CH452070A - Neutronen-Generator - Google Patents

Description

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 Neutronen-Generator Die    Erfindung   bezieht sich. auf eine Einrichtung zur Erzeugung insbesondere extrem hoher    Neutronenflüsse,   also einen    Neutronen-Generator   mit einem evakuierten Strahlrohr für den Zustrom hochenergetischer Protonen zu einem Neutronen erzeugenden    Target,   welches für Protonenstrahlen verwendet werden    kann,   die eine    Strahlstromstärke   bis zu 100    mA   besitzen und durch gesteuerte elektromagnetische Felder auf 1    GeV   beschleunigt sind.

   Die Gesamtenergie dieses Protonenstrahls wird    dann   etwa in der    Grössenordnung   von 60 Megawatt liegen, von denen angenähert 35 Megawatt als Wärme aus dem    Target   abgeführt werden müssen, während die Nuklearkaskade eine Neutronenquelle mit einer Leistung von 1019 Neutronen pro Sekunde bilden kann. Im Strahlrohr wird dazu ein Vakuum von etwa 10-9    Torr   erzeugt. 



  Wenn sich das    Target   nicht in einem Vakuum befindet, müssen Massnahmen getroffen werden, die das Vakuum, in dem der Protonenstrahl erzeugt wird, so lange ungestört lassen, bis der Strahl das    Target   erreicht. Eine    Möglichkeit   zur Lösung dieses Problems besteht in der Anordnung eines    Fensters   aus einem Material, das für Protonen verhältnismässig durchlässig ist. Als Material für dieses Fenster wäre Beryllium denkbar, jedoch ergeben sich an diesem Fenster sehr starke Strahlungsschäden, die durch den    Neutronen-      fluss   vom    Target   und dem Protonenstrom    verursacht   werden.

   Neutronenbestrahlung von Beryllium und rostfreiem Stahl erhöht die    Zugfestigkeit,      verringert   die Leitfähigkeit und kann bei Beryllium zu einer    Volu-      menvergrösserung   führen. Diese Veränderungen beruhen wahrscheinlich auf der Bildung von    Zwischenglie-      derketten   und    Leerstellenketten   sowie auf Helium, das durch Umwandlung von Beryllium erzeugt wird.    Mit   dem Wachsen des Heliumgehalts im Beryllium nimmt die mechanische Anfälligkeit des    Vakuumdichtungsfen-      sters   zu.

   Ausserdem würde bei einem 60 Megawatt Strahl die Wärmeabgabe an einem Fenster von 19    kW   pro mm Dicke Beryllium auf 72    kW   pro    mm   Eisen variieren. Die Probleme der Korrosion und Kühlung könnten durch Anordnung des Fensters an der Aussenseite der    Targetanlage   sowie dadurch erleichtert werden, dass der Raum zwischen dem Fenster und einem    Flüssigmetalltarget   mit einem    Inertgas   unter Druck    gesetzt      wird.   Jedoch würde die Wärmeabgabe in einer 2 Meter    Argonsäule   bei 2,11    kg/cm2   42    kW   und bei Helium 3,6    kW   betragen.    Es   ergibt sich, dass das Fenster selbst gekühlt werden müsste und.

   das die durch das Kühlmittel absorbierte Strahlung darüber hinaus die Erwärmung des Fensters und die dadurch bedingten Energieverluste vergrössern würde. Das Druckgas müsste kontinuierlich ersetzt werden, um die Verluste in einem fliessenden Flüssigmetall auszugleichen. 



  Die vorgenannten Probleme werden durchweg dadurch vermieden, dass als    Target   ein flüssiger Metallstrom dient, der am Ende des Strahlrohrs vorbeigeführt ist und zu einem    Wärmeaustauscher   und wieder zum Strahlrohr zurückströmt, um im Wärmeaustauscher die im    Targetbereich   erzeugte Wärme abzugeben.

      Zweckmässigerweise   besteht der flüssige Metallstrom, der sowohl den fensterlosen Abschluss des Strahlrohres wie auch das    Target   und dazu noch das Wärmetransportmittel vom    Targetbereich   zum    Wärmeaustauscher   bildet, aus einer    Blei-Wismuth-Le-      gierung.   Des weitern betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen    Generators,   das dadurch    gekennzeichnet   ist, dass der flüssige Metallstrom mit einer solchen    Geschwindigkeit   am Ende des Strahlrohres vorbeigeführt wird, dass sich am    Strahlrohrende   eine das Rohr abschliessende    Kavitationsblase   bildet. 



  Im Gegensatz zu einer Anordnung mit Fenster liefert die Anordnung nach der Erfindung einen klaren und ungestörten Weg für den Protonenstrahl zum    Tar-      get,   ferner ein    Target,   das gegen die durch die Bestrahlung erzeugte starke Hitze widerstandsfähig ist. 



  Ein Ausführungsbeispiel der    Erfindung   und eine Modifikation werden nachfolgend    anhand   der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:    Fig.   1    eine      schematische   Darstellung eines    Neutro-      nen-Generators   gemäss der Erfindung; 

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    Fig.   2 eine vereinfachte Darstellung des in dem erfindungsgemässen Neutronengenerator verwendeten Protonenstrahl- und    Targetsystems   und    Fig.3A   und 3B eine abgewandelte Ausführungsform im Aufbau des Strahlrohrs und des    Fluidstroms   des    Kühlmittel-Targets.   



  Gemäss    Fig.   1 wird ein Protonenstrahl 10 in ein    Target   11 geschickt, das von einem in einem Schutzmantel 13 eingeschlossenen Moderator 12, z. B. Schwerwasser, umgeben ist. Eine Pumpe 14 pumpt ein    Wärmeaustauschmedium   vom    Target   11 zum    Wärme-      austauscher   15 und zurück zum    Target   11. Auf diese Weise wird die im    Target   während des Betriebs erzeugte Wärme durch eine herkömmliche    Wärmeüber-      tragungs-Wärmeaustauscheinrichtung   vom    Target   abgeführt.

   Beim Betrieb eines    Neutronen-Generators   bestrahlt der Protonenstrahl 10 das    Target   und erzeugt einen intensiven Neutronenfluss und Wärme im    Target   11. Der intensive Neutronenfluss kann mit Hilfe nicht dargestellter    Strahllöcher   durch den Moderator 12 hindurch nach aussen geleitet werden, während die Wärme vom    Target   durch ein    Wärmeaustauschmedium   abgezogen wird, das durch den    Wärmeaustauscher   15 strömt. 



  In der    Fig.   2 ist eine nach der Erfindung ausgebildete Anordnung für die Erzeugung eines intensiven Neutronenflusses dargestellt. Wie zuvor wird ein Protonenstrahl 10 entlang einem    Strahlrohr   16 in ein    Tar-      get   11 beschleunigt und ruft, wie auch andere Bestrahlungen, einen intensiven Neutronenfluss und Wärme hervor. Das    Target   besteht aus einer flüssigen Legierung, hier einer    Blei-Wismuth-Legierung,   die gleichzeitig auch das Arbeitsmittel für den Wärmeaustauschkreislauf abgibt. Die gewählte    Blei-Wismuth-Legierung   kann jede gewünschte Zusammensetzung haben; bevorzugt wird jedoch das    Eutektikum,   da es den niedrigsten Schmelzpunkt hat, womit es für den Generator als höchst erwünscht erscheint.

   Das flüssige    Blei-Wismuth-      Eutektikum   gelangt über das. Rohr 17 in den    Targetbe-      reich   und strömt nach unten durch den verengten Abschnitt    IS   des Rohrs 17 und an dem offenen Ende 19 des    Stralrohrs   16 vorbei. Die flüssige    Blei-Wismuth-      Legierung   wird dann im    Targetbereich   11 dem Protonenstrahl 10 ausgesetzt und dort stark erhitzt;    an-      schliessend   wird die Legierung durch den unteren Abschnitt 20 des Rohrs 17 abgezogen.

   Die flüssige    Blei-      Wismuth-Legierung   wird beim Durchgang durch den    Targetbereich   beträchtlich erhitzt; diese Wärme wird mit Hilfe eines    Wärmeaustauschers   abgezogen, und es wird die flüssige    Blei-Wismuth-Legierung   dann erneut durch den    Targetbereich   geschickt. Wie in der    Fig.2   gezeigt, wird erfindungsgemäss am freien Ende 19 des Strahlrohrs 16 eine    Kavitationsblase   21 gebildet, die in wirkungsvoller Weise das freie Ende des Strahlrohrs 16 abdichtet und auf diese Weise dafür sorgt, dass das Vakuum des    Protonenstrahl-Generatorsystems   ungestört bleibt.

   Die schnellfliessende    Targetflüssigkeit   strömt durch einen eingeschnürten Abschnitt 18 des Rohrs 17 und erzeugt am freien Ende 19 des Strahlrohrs 16 ein sehr kleines Vakuum und    demzufolge   eine    Kavitationsblase   21. Hierdurch wird das Vakuum ohne ein Fenster und ohne alle diejenigen schwerwiegenden Nachteile und Probleme aufrechterhalten, die bei Verwendung eines Vakuumfensters vorliegen. Auf diese Weise werden bei einem Neutronengenerator mit einer    Protonenstrahlenergie   von 65 Megawatt ungefähr 37 Megawatt durch    Ionisationsprozess   in dem Blei-Wis-    muthtarget   abgegeben. Die Neutronen bilden etwa 15 Megawatt als kinetische Energie, von der ein grosser Teil in dem in üblicher Weise von Schwerwasser gebildeten Moderator 12 gefangen wird.

   Die verbleibenden 13 Megawatt    Eneraie   erscheinen als    Gammastrahlung   im    Target,   Moderator und Schutzmantel 13. 



  Bei ausschliesslicher Betrachtung der Wärme im    Target   11. kann in diesem ein Temperaturanstieg von angenähert 250  C zugelassen werden. Dementsprechend ist ein Massenstrom von etwa 1 Tonne pro Sekunde durch den    Targetbereich   11 erforderlich. Die    Fig.   2 zeigt die axiale Strömungsgeometrie einer für die Verwendung bei einem Neutronen-Generator geeigneten Vorrichtung. Diese besondere    Axialströmungsan-      ordnung   geniesst aus zahlreichen Gründen den Vorzug. Erstens verdrängt das    Targetmaterial   ein Minimum des Moderators. Die axiale Symmetrie    liefert   ein Maximum an Flexibilität in der Anordnung von Neutronenstrahlrohren und Strahlungseinrichtungen.

   Das Protonenstrahlrohr 16    liegt   koaxial zu dem Flüssigmetallrohr 17, wobei die Fliessgeschwindigkeit so hoch gewählt ist, dass am Ende 19 des Strahlrohrs 16    Kavita-      tion   auftritt. Glücklicherweise liegen die Dampfdrücke von Blei und    Wismuth   bei den vorherrschenden Temperaturen im Bereich von 10-7    Torr.      Kavitation   tritt ein, und es arbeitet das System als Exhaustor oder als    Strahlpumpe,   so dass ein    Strahlrohrfenster   überflüssig ist. Der Rückstrom von Metalldampf kann durch Kühlung der Wände des Strahlrohrs mit einer kalten Auffangeinrichtung 22 verhindert werden.

   Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass der heisseste Bereich des    Eutektikums   sich nicht mit dein Strahlrohr 16 in Berührung befindet. Die Temperatur der mit dem Rohr 20 in Berührung befindlichen Flüssigkeit liegt nahe der Massentemperatur des    Targetmaterials   nach    Absorbierung   der    Strahlenergie.   



  Die    Fig.   3A und 3B zeigen eine weitere Ausführungsform des Rohrs 17 und des Strahlrohrs 16, die verwendet werden können. Der grundsätzliche Unterschied zwischen dieser Ausbildung des Rohrs 17 und derjenigen in    Fig.   2 besteht darin, dass um das Strahlrohr 16 herum innerhalb des Rohrs 17 eine Mehrzahl von Leitflügeln vorgesehen und so angeordnet sind, dass sie eine Rotation der flüssigen    Blei-Wismuth-Le-      gierung   um das Ende des Strahlrohrs 16 und im Abschnitt 18 des Rohrs 1.7 verursachen, so dass sich am Ende 19 des Strahlrohrs 16 ein umlaufender Strom ergibt, der die Stabilität der    Kavitationsblase   21 erhöht. 



  Die Erfindung ermöglicht somit einen verbesserten Aufbau für einen Neutronen-Generator sowie ein verbessertes    Target,   der aus flüssiger    Blei-Wismuth-Legie-      rung   besteht; dieses    Target   wird vom Strom einer flüssigen    Blei-Wismuth-Legierung   gebildet, der koaxial zum Strahlrohr des Protonengenerators liegt und auf diese Weise am freien Ende des Strahlrohrs eine    Kavi-      tationsblase   hervorruft, so dass die Vakuumabdichtung durch ein für Protonen transparentes Fenster und die damit verbundenen Nachteile beseitigt sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Neutronen-Generator mit einem evakuierten Strahlrohr (16) für den Zustrom hochenergetischer Protonen zu einem Neutronen erzeugenden Target, dadurch gekennzeichnet, dass als Target ein flüssiger Metallstrom dient, der am Ende des Strahlrohres vorbeigeführt ist und zu einem Wärmeaustauscher und <Desc/Clms Page number 3> wieder zum Strahlrohr zurückströmt, um im Wärme- austauscher die im Targetbereich erzeugte Wärme abzugeben.

   PATENTANSPRUCH II Verfahren zum Betrieb eines Generators nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Metallstrom mit einer solchen Geschwindigkeit am Ende des, Strahlrohres vorbeigeführt wird, dass sich am Strahlrohrende eine das Rohr abschliessende Kavita- tionsblase (21) bildet. UNTERANSPRÜCHE 1. Generator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr innerhalb eines Moderators (12) endet. 2. Generator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Metallstrom aus einer Blei-Wismuth-Legierung besteht. 3. Generator nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ein Eutektikum ist.