DE2016658A1 - Veränderliche Neutronenquelle - Google Patents

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Veränderliche Neutronenquelle

Die Erfindung betrifft eine veränderliche Neutronenquelle mit einem Alphastrahler.

Neutronenquellen werden für zahlreiche Zwecke eingesetzt, z. B. zum Studium der Verlangsamung und Diffusion von Neutronen in verschiedenen Stoffen, zur Bestimmung der Neutronenstreuung und der Absorptionsquerschnitte, zur Eichung und zum Vergleich von Neutronendetektoren, als Primär- und Sekundärstandard zur Bestimmung des Gesamtneutronenflusses bei Umsetzungen usf. Die meisten dieser Anwendungen erfordern nicht eine kontinuierliche Höhe des Neutronenflusses. Die bekannten Neutronenquellen, die z. B. die Neutronen durch Strahlungsbeschuss eines Targetmaterials mit einem radioaktiven Material erzeugen, verlangen zur Verminderung de« Ifeutronenflueses aufwendige Abschirmungen, die wegen

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der hohen Gefahr für Gesundheit und Sicherheit sehr aufwendig sind. Da meist ein ständiger Neutronenfluss erzeugt wird, tritt eine frühzeitige Erschöpfung des Targetmaterials ein und die Lebensdauer der Neutronenquelle wird verkürzt.

Die Erfindung hat eine veränderliche Neutronenquelle zur Aufgabe, deren Neutronenfluss eingestellt, gegebenenfalls auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt und u. U. sogar ganz abgeschaltet werden kann, ohne dass aufwendige Abschirmmassnahmen erforderlich werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Neutronen aussendendes Targetmaterial von einer von dem Alphastrahler entfernten Stelle geringster Neutronenemission durch geeignete Mittel im Kreislauf zunächst mit dem Alphastrahler in Kontakt gebracht und dann an die Ausgangsstelle zurückbefördert wird.

In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 eine Ausführung der Neutronenquelle der Erfindung im perspektivischen Längsschnitt, die Figur 2 ein Detail einer weiteren Ausbildung, und die Figur 3 im Längsschnitt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.

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Zu dem grundsätzlichen Aufbau gemäss der Figur 1 gehört ein Alphastrahler und ein Transportsystem für eine Flüssigkeit und/oder ein Gas in Form eines in einem Gehäuse 12 angebrachten porösen Dochts oder Kapillarmaterials 14, das mit dem Arbeitsmittel getränkt ist, sowie ein Durchlass oder Kanal 16. Die Form des Gehäuses 12 ist beliebig, ebenso Querschnitt (gleich, oder zu- oder abnehmend), Baulänge und -form (gerade oder gebogen). Die Ausgestaltung im Einzelnen richtet sich nach dem Verwendungszweck. Der gezeigte Docht besteht aus einem Drahtgeflecht, aber ein anderes Kapillarmaterial ist ebenfalls geeignet, wie z. B. ein Tuchgewebe, Glasfasern, poröses Metall, poröse Keramikrohre oder in die Innenwand oder -fläche des Gehäuses 12 eingeschnittene Züge oder Längsrillen. Gehäuse und Docht bestehen aus einem geeigneten, gegenüber dem Arbeitsmittel beständigen Material, z.B. Glas oder Stahl.

Das Arbeitsmittel wird in dem Verdampferteil 18 bei höherer Temperatur verdampft, durch die Kapillarwirkung des Dochts wieder in den Niedertemperaturbereich 20 transportiert, wo es kondensiert. Die Temperatur ist dabei durch die gesamte Baulänge des Gehäuses nahezu isothermisch, da-ein Temperaturunterschied von wenigen Grad um den je nach der Siede-Kondtneationstemperatur des Arbeitsmittels und dem Arbeitsdruck

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verschiedenen kritischen Punkt ausreicht. Die Länge der Bereiche 18 und 20 ist je nach der gewünschten Wärmeflussdichte beliebig.

Der Verdampferteil wird durch eine beliebige Heizquelle 22 erhitzt, z. B. durch einen Widerstandserhitzer mit einer Stromquelle 24 oder einen Brenner usw. Gegebenenfalls kann auch die Heizquelle nach aussen verlegt werden. Die Vorrichtung ist dann als Wärmefühler oder -messer in einem Wärme erzeugenden System, z. B. einem Kernreaktor verwendbar.

Der Verdampferteil 20 ist unmittelbar über die Gehäusewände oder Abstrahlflächen 26 mit einem Wärmeaustauscher, der Atmosphäre oder einem Kühlmittel verbunden.

Das Arbeitsmittel besteht z. B. aus dem Targetmaterial, gegebenenfalls einer Mischung verschiedener Targets, und einem Träger oder Verdünnungsmittel. Das Targetmaterial muss bei Beschuss mit einem Alphastrahler Neutronen aussenden, wie z. B. Fluor, bestimmte Isotope von Sauerstoff, Stickstoff oder Beryl. Beispiele für fluorhaltige Arbeitsmittel sind Fluorbenzol, Kohlenstoffsuperfluorverbindungen, wie Perfluor-1,3-Dimethylcyclohexan mit einem Siedepunkt von 100°0, Tetrafluormethan, Kohlenstofftetrafluorid mit einem Siedepunkt

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bei 128 , Perfluorpentan u. a. Fluorkohienstoffverbindungen. Je stärker die Verbindung fluoriniert ist, desto mehr Fluoratome stehen pro Molekül Arbeitsmittel als Target zur Verfügung. Gegebenenfalls können auch mehrere Mittel mit verschiedenem Fluorinierungsgrad und Dampfdruck verwendet werden. Man erhält dann eine Neutronenquelle mit noch 'grösserer Variationsbreite.

Zur Änderung des Neutronenflusses wird die Arbeitsflüssigkeit mit dem Targetmaterial in der Dampfphase mit einem im Abstand von der flüssigen Phase angeordneten Alphastrahler in Kontakt gebracht. Ein Abstand des Alphastrahlers 30 in dem Kanal 16 ist ohne weiteres möglich. Die Form des Alphastrahlers ist an sich beliebig, da aber der Kontakt mit dem Target in der Dampfphase des Letzteren erfolgt, wird der Strahler günstigerweise in körniger Form, als Pulver oder Agglomerat, z. B. Mikrokugeln, Tabletten und dergleichen vorgesehen.

Das an sich beliebige Alpha-radioaktive Material soll vorzugsweise ohne aufwendige Abschirmung auskommen. Geeignet hierfür sind z.B. entweder das reine Material oder Oxide oder Keramiken, beispielsweise Plutonium-238, Polonium-210, Thorium-228, Uran-232 und Americium-241.

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Es kann in einem geeigneten porösen Schirm, Sieb oder Käfig 32 enthalten sein. Der Käfig 32 wird durch geeignete Träger 3^ in dem Kanal 16 gehalten; er ist entweder länglich ausgebildet, so dass er über einen grösseren Teil oder ganz durch den Kanal 16 reicht, oder es sind weitere, durch die gestrichelten Linien angedeutete Käfige 36 vorgesehen.

) Eine andere Ausbildung eines Käfigs oder Schirms 40, z. B.

mit der Form einer Muschelschale ist in der Figur 2 gezeigt. Die Käfige bestehen aus geeignetem, für die Umgebung widerstandsfähigem Material, das den Dampf durchfluss zu dem Alphastrahler nicht unnötig behindert, wie z. B. rostfreiem Stahl. Beim Erhitzen des Verdampferteils 18, z. B. durch das Heizelement 18, wird das z. B. fluorhaltige Arbeitsmittel verdampft und fliesst entlang dem Kanal in den Kondensationsteil 20. Beim Durchgang um und durch den Käfig 32 gelangt es

k mit dem Alphastrahler in Kontakt, so dass Neutronen emittiert werden. Bei steigender Temperatur des Teils 18 nimmt die Verdampfung und damit der Neutronenfluss zu, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Eine noch grössere Variationsbreite des Neutronenflusses erhält man durch Verwendung einer Mischung von Targetstoffen mit verschiedenem Dampfdruck. Wird der Teil von der Heizquelle entfernt oder das Heizelement abgeschaltet, so kehrt das Arbeitsmittel ganz oder nahezu ganz

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in die flüssige Phase zurück und der Alphastrahler 30 wird von dem Target getrennt. Der Neutronenfluss wird damit Null oder nahezu Null, die Neutronenquelle ist also inaktiv.

Durch geeignete, nicht näher gezeigte Mittel kann verbrauchtes Target- und Strahlungsmaterial entfernt und ausgetauscht werden.

Nach der Ausgestaltung der ligur 3 ist das Alphamaterial 50 auf einem in dem flaschenartigen Behälter *A angebrachten Drahtgeflecht vorgesehen. Der mit dem Arbeitsmittel getränkte Docht 56 ist entlang der Innenwand des Behälters 54- nahe dem Geflecht 52 angebracht. Der Docht an sich beliebiger länge kann durch ein Ventil oder einen im Hals des Behälters montierten Abschlusshahn 58 mit dem Material 50 getränkt werden.

Durch Erhitzen des unteren Behälterendes wird das Arbeitsmittel verdampft und die Neutronenreaktion mit der Alphaquelle eingeleitet. Wird ein Arbeitsmittel mit hohem Dampfdruck . verwendet , und ist die Umgebungstemperatur für die Verdampfung des Arbeitsmittels ausreichend, so kann der Neutrornenfluss auch durch gesteuerte Kühlung des Behälters 54 geregelt werden. Bei genügender Dichte oder ausreichendem Vo-

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lumen des Alpliastrafrlers kann dieser auch selbst die Wärmequelle für die Verdampfung des Arbeitsmittels abgeben.

Gegebenenfalls kann der Docht % entfallen und das Arbeitsmittel am Boden oder einer anderen geeigneten Stelle des Behälters y\- verteilt werden. Der Kontakt des Alphastrahlers mit Targetmaterial in der Dampfphase wird dann durch Er- ^ hitζen des Arbeitsmittels durch den Behälter 54- hergestellt, wobei der das Target enthaltende Dampf durch Konvektion oder dergleichen im Behälter an den Alphastrahler 50 gelangt. Bei dieser Ausgestaltung ist allerdings der oben erläuterte Kreislauf und die Ergänzung des Targetmaterials während des Betriebs der Neutronenquelle nicht möglich.

Als Ausführungsbeispiel wurde eine Neutronenquelle entsprechend der Figur 1 und der Figur 3 mit 2,5 g Plutonium-238-Dioxid-Mikrokun;eln als Alphastrahler und Fluorbenzol als ™ Arbeitsmittel und Targetmaterial hergestellt. Der Behälter bestand aus Glas, mit einem Innendurchmesser von 3>8 cm und einer Länge von 25,4 cm. Der Docht bestand aus zwischen einem Schirmpaai¹ aus rostfreiem Stahl e:erollter und zusammengepresster Glaswolle. Bei einem Temperaturanstieg um ^O von der Ausgangstemperatur kann eine Zunahme der Neutronenemission vom inaktiven Zustand um 10% erreicht werden.

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Bie Abschaltung der. epfiiidtiiigageiiia^^en Neutronenquelle auf einen inaktiven Zustand ermöglicht die sichere Handhabung ohne aufwendige AhsQliipmungsr- und ^iohepheitsmasanahiaen, Bupc.h. geeignete Auswahl -unct IJins.tellung Λταη Behälter-, UmlaufBedingung en, Arbeits- ur^d Target s.t offen kann eine gewünschte Va.riatiQna'br-elte er-zielt werden, E₍s. sind jeweils mehrere ifeu.trQnen.flus.shöhen

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Claims (5)

Patentansprüche

1. J Veränderliche Neutronenquelle mib einem Alphaabrahler, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neutronen aussendendes Targetmaterial von einer von dem Alphastrahler entfernten Sbelle geringster Neubronenemission durch geeignete Mittel im Kreislauf zunächst mit dem ALphastrahler in Kontakt gebracht und dann an die Ausgangsstelle zurückbefördert wird.

2. Neutronenquelle gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste oder flüssige Targetmaterial für den Kontakt mit dem Alphastrahler verdampft wird.

3. Neutronenquelle gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial normalerweise flüssig ist, ein Dochtmaterial oder dergleichen dieses in eine Heizzone leitet und nach Kontakt mit dem Alphastrahler das entstehende Kondensab wieder absorbierfc.

4. Neutronenquelle gemäes einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass das Targebmaterial aus einer oder mehreren Fluorverbindungen, inabesondere z. B. Fluorbenzol besteht.

5. Neutronenquelle gemäsa Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dm\o dor tUph'ini.ruhler Pluf;onLiiiu-238 enthält.

ORIGINAL INSPECTED

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