hintereinander angeordnet. Diese stehen jeweils durch eine Vielzahl metallischer Verbindungen im Wärmekontakt mit der Gesamtmatrix des Metallschaums, so dass die durch die Wechselwirkung mit der Primärstrahlung produzierte Wärme effektiv abgeführt werden kann. Vorteilhaft ist der Metallschaum offenporig. Dann kann ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium durch ihn hindurch gefördert werden.
Das flüssige oder gasförmige Kühlmedium kann selbst wieder ein aktives Material sein, so dass die vorteilhaften Eigenschaften beider aktiven Materialien miteinander kombiniert werden können. Im Folgenden werden diejenigen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen das aktive Material, das mit der Primärstrahlung beschossen wird und für die Umwandlung in die Sekundärstrahlung verantwortlich ist, flüssig oder gasförmig ist. Kombinationen mit den Ausfuhrungsformen, in denen das aktive Material fest ist, sowie mit den im Zusammenhang mit solchen Ausführungsformen offenbarten Einzelmaßnahmen gelten ausdrücklich auch als im Zusammenhang mit den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen offenbart. Im Rahmen der Erfindung wurde ein weiteres Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines aktiven Materials mit einer Primärstrahlung entwickelt. Das aktive Material ist flüssig oder gasförmig; es kann insbesondere ein flüssiges Metall sein, wie beispielsweise Blei oder ein Blei-Wismut-Eutektikum. Erfindungs gemäß enthält es mindestens einen für die Primärstrahlung transparenten Festkörper.
Dieser Festkörper kann insbesondere kugel- oder plattenformig sein oder in anderen geometrischen Formen ausgeführt sein. Er kann insbesondere hohl sein, oder partiell bzw. ganz aus leichteren Materialien bestehen (z.B. Titan), welche mit dem Primärstrahl im geringerer Weise reagieren, so dass er einen noch geringeren Anteil der Primärstrah lung absorbiert. Er kann in seiner Wandung oder in seinem Inneren ein aktives Material enthalten, das Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umwandelt, oder auch ein reiner geometrischer Verdrängerkörper sein, dessen einzige Funktion es ist, das flüssige oder gasförmige Material aus einem gewissen Bereich im Strahlengang der Primärstrahlung fernzuhalten.
Befindet sich ein solcher Körper im Primärstrahl, trennt er durch seine Verdrängung mehrere Portionen des aktiven Materials in Richtung des Primärstrahls voneinander. Dadurch werden die Absorption des Primärstrahls und damit auch die Erzeugung der Sekundärstrahlung auf ein größeres Raumgebiet im Target verteilt. Es wird somit der gleiche Effekt erzielt wie bei den vorgenannten Targets. Dabei fungiert das flüssige oder gasförmige aktive Material nicht nur als seine eigene Kühlung, sondern kann zugleich auch die Außenseite des transparenten Festkörpers intensiv kühlen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verengt sich der quer zur Strahlrichtung der Primärstrahlung gemessene Innendurchmesser des transparenten Festkörpers entlang der Strahlrichtung. Ein Beispiel für einen solchen Festkörper ist ein, insbesondere schlanker, Kegel oder Kegelstumpf, welcher mit der Spitze in die Strahlrichtung der Primär- Strahlung weist. Dann kann der Primärstrahl, bei einem Primärstrahl aus geladenen Teilchen beispielsweise durch magnetische Ablenkspulen oder Quadrupolmagnete, intermittierend oder rotierend an der inneren Oberfläche entlanggeführt werden. Dadurch ist immer nur ein geringer Teil des inneren Kegelmantels für kurze Zeit dem Primärstrahl ausgesetzt und kann bis zum erneuten Auftreffen des Strahls effektiv gekühlt werden. Die wärmeintensive Umwand- lung der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung, beispielsweise durch Spallationsreaktionen, finden dann im Wesentlichen im aktiven Material statt, das beispielsweise ein flüssiges Metall sein kann und als sein eigenes Kühlmittel fungiert. Der Innenraum des Kegels kann auch ein Vakuum enthalten. Beispielsweise kann er mit dem Vakuumsystem eines zur Erzeugung der Primärstrahlung verwendeten Beschleunigers verbunden sein und damit faktisch als gekühltes Strahlfenster fungieren. Das o.a. Grundprinzip ist auch für Targets mit festem aktivem Material, beispielsweise in
Spallationsanlagen, verwendbar, indem der Kegel außen effektiv gekühlt oder doppelwandig bzw. mehrschichtig ausgeführt wird. Zwischen den Kegelmänteln kann dann das Kühlmittel die entstehende Wärme abführen. Das Kühlmittel im Zwischenspalt kann allerdings auch aus Flüssigmetall bestehen, welches dann gleichzeitig als aktives Material, insbesondere als Spal- lationsmaterial, dient.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der transparente Festkörper ein Schaum mit geschlossenen Poren. Dieser Schaum kann aus einem leichten Metall oder einem anderen Material bestehen, das nur wenig bis gar nicht mit dem Primärstrahl wechselwirkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Target mindestens zwei in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeordnete Kanäle, die von dem aktiven Material durchströmbar sind. Diese Kanäle können insbesondere außerhalb des Strahlengangs der Primärstrahlung miteinander verbunden sein, so dass das aktive Material nur an einer Stelle in das Kanalsystem hineingefördert werden muss. Diese Ausgestaltung ist technisch einfacher zu realisieren als geometrische Verdrängerkörper in einem flüssigen oder gasförmigen aktiven Material; das aktive Material kann ohne Querschnitts Verengung durch Verdrängerkörper durch das Kanalsystem strömen.
Die in Bezug auf die zuvor beschriebenen Targets offenbarten Maßnahmen sind auch bei diesem Target anwendbar.
Mit jedem der erfindungsgemäßen Targets kann insbesondere ein Protonenstrahl als Primär- Strahlung durch eine Wechselwirkung mit einer Vielzahl hintereinander angeordneter Portionen des aktiven Materials in einem ausgedehnten Raumgebiet in Neutronenstrahlung umgewandelt werden. Das aktive Material kann dann insbesondere durch Spallation umgewandelt werden, wobei hochangeregte Atomkerne entstehen, die wiederum durch„Abdampfen" Neutronen als Sekundärstrahlung emittieren. Um das Target bildet sich ein gleichmäßig ausge- dehntes Neutronenfeld. Ein solches Feld kann genutzt werden, um Minore Aktinide (MA) und langlebige Spaltprodukte durch Kernreaktionen in weniger langlebige Radionuklide zu trans- mutieren. Insbesondere kann in einer das Target umgebenden Anordnung für Brennelemente eine linienförmige Neutronenquelle realisiert werden, die parallel zu den Brennelementen angeordnet werden kann und diese mit einer über die Brennstab länge homogenen Transmuta- tionsrate umsetzt. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle, insbesondere für die Transmutation hochradioaktiver Abfälle (high-level waste HLW), mit einem Protonenbeschleuniger als Quelle für die Primärstrahlung und einem erfindungsgemäßen Target als Neutronenquelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in Strahlrichtung der Primärstrahlung mehrere erfindungsgemäße Targets hintereinander angeordnet. Die Vorrichtung ist dann in besonderem Maße als linienförmige Neutronenquelle zur Bestrahlung etwa von Brennelementen geeignet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält mindestens ein Target zusätzlich Minore Aktinide des zu transmutierenden Abfalls. Dies kann z.B. durch Sandwich- bauweisen von Platten geschehen, in welchem zwischen zwei Metallfolien auch Aktiniden eingebracht werden. Anstelle von Fasermaterialien ließen sich auch Hohlfasern oder Röhrchen mit eingebrachten Aktiniden verwenden. Weiterhin sind Legierungen mit eingelagerten Minoren Aktiniden oder auch keramische Körper mit eingelagerten Minoren Aktiniden bzw. beschichteten oder unbeschichteten Partikeln mit Minoren Aktiniden anwendbar. Ein Teil der Aktinide würde dann direkt durch den Primärstrahl per Spallation vernichtet. Die Neutronenausbeute ist dabei wegen des hohen Atomgewichts besonders günstig und unterstützt die Transmutation in den umgebenden, als Abfall zu transmutierenden Brennelementen.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Targets, bei denen · mindestens eine Portion des aktiven Materials bzw. mindestens ein transparenter Festkörper von einer der Gravitationskraft entgegengerichtete Kraftkomponente der Strömung des Kühlmediums im Primärstrahl gehalten wird, und/oder
• mindestens eine Portion des aktiven Materials von der Strömung des Kühlmediums und/oder im freien Fall durch den Primärstrahl bewegt wird; • der Primärstrahl abgelenkt wird und/oder sein Profil und/oder sein Durchmesser verändert werden, so dass das aktive Material zeitlich variablen Intensitäten der Primärstrahlung ausgesetzt wird und/oder verschiedene Bereiche des aktiven Materials im Wechsel der Primärstrahlung ausgesetzt werden. Insbesondere Protonen, die als Primärstrahlung zur Erzeugung von Neutronenstrahlung durch Spall ation verwendet werden, lassen sich gut mit magnetischen Linsen und/oder Quadrupolmagneten beeinflussen. Die nach der Umwandlung in Neutronenstrahlung als Sekundärstrahlung nicht mehr mögliche elektromagnetische Beeinflussung von Strahlrichtung, Strahldurchmesser und Strahlform wird auf die Phase vor der Umwandlung, in der noch ein elektromagnetisch beeinflussbarer Strahl geladener Teilchen vorliegt, vorverlagert.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 : Kugelschüttung als Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets.
Figur 2: Drahtanordnung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets.
Figur 3: Schichtanordnung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets.
Figur 4: Erfindungsgemäße Vorrichtung für die Transmutation mit Targets.
Figur 5: Simulierter Neutronenfluss eines erfindungsgemäßen Targets.
Figur 6: Mögliche Realisierung eines Reaktors für die Transmutation.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets. Es besteht aus einer Schüttung von Kugeln 1 1 aus aktivem Material, die in Sandwichkugeln zwischen Netzgittern 12 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind nur zwei Lagen von Kugeln 1 1 dargestellt. Es können noch weitere dieser Lagen hinzugefügt werden. Alternativ oder auch in Kombination hierzu können mehrere der in Figur 1 gezeigten Sandwiches in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeordnet werden und zusammen ein einziges erfindungsgemäßes Target bilden. Das Kühlmedium kann durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kugeln strömen, so dass jede einzelne Kugel vom Kühlmedium umströmbar ist und das Target auch als Ganzes vom Kühlmedium durchströmbar ist. Das Kühlmedium kann sowohl von der Seite als auch von oben oder unten (Primärstrahlrichtung) durch das Target strömen. Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets. Es besteht aus Drähten 21 aus aktivem Material. Diese Drähte liegen nebeneinander in Ebenen, die wiederum hintereinander angeordnet sind. Indem im Betrieb die Primärstrahlung eine der Ebenen nach der anderen durchdringt, wird die Erzeugung der Sekundärstrahlung auf ein ausgedehntes Raumgebiet verteilt.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Targets. Das aktive Material liegt hier in Form von Schichten 31 vor, die Durchtrittsöffnungen 32 für die Primärstrahlung aufweisen. Diese Durchtrittsöffnungen 32 haben eine doppelte Wirkung. Zum einen kann durch sie der Primärstrahl hindurchtreten, wenn er in seiner Ruhelage einfällt. Zum anderen kann auch das Kühlmedium durch diese Öffnungen hindurchtreten, so dass es das ganze Target in Strahlrichtung des Primärstrahls durchströmen kann. Dieses Target ist speziell für Primär Strahlung aus geladenen Teilchen geeignet, die sich durch elektrische und magnetische Felder beeinflussen lässt, also beispielsweise für eine Spallationsquelle zur Erzeugung von Neutronen aus energiereichen Protonen. Solange der Primärstrahl in seiner Ruhelage einfällt, wechselwirkt er nicht mit dem aktiven Material 31, und es wird keine Sekundärstrahlung erzeugt. Um Sekundärstrahlung zu erzeugen, wird der Primärstrahl entweder aus seiner Ruhelage ausgelenkt oder aber sein Strahldurchmesser aufgeweitet, so dass er in Kontakt mit den Rändern der Durchtrittsöffnungen tritt.
Figur 4 zeigt den Teil der erfindungs gemäßen Vorrichtung für die Transmutation, in dem sich erfindungsgemäße Targets befinden.
Figur 4a zeigt eine Schnittzeichnung. Ein gepumptes UHV-Rohr 4 ist an einen Protonenbeschleuniger als Quelle für die Primärstrahlung 40 angekoppelt. In seinem unteren Teil ist durch ein Strahlfenster 41, das für die Primärstrahlung durchlässig ist, der Bereich abgetrennt, in dem sich das erfindungsgemäße Target 42 befindet. Dieser Bereich enthält das Kühlmittel Helium unter Druck. Das Target 42 enthält hintereinander angeordnete Portionen 43 des aktiven Materials, die vom Helium durchströmbar sind. Das Helium wird über einen Flansch 44 und eine in der Außenwand des UHV-Rohrs 4 verlegte Leitung 45 in den Bereich mit dem Target 42 geführt. Es durchdringt alle Portionen 43 des aktiven Materials und gelangt anschließend in eine Rückleitung 46 zu einem weiteren Flansch 47, wo es austritt. Dabei strömt das Gas vertikal von oben nach unten, weil oben der größte Wärmeeintrag stattfindet. Figur 4b zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 5 zeigt den simulierten Neutronenfluss, den ein erfindungsgemäßes Target unter Be- schuss mit Protonen als Primärstrahlung liefert. Jedes einzelne Proton hat eine Energie von 600 MeV, der Strahlstrom beträgt 10 mA. Der Primärstrahl transportiert somit eine Leistung von 6 MW. Er hat einen runden Querschnitt mit gaußförmiger Intensitätsverteilung. Das Strahlprofil beinhaltet 95 % der Gesamtintensität (3σ).
In Figur 5 ist der Neutronenfluss über der Eindringtiefe 1 in das Target (Ordinate) und der Entfernung r vom Zentrum des Targets (Abszisse) in Graustufen aufgetragen. Dunklere Töne entsprechen einem geringeren Neutronenfluss, hellere Töne entsprechen einem höheren Neutronenfluss. Der Primärstrahl fällt von links auf das Target ein. Das Target besteht aus hintereinander angeordneten Wolframscheiben mit einer Dichte von 19,3 g/cmJ. Die Dicke der Wolframscheiben nimmt mit zunehmender Eindringtiefe in das Target zu, was durch unterschiedlich dicke Skizzen der Scheiben auf der Ordinate maßstabsgerecht eingezeichnet ist. In der Simulation ist nur die Neutronenerzeugung berücksichtigt, nicht jedoch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Scheiben zwecks Gewährleistung der Kühlung. In der konkreten technischen Realisierung können die Scheiben wahlweise in derjenigen erfindungsgemäßen Ausgestaltung gebaut werden, die sich am besten mit den Randbedingungen der konkreten Transmutationsanlage vereinbaren lässt.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Flächen gleichen Neutronenflusses fast parallel zum Primärstrahl verlaufen. Somit ist über die gesamte Länge des Targets ein quasi homogener Neutronenfluss gegeben. Ein parallel zum Target angeordneter Brennstab wird somit gleichmäßig transmutiert.
Figur 6 zeigt eine mögliche Realisierung eines Reaktors für die Transmutation gemäß der in Figur 5 gezeigten Simulation. Durch ein Targetfenster 61 tritt der Protonenstrahl in das Target 62 ein. Um das Target herum ist ein unterkritischer Kern 63 aus den zu transmutierenden Brennstoffen rotationssymmetrisch angeordnet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines aktiven Materials mit einer Primärstrahlung, wobei das aktive Material fest ist und in der Strahlrichtung der Primärstrahlung mindestens zwei Portionen des aktiven Materials hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Portionen ein Kühlmedium zu strömen vermag,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Portionen so angeordnet sind, dass sie jeweils von dem Kühlmedium um- und/oder durchströmbar sind.
2. Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines festen aktiven Materials mit einer Primärstrahlung,
dadurch gekennzeichnet, dass
das aktive Material in einer Vielzahl fester Portionen vorliegt, die durch den Primärstrahl hindurch bewegbar sind.
3. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Ganzes von dem Kühlmedium durchströmbar ist.
4. Target nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es in Strahlrichtung der Primärstrahlung von dem Kühlmedium durchströmbar ist.
5. Target nach einem der vorhergehenden 2 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand, den es dem Kühlmedium in mindestens einer Richtung entgegensetzt, von dem Strömungs wider stand, den es dem Kühlmedium in mindestens einer hierzu senkrechten Richtung entgegensetzt, um weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 % und ganz besonders bevorzugt um weniger als 5 % abweicht.
6. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlungsrichtung der Primärstrahlung die mittlere Massenbelegung mit aktivem Material zunimmt.
7. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Portion des aktiven Materials eine Durchtrittsöffnung aufweist, durch die der Primärstrahl hindurchtreten kann.
8. Target nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Portionen des aktiven Materials in Strahlrichtung der Primärstrahlung hintereinander angeordnet sind und jeweils kreisförmige Durch tri ttsöffnungen aufweisen, wobei sich in Strahlrichtung des Primärstrahls der Innendurchmesser der Durchtrittsöffnungen von einer Portion zur nächsten verengt.
9. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material in Form von Drähten, Fäden, einem Fasergewebe und/oder massiven oder hohlen Kugeln vorliegt.
10. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material als Metallschaum vorliegt, insbesondere mit einer Porosität zwischen 40 % und 95 %.
1 1. Target für die Erzeugung einer Sekundärstrahlung durch Beschuss eines aktiven Materials mit einer Primär Strahlung, wobei das aktive Material flüssig oder gasförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das aktive Material mindestens einen für die Primärstrahlung transparenten Festkörper enthält.
12. Target nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material ein flüssiges Metall ist.
13. Target nach einem der vorhergehenden 2 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der quer zur Strahlrichtung der Primärstrahlung gemessene Innendurchmesser des transparenten Festkörpers entlang der Strahlrichtung verengt.
14. Target nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Festkörper ein Kegel oder Kegelstumpf ist, dessen Spitze in die Strahlrichtung der Primärstrahlung weist.
15. Target nach einem der vorhergehenden 4 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper ein Schaum mit geschlossenen Poren ist.
16. Target nach einem der vorhergehenden 5 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Target mindestens zwei in Strahlrichtung des Primärstrahls hintereinander angeordnete Kanäle enthält, die von dem aktiven Material durchströmbar sind.
17. Vorrichtung für die Transmutation radioaktiver Abfälle, umfassend einen Protonenbeschleuniger als Quelle für die Primärstrahlung sowie ein Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Neutronenquelle.
18. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erfindungsgemäße Targets in Strahlungsrichtung der Primärstrahlung hintereinander angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden 2 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Target zusätzlich Minore Aktinide des zu transmutierenden Abfalls enthält.
20. Verfahren zum Betreiben eines Targets nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Portion des aktiven Materials bzw. mindestens ein transparenter Festkörper von einer der Gravitationskraft entgegengerichtete Kraftkomponente der Strömung des Kühlmediums im Primärstrahl gehalten wird.
21. Verfahren zum Betreiben eines Targets nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Portion des aktiven Materials von der Strömung des Kühlmediums und/oder im freien Fall durch den Primärstrahl bewegt wird.
22. Verfahren zum Betreiben eines Targets nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstrahl abgelenkt wird und/oder sein Profil und/oder sein Durchmesser verändert werden, so dass das aktive Material zeitlich variablen Intensitäten der Primärstrahlung ausgesetzt wird und/oder verschiedene Bereiche des aktiven Materials im Wechsel der Primärstrahlung ausgesetzt werden.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111246653B (zh) * 2019-12-24 2025-01-28 中国科学院近代物理研究所 靶装置
CN116156727B (zh) * 2022-12-12 2025-12-23 中国科学院近代物理研究所 一种高功率束流下的同位素生产靶组件

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3993910A (en) * 1975-12-02 1976-11-23 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research & Development Administration Liquid lithium target as a high intensity, high energy neutron source
DE2850069C2 (de) * 1978-11-18 1983-01-05 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Target für Spallationsneutronenquellen
US4311912A (en) * 1980-05-08 1982-01-19 Mobil Oil Corporation Neutron accelerator tube having improved target section
FR2500949B1 (fr) * 1981-03-02 1986-06-20 Commissariat Energie Atomique Generateur de neutrons de grande energie et application a la neutronotherapie
DE3126191C2 (de) * 1981-07-03 1983-07-14 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Flüssigmetall-Target für eine Spallationsneutronenquelle
US5586153A (en) * 1995-08-14 1996-12-17 Cti, Inc. Process for producing radionuclides using porous carbon
WO1998019740A1 (en) * 1996-11-05 1998-05-14 Duke University Radionuclide production using intense electron beams
FR2811857B1 (fr) * 2000-07-11 2003-01-17 Commissariat Energie Atomique Dispositif de spallation pour la production de neutrons
WO2002031836A1 (en) * 2000-10-07 2002-04-18 Amini Behrouz Method and machine for enhancing generation of nuclear particles and radionuclides
JP4346838B2 (ja) * 2000-10-31 2009-10-21 三菱重工業株式会社 核種変換装置
DE102009007218A1 (de) * 2009-02-03 2010-09-16 Siemens Aktiengesellschaft Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung einer Photonenstrahlung mit einer Energie von mehr als 0,5 MeV

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012113367A2 *

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