WO2001087022A1 - Verfahren und vorrichtung zur beherrschung von druckwellen in targets von spallations-neutronenquellen - Google Patents

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liquid target
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Günter HANSEN
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/06Generating neutron beams

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating neutrons with the aid of a spallation effect according to the preamble of claim 1.
  • Liquid metals such as lead and bismuth or their eutectic and mercury are used as target material in high-performance systems. Elements with a high mass number are particularly suitable because of the large number of neutrons in the atomic nucleus. Furthermore, due to their good heat transfer properties, the liquid metals also allow the heat generated in the spallation process to be dissipated safely.
  • the targets of high-power spallation neutron sources are located in a thin-walled steel container through which the liquid target material (the liquid metal) flows.
  • a flow of the liquid target material is generated within the container in such a way that in particular the wall area through which the proton beam penetrates into the container is effectively cooled.
  • the spallation neutron sources are operated in pulsed mode to generate high short-term neutron fluxes.
  • the proton beam which is supposed to release neutrons, strikes the target material periodically with a frequency of a few 10 Hertz and per period only for a very short time of approx. 1 ⁇ s.
  • the nuclear reactions deposit very high energy in the liquid target material, so that a very strong pressure wave with pressure values of 1000 bar and above is formed therein.
  • These strong pressure waves in the liquid target material lead to tensions in the structure of the target container that significantly exceed the permissible material values. Without further measures, the target container will therefore be destroyed after just a few pulses.
  • the object of the present invention is therefore to create a method for generating neutrons with the aid of a spallation effect, with which the pressure waves can be controlled without the disadvantages associated with gas bubble input.
  • the vapor bubbles are so unstable that they collapse in the pressure wave range when a pressure wave hits. By collapsing, they contribute to damping.
  • the vapor bubbles are also so stable that they increase the compressibility of the cooling flow of the liquid target material and thereby, e.g. in the edge area of the pressure waves, contribute to damping the pressure waves.
  • the acceleration of the partial cooling flow also creates high shear forces in the liquid target material, which break up gas bubbles created by outgassing and help to ensure that these are distributed more evenly in the partial cooling flow. This also improves the damping of the pressure waves.
  • the vapor bubbles are so unstable that they collapse in a period of time between two successive proton beam pulses when they are transported out of the vacuum region by the cooling flow. There is therefore no need for a device for separating the generated vapor bubbles.
  • a small proportion of the cooling flow of the liquid target material is branched off and conducted via one or more pipelines within the target container in the vicinity of the area in which the pressure waves arise from the incident proton beam.
  • the partial cooling flow is switched off in suitable devices, e.g. Nozzles, orifices or the like, accelerated to such an extent that cavitation effects occur in a vacuum region formed by the acceleration.
  • suitable devices e.g. Nozzles, orifices or the like
  • vapor bubbles are formed within the liquid target material, which are generally evenly distributed. If a proton beam now generates a pressure wave in the liquid target material and this hits the negative pressure area, the vapor bubbles in it collapse.
  • the pressure wave does not collapse, it increases the compressibility of the cooling flow and thus also contributes to damping the pressure wave.
  • the described device for generating the negative pressure region in the target container also effects gas bubbles that are already in the cooling stream of the liquid target material, e.g. due to entrainment effects on free surfaces of the cooling circuit or from the spallation processes, another positive effect.
  • the acceleration of the coolant results in high shear forces within the vacuum region, which break up these gas bubbles and thus lead to an even distribution of the gas bubbles. This also has a positive effect on the damping of the pressure waves.

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Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen mit Hilfe eines Spallationseffektes beinhaltet das Abzweigen einer Teilkühlströmung und eine Beschleunigung der Teilkühlströmung in der Weise, daß in dem durch die Beschleunigung erzeugten Unterdruckgebiet Dampfblasen entstehen, die nach Einleitung in die Hauptkühlströmung beim Auftreffen eines Protonenstrahls dämpfend auf erzeugte Druckwellen wirken.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beherrschung von Druckwellen in Targets von
Spallations-Neutronenquellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen mit Hilfe eines Spallationseffektes gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
In Anlagen zur Erzeugen von Neutronen durch den sogenannten Spallationseffekt werden hochenergetische Protonen auf ein Target aus schweren Atomkernen geschossen. Dabei werden die Atomkerne so hoch angeregt, daß sie in einer Art Verdampfungsprozeß eine große Anzahl von Neutronen (ca. 20 Neutronen pro Proton) freisetzen.
Als Targetmaterial werden in Anlagen großer Leistung flüssige Metalle verwendet, wie beispielsweise Blei und Wismut oder deren Eutektikum und Quecksilber. Elemente mit hoher Massenzahl sind dabei wegen der vielen Neutronen im Atomkern besonders geeig- net. Weiterhin erlauben die Flüssigmetalle wegen ihrer guten Wärmeübertragungseigenschaften auch eine sichere Abfuhr der bei dem Spallationsprozess entstehenden Wärme.
Die Targets von Spallationsneutronenquellen großer Leistung befinden sich in einem dünnwandigen Stahlbehälter, der mit dem flüssigen Targetmaterial (dem Flüssigmetall) durchströmt wird. Innerhalb des Behälters wird eine Strömung des flüssigen Targetmaterials erzeugt, derart, daß insbesondere der Wandbereich, durch welchen der Protonstrahl in den Behälter eindringt, effektiv gekühlt wird.
Zur Erzeugung von hohen kurzzeitigen Neutronenflüssen werden die Spallations- Neutronenquellen gepulst betrieben. Der Protonstrahl, welcher Neutronen freisetzen soll, trifft periodisch mit einer Frequenz einiger 10 Hertz und pro Periode nur für eine sehr kurze Zeit von ca. 1 μs auf das Targetmaterial auf. Innerhalb dieser kurzen Pulsdauer wird durch die nuklearen Reaktionen eine sehr hohe Energie in dem flüssigen Targetmaterial deponiert, so daß darin eine sehr starke Druckwelle mit Druckwerten von 1000 bar und darüber ausgebildet wird. Diese starken Druckwellen in dem flüssigen Targetmaterial führen in der Struktur des Targetbehälters zu Spannungen, die die zulässigen Materialwerte deutlich übersteigen. Ohne weitere Maßnahmen wird daher der Targetbehälter bereits nach wenigen Pulsen zerstört werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß zur Beherrschung dieser Druckwellen Gasblasen in das Flüssigmetallsystem eingebracht werden, um die Kompressibilität zu erhöhen. Ein Nachteil dieser Maßnahme des Standes der Technik liegt darin, daß zu deren Durchführung Einrichtungen zur Eingabe und zum Abscheiden der Gasblasen in bzw. aus dem flüssigen Targetmaterial benötigt werden. Der entscheidende Nachteil liegt jedoch darin begründet, daß es äußerst schwierig ist, in dem komplexen Strömungsfeld des flüssigen Targetmaterials eine gleichmäßige Gasblasenverteilung zu erzeugen und die Verteilung auch über eine längere Zeit konstant zu halten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen mit Hilfe eines Spallationseffektes zu schaffen, mit welchem die Druckwellen ohne die mit einer Gasblaseneingabe verbundenen Nachteile beherrschbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des An- Spruchs 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 ist es möglich, in der Kühlströmung des flüssigen Targetmaterials und in dem Bereich, in welchem die Druckwellen entstehen, Dampfblasen zu erzeugen, welche die beim Auftreffen eines Protonenstrahls er- zeugte Druckwelle dämpfen.
Die Dampf blasen sind derart instabil, daß sie im Druckwellenbereich beim Auftreffen einer Druckwelle kollabieren. Sie tragen durch die Kollabierung zur Dämpfung bei.
Die Dampfblasen sind aber auch derart stabil, daß sie die Kompressibilität der Kühlströmung des flüssigen Targetmaterials erhöhen und dadurch, z.B. im Randbereich der Druckwellen, zur Dämpfung der Druckwellen beitragen.
Mit der Erzeugung eines Unterdruckgebietes durch Beschleunigung der Teilkühlströmung werden Ausgasvorgänge in der Teilkühlströmung erzeugt, derart, daß Gasblasen entstehen, die wiederum zur Dämpfung der Druckwellen beitragen.
Durch die Beschleunigung des Teilkühlstromes entstehen ferner hohe Scherkräfte in dem flüssigen Targetmaterial, welche durch Ausgasung entstandene Gasblasen zerschlagen und dazu beitragen, daß diese in der Teilkühlströmung gleichmäßiger verteilt werden. Auch dadurch wird die Dämpfung der Druckwellen verbessert.
Die Dampfblasen sind aber derart instabil, daß sie in einer Zeitspanne zwischen zwei auf- einander folgenden Protonstrahlpulsen kollabieren, wenn sie durch die Kühlströmung aus dem Unterdruckgebiet heraus transportiert werden. Es wird daher keine Vorrichtung zur Abscheidung der erzeugten Dampfblasen benötigt.
Der Ablauf des Verfahrens ist wie folgt:
Es wird ein kleiner Anteil der Kühlströmung des flüssigen Targetmaterials abgezweigt und über eine oder mehrere Rohrleitungen innerhalb des Targetbehälters in die Nähe des Bereiches geleitet, in welchem die Druckwellen durch den auftreffenden Protonstrahl entstehen. Kurz bevor dieser Teilkühlstrom des flüssigen Targetmaterials wieder mit dem sogenann- ten Hauptkühlstrom innerhalb des Targetbehälters vereinigt wird, wird der Teilkühlstrom in geeigneten Vorrichtungen, wie z.B. Düsen, Blenden oder dergleichen, derart stark beschleunigt, daß in einem durch die Beschleunigung gebildeten Unterdruckgebiet Kavitationseffekte entstehen. Im Rahmen solcher Kavitationseffekte bilden sich innerhalb des flüssigen Targetmaterials Dampfblasen, die in der Regel gleichmäßig verteilt sind. Wenn nun ein Protonstrahl in dem flüssigen Targetmaterial eine Druckwelle erzeugt und diese auf das Unterdruckgebiet auftrifft, kollabieren die darin vorhandenen Dampf blasen. Dies führt zu einer kurzzeitigen lokalen Reduktion des Volumenbedarfs des Flüssigkeit-Dampf blasen- Gemisches. Aufgrund der Tatsache, daß sich in dieser relativ kurzen Zeit kein thermody- namisches Gleichgewicht einstellen kann, kommt es zu einer Dämpfung der Druckwelle, bevor diese die Strukturen des Targetbehälters erreicht. Solche Dampfblasen, die beim
Auftreffen der Druckwelle nicht kollabieren, erhöhen die Kompressibilität des Kühlstroms und tragen dadurch ebenfalls zur Dämpfung der Druckwelle bei.
In der Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden Protonenstrahlpulsen entstehen keine Druckwellen. In dieser Zeitspanne kollabieren die Dampfblasen wieder, wenn sie durch die Kühlströmimg des flüssigen Targetmaterials aus dem Unterdruckgebiet heraus transportiert werden. Aus diesem Grunde wird keine Vorrichtung zur Abscheidung und zur Eingabe der Dampf blasen benötigt. Weiterhin werden durch die Erzeugung eines Unterdruckgebiets durch eine Beschleunigung des Teilkühlmittelstroms Ausgasvorgänge im Kühlstrom des flüssigen Targetmaterials erzeugt. Dabei werden im Kühlstrom gelöste Gase in Form von Gasblasen ausgelöst. Auch diese ausgelösten Gasblasen tragen dann erheblich zur Dämpfung der Druckwellen bei.
Die beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung des Unterdruckgebiets im Targetbehälter bewirkt auch für Gasblasen, die sich bereits im Kühlstrom des flüssigen Targetmaterials befinden, z.B. durch Entrainmenteffekte an freien Oberflächen des Kühlkreislaufes oder aus den Spallationsvorgängen, einen weiteren positiven Effekt. Durch die Beschleunigung des Kühlmittels entstehen nämlich innerhalb des Unterdruckgebietes hohe Scherkräfte, die diese Gasblasen zerschlagen und so zu einer gleichmäßigen Verteilung der Gasblasen führen. Auch dadurch wird die Dämpfung der Druckwellen positiv beeinflußt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Neutronen mit Hilfe eines Spallationseffektes, mit den Schritten: - Bereitstellen eines flüssigen Targetmaterials in einem Behälter;
- Erzeugen einer Hauptkühlströmung des flüssigen Targetmaterials;
- Erzeugen eines Protonenstrahls von kurzer Pulsdauer;
- Ausrichten des Protonenstrahls auf das flüssige Targetmaterial, wobei durch das Auftreffen des Protonenstrabls in dem flüssigen Targetmaterial Druckwellen ausgebildet werden, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
- Abzweigen einer Teilkühlströmung aus der Hauptkühlströmung des flüssigen Targetmaterials;
- Beschleunigen der Teilkühlströmung, derart, daß in einem dadurch entstehenden Unterdruckgebiet Dampf blasen gebildet werden; - Einleiten der beschleunigten Teilkühlströmung mit den Dampf blasen in die Nähe des Bereichs der Hauptkühlströmung, in welchem die Druckwellen in dem flüssigen Targetmaterial entstehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwellen durch Kollabierung der Dampfblasen im Druckwellenbereich gedämpft werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwellen durch eine Erhöhung der Kompressibilität der Kühlströmung durch die Dampf blasen gedämpft werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Erzeugung eines Unterdruckgebietes durch Beschleunigung der Teilkühlströmung Ausgasvorgänge in der Teilkühlströmung erzeugt werden, wobei die Druckwellen durch die im Rahmen der Ausgasvorgänge entstehenden Gasblasen gedämpft werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Beschleunigung des Teilkühlstromes hohe Scherkräfte erzeugt werden, welche die Gasblasen zerschlagen und in der Teilkühlströmung verteilen, wodurch die Druck- wellen gedämpft werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfblasen derart instabil ausgebildet werden, daß sie in einer Zeitspanne zwi- sehen zwei aufeinander folgenden Protonenstrahlpulsen kollabieren, wenn sie durch die Kühlströmung aus dem Unterdruckgebiet heraus transportiert werden.
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