DE1288205B - Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen mit dem im Kern einesSchwimmbeckenreaktors erzeugten Neutronenfluss - Google Patents

Description

Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen mit dem im Kern eines Schwimmbeckenreaktors erzeugten Neutronenfluß, mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein strahlungsunempfindliches Kühlmittel in einem unteren, dem Neutronenfluß ausgesetzten Abschnitt eine Probe des zu bestrahlenden Stoffes umströmt, diese kühlt und in einem oberen, außerhalb des Neutronenflusses gelegenen Abschnitt über die Wandung eines Wärmetauschers mit einem strahlungsempfindlichen Kühlmittel in Energieaustausch tritt, sich abkühlt und wieder zur Probe zurückströmt, wobei die Vorrichtung einen von einem evakuierten Isoliermantel bildenden Rohr umgebenen dreiteiligen Aufbau aufweist, der aus einem oberen vertikalen, Kühlmittelzuleitungen enthaltenden Teil, einem mittleren horizontalen Verbindungsteil, der in solcher Tiefe in dem Wasserbecken liegt, daß die darüber befindliche Wasserschicht die biologische Abschirmung gewährleistet, und einem unteren vertikalen Teil besteht, der den geschlossenen Kreis für das strahlungsunempfindliche Kühlmittel, in dem dieses im unteren Abschnitt verdampft, in den oberen aufsteigt, dort im Wärmeaustausch mit dem strahlungsempfindlichen Kühlmittel wieder kondensiert und der Schwerkraft folgend in den unteren Abschnitt zurückfließt, und einen Kreis enthält, in dem das strahlungsempfindliche Kühlmittel in flüssiger Form eintritt, in dem es an der Wandung des Wärmeaustauschers verdampft und den es in Dampfform verläßt.

Bei dieser Vorrichtung ist es erforderlich, daß die Siedetemperatur des zweiten Kühlmittels, das den zweiten Kreis durchströmt, zwischen dem Siedepunkt und dem Gefrierpunkt des im geschlossenen Kreislauf vorhandenen Kühlmittels liegt. Wenn nämlich die Temperatur des Wärmetauschers durch die zweite Flüssigkeit auf einem Wert unterhalb des Gefrierpunktes der ersten Flüssigkeit gehalten wird, so schlägt sich letztere in fester Form an den Wänden des Wärmetauschers nieder und kehrt nicht in das Bad zurück.

Es gibt noch weitere Gründe, die bei der Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent die Verwendung zweier Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen Eigenschaften ausschließen. Gerade hieran besteht jedoch ein großes Interesse. Auf diese Weise sind nämlich Untersuchungen von Flüssigkeiten möglich, die nur in begrenzten Mengen zur Verfügung stehen oder in denen man die durch die Strahlung gebildeten Produkte zu konzentrieren sucht. So kann beispielsweise die erste Flüssigkeit Methan und die zweite Flüssigkeit, die vom Wärmetauscher Wärme abführt, Stickstoff mit handelsüblicher Reinheit sein.

Ein anderer Fall, in dem es von Interesse ist, zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Art zu benutzen, liegt dann vor, wenn man Bestrahlungen von Proben bei sehr niedriger Temperatur durchführen will und diese Proben verwerten will, ohne sie nach der Bestrahlung wieder zu erwärmen. Für Bestrahlungen bei etwa 20° K kann die zweite Flüssigkeit Wasserstoff sein, die dem Wärmetauscher in flüssiger Form zugeführt wird, hier ihre Kühlenergie abgibt und den Wärmetauscher in Gasform im zweiten Kreis verläßt. Die im Hauptpatent beschriebenen Vorrichtungen ermögliehen den Aufbau eines Wasserstoffkreises, dessen Kontinuität durch das Einführen und Herausnehmen der Proben nicht beeinträchtigt wird, was im Hinblick auf die Betriebssicherheit von besonderer Bedeutung ist. Während diese Vorrichtungen jedoch auch anwendbar sind, wenn als erste Kühlflüssigkeit gleichermaßen Wasserstoff verwendet wird, so ist ihre Benutzung bei Verwendung eines Edelgases, wie beispielsweise Neon, nicht mehr möglich, obwohl dies die Konstruktion der Kühlvorrichtung und das erwähnte Einbringen der Proben sehr erleichtern würde.

Man kann in gewissen Fällen die Schwierigkeit dadurch umgehen, daß man den Druck vergrößert, der im Behälter des ersten Kühlmittels herrscht, um dessen Gefriertemperatur auf einem geeigneten Wert zu halten. Auf diese Weise kann man — wie dies bereits im Hauptpatent erwähnt ist — als zweites Kühlmittel beispielsweise handelsüblichen Stickstoff und als erste Kühlmittel Methan verwenden.

Die Notwendigkeit, in dem das erste Kühlmittel enthaltenden Behälter einen verhältnismäßig hohen Druck aufrechtzuerhalten, der ein Mehrfaches des Atmosphärendruckes betragen kann, ist jedoch störend und kompliziert die Vorrichtung; es ist dann ferner erforderlich, die Druckfestigkeit und die Dichtigkeit der Behälter, der Rohrleitungen, Ventile und sonstigen Bauelemente des Kühlmittelkreises entsprechend zu wählen und zu überwachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die die Vorteile der Anordnung gemäß dem Hauptpatent aufweist und die Verwendung zweier Kühlmittel unterschiedlicher Art gestattet, bei der jedoch die Mangel vermieden sind, die aus der Anwendung von erhöhtem Druck im Kreis des ersten Kühlmittels herrühren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Heizvorrichtung für den zweiten Kreis oberhalb des Wärmetauschers und Steuermittel für diese Heizvorrichtung zur Verdampfung des zweiten Kühlmittels, dessen Verflüssigungspunkt unterhalb des Gefrierpunktes des ersten Kühlmittels liegt, sowie zur Erwärmung des Kühlmittels bis auf einen Wert, der zwischen der Verflüssigungstemperatur und dem Gefrierpunkt des ersten Kühlmittels liegt, vorgesehen sind.

Die Heizvorrichtung wird beispielsweise durch einen elektrischen Widerstand gebildet, der durch einen Steuerkreis gespeist wird, der eine Regulierung der umgesetzten Leistung ermöglicht.

Diese und zahlreiche weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles hervor. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt; es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen im einzelnen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Die Zeichnung zeigt eine Kühlvorrichtung zur Durchführung von Bestrahlungen von Proben mittels des vom Kern eines Schwimmbeckenreaktors ausgesandten Neutronenflusses; die allgemeine Anordnung ist der im Hauptpatent beschriebenen sehr ähnlich. Die dargestellte Vorrichtung benutzt als zweites Kühlmittel flüssigen Stickstoff mit einer Siedetemperatur von 77,3° K unter normalem Atmosphärendruck und als erstes Kühlmittel flüssiges Methan mit einem Siedepunkt von 111,8° K und einem Gefrierpunkt von 89° K bei gleichem Druck.

Das von flüssigem Methan gebildete Kühlbad 1 ist der vom Kern des Reaktors ausgehenden Strahlung 2 ausgesetzt. Dieses Bad 1 befindet sich entweder in

einem Tiegel oder — wie in der Zeichnung veranschaulicht — unmittelbar in einem geschlossenen Behälter 3, in dem ein Druck etwas oberhalb des normalen Atmosphärendruckes herrscht. Eine Wärmeübertragung von dem Schwimmbeckenwasser, in dem die Vorrichtung angeordnet ist, auf den Behälter 3, wird dadurch weitgehend vermindert, daß sich dieser Behälter 3 in einem rohrförmigen Behälter 4 befindet und der ringförmige Zwischenraum zwischen den Behältern 3 und 4 unter Vakuum steht, wie dies im Hauptpatent beschrieben ist.

Das zweite Kühlmittel ist Stickstoff, der in flüssiger Phase über eine Zuleitung 6 in eine Rohrschlange 7 eingeführt wird, die schraubenförmig um den Behälter 3 gewunden ist. Der obere Teil 8 der Rohrschlange 7 ist vom Behälter 3 durch einen radialen Zwischenraum i getrennt, der unter Vakuum steht und eine thermische Isolation bildet. Der untere Teil 8' der Rohrschlange ist im Gegensatz hierzu mit dem Behälter 3 verlötet und steht demgemäß in engem ao thermischen Kontakt mit der Behälterwandung. Ein elektrischer Heizwiderstand 9, der in einem elektrischen Kreis A liegt, ist mit dem oberen Teil der Stickstoffrohrschlange 7 verlötet. Ein Thermometer 10, das mit dem unteren Teil 8' der Rohrschlange 7 oder mit der Wand des Behälters 3 verlötet ist, mißt die Temperatur dieser Wand, die die Wärmetauscherfläche zwischen den beiden Kühlmitteln bildet.

Der über die Zuleitung 6 zugeführte flüssige Stickstoff siedet bei einem Druck in der Nähe des normalen Druckes im Teil 8 der Rohrschlange 7, der durch den Zwischenraum / vom Behälter 3 thermisch isoliert ist. Die Temperatur der Wärmetauscheroberfläche, die durch das Thermometer 10 gemessen wird, wird durch die vom Heizwiderstand 9 entwickelte Wärme auf einen Wert oberhalb von 89° K gehoben. Der Heizwiderstand 9 wird zu diesem Zweck vom Kreis A mit einer solchen Spannung gespeist, daß der Stickstoff im Teil 8 verdampft und sich auf eine geeignete Temperatur erhitzt. Der gasförmige Stickstoff entweicht schließlich über die Leitung 11.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei dem die Wärmetauscheroberfläche eine effektive Größe von 1600 cm² aufweist, verfügt man im Bad 1 über eine nutzbare Kühlleistung von 100 W, wobei der Durchsatz an flüssigem Stickstoff 5 1/Std. beträgt. Man kann dann den Kreis A so einstellen, daß die vom Heizwiderstand 9 entwickelte elektrische Leistung Null ist, wenn man im Bad die maximale Leistung umsetzt, daß dagegen die elektrische Heizleistung ansteigt (maximal bis zu 100 W), wenn sich die im Bad umgesetzte Leistung verringert.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Stoffen bei tiefen Temperaturen mit dem im Kern eines

55 Schwimmbeckenreaktors erzeugten Neutronenfluß, mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein strahlungsunempfindliches Kühlmittel in einem unteren, dem Neutronenfluß ausgesetzten Abschnitt eine Probe des zu bestrahlenden Stoffs umströmt, diese kühlt und in einem oberen, außerhalb des Neutronenflusses gelegenen Abschnitt über die Wandung eines Wärmeaustauschers mit einem strahlungsempfindlichen Kühlmittel in Energieaustausch tritt, sich abkühlt und wieder zur Probe zurückströmt, wobei die Vorrichtung einen von einem evakuierten Isoliermantel bildenden Rohr umgebenen dreiteiligen Aufbau aufweist, der aus einem oberen vertikalen, Kühlmittelzuleitungen enthaltenden Teil, einem mittleren horizontalen Verbindungsteil, der in solcher Tiefe in dem Wasserbecken liegt, daß die darüber befindliche Wasserschicht die biologische Abschirmung gewährleistet, und einem unteren vertikalen Teil besteht, der den geschlossenen Kreis für das strahlungsunempfindliche Kühlmittel, in dem dieses im unteren Abschnitt verdampft, in den oberen aufsteigt, dort im Wärmeaustausch mit dem strahlungsempfindlichen Kühlmittel wieder kondensiert und der Schwerkraft folgend in den unteren Abschnitt zurückfließt, und einen Kreis enthält, in dem das strahlungsempfindliche Kühlmittel in flüssiger Form eintritt, in dem es an der Wandung des Wärmeaustauschers verdampft und den es in Dampfform verläßt, nach Patent 1 260 037, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung (9) für den zweiten Kreis (8) oberhalb des Wärmetauschers (3, 8') und Steuermittel für diese Heizvorrichtung zur Verdampfung des zweiten Kühlmittels, dessen Verflüssigungspunkt unterhalb des Gefrierpunktes des ersten Kühlmittels liegt, sowie zur Erwärmung des Kühlmittels bis auf einen Wert, der zwischen der Verflüssigungstemperatur und dem Gefrierpunkt des ersten Kühlmittels (1) liegt, vorgesehen sind.

2. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Kreis einen schraubenförmig um den dichten Behälter (3) gewickelten Bereich aufweist, der nacheinander in Strömungsrichtung des zweiten Kühlmittels einen Teil (8) enthält, der vom Behälter (3) durch einen Zwischenraum (/) getrennt ist, weiterhin einen Teil (8'), der in thermischem Kontakt mit dem Behälter (3) steht, der den Wärmetauscher bildet, wobei die Heizvorrichtung (9) auf dem ersten Teil (8) vorgesehen ist, um hierin das zweite Kühlmittel zu verdampfen.

3. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung durch einen elektrischen Heizwiderstand (9) gebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen