Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
PULSED SPALLATION NEUTRON SOURCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/013372
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an apparatus for generating a temporally smoothed neutron flux in particular for a nuclear reactor operated in a subcritical mode. The apparatus comprises a particle accelerator, which generates a pulsed particle beam with a very high pulse repetition rate of for example 3 kHz. The particle beam impacts a spallation target, where it causes a neutron flux which is likewise pulsed to be ejected, which for its part enters a neutron moderator. The neutron moderator has a known distribution of residence times. Temporal smoothing of the neutron flux leaving the moderator is achieved by the residence time and the pulse repetition rate being matched to each other either by selecting a moderator that has a suitable distribution of residence times or by setting an appropriate pulse repetition rate fpulse­ for a specific, solid moderator. By way of example, 1/fpulse=Tv,o can apply, where Tv,o denotes the most likely residence time of the distribution.

Inventors:
HEID OLIVER (DE)
Application Number:
PCT/EP2011/056959
Publication Date:
February 02, 2012
Filing Date:
May 02, 2011
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
HEID OLIVER (DE)
International Classes:
H05H3/06
Domestic Patent References:
WO2001003142A22001-01-11
Foreign References:
US5497050A1996-03-05
US3778627A1973-12-11
US5160696A1992-11-03
DE102009053624A12011-05-19
Other References:
BOWMAN ET AL.: "Nuclear energy generation and waste transmutation using an accelerator-driven intense thermal neutron source", N; HAIGHT R C; HUGHES H G III; IRELAND J R; KRAKOWSKI R A; LABAUVE R J; NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH, SECTION A, vol. A320, 15 August 1992 (1992-08-15), Netherlands, pages 336 - 367, XP002656565, ISSN: 0168-9002
SHAPIRO ET AL.: "Accelerator based continuous neutron source (ACNS)", BNL-71184-2003, 9 April 2003 (2003-04-09), pages 1 - 10, XP002656566, Retrieved from the Internet [retrieved on 20110808]
BURKE ET AL.: "An accelerator based steady state neutron source", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH, SECTION A, vol. A249, no. 1, 15 August 1986 (1986-08-15), Netherlands, pages 91 - 101, XP002656567, ISSN: 0168-9002
W.E. FISCHER: "Application of spallation neutron sources", 8TH EUROPEAN PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE, 2002, Geneva, Switzerland, pages 114 - 118, XP002656568
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Neutronenflusses (Nmoci ) aufweisend :

- einen Teilchenbeschleuniger (200) mit einer Steuervorrichtung (210), wobei die Steuervorrichtung (210) derart ein¬ stellbar ist, dass mit dem Teilchenbeschleuniger (200) ein gepulster Teilchenstrahl (S) umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate fpuis erzeugbar ist,

- ein Spallationstarget (120), das im Teilchenstrahl (S) po¬ sitionierbar ist und aus dem durch den Teilchenstrahl (S) ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutro- nenfluss (Nar) herausschlagbar ist,

- einen Neutronenmoderator (130), der eine bekannte Vertei¬ lung (Xn(Tv)) von Neutronenverweilzeiten (Tv) aufweist, wo¬ bei das Target (120) und der Moderator (130) derart zuein¬ ander angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses (Nar) in den Moderator (130) gelangen und diesen durchqueren kann, so dass der zu erzeugende Neutro- nenfluss (Nmoci ) den Moderator verlässt,

dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrepetitionsrate (fpuis ) und die Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) des Moderators (130) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der den Moderator (130) verlassende Neutronenfluss (Nmoci ) zeitlich geglättet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass die Pulsrepetitionsrate (fpuis ) der Neutronenverweilzeit (Tv) ent¬ spricht .

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass für den zeitlichen Abstand ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt:

ÄTpuls = 1 / fpuls > TV;min , wobei Tv, min die minimale Verweilzeit der Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass für den zeitlichen Abstand ) zwischen zwei aufeinan- derfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) weiterhin gilt: ÄTpuls = 1 / fpuls < TV;max , wobei Tv,max die maximale Verweilzeit der Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (210) derart einstellbar ist, dass für den zeitlichen Abstand

fpUis ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ATpuls = 1 / fpuls « TV;0 , wobei Tv, o die wahrscheinlichste Verweilzeit der Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrepetitionsrate (fpuis ) zu¬ mindest 3kHz beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernreaktor (100), insbesonde¬ re ein unterkritischer Kernreaktor (100), mit einem Reaktorkern (110) vorgesehen ist, wobei der Moderator (130) derart angeordnet ist, dass der den Moderator (130) verlassende Neutronenfluss (Nmoci ) in den Reaktorkern (110) gelangt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl ein Protonen- strahl ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenbeschleuniger (200) mindestens zwei in Strahlverlaufsrichtung hintereinander an- geordnete HF-Resonatoren (231, 232) aufweist, durch die der mehrere Teilchenpulse umfassende Pulszug beschleunigbar ist.

10. Verfahren zur Erzeugung eines Neutronenflusses (Nmo ci ) r bei dem

- ein Teilchenbeschleuniger (200) einen gepulsten Teilchenstrahl (S) umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate fpui s erzeugt,

- der gepulste Teilchenstrahl (S) auf ein Spallationstarget (120) gerichtet wird, wobei aus dem Target (120) durch den Teilchenstrahl ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss (Nar) herausgeschlagen wird,

- zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses (Nar) in ei¬ nen Neutronenmoderator (130) gelangt und diesen durchquert, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss (Nmo ci ) den Modera¬ tor verlässt, wobei der Moderator (120) eine bekannte Ver¬ teilung (Xn(Tv)) von Neutronenverweilzeiten (Tv) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der den Moderator (130) verlas¬ sende Neutronenfluss (Nmo ci ) zeitlich geglättet wird, indem die Pulsrepetitionsrate (fpui s ) und die Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) des Moderators (130) aufeinander abgestimmt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart ausgeführt wird, dass für den zeitlichen

Abstand ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ATpuls = 1 / fpuls > TV;min , wobei Tv, min die minimale Verweilzeit der Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart ausgeführt wird, dass für den zeitlichen Abstand ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden

Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ATpuls = 1 / fpuls < TV;inax , wobei Tv, max die maximale Verweilzeit der Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart ausgeführt wird, dass für den zeitlichen Abstand ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ATpuis = 1 / fpuis ~ Tv,o ' wobei Tv, o die wahrscheinlichste Verweil¬ zeit der Verteilung (Xn(Tv)) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist .

Description:
Beschreibung

Gepulste Spallations-Neutronenquelle

Die Erfindung betrifft eine Neutronenquelle zum Einsatz bei einem unterkritischen Kernreaktor.

In einem unterkritischen Kernreaktor laufen die Kernreaktionen ab, ohne dass der Reaktor in den kritischen Zustand übergeht. Anstatt eine selbstständige Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, wird eine externe Neutronenquelle verwendet, um die für die Kernreaktionen benötigten Neutronen zur Verfügung zu stellen. Diesen Zweck erfüllt bspw. ein Teilchenbeschleuniger, dessen Teilchenstrahl auf ein Spallationstarget gerichtet wird, aus dem in der Folge Neutronen herausgeschlagen werden, die schließlich in den unterkritischen Kernreaktor gelangen, um dort die Kernreaktionen zu bewirken. Diese Technologie ist an sich bekannt. Derartige unterkritische Kernreaktoren, die sich einen Teilchenbeschleuniger zunutze machen, werden als ADS-Reaktoren ( "Accelerator Driven System") oder kurz ADSR bezeichnet.

Unterkritische Reaktoren weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Bspw. können sie verwendet werden, um schwere Isotope zu zerstören, die in den verbrauchten Brennstoffen konventioneller Kernreaktoren enthalten sind, wobei gleichzeitig Energie erzeugt werden kann. Theoretisch können auch die in Nuklearabfällen enthaltenen Transurane gespalten werden, wobei wiederum Energie gewonnen werden kann, während die resultierenden Spaltungsprodukte weniger langlebig sind als die Transurane. Eine Weiterentwicklung der unterkritischen Reaktoren und der diese antreibenden beschleunigergetriebenen Neutronenquellen ist daher von großem Interesse.

Bei den hierzu geeigneten Beschleunigerstrukturen muss unterschieden werden zwischen normalleitenden und supraleitenden Beschleuniger : - Die normalleitenden Beschleuniger müssen in der Praxis gepulst betrieben werden, da die geforderten Baugrößen zu elektrischen Feldern in den Beschleunigerzellen (Resonatoren bzw. Kavitaten) führen, die in den umgebenden, feldum- schließenden Leiterstrukturen, bspw. in den Resonatorwänden, eine exzessive Verlustleistung verursachen. Ein gepulster Beschleunigerbetrieb und in der Folge ein gepulster Neutronenfluss aus dem Spallationstarget hat jedoch zur Folge, dass der Reaktorkern in der Energieproduktion stark schwankt und damit thermisch und mechanisch stark belastet wird .

- Dieses Problem könnte unter Verwendung eines supraleitenden Beschleunigers gelöst werden. Dieser könnte zwar kontinu- ierlich betrieben werden und damit das genannte Problem des normalleitenden Beschleunigers vermeiden, jedoch wäre eine kompakte Baugröße nicht realisierbar. Bspw. für die Europäische Spallations-Neutronenquelle ESS ergäbe sich eine Länge von 630m. Aufgrund dieses Nachteils ist die Verwendung eines supraleitenden Beschleunigers für eine weitestgehend kommerzielle Anwendung nahezu ausgeschlossen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses anzugeben, deren Verwendung bspw. mit einem unterkritischen Kernreaktor die genannten Nachteile nicht aufweist .

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von einem mit Hilfe einer entsprechend eingerichteten Steuervorrichtung gepulst betrie- benen, normalleitenden Beschleuniger aus, dessen gepulster Teilchenstrahl auf ein Spallationstarget gelenkt wird, aus dem in bekannter Weise Neutronen herausgeschlagen werden. Dabei wird eine extrem hohe Pulsrepetitionsrate gewählt, bspw. in einer Größenordnung von > 3kHz. Dem Spallationstarget nachgeschaltet, d.h. zwischen Taget und Reaktorkern, ist ein Neutronenmoderator mit einer bekannten Neutronenverweilzeit angeordnet, mit dem erreicht werden soll, dass der in den un- terkritischen Reaktorkern gelangende Neutronenfluss aus dem Target zeitlich geglättet ist, dass also der aus dem Moderator in den Reaktorkern gelangende Neutronenfluss nicht wesentlich schwankt. Bspw. wäre eine Größenordnung von bis zu etwa 20% akzeptabel. Grundsätzlich ist dies jedoch natürlich von der jeweiligen geplanten Anwendung abhängig.

Dies wird dadurch erreicht, dass entweder ein Neutronenmoderator verwendet wird, dessen Neutronenverweilzeit, also eine vom Material und von den Dimensionen des Moderators abhängige Größe, in etwa der gewählten Pulsrepetitionsrate entspricht, oder dass die Pulsrepetitionsrate bspw. mit Hilfe einer entsprechenden Steuervorrichtung für den Teilchenbeschleuniger an die bekannte Neutronenverweilzeit angepasst wird. Weiterhin ist die Verweilzeit natürlich auch abhängig von der Ge- schwindigkeit der Neutronen und damit zu einem gewissen Anteil vom Target. Eine genaue Verweilzeitskurve ist bspw.

durch Simulation des Gesamtsystems zu erhalten.

Bspw. wird eine Pulsrepetitionsrate bzw. dementsprechend ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen der Pulsfolge gewählt, der in etwa der Neutronenverweilzeit entspricht. D.h. bei einer Repetitionsrate von bspw. 3kHz sollte die Verweilzeit im Moderator in etwa 1/ (3kHz) «0, 33ms oder mehr betragen. Dies hat zur Folge, dass der Neutronen- fluss aus dem Moderator trotz des gepulsten Teilchenstrahls und trotz des das Target verlassenden gepulsten Neutronenflusses zeitlich nicht wesentlich schwankt und dementsprechend der vom Neutronenfluss getriebene Reaktorkern keine exzessiven Leistungsschwankungen ausführt.

Aufgrund einer evtl. komplexeren Geometrie des Moderators und/oder der gesamten Anordnung können sich die Lauf ege der einzelnen Neutronen durch den Moderator mehr oder weniger stark unterscheiden, so dass nicht mehr von einer einzigen Neutronenverweilzeit gesprochen werden kann, sondern von einer Verteilung der Neutronenverweilzeiten zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert. In diesem Fall stehen mehrere Möglichkeiten der Anpassung von Verweilzeit und Repetiti- onsrate zur Verfügung, wie im Zusammenhang mit den Figuren erläutert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Neutronenflusses N mo d weist auf:

- einen Teilchenbeschleuniger mit einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung derart einstellbar ist, dass mit dem Teilchenbeschleuniger ein gepulster Teilchenstrahl S umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate f pu i s erzeugbar ist,

- ein Spallationstarget, das im Teilchenstrahl S positionierbar ist und aus dem durch den Teilchenstrahl S ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss N tar herausschlagbar ist,

- einen Neutronenmoderator, der eine bekannte Verteilung

X n (T v ) von Neutronenverweilzeiten T v aufweist, wobei das Target und der Moderator derart zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses N ta r in den Moderator gelangen und diesen durchqueren kann, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss N mod den Moderator ver- lässt .

Die Pulsrepetitionsrate f pu is und die Verteilung X n (T v ) der Neutronenverweilzeiten T v des Moderators sind nun derart aufeinander abgestimmt, dass der den Moderator verlassende Neut- ronenfluss N raod zeitlich geglättet ist.

Hierzu ist Steuervorrichtung derart einstellbar, dass die Pulsrepetitionsrate f pu i s der Neutronenverweilzeit T v entspricht .

Speziell ist die Steuervorrichtung derart einstellbar, dass für den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls S gilt: AT puls = 1 / f pul3 > T Vjrain , wobei T v ,„„ die minimale Verweilzeit der Verteilung X n (T v ) der Neutronenverweilzeiten T v ist.

Dabei wird gilt für den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls S weiterhin: AT puls = 1 / f puls < T Vitnax , wobei T v , m a X die maximale

Verweilzeit der Verteilung X n (T v ) der Neutronenverweilzeiten T v ist.

Durch diese Relation zwischen AT puLs , v , m in und T v , ma x ist si ¬ cher gestellt, dass der durch einen ersten Puls des Teilchenstrahls ausgelöste Neutronenfluss N m0d noch nicht abgeklungen ist, wenn durch den nachfolgenden Puls des Teilchenstrahls ein weiterer Neutronenfluss N mod erzeugt wird.

Die Steuervorrichtung kann auch derart einstellbar sein, dass für den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls S gilt:

A puis = / puis ~ T v,o ' wobei T v , o die wahrscheinlichste Verweil ¬ zeit der Verteilung X n (T v ) der Neutronenverweilzeiten T v ist.

Es wird eine Pulsrepetitionsrate f pu is von zumindest 3kHz gewählt .

Der Moderator ist derart angeordnet, dass der den Moderator verlassende Neutronenfluss N mod in einen Reaktorkern eines insbesondere unterkritisch betriebenen Kernreaktors gelangt.

Aufgrund der Glättung des Neutronenflusses wird der Kernreaktor bzw. dessen Kern trotz der Verwendung eines gepulsten Teilchenstrahls weder thermisch / mechanisch stark belastet noch schwankt die Energieproduktion über ein tolerierbares Maß hinaus .

Der Teilchenstrahl ist vorteilhafterweise ein Protonenstrahl.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines Neutronenflusses N mod , erzeugt ein Teilchenbeschleuniger einen ge- pulsten Teilchenstrahl S umfassend einen Pulszug mit einer Vielzahl von Pulsen mit einer Pulsrepetitionsrate f u is · Der gepulste Teilchenstrahl wird auf ein Spallationstarget gerichtet, wobei aus dem Target durch den Teilchenstrahl ein eine Vielzahl von Neutronen umfassender erster Neutronenfluss tar herausgeschlagen wird. Zumindest ein Teil des ersten Neutronenflusses N ta r gelangt in einen Neutronenmoderator und durchquert diesen, so dass der zu erzeugende Neutronenfluss N m od den Moderator verlässt. Der Moderator weist eine bekannte Verteilung X n (T v ) von Neutronenverweilzeiten T v auf. Der den Moderator verlassende Neutronenfluss N mo d wird nun zeitlich geglättet, indem die Pulsrepetitionsrate f pu i s und die Verteilung X n (T v ) der Neutronenverweilzeiten T v des Moderators aufeinander abgestimmt werden.

Die Anpassung wird derart ausgeführt, dass für den zeitlichen

Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt: ÄT puls = 1 / f puls > T Vrrain , wobei T v ,min die minimale Verweilzeit der Verteilung (X n (T v )) der Neutronenverweilzeiten (T v ) ist.

Weiterhin gilt für den zeitlichen Abstand zwi ¬ schen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) : AT pul3 = 1 / f puls < T V;max , wobei T v , m ax die maximale Verweilzeit der Verteilung (X n (T v )) der Neutronenverweilzeiten (Tv) ist .

Insbesondere wird die Anpassung derart ausgeführt, dass für den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls (S) gilt:

- 1 / f pu i s Ä T v,o ' wobei T v ,o die wahrscheinlichste Verweil ¬ zeit der Verteilung (X n (T v )) der Neutronenverweilzeiten (T v ) ist .

Zusammengefasst wird die Aufgabe also gelöst durch die Verwendung eines Teilchenbeschleunigers, der mit extrem hoher Pulswiederholrate betrieben wird, in Kombination mit einem geeigneten Neutronenmoderator, der den das Target verlassen- den Neutronenfluss zeitlich glättet. Dabei sind der Neutronenmoderator bzw. die Neutronenverweilzeit im Moderator und die Pulsrepetitionsrate aneinander angepasst. Um die hohe Pulsrepetitionsrate zu erreichen, ist eine HF- Sendeanordnung notwendig, die entsprechend geringe Füllzeiten der HF-Resonatoren der Beschleunigerstrecke ermöglicht (maxi ¬ male HF-Leistung bei variierender Last) . Eine Lösung dieses Problems ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, findet sich jedoch in der DE 10 2009 053 624. Dort werden HF- Kavitäten bzw. -Resonatoren sowie ein mit diesen HF-Kavitaten ausgestatteter Beschleuniger angegeben, wobei insbesondere das Problem der Einkopplung von HF-Leistung in die HF-Kavität im Vordergrund steht. Es wird daher hinsichtlich des Problems der gering zu haltenden Füllzeiten der Resonatoren, welches mit einer geeigneten Vorrichtung zur Einkopplung der HF- Leistung in die Resonatoren lösbar ist, auf die

DE 10 2009 053 624 verwiesen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.

Dabei zeigt:

Figur 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses für einen unterkritischen Kernreaktor, Figur 2 das zeitliche Verhalten des gepulsten Teilchenstrahls sowie der verschiedenen Neutronenflüsse und

Figur 3 eine exemplarische Verteilung von Neutronenverweil- zeite .

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich geglätteten Neutronenflusses N. Dargestellt sind der Kern 110 eines unterkritischen Kernreaktors 100 sowie ein Spallationstarget 120 und ein Neutronenmoderator 130. Das Target 120 wird mit einem Protonenstrahl S aus einem Teilchenbeschleuniger 200 bestrahlt, wobei der Teilchenbeschleuniger 200 eine Ionenquelle 220, eine Beschleunigerstrecke 230 mit zumindest zwei HF-Resonatoren 231, 232 sowie eine Steuervorrichtung 210 zur Ansteuerung der HF-Resonatoren 231, 232 aufweist .

Die HF-Resonatoren 231, 232 der Beschleunigerstrecke 230 sind in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und bewirken die Beschleunigung der der Ionenquelle 220 entnehmbaren Teilchen, bspw. Wasserstoffkerne bzw. Protonen.

Durch die Steuervorrichtung 210 werden in den HF-Resonatoren 213, 232 HF-Felder erzeugt, die zur Beschleunigung der der

Ionenquelle entnommenen Teilchen dienen. Diese grundsätzliche Arbeitsweise derartiger Beschleuniger einschließlich der Art und Weise der Erzeugung der HF-Felder in den HF-Resonatoren bspw. unter Verwendung eines Klystrons ist bekannt und soll hier nicht weiter dargelegt werden. Die Formulierung, dass

"die Steuervorrichtung 210 die HF-Felder erzeugt", soll diese an sich bekannte Wirkungsweise beinhalten, d.h. die Steuervorrichtung 210 beinhaltet sowohl die zur Erzeugung der HF- Felder in den Resonatoren benötigten Komponenten einschließ- lieh bspw. des Klystrons und der ggf. verwendeten Hohlleiter etc., als auch eine Elektronikbaugruppe, die die diversen notwendigen Berechnungen sowie die tatsächliche Ansteuerung der Komponenten vornimmt. Mit Hilfe der Steuervorrichtung 210 können die HF-Resonatoren 231, 232 wie auch in DE 10 2009 053 624 beschrieben separat angesteuert werden, d.h. das HF-Feld des ersten HF-Resonators 231 kann unabhängig vom HF-Feld des zweiten Resonators 232 erzeugt werden. Aufgrund der so erreichbaren HF-Entkopplung ist es möglich, die einzelnen HF-Kavitäten 231, 232 mit Hilfe der Steuervorrichtung 210 unabhängig voneinander anzusteuern, wodurch der Beschleuniger 200 flexibler betrieben und flexibler an die jeweiligen zu erreichende gewünschte Beschleuni- gung angepasst werden kann. Die Anpassung ist flexibler als bei einem Beschleuniger, bei dem die HF-Kavitäten im HF- Bereich miteinander gekoppelt sind, so dass die Steuerung einer HF-Kavität gleichzeitig die HF-Felder in den benachbarten HF-Kavität beeinflusst. Nichtsdestotrotz ist die hier dargelegte Erfindung auch mit einem Beschleuniger realisierbar, bei dem die einzelnen HF-Resonatoren 231, 232 nicht separat angesteuert werden. Unabhängig davon, ob die HF-Resonatoren 231, 232 separat angesteuert werden, ist die Steuervorrichtung 210 derart einge ¬ richtet, dass der Teilchenbeschleuniger 200 gepulst betrieben wird, dass also der dem Teilchenbeschleuniger 200 entnehmbare Teilchenstrahl S als Pulszug bestehend aus aufeinander fol- genden Teilchenpaketen bzw. -pulsen, sog. Bunches, besteht.

In der Figur 2A ist ein Pulszug P(t) des Teilchenstrahls bzw. die Teilchenflussdichte des Teilchenstrahls rein exemplarisch und in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.

Wie einleitend beschrieben bewirkt der Teilchenstrahl S im Spallationstarget 120 des Kernreaktors 100, dass aus dem Target 120 Neutronen herausgeschlagen werden. Aufgrund des ge- pulsten Teilchenstrahls S ist der das Target 120 verlassende Neutronenfluss N tar ebenfalls gepulst (Figur 2B) , d.h. der Neutronenfluss N tar weist ein ähnliches zeitliches Verhalten auf, wie der gepulste Teilchenstrahl S. Dieser gepulste Neutronenfluss N tar gelangt nun zunächst in einen Neutronenmoderator 130, in dem die Neutronen abgebremst werden. Der den Moderator 130 verlassende Neutronenfluss ^c d (Figur 2C) gelangt in den Kern 110 des Kernreaktors 100, wo schließlich die gewünschten Kernreaktionen stattfinden. N CTO d gibt dabei die Anzahl der den Moderator 130 pro Zeiteinheit verlassenden Neutronen an. Das zeitliche Verhalten von N raod ist von der Verteilung der Verweilzeiten T v im Moderator 130 abhängig. Die Verweilzeit beschreibt diejenige Zeitspanne, die die Neutronen benötigen, um den Moderator 130 zu durchqueren. Die Verweilzeit ist demzufolge abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit der das Target 120 verlassenden bzw. in den Moderator 130 eindringenden Neutronen, vom Bremsvermögen des Moderators 130 und von der Länge des Weges, den die Neutronen durch den Moderator 130 zurücklegen, d.h. von dessen Geometrie und Abmessungen.

Die Figur 3 zeigt exemplarisch und in stark vereinfachter Weise die Verteilung der Verweilzeiten T v der durch einen Puls des Teilchenstrahls S aus dem Target 120 herausgeschlagenen Neutronen im Moderator 130. Aufgetragen ist die Anzahl der Neutronen X n über der Verweilzeit T v . Die Kurve ist also so zu interpretieren, dass bspw. eine gewisse Anzahl X n , x für einen Zeitraum T v ,i im Moderator verbleibt, bevor sie in den Reaktorkern gelangt. Dementsprechend verbleibt eine Anzahl X n ,2 für einen Zeitraum T v ,2 im Moderator usw. Die Fläche unter der Kurve entspricht also letztlich der Gesamtzahl der durch einen Puls des Teilchenstrahls aus dem Target herausgeschlagenen Neutronen (unter der Voraussetzung, dass keines dieser Neutronen verloren geht) . In der Figur 3 wurde angenommen, dass die Verlaufskurve X n (T v ) ein quadratisches Verhalten zeigt bzw. parabelförmig ist, d.h. im Prinzip

X n (T v ) = -Cl · (T v - T v0 ) 2 + 02, wobei Cl, C2 und T v ,o Konstanten sind, die von der Wahl der Moderators abhängen.

In der Praxis hängt die Form Verlaufskurve natürlich im Wesentlichen von Geometrie und Material des Moderators 130, Geometrie und Material des Targets 120 sowie von der zeitlichen Länge und Form der Pulse des Teilchenstrahls S ab. T v , m in bzw. Tv,max bezeichnen die minimale bzw. die maximale Verweilzeit der Neutronen im Moderator. T v ,o bezeichnet allgemein diejenige Verweilzeit, die die überwiegende Zahl der Neutronen im Moderator verbringt bzw. diejenige Verweilzeit, für die die Kurve Xn ein Maximum aufweist. T v ,o kann also als die wahrscheinlichste Verweilzeit bezeichnet werden. Der durch einen einzelnen Puls bewirkte Neutronenfluss N mo d(t) hat ein qualitativ im Wesentlichen vergleichbares zeitliches Verhalten wie die in der Figur 3 dargestellte Kurve. Unter der Annahme, dass der Puls das Target 120 zum Zeitpunkt t=0 trifft, verlassen zu einem Zeitpunkt t v , min die ersten Neutronen den Moderator 130. Zu einem Zeitpunkt t v ,o ist der den Moderator verlassende Neutronenfluss maximal, während der Neutronenfluss zum Zeitpunkt t v , ra ax wieder abgeklungen ist. Durch eine geeignete Wahl des Moderators 130 insbesondere bzgl. Material, Geometrie und Anordnung relativ zum Target 120 kann die Verlaufskurve gemäß Figur 3 bzw. die Verteilung der Verweilzeiten T v beeinflusst werden. Umgekehrt zeichnet sich ein bestimmter Moderator 130 durch eine bestimmte Neut- ronenverweilzeit T v bzw. durch eine bestimmte Verteilung der Verweilzeiten T v aus. Im Extremfall wäre eine Anordnung denkbar, mit der die Verteilung der Verweilzeiten nicht wie in der Figur 3 vergleichsweise breit ist, sondern im Wesentlichen auf einen vergleichsweise schmalen einzelnen Peak bei T v =T v ,o reduziert ist. Bspw. könnte der Moderator 130 in

Strahlrichtung gesehen hinter dem Target 120 angeordnet sein, so dass nur die das Target in Strahlrichtung geradeaus verlassenden Neutronen auf den Moderator treffen, so dass diese Neutronen im Wesentlichen die selbe Zeitspanne T v ,o benötigen, um den Moderator zu durchqueren.

Für den Verlauf der N mod -Kurve in Figur 2C wurde nun angenommen, dass die Verteilung der Verweilzeiten T v bzw. damit zusammenhängend das zeitliche Verhalten des durch einen Puls ausgelösten Neutronenflusses N m0 d der Kurve der Figur 3 entspricht .

In der Figur 2C ist basierend auf dem Verhalten gemäß Figur 3 der aus einer Vielzahl von Pulsen resultierende Neutronen- fluss rao d dargestellt. Dabei ist mit den gestrichelten Kurven für jeden einzelnen Puls der durch diesen Puls separat ausgelöste Neutronenfluss angedeutet. Der gesamte Neutronenfluss N m od ergibt sich hier durch eine einfache Summation der einzelnen Neutronenflüsse.

Der gesamte, überlagerte Neutronenfluss N m0 d aus dem Moderator 130 gemäß Figur 2C weist ein gänzlich anderes Zeitverhalten auf als der durch einen einzelnen Puls ausgelöste Neutronen- fluss gemäß Figur 3: Nach einer bestimmten Anzahl von Pulsen bzw. nach der Einschwingphase ist der Neutronenfluss N m0 d zeitlich geglättet und schwankt zwischen einem Minimalwert N mod , min und einem Maximalwert N mod , raax mit AN mod = N mod;iIlax - N mod|[tlln .

Die Differenz zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert des Neutronenflusses m0 dA d.h. die Schwankung AN m0 d des Neutronenflusses, hängt nun von mehreren Faktoren ab. Das Zusammen- spiel zwischen dem zeitlichen Abstand AT pu i s der Pulse des Teilchenstrahls auf der einen Seite und der Verteilung der Verweilzeiten T v für die Neutronen eines Pulses gemäß Figur 3 auf der anderen Seite bestimmt letztlich das zeitliche Verhalten des Neutronenflusses N m0 d-

Ist also, vereinfacht ausgedrückt, die maximale Verweilzeit T ,m a x kleiner als der zeitliche Abstand AT pu i s der Pulse des Teilchenstrahls, so wird der Minimalwert N mod , m „ des Neutronenflusses N raod vergleichsweise klein, d.h. N mod , m in ~ 0, da der durch einen ersten Puls ausgelöste Neutronenfluss bereits abgeklungen ist, wenn der durch den nachfolgenden Puls ausgelöste Neutronenfluss auftritt. Es kommt also zu keiner Akkumulation der Neutronenflüsse und zu keinem Einschwingen. Dementsprechend ist die Schwankung AN mod des den Moderator 130 verlassenden Neutronenflusses N mod sehr groß, was wie einleitend erläutert vermieden werden soll. Umgekehrt lässt sich das in der Figur 2C dargestellte Verhalten erreichen, wenn gilt v ,max A p ui s . Im dortigen, exemplarischen Beispiel beträgt das Verhältnis Ty, ma · AT pU i s in etwa 3:1.

Erfindungsgemäß sind nun der Moderator und die Pulsrepetiti- onsrate aufeinander abgestimmt. Bei einem fest vorgegebenen Moderator mit bekannten Eigenschaften insbesondere bzgl. der Verteilung X n der Neutronenverweilzeiten T v kann mit Hilfe der Steuervorrichtung 210 die Pulsrepetitionsrate f pu i s entsprechend angepasst werden. Umgekehrt kann sich auch die Auswahl und Auslegung des Moderators 130 nach einer gewünschten Pulsrepetitionsrate des Teilchenstrahls S richten, d.h. der Typ bzw. das Material sowie die Abmessungen und die Geometrie des Moderators 130 werden dahingehend ausgewählt, dass die Vertei- lung X n der Verweilzeiten T v der Neutronen des Neutronenflusses N tar vom Target 120 im Moderator 130 an die Pulsrepetitionsrate angepasst ist.

In beiden genannten Fällen der Anpassung könnte als Anpassungskriterium verwendet werden, dass die minimale Verweilzeit T v ,min der Verteilung X n (T v ) zumindest dem zeitlichen Abstand ATp U i s zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Teilchenstrahls entspricht, d.h. AT puls = 1 / f puls > T v _ min . Ein weiter einschränkendes Kriterium, das auch zur Erstellung des

Diagramms der Figur 2C verwendet wurde, wäre bspw.

Tv, min * AT P U I S ^ T v, ma x oder konkreter AT puls * T v _ 0 . Je nach Breite der Verteilung der Verweilzeiten muss in diesem Fall ÄT pu i s mehr oder weniger genau T v ,o entsprechen. Die Steuervorrichtung 220 ist nun derart eingerichtet, dass sie eine extrem hohe Pulsrepetitionsrate von bspw.

fpuis > 3kHz erzeugt.

Die hohe Pulsrepetitionsfrequenz von > 3kHz erfordert natür- lieh möglichst kurze Füllzeiten der HF-Energie in die HF-

Kavitäten des Beschleunigers, d.h. eine möglichst große Sendeleistung. Dies ist gerade bei Hochleistungsbeschleunigern ein erstrebenswertes Ziel. Die vom Teilchenstrahl in der Ka- vität absorbierte Leistung sollte bekanntlich auch im Inte- resse eines hohen Wirkungsgrades die Verlustleistung im Beschleuniger dominieren. Damit kann während der Füll- bzw. Einschwingphase, d.h. ohne Teilchenstrahl, die gesamte verfügbare Sendeleistung zur Füllung der Kavität dienen, so dass kurze Füllzeiten ermöglicht werden. Das HF-Konzept des Beschleunigers muss so ausgelegt werden, dass möglichst viel HF-Leistung während der Füllphase, d.h. bei variabler HF- Last, zur Verfügung steht. Eine hierzu geeignete Vorrichtung einschließlich der geeigneten HF-Kavität wird bspw. in DE 10 2009 053 624 beschrieben.