DE1126037B - Vorrichtung zur Erzeugung kurzzeitiger Neutronenimpulse - Google Patents

Description

• 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.
• 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 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.
• 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.
• 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.
• Im folgenden sei an Hand der Abbildung und einem durchgerechneten Beispiel der Gedanke der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben.
• 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.
• 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.
• 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

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. 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, gekennzeichnet durch eine im Innern 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 Spaltstoffnienge 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.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Spaltstoffmenge unter Einwirkung ihres Eigengewichtes durch die Kanäle od. dgl. hindurchführbar ist, 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Spaltstoffmenge bei Einwirkung eines Druck-mittels, insbesondere eines inerten Gases, durch die Kanäle od. dgl. verzögert oder beschleunigt hindurchführbar ist.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 903 364; österreichische Patentschrift Nr. 166 668.