Vorrichtung zur Erzeugung kurzzeitiger Neutronenimpulse Die vorliegende
Erfindung betrifft eine Anordnung für die Erzeugung kurzzeitiger, starker Neutronenimpulse.
Derartige Anordnungen sind z. B. von besonderem Interesse für medizinische Zwecke
sowie für die Herstellung und Untersuchung von kurzlebigen Isotopen.Device for generating short-term neutron pulses The present
The invention relates to an arrangement for generating short-term, strong neutron pulses.
Such arrangements are z. B. of particular interest for medical purposes
as well as for the production and investigation of short-lived isotopes.
Bei den zu diesem Zweck bekannten Vorrichtungen treffen energiereiche
Strahlen oder Teilchen auf bestimmte Elemente, in denen Kernprozesse unter Freisetzung
von Neutronen ausgelöst werden. Werden diese Strahlen oder Teilchen aus radioaktiven
Stoffen gewonnen, so besitzt das neben den Neutronen insgesamt auftretende Strahlungsspektrum
eine meist unerwünschte Intensität; werden entsprechende Teilchen künstlich in einer
Beschleunigungsanlage erzeugt, so ist ein verhältnismäßig recht großer technischer
Aufwand vorauszusetzen. So sind z. B. bei Versuchen, eine sich selbst aufrechterhaltene
Kettenreaktion von Kernprozessen durch zwei verschiedene Elemente bzw. Isotope zu
erzeugen, bei denen die Zerfallsprodukte des einen Elements bzw. Isotops jeweils
den Zerfall des anderen auslösen und der Vorgang durch Teilchen aus einer Beschleunigungsanlage
initiiert wird, solche Kettenreaktionen von einigen Sekunden Dauer (nach Abschalten
der Beschleunigungsanlage) erhalten worden; naturgemäß ist hierbei ein entsprechender
Aufwand erforderlich und die Dauer der Reaktion nicht genau bestimmbar. Auf jeden
Fall sind die so erzielbaren Neutronenintensitäten begrenzt und sehr viel kleiner
als z. B. in Kernreaktoren.In the devices known for this purpose, high-energy ones meet
Rays or particles on certain elements in which nuclear processes are under release
triggered by neutrons. Are these rays or particles made of radioactive
Obtained substances, then has the total radiation spectrum occurring in addition to the neutrons
a mostly undesirable intensity; are corresponding particles artificially in a
Generated acceleration system, it is a relatively large technical one
Assuming effort. So are z. B. in attempts to maintain a self-sustaining one
Chain reaction of core processes through two different elements or isotopes
generate, in which the decay products of one element or isotope respectively
trigger the disintegration of the other and the process by particles from an accelerator
chain reactions of a few seconds duration (after switching off
the acceleration system) has been obtained; naturally here is a corresponding one
Effort required and the duration of the reaction cannot be precisely determined. In any
In this case, the neutron intensities that can be achieved are limited and much smaller
as z. B. in nuclear reactors.
In Kernreaktoren wird im allgemeinen eine Kettenreaktion,
d. h. ein Neutronenfluß, erzeugt, der über eine möglichst lange Zeit einen
konstanten Wert haben soll, da unter anderem ein gleichmäßiger Neutronenfluß für
eine gleichmäßige Leistungsabgabe erforderlich ist. In einem bekannten Fall wurde
bereits die Konstruktion eines Kernreaktors erwogen, bei dem lediglich zwecks Steuerung
der abzugebenden Leistung der Kernspaltprozeß intermittierend erzeugt wird. Hierbei
soll die Uranmasse aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein, die in vorgegebenen
Zeitintervallen entweder durch einen Neutronenabsorber (Cadmium) vorübergehend voneinander
getrennt oder durch Annäherung und wieder folgende Entfernung eines Reflektors beeinflußt
oder einander genähert und dann wieder voneinander entfernt werden, so daß nur in
bestimmten Zeitintervallen die für das Zustandekommen der exponentiell divergierenden
Kernspaltungsreaktion erforderliche überkritische Menge an Spaltstoff zur Verfügung
steht.In nuclear reactors, a chain reaction, i. H. a neutron flux is generated, which should have a constant value for as long as possible, since, among other things, a uniform neutron flux is required for a uniform output. In a known case, the construction of a nuclear reactor has already been considered, in which the nuclear fission process is generated intermittently only for the purpose of controlling the power to be delivered. Here, the uranium mass should be composed of several individual parts, which are either temporarily separated from one another by a neutron absorber (cadmium) or influenced by the approach and subsequent distance of a reflector, or they are approached and then removed from one another, so that only in certain time intervals the supercritical amount of fission material required for the exponentially diverging nuclear fission reaction to take place is available.
Für eine kurzzeitige Erzeugung von hohen Neutronenimpulsen sind Kernreaktoren
im allgemeinen und auch Reaktoren der letztgenannten Art nicht ohne weiteres,
d. h. nicht ohne erhebliche konstruktive Änderungen geeignet, da hierbei
in der Regel der Neutronenimpuls nach Stärke und Dauer über einen weiteren Bereich
und innerhalb relativ enger Toleranzgrenzen vorgebbar sein soll und dies beispielsweise
bei einem Reaktor der letzgenannten Art wegen der Charakteristik seiner Kernspaltungsreaktion
praktisch nicht durchführbar ist.For a short-term generation of high neutron pulses, nuclear reactors in general and also reactors of the last-mentioned type are not readily, i. H. not suitable without considerable design changes, since the neutron pulse should generally be specifiable in terms of strength and duration over a wider range and within relatively narrow tolerance limits and this is practically not feasible for a reactor of the last-mentioned type, for example, due to the characteristics of its nuclear fission reaction.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung
kurzzeitiger Neutronenimpulse mittels intermittierend erzeugter Kernspaltungsprozesse,
in der der Spaltstoff aus mehreren Einzelteilen besteht, die für jeweils kurze Zeiten
einander genähert und dann wieder voneinander entfernt werden, bei- der die Neutronenimpulse
innerhalb eines relativ weiten Bereiches mit verhältnismäßig engen Toleranzgrenzen
für Höhe und Breite vorgebbar sein sollen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch
eine im Innem eines gasdichten Behälters untergebrachte unterkritische Menge hochangereicherten,
homogen oder heterogen mit einem Moderator gemischten Spaltstoffes und von außen
durch das Innere des Behälters und der Spaltstoffmenge geführte Kanäle, durch die
eine vorgegebene Menge zusätzlichen Spaltstoffes, die zusammen mit der Spaltstoffmenge
im Behälter eine überkritische Menge bildet, mit vorgegebener Geschwindigkeit hindurchführbar
ist.
Als Moderator käme z. B. Berylliumoxyd oder Kohlenstoff in
Frage, aber auch eine organische Flüssigkeit. Die Menge des Brennstoff-Moderator-Gemisches
wird dabei so gewählt, daß der Reaktor mit Sicherheit unterkritisch ist. Dieser
Reaktionsraum ist von einem oder mehreren Kanälen durchdrangen, durch die unter
Einwirkung der Schwerkraft oder einer Hilfskraft eine genau defmierte zusätzliche
Menge von Spaltstoff hindurchfließen kann, so daß für die Dauer dieser Spaltstoffbewegung
durch den Reaktionsraum die gesamte Anordnung überkritisch wird, d. h., daß
während dieser Zeit ein 1'T%eutronenimpuls frei wird, der in seiner Intensität von
der Menge des zusätzlich eingeführten Spaltstoffes abhängig ist. Die Durchlaufzeit
des zusätzlichen Spaltstoffes ist dabei frei wählbar. Im einfachsten Fall
läßt man den Spaltstoff z. B. in Kugelform frei durch einen der Kanäle fallen, was
zur Erzeugung eines kurzen Impulses ausreicht. Die Durchlaufgeschwindigkeit des
zusätzlichen Spaltstoffes läßt sich aber auch mit einfachen Mitteln variieren, z.
B. durch Vergrößerung des Widerstandes innerhalb der Kanäle. Dieses kann etwa durch
ein gesteuertes Einblasen eines Inertgases erreicht werden. Durch entsprechende
Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit dieses Inertgases läßt sich leicht jede
beliebige Durchlaufzeit für den zusätzlichen Spaltstoff einstellen, d. h.,
es lassen sich Neutronenimpulse von beliebiger Dauer erzielen. Mit dem gesteuerten
Einblasen des Inertgases kann nach Bedarf wahlweise entweder eine beschleunigte
Durchleitung des zusätzlichen Spaltstoffes (Hindurchtreiben) oder ein verzögerter
Durchtritt desselben erzielt werden.The present invention relates to a device for generating short-term neutron pulses by means of intermittently generated nuclear fission processes, in which the fissile material consists of several individual parts that are brought closer to each other for short times and then removed from each other again, with the neutron pulses relatively within a relatively wide range narrow tolerance limits for height and width should be specifiable. The invention is characterized by a subcritical amount of highly enriched, homogeneously or heterogeneously mixed with a moderator housed inside a gas-tight container and ducts guided from the outside through the interior of the container and the amount of fissile material through which a predetermined amount of additional fissile material, which together with the Amount of fissile material in the container forms a supercritical amount, can be passed through at a predetermined speed. As a moderator z. B. beryllium oxide or carbon in question, but also an organic liquid. The amount of the fuel-moderator mixture is chosen so that the reactor is definitely subcritical. This reaction space is penetrated by one or more channels through which a precisely defined additional amount of fissile material can flow under the action of gravity or an auxiliary force, so that the entire arrangement becomes supercritical for the duration of this movement of fissile material through the reaction space, i.e. This means that during this time a 1% eutron pulse is released, the intensity of which depends on the amount of additionally introduced fissile material. The throughput time of the additional fissile material can be freely selected. In the simplest case , you can leave the fissile material z. B. fall freely through one of the channels in a spherical shape, which is sufficient to generate a short pulse. The speed of the additional fissile material can also be varied by simple means, e.g. B. by increasing the resistance within the channels. This can be achieved, for example, by a controlled injection of an inert gas. By changing the flow rate of this inert gas appropriately, any desired flow time for the additional fissile material can be easily set, i. That is, neutron pulses of any duration can be achieved. With the controlled blowing in of the inert gas, either an accelerated passage of the additional fissile material (driving through) or a delayed passage of the same can be achieved as required.
Im folgenden sei an Hand der Abbildung und einem durchgerechneten
Beispiel der Gedanke der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben.The following is based on the illustration and a calculated one
Example of the concept of the present invention will be described in detail.
Der gasdichte Reaktionsraum sei als Hohlkugel 1
ausgebildet
mit einem Durchmesser von beispielsweise 40 cm. Als Spaltstoff 2 finde hochangereichertes
Uran als Urancarbid, in Graphit 3 eingebettet, z. B. ebenfalls in Kugelform,
Verwendung. Eine zentrale, gegen den Kugelinhalt gasdicht verschweißte senkrechte
Bohrung 4, die beiderseits durch Schleusen 5 abschließbar ist, dient als
Fallweg für eine kleinere Kugel, die in einer gasdichten Hülle 6 eine solche
Menge Spaltstoff 7 enthält, daß während des Durchfallens eine Reaktivität
von beispielsweise + 2301/oo entsteht.The gas-tight reaction space is designed as a hollow sphere 1 with a diameter of 40 cm, for example. As a fissile material 2 find highly enriched uranium as uranium carbide, embedded in graphite 3 , z. B. also in spherical shape, use. A central vertical bore 4, welded gas-tight to the contents of the ball, which can be closed on both sides by sluices 5 , serves as a fall path for a smaller ball, which in a gas-tight envelope 6 contains such an amount of fissile material 7 that a reactivity of, for example, + during the fall through 2301 / oo is created.
Hierfür sei ein Zahlenbeispiel angegeben: Legt man der Rechnung eine
vorhandene Neutronenquelle von 107 nCM-2 S-1 und eine Fallzeit von
0,1 Sekunde zugrunde, so ergibt sich ein Neutronenimpuls von
mit ö k = Reaktivität, t = Zeit, -c = 10-3
s = prompte Reaktorperiode eingesetzt ergibt sich
Das Spaltstoff-Moderator-Gemisch habe einen makroskopischen Absorptionskoeffizienten
2#, = 10-2 cm-'. Damit erhält man 1015 Spaltungen cm - 3
s - 1.
Die Hohlkugel hat einen Inhalt von
r#J - 4 - 8 - 10-3 m3 = 3,2 - 10-2 m3 = 3,2 - 104 CM3
das ergibt insgesamt 3,2 - 104,1015 = 3,2 - 1019 Spaltungen s-l.
3,2 - 1010 Spaltungen s-1 erzeugen 1 Watt 0,239 cal s-l. Es
werden also 106 kW oder 2,39 - 105 kcal s-1, in 0,1 Sekunde
mithin 2,39 - 104 kcal, frei. Bei einer Dichte des Gemisches von
3 und einer Wärinekapazität von 0,4 kcal kg-' 1 C-1 ergibt sich eine
Temperaturerhöhung von
Diese im Gemisch entstehende Temperatur kann beliebig abgeführt werden, da ausreichend
Zeit hierfür zur Verfügung steht, z. B. durch Anblasen der Anordnung mit Kühlluft.A numerical example is given for this: If the calculation is based on an existing neutron source of 107 nCM-2 S-1 and a fall time of 0.1 second, the result is a neutron pulse of with ö k = reactivity, t = time, -c = 10-3 s = prompt reactor period, the result is The fission material-moderator mixture has a macroscopic absorption coefficient 2 #, = 10-2 cm- '. This gives 1015 divisions cm - 3 s - 1. The hollow sphere has a content of r # J - 4 - 8 - 10-3 m3 = 3.2 - 10-2 m3 = 3.2 - 104 CM3 that results in a total of 3.2 - 104.1015 = 3.2 - 1019 splits sl. 3.2 to 1010 s-1 divisions generate 1 watt 0.239 cal sl. So 106 kW or 2.39-105 kcal s-1, in 0.1 second 2.39-104 kcal, are released. With a density of the mixture of 3 and a heat capacity of 0.4 kcal kg- '1 C-1 there is a temperature increase of This resulting temperature in the mixture can be dissipated as desired, since sufficient time is available for this, z. B. by blowing the arrangement with cooling air.
Bei einer für zulässig erachteten Erwärmung des Reaktors um kurzzeitig
6401 C ergeben sich folgende Verhältnisse in Abhängigkeit von der Fallzeit:
Erreich- Energie-
Reaktivi- barer dichte Lei- Wärme-
Fallzeit tät in Neu- Spaltun- stung erzeugung
Promille tronenfluß gen
Sekun- jecm3und
den ök ncm-2s-1 , Sekunde
, kW , kcal s-,
0,1 230 1017 1015 106 2,-19. 104
1 20,7 1016 1014 105 2,39-104
10 1,84 1015 1013 104 2,39-103
100 0,131 1014 1012 103 2,39 - 1022
If the reactor is briefly heated by 6401 C , which is considered permissible, the following conditions arise depending on the fall time: Reach- energy-
Reactivatable dense cable heat
Fall time is in new cleavage generation
Per mille electron flow gen
Seconds jecm3und
den ec ncm-2s-1 , second , kW , kcal s-,
0.1 230 1017 1015 106 2, -19. 104
1 20.7 1016 1014 105 2.39-104
10 1.84 1015 1013 104 2.39-103
100 0.131 1014 1012 103 2.39 - 1022