Flüssigmetall-Target für eine Spallationsneutronenquelle

Abstract

 Gegenstand der Erfindung ist ein Flüssigmetall-Target für eine Spallationsquelle, bestehend aus einem Strömungskanal (1), in dem Flüssigmetall (2) mit hinreichend hoher Geschwindigkeit strömt, wobei der Strömungskanal eine Öffnung (3) für den Eintritt des Protonenstrahls (P) hat und durch geeignete Formgebung des Kanals Trägheitskräfte durch Umlenkung des Flüssigkeitsstroms erzeugt werden, die so beschaffen sind, daß ein Austritt des Flüssigmetalls aus dem Fenster verhindert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Trägheitskräfte im Zusammenwirken mit den Gravitationskräften im Bereich des Fensters die Ausbildung einer freien, von der Kanalwand losgelösten Flüssigkeitsoberfläche (6) bewirken, die etwa parallel zu der Kanalwand ist, in der sich der Strahlfenster (Öffnung) befindet. Dies kann gemäß der Erfindung durch ein gekrümmtes Kanalstück mit Anordnung des Fensters in der zum Krümmungsmittelpunkt hinweisenden Wand realisiert werden oder durch Einschnürung des Flüssigkeitsstroms vor dem Fenster und nachfolgende Expansion nach dem Fenster. Die Kombination beider Methoden ist gemäß der Erfindung ebenfalls möglich (Fig. 1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Target für eine Spallationsneutronenquelle, das unter Verwendung von flüssigem Metall gebildet wird, welches in einem Kanal mit darin angeordneter Umwälzpumpe sowie einem Wärmetauscher umläuft, wobei ein zur Freisetzung energiereicher Neutronen vorgesehener Protonenstrahl hoher Energie durch eine im Kanal angebrachte, unabgedeckte Eintrittsöffnung auf eine freie Oberfläche des flüssigen Metalls auftrifft, und wobei der Kanal mit einer Heizvorrichtung zum Aufheizen des strömenden Metalls auf eine oberhalb seiner Schmelztemperatur liegende Betriebstemperatur vor der Inbetriebnahme der Neutronenquelle in Verbindung steht.

[0002] Spallationsneutronenquellen sind Vorrichtungen, bei denen ein Protonenstrahl hoher Energie (Größenordnung: 1 Gev) zur Erzeugung von Neutronen in eine geeignete Substanz eingeschlossen wird. Der Protonenstrahl wird von einem Beschleuniger erzeugt, dessen Beschleunigungsstrecke unter Hochvakuum steht. Um die angestrebten hohen Neutronenquellstärken zu erreichen, werden Protonenenergien und Protonenströme benötigt, bei denen innerhalb eines Volumens von einigen 100 cm³ des Targetmaterials Leistungen in der Größenordnung von einigen MW erzeugt werden.

[0003] Targets für Spallationsneutronenquellen sind in verschiedener Ausführungsform bekannt. Sie können als Feststoff-Targets, Verdampfungs-Targets oder Flüssigmetall-Targets ausgebildet sein. Infolge der hohen Protonen-Energie, die zur Erzeugung von Spallations-Neutronen erforderlich ist, liegt eines der Probleme darin, eine hinreichende Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Wechselwirkung zwischen Protonenstrahl und dem Target an der Stelle, an der der Protonenstrahl auf das Target auftrifft, zu gewährleisten. Bei Feststoff-Targets wird die Wärme durch Wärmeleitung bei unterhalb des Schmelzpunktes des Targetmaterials liegenden Temperaturen abgeführt. Das hat zur Folge, daß die abführbare Wärmemenge begrenzt ist. Um diesem Nachteil zu begegnen, ist daher auch schon eine Targetanordnung für Spallationsneutronenquellen vorgeschlagen worden, bei der kontinuierlich Targetmaterial dadurch am Auftreffpunkt des Protonenstrahls vorbeigeführt wird, daß das Targetmaterial am Umfang eines rotierenden, innen gekühlten Rades angeordnet ist (vgl. DE-OS 28 50 069). Platzbedarf und Gewicht einer derartigen Konstruktion sind jedoch erheblich, da der notwendige Raddurchmesser bei etwa 2,5 m liegt. Nachteilig ist ferner, daß das Kühlmittel zur Kühlung des Targets über Rotationskupplungen, die an der Radwelle angeordnet sind, zu- und abgeführt werden muß.

[0004] In Betracht gezogen wurden auch schon sogenannte Verdampfungs-Targets, bei denen die erzeugte Wärme ganz oder zum Teil durch Verdampfung von Targetmaterial abgeführt wird. Problematisch ist hierbei jedoch die Entwicklung von Metalldampf, der vom Protonenbeschleuniger ferngehalten werden muß.

[0005] Zur Lösung des Problems der Abführung der beim Betreiben einer Spallationsneutronenquelle entstehenden Wärme hat man daher auch schon vorgeschlagen, Targets aus(bei Betriebstemperatur) flüssigem Metall(wie Blei oder Blei-Wismuth-Entektikum) zu verwenden, weil dabei die Wärme durch (Zwangs)-Konvektion an ein Kühlsystem abgeführt werden kann. So gehört zum bekannten Stande der Technik eine Ausführungsform, bei der ein Flüssigmetall-Strahl durch ein senkrechtes Rohr von oben nach unten strömt. Dabei wird der Protonenstrahl senkrecht von oben in die Flüssigkeitssäule eingeschossen. Targets dieses Typs sind z.B. in den Auslegeschriften Nr. 1 589 431 und 1 289 923 beschrieben. Vorteilhaft ist dabei zwar, daß ein materielles Fenster zwischen Protonenstrahl und Flüssigmetall nicht erforderlich ist, nachteilig ist jedoch, daß der Protonenbeschleuniger entweder vertikal angeordnet oder aber bei horizontaler Anordnung der Strahl des Protonenbeschleunigers um 90° umgelenkt werden muß. Wegen der großen Baulünge des Beschleunigers im einen Falle und wegen der Schwierigkeit der Umlenkung hochenergetischer Strahlen um große Winkel im anderen Falle entstehen dadurch nicht unerhebliche bauliche Probleme.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein im wesentlichen durch einen Flüssigmetallstrom(in einem Strömungskanal) gebildetes Target für eine Spallationsneutronenquelle zu schaffen, bei dem der Protonenstrahl ohne Umlenkung horizontal oder nahezu horizontal (d.h. bis etwa 45" geneigt) auf das Target auftrifft, ohne daß es notwendig ist, eine die Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl abdeckende Scheibe vorzusehen. Die freie Oberfläche des Flüssigmetallstromes, auf die der Protonenstrahl auftrifft und die im wesentlichen senkrecht zum Protonenstrahl verlaufen soll, muß daher im wesentlichen vertikal verlaufen oder doch eine beachtliche Vertikalkomponente aufweisen.

[0007] Dabei soll die Mächtigkeit des Flüssigmetallstroms in Protonenstrahlrichtung ausreichen, so daß die Protonenenergie vollständig oder zu wesentlichen Teilen innerhalb des flüssigen Metalls absorbiert wird.

[0008] Die der Erfindung zugrunde_liegende Aufgabe wird bei einem Target für eine Spallationsneutronenquelle der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ebene der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung senkrecht oder nahezu senkrecht angeordnet ist und der Kanal im Bereich der Eintrittsöffnung eine Formgebung hat, die eine Umlenkung zumindest eines Teils des Flüssigmetallstromes erzwingt, und daß die Leistung der Pumpe für die Herbeiführung einer solchen Strömungsgeschwindigkeit ausreicht, daß ein Austreten von Flüssigmetall aus der Eintrittsöffnung verhindert wird.

[0009] Gemäß der Erfindung wird also durch Ausnutzung hydrodynamischer Kräfte eine Vertikalkomponente des Flüssigkeitsspiegels im Bereich der Eintrittsöffnung erzwungen, wobei gleichzeitig die Tatsache ausgenutzt wird, daß der Flüssigmetallstrom im Bereich der Wechselwirkung mit dem Protonenstrahl ohnehin eine solche Geschwindigkeit haben muß, daß die durch Energieabsorption bedingte Temperaturerhöhung unterhalb von Werten bleibt, bei denen der Dampfdruck der Flüssigkeit in die Nähe der Ilochvakuum-Druckwerte kommt.

[0010] Die Erfindung nutzt ferner die Erkenntnis aus, daß wegen des äußeren Vakuums im Bereich der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung eine Reibung zwischen Flüssigkeitsstrom und umgebendem Gas entfällt. An der freien Flüssigkeitsoberfläche kann es daher auch nicht zur Bildung von Wirbeln kommen, die die Ausbildung einer gleichbleibenden freien Oberfläche der metallischen Flüssigkeit im Auftreffbereich des Protonenstrahls beeinträchtigen könnte.

[0011] Unter dem Einfluß der zur Wirkung gebrachten Kräfte wird hinter der von der Eintrittsebene für den Protonenstrahl gebildeten Ebene eine ebenfalls senkrechte oder nahezu senkrechte freie flüssigmetalloberfläche erzeugt. Diese Oberfläche ist bei dem larget gemäß der Erfindung eine isobare Fläche, auf der überall der Außendruck herrscht. Unter den gegebenen Bedingungen ist dieser Außendruck gleich dem Vakuumdruck des Protonen-Beschleunigers. Dabei wird also durch die zur Wirkung kommenden Kräfte im stationären Betrieb die Differenz zwischen dem Außendruck und dem Druck innerhalb des Flüssigkeitsmetalls aufrechterhalten. Die sich dabei im Bereich der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl ausbildende, nahezu senkrechte freie Oberfläche der Flüssigmetall-Strömung ermöglicht den Einschluß eines horizontalen oder nahezu horizontalen Protonenstrahls, ohne daß es erforderlich ist, während des stationären Betriebs eine Scheibe zur Abdeckung der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl vorzusehen. Wenn an dieser Stelle ein Druck im Hochvakuumbereich von beispielsweise 10^-6 Torr herrscht und Blei (F. 327.5°) als Targetflüssigkeit dient, so muß dessen Temperatur (gemäß der Dampfdruckkurve) unter etwa 425 °C gehalten werden. Daraus ergibt sich bei Hochleistungstargets eine Mindest-Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Wechselwirkung zwischen Protonenstrahl und dem Flüssigkeitsmetall in der Größenordnung von einigen Metern pro Sekunde.

[0012] Um beim Betreiben der Spallationsneutronenquelle ständig eine optimale Füllung des in dem Kanalkreislauf des Targets geführten Flüssigkeitsstroms zu erreichen, besteht eine zweckmäßige Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung darin, daß der Kanal mit einem Vorratsbehälter mit einstellbarem Flüssigkeitspegel verbunden ist.

[0013] Es ist ferner zweckmäßig, für die Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl eine fernbedienbare Abdeckung vorzusehen, damit während der Dauer, die benötigt wird, um dem Flüssigmetall die für den Betriebszustand erforderliche Mindestgeschwindigkeit zu erteilen, der Austritt von Flüssigmetall aus der Eintrittsöffnung des Kanals für den Protonenstrahl verhindert wird. Dieser Verschluß wird geöffnet, sobald der vorgesehene Durchsatz erreicht und der Protonenbeschleuniger eingeschaltet wird.

[0014] Da während des Betreibens der Spallationsneutronenquelle Störungen des Flüssigkeitsdurchsatzes auftreten können, die dazu führen könnten, daß aus der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl in unerwünschter Weise Flüssigmetall austritt, besteht eine vorteilhafte Weiterausgestaltung des Targets gemäß der Erfindung darin, daß unterhalb der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl eine mit dem Kreislauf für die metallische Flüssigkeit oder dem gegebenenfalls vorgesehenen Vorratsbehälter in Verbindung stehende Auffangvorrichtung für etwa aus der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl austretendes flüssiges Metall vorgesehen ist. Diese Auffangvorrichtung ist zweckmäßig so ausgestaltet, daß sie mit einer Heizung verbunden ist, durch die das Metall im flüssigen Zustand erhalten bleibt und über eine in einer mit dem Kreislauf oder dem Vorratsbehälter verbundenen Leitung angeordnete Pumpe in den Kreislauf oder den Vorratsbehälter zurückbefördert wird.

[0015] Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Targets gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine Querschnittsverengung des Kanals vorgesehen wird, welche eine Einschnürung der Strömung senkrecht zur Strömungsrichtung bewirkt. Die Querschnittsverengung ist stromaufwärts oberhalb der senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Kante der Eintrittsöffnung angebracht und erstreckt sich mindestens über die Breite der Eintrittsöffnung. Die Verengung des Strömungskanals hat eine lokale Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit und infolgedessen eine Absenkung des lokalen Drucks innerhalb der Flüssigkeit zur Folge. Dabei ist nach einer bevorzugten Weiterausgestaltung dieser Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung der Querschnitt des Kanals etwa von der senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Kante der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl ab, von der das Flüssigmetall von der Eintrittsöffnung abströmt, gegenüber dem stromaufwärts liegenden Teil des Kanals, erweitert. Die Folge der in Strömungsrichtung hinter der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl vorgesehenen Erweiterung des Strömungsquerschnittes ist eine lokale Ablösung des FlüssigmetallStroms von der Wand. Zwar expandiert der Flüssigkeitsstrahl im erweiterten Teil des Strömungsquerschnitts quer zur Strömungsrichtung. Das geschieht jedoch in der Weise, daß der Flüssigkeitsstrahl sich erst nach einer von dem Maße der Erweiterung und der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Strecke wieder an die Wand des Kanals anlegt. Bei dieser Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung entsteht somit hinter der engsten Stelle der Strömung eine Kanalzone, innerhalb derer die Strömung keine sie vollständig umgreifende Wandung benötigt. An dieser Stelle in der Kanalwandung ist also die Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl vorgesehen.

[0016] Die Erweiterung des Kanals kann aus strömungstechnischen Gründen bis zu der im Strömungskreislauf liegenden Pumpe reichen. Doch kann sie auch auf eine Strecke begrenzt sein, die zum Auffangen von in Strömungsrichtung aus der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl anderenfalls austretendem flüssigen Metall hinreichend ist.

[0017] Bei der Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung, bei der eine Querschnittsverengung des Kanals senkrecht zur Strömungsrichtung vorgesehen ist, kann die Kanalführung entsprechend dem jeweiligen Bedarfsfalle senkrecht sein, sie kann auch horizontal verlaufen oder gegenüber der Horizontalen geneigt sein.

[0018] Eine andere Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Kanal eine in dem Flüssigkeitsstrom Zentrifugalkräfte hervorrufende Krümmung aufweist, durch die sich im Bereich der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl eine stabile freie Oberfläche des Flüssigkeitsstrahls ausbildet, wobei die Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl in der Innenwandung der Kanalkrümmung vorgesehen ist. Dabei ist also der Kanal für die Flüssigkeitsströmung im Bereich der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl ein gekrümmtes Rohrstück, das in Richtung des Krümmungsradius'nach außen und von der Eintrittsöffnung weg gerichtete Zentrifugalkräfte hervorruft. In diesem Falle heben bei hinreichend großer Strömungsgeschwindigkeit die Zentrifugalkräfte im gekrümmten Teil des Kanals die Gravitations- und sonstigen auf die strümende Flüssigkeit einwirkenden Druckkräfte soweit auf, daß die Flüssigkeit aus der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl nicht austreten kann. Bemessung und Formgebung der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl sind unter der Berücksichtigung, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche eine solche Form annimmt, daß die Resultierende aus der Gravitations- und der Zentrifugalkraft in jedem Punkt senkrecht auf der freien Flüssigkeitsoberfläche steht, so gewählt, daß der Teil der freien Oberfläche, auf den der Protonenstrahl auftritt, nahezu senkrecht steht.

[0019] Bei einer Kanalanordnung mit vertikaler Krümmungsachse hat die Flüssigkeitsoberfläche die Form einer Parabel wie in Fig. 6 dargestellt, wenn die Flüssigkeit innerhalb des gekrümmten Rohrstücks mit räumlich konstanter Winkelgeschwindigkeit fließt. Wandreibungseffekte können Abweichungen von der Parabelform bewirken, die aber nicht wesentlich sind. Die Steilheit der Parabel ist um so größer, je größer die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Zentrifugalkraft im Vergleich zur Gravitationskraft ist. Wie aus der Fig. 6 auch ersichtlich ist, darf die Füllung des Strömungskanals nicht vollständig sein. Ein bestimmtes Leervolumen im Bereich des gekrümmten Rohrstücks ist unerläßlich, damit bei der durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmten Steilheit der freien Überfläche die Höhe Z_o des Ansatzpunktes der freien Flüssigkeltsuberfläche an der Kanalwand, in der sich das Fenster befindet, niedriger oder allenfalls in gleicher Höhe wie die Unterkante des Fensters liegt. Die Ansatzhöhe z_o der Flüssigkeitsoberfläche wird bei vorgegebenen lokalen Füllgrad um so kleiner, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist. Umgekehrt ist sie bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit um so kleiner, je geringer der lokale Füllgrad ist.

[0020] Eine ungewollte Überschreitung des Ansatzpunktes z_o der Flüssigkeitsoberfläche über die untere Fensterkante hinaus, etwa bedingt durch eine unbeabsichtigte Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit, führt dazu, daß Flüssigkeit vorübergehend aus dem Fenster austritt, bis durch den dadurch bewirkten geringeren Füllgrad der Ansatzpunkt z_o wieder auf die Höhe der unteren Fensterkante abgesunken ist. Wenn am Fenster eine geeignete Auffangvorrichtung für austretendes Flüssigmetall vorgesehen wird, kann also durch Aufrechterhaltung eines geringen Überschusses an Flüssigmetall (der über die Unterkante des Fensters abfließt) ein stets optimaler Füllgrad erreicht werden.

[0021] Die Notwendigkeit, daß der Füllgrad des Kanals im Bereich des gekrümmten Rohrstücks nicht vollständig sein darf, im Rest des Kanals, insbesondere am Pumpeneintritt aber vollständig sein soll, bedingt, daß das gekrümmte Rohrstück den hochsten Punkt des Gesamtkreislaufes einnehmen muß. Der Pumpeneintritt sollte dann zweckmäßigerweise am tiefsten Punkt des Kreislaufs liegen, damit der Druck an dieser Stelle möglichst hoch ist.

[0022] Wesentlich erleichtert wird die Ausbildung einer gleichbleibenden freien Oberfläche der strömenden Flüssigkeit im Bereich der Lintrittsöffnung für den Protonenstrahl im stationären Betrieb, wenn nach einer zweckmäßigen Weiterausgestaltung des Targets gemäß der Erfindung an der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl ein sich über die Breite der Kante erstreckendes, in die Strömung hineinragendes Strömungsleitprofil vorgesehen ist, durch das zusätzlich eine Linschnürung des metallischen Flüssigkeitsstromes hervorgerufen wird. An der stromabwärts gelegenen, senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Kante der Lintrittsüffnung für den Protonenstrahl ist die Kanalwandung zweckmäßig so geformt und/oder ein so geformtes Strömungsleitprofil vorgesehen, daß sich die Flüssigkeit nach Durchlaufen des Bereichs der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl erst hinter der stromabwärts gelegenen Kante an die Wandung des Kanals anlegt. Es ist also in vorteilhafter Weise möglich, beide in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des Targets gemäß der Erfindung in der Weise miteinander zu kombinieren, daß neben einer Querschnittsverengung des Kanals zugleich auch eine Krümmung im Bereich der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl vorgesehen ist, falls dies gewünscht wird.

[0023] Wegen der Haftung der Flüssigkeit an der Wand des Kanals sind dort die Zentrifugalkräfte parallel und senkrecht zur Wand gleich Null; sie steigen erst mit zunehmender Entfernung von der Wandung und zwar in dem Maße an, wie auch die Strömungsgeschwindigkeit ansteigt. Dieser Bereich entspricht etwa der Dicke der laminaren Grenzschicht der Strömung. Auftretende Wandeffekte werden dadurch kompensiert, daß an beiden, parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Rändern der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl die Beeinflussung der Strömung im Bereich der freien Oberfläche ausschließende, ein Mehrfaches der laminaren Grenzschicht betragende Leitprofile vorgesehen sind.

[0024] Dem jeweiligen Bedarfsfall entsprechend ist es möglich, den Kanal im Bereich der Krümmung so zu führen, daß er gegenüber der Waagerechten eine beliebige Neigung aufweist.

[0025] Es ist ferner zweckmäßig, die Tiefe des Kanals für den Flüssigkeitsstrom in Richtung des Protonenstrahls im Bereich der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl bei dieser Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung mindestens entsprechend der Reichweite der Protonen in dem verwendeten Metall zu wählen. Die Reichweite ist abhängig von der Energie des Strahls. Die infrage kommenden Werte liegen etwa zwischen 30 cm und 50 cm.

[0026] Nun ist aber die lokale Wärmeproduktionsdichte in der strömenden Flüssigkeit nicht konstant; sie nimmt vielmehr innerhalb des Protonenstrahls mit zunehmendem Abstand von der Flüssigkeitsflache zunächst exponentiell ab und geht nach Lrreichen der Reichweite der Protonenstrahlen rasch gegen Null. Im exponentiellen Bereich fällt die Leistungsdichte um mehr als eine Größenordnung. Daher ist die hohe, durch Konvektion bewirkte Wärmeabfuhrrate nur im vorderen, der Protonenstrahlquelle zugewandten Teil des Targets erforderlich. Aus diesem Grunde besteht eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Targets gemäß der Erfindung darin, daß an der der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl gegenüberliegenden Wandung des Kanals ein mit einem Kühlsystem in Verbindung stehender, als Target verwendbarer Feststoffkörper mit einer der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl zugekehrten Fläche von mindestens dem Querschnitt des Protonenstrahls angeordnet ist. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung besteht darin, daß oben erwähnte Feststoffkörper Teil der Wandung des Kanals an der der Eintrittsöffnung für den Protonenstrahl gegenüberliegenden Stelle ist. Die Abmessungen des Feststoffkörpers sind dabei zweckmäßig so bemessen, daß die bei der Spallation entstehende Wärme durch ein zur Kühlung des Feststoffkörpers vorgesehenes Kühlsystem unterhalb der Temperatur abgeführt wird, bei der das Material des Feststoffkörpers schmilzt und/oder in der Metallflüssigkeit in Lösung geht.

[0027] Die Kühlung erfolgt durch Gas oder durch eine Flüssigkeit. Zweckmäßig ist es, die Querschnittsabmessung des Kanals in Richtung des Protonenstrahls von der freien Überfläche des Flüssigkeitsstroms aus gemessen, um den Teil des Feststoffkörpers, der bei der Spallation der Tiefe nach zur Wirkung kommt, zu verringern. Um die Neutronenausbeute der Neutronenquelle zu verstärken, ist es vorteilhaft, als Material für den Feststoffkörper ein neutronenvervielfachendes Material wie Uran, beispielsweise Uran-238, zu verwenden.

[0028] In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Targets gemäß der Erfindung schematisch als Prinzipskizzen wiedergegeben und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Target mit Querschnittsverengung des Strömungskanals im Längsschnitt;

Fig. 2 ein Target mit gekrümmter Kanalführung in perspektivischer Darstelluny;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Targets mit gekrümmter Kanalführung im Längsschnitt;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Ausführungsform des Targets nach Fig. 3, nach der Linie A-B; .

Fig. 5 ein Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Targets unter Verwendung eines Feststoffkörpers;

Fig. 6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Flüssigkeitsoberfläche und des "Ansatzpunktes".

[0029] Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird bei dem Target gemäß der Erfindung ein Kanal 1 mit rechteckigem Querschnitt von Flüssigmetall 2 durchströmt. Als Flüssigmetall kann dabei beispielsweise Blei oder ein Blei-Wismuth-Eutektikum verwendet werden. Der durch einen Pfeil gekennzeichnete Protonenstrahl P gelangt durch eine in seiner Richtung liegende, senkrecht in der Kanalwandung angeordnete Eintrittsöffnung 3 in das Kanalinnere und trifft dort auf die strömende Metallflüssigkeit auf. Dabei ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung oberhalb der in dem senkrecht geführten Kanal 1 angeordneten Eintrittsöffnung 3 eine Querschnittsverengung 4 vorgesehen. Dadurch wird eine die Eintrittsöffnung 3 übergreifende Einschnürung des Flüssigkeitsstromes 2 hervorgerufen. Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, ist der sich in Strömungsrichtung der metallischen Flüssigkeit 2 an die Lintrittsöffnung 3 anschließende Teil des Kanals 1 gegenüber dem oberhalb der Querschnittsverengung 4 liegenden leil des Kanals 1 erweitert. Querschnittsverengung 4 und Querschnittserweiterung 5 wirken dabei in der Weise zusammen, daß im Bereich der querschnittsverengung die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert wird und infolgedessen eine Absenkung des lokalen Druckes innerhalb der Flüssigkeit eintritt. Die Kanalerweiterung 5 und infolgedessen die Erweiterung des Querschnitts der Strömung führt zu einer lokalen Ablösung des Flüssigmetallstroms von der Wandung des Kanalbereichs 5. Dabei expandiert der Flüssigkeitsstrahl im Bereich der Querschnittserweiterung 5 des Kanals 1 quer zur Strörnungsrichtung in der Weise, daß er sich erst nach einer vorbestimmten Strecke hinter der Querschnittserweiterung an die Wandung des Kanals 1 anlegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Bereich der Lintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl keine begrenzende Wandung erforderlich ist. Gegenüber der Lintrittsöffnung 3 bildet sich eine Flüssigkeitsoberfläche 6 aus, die gegenüber der Senkrechten nur eine geringe Neigung aufweist.

[0030] Es ist nicht notwendig, den Kanal 1, wie in Fig. 1 dargestellt, senkrecht zu führen, vielmehr kann der Kanall im Bedarfsfalle auch waagerecht oder geneigt gegenüber der Waagerechten angeordnet sein. Auch in diesen Fällen ist die Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P in einer senkrechten Kanalwandung angeordnet.

[0031] In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Targets gemäß der Erfindung wiedergegeben. Dabei ist der einen rechteckigen Querschnitt aufwesende Kanal 1 für die Flüssigmetall-Strömung im Bereich der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P gekrümmt geführt. Dabei ist die Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P an der senkrechten Innenwandung des Kanals 1 angeordnet. Infolge der Krümmung des Kanals 1 werden auf die darin strömende Flüssigkeit in Richtung des Krümmurrysradius radial nach außen gerichtete Zentrifugalkrafte ausgeübt. Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und Krümmung sind so aufeinander abgestimmt, daß die Zentrifugalkräfte im gekrümmten teil des Kanals 1 die Gravitations- und sonstigen Druckkräfte soweit aufheben, daβ die metallische Flüssigkeit 2 nicht aus der Eintritsöffnung 3 für den Protonenstrahl P austreten kann.

[0032] Wie am besten aus Fig. 4 zu entnehmen ist, nimmt die freie Überfläche 6 der strömenden metallischen Flüssigkeit 2 eine solche Form an, daß in jedem Punkt der Uberfläche 6 die resultierende R aus der Gravitationskraft G und der Zentrifugalkraft Z auf der Überflache senkrecht steht.

[0033] Außerdem ist - wie aus Fig. 3 hervorgeht - an der stromaufwärts liegenden Kante der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P ein über die Breite der Fensterabmessung senkrecht zur Strömungsrichtung sich erstreckendes Strömungsleitprofil 7 angeordnet. Dieses Strömungsleitprofil weist, wie aus Fig. 3 hervorgeht, eine in die Strömung hineinragende, den Querschnitt der Strömung verengende Kante uuf. An der stromabwärts gelegenen Kante 8 der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P ist die Kanalwand so geformt, daß sich die Flüssigkeit nach Durchlaufen des Bereichs der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P erst hinter der stromabwärts gelegenen und senkrecht zur Strömung geführten Berandung 8 der Eintrittsöffnung 3 an die Wandung des Kanals 1 anlegt.

[0034] Um darüberhinaus eine Beeinflussung der Strömung durch Wandreibungseffekte auszuschließen, sind an den beiden einander gegenüberliegenden, parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Rändern der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P - wie aus Fig. 4 hervorgeht - sich über die Länge der Kanten hinweg erstreckende winkelförmige Leitprofile 9 und 10 so angeordnet, daß der eine Schenkel jeweils senkrecht zu der Kante der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P verläuft und der andere Schenkel parallel zu der Wandung des Kanals 1 verlaufend, senkrecht zur Lintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P in das Innere des Kanals 1 hineinragt. Die senkrecht zu den Kanten der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl P angeordneten Schenkel der Leitprofile 9 und 10 weisen eine mindestens ein Mehrfaches der laminaren Grenzschicht an der Wandung des Kanals 1 betragende Breite auf. Durch diese Formgebung wird erreicht, daß alle Flächen, an denen Wandreibung auftritt, so innerhalb des Kanals 1 liegen, daß sie zur Einschnürung der strömenden Flüssigkeit 2 infolge der zur Anwendung gebrachten Zentrifugalkräfte nicht beitragen, so daß an der freien Flüssigkeitsoberfläche 6 die Strömung durch Wandreibung nicht oder nur unwesentlich beeinflußt wird.

[0035] Wie aus Figur 5 hervorgeht, besteht eine weitere Ausführungsform des Targets gemäß der Erfindung darin, daß der Kanal 1 für das Flüssigmetall 2 in Richtung der Verlängerung des Protonenstrahls P im Bereich der Eintrittsöffnung 3 für den Protonenstrahl einen verminderten Querschnitt aufweist, und daß am rückwärtigen Teil des Kanals 1 ein als Feststofftarget geeigneter Feststoffkörper 11 vorgesehen ist. Wie aus der Zeichnung nicht zu entnehmen ist, hat der Feststoffkörper 11 mindestens die Abmessung des Querschnitts des Protonenstrahls P. Zum Abführen der beim Betreiben der Spallationsneutronenquelle in dem Feststoffkörper 11 entstehenden Wärme ist ein Kühlsystem 12, bei dem die Kühlung entweder durch strömendes Gas oder strömende Flüssigkeit erfolgt, vorgesehen. Das Kühlsystem 12 umgibt - wie aus Fig. 5 hervorgeht - die von der Fläche des Kanals 1, mit der der Feststoffkörper 11 in Verbindung steht, abgewandten Flächen. Die Abmessungen sind so gewählt, daß die Wärmeproduktion in dem Feststoffkörper 11 hinreichend klein bleibt und zwar so, daß die dort entstehende Wärme unterhalb der Schmelztemperatur des Targetmaterials abgeführt werden kann.

Ansprüche

1. Target für eine Spallationsneutronenquelle, das unter Verwendung von flüssigem Metall gebildet wird, welches in einem Kanal mit darin angeordneter Umwälzpumpe sowie einem Wärmetauscher umläuft, wobei ein zur Freisetzung energiereicher Neutronen vorgesehener Protonenstrahl hoher Energie durch eine im Kanal angebrachte, unabgedeckte Eintrittsöffnung auf eine freie Oberfläche des flüssigen Metalls auftrifft und wobei der Kanal mit einer Heizvorrichtung zum Aufheizen des strömenden Metalls auf eine oberhalb seiner Schmelztemperatur liegende Betriebstemperatur vor der Inbetriebnahme der Neutronenquelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet , daß die Ebene der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung (3) senkrecht oder nahezu senkrecht angeordnet ist und der Kanal (1) im Bereich der Eintrittsöffnung (3) eine Formgebung hat, die eine Umlenkung zumindest eines Teils des Flüssigmetallstromes (2) erzwingt, und daß die Leistung der Pumpe für die Herbeiführung einer solchen Strömungsgeschwindigkeit ausreicht, daß ein Austreten von Flüssigmetall aus der Eintrittsöffnung (3) verhindert wird.

2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (1) in Strömungsrichtung vor der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung (3) eine Querschnittsverengung (4) aufweist, daß sich der anschließend an die Einschnürung wieder expandierende Flüssigkeitsstrom (2) erst jenseits der Eintrittsöffnung (3) wieder an die Kanalwand anlegt.

3. Target nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt des Kanals jenseits der Eintrittsöffnung (3) eine Querschnittserweiterung (5) aufweist.

4. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (1) eine Krümmung aufweist, die derart beschaffen ist, daß sich im Bereich der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung (3) durch Zentrifugalkräfte eine stabile freie Oberfläche des Flüssigkeitsstroms (2) ausbildet, wobei die Eintrittsöffnung (3) in derjenigen Kanalwand liegt, die der Krümmungsachse zugewandt ist.

5. Target nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Krümmungsachse senkrecht verläuft und der Krümmer am höchsten Punkt des Kanals (1) liegt.

6. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (1) im Bereich der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung (3) einen Querschnitt hat, dessen Abmessung in Strahlrichtung größer als senkrecht dazu ist.

7. Target nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt des Kanals (1) rechteckig ist.

8. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die untere in Strömungsrichtung liegende Begrenzungskante der Eintrittsöffnung (3) gegenüber der unteren Kanalwand so weit angehoben ist, daß ein auf Wandreibungseffekte zurückgehendes Ausfließen von Flüssigmetall im stationären Betrieb vermieden wird.

9. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Protonenstrahl-Eintrittsöffnung eine fernbedienbare Abdeckung aufweist.

10. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß unterhalb der Protonenstrahl-Eintrittsöffnung ein Auffang für gegebenenfalls austretendes Flüssigmetall vorgesehen ist.

11. Target nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (1) mit einem Vorratsbehälter mit einstellbarem Flüssigkeitspegel verbunden ist.

12. Target nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß an der der Eintrittsöffnung (3) für den Protonenstrahl (P) gegenüberliegenden Wandung des Kanals (1) ein ebenfalls als Target verwendbarer, mit einem Kühlsystem in Berührung stehender Feststoffkürper (11) mit einer der Eintrittsöffnung (3) für den Protonenstrahl (P) zugewandten Fläche von mindestens dem Querschnitt des Protonenstrahls (P) angeordnet ist.

13. Target nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß ein der Eintrittsöffnung (3) für den Protonenstrahl (P) gegenüberliegender Teil der Wandung des Kanals (1) von einem ebenfalls als Target verwendbaren, mit einem Kühlsystem (12) in Berührung stehenden Feststoffkörper (11) mit einer dem Protonenstrahl (P) zugewandten Fläche von mindestens dem Querschnitt des Protonenstrahls (P) gebildet wird.

14. Target nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Feststoffkörpers (11) so bemessen sind, daß die bei der Spallation entstehende Wärme durch das zur Kühlung des Feststoffkörpers (11) vorgesehene Kühlsystem (12) bis auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur abgeführt wird, bei der das Material des Feststoffkörpers (11) schmilzt und/oder in der Metallflüssigkeit (2) in Lösung geht.

15. Target nach einem der Ansprüche 1.2 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsabmessung des Kanals (1) in Richtung des Protonenstrahls (P) von der freien Oberfläche (6) des Flüssigkeitsstroms (2) aus gemessen um den Teil des Feststoffkörpers (11), der bei der Spallation der Tiefe nach zu Wirkung kommt, verringert ist.

16. Target nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Feststoffkörper (11) aus einem neutronenvervielfachenden Material wie Uran besteht.

Zeichnung