Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4039
Byloos, Carla
On the Structural Integrity of the Container for a Liquid Metal Spallation Target under High Power Pulsed Proton Irradiation
VI, 116 S., 2003
Die Neutronen sind ein ideales Mittel, um die mikroskopische Struktur und Dynamik der
Materie und ihr Verhalten zu verstehen.
Hauptsächlich werden Neutronen durch Kernspaltung in Reaktoren produziert oder durch
andere Kernreaktionen wie die Spallation, die aber einen Beschleuniger benötigen.
Eine wesentliche Erhöhung des Neutronenflußes, der die instrumentelle Auflösung verbessern
würde, ist in Reaktoren durch Wärmeabfuhrprobleme begrenzt.
Obwohl gepulste Reaktoren teilweise diese Grenzen überwinden können, ist die Spallation eine
effzientere Weise, Neutronen zu produzieren, denn die freigesetzte Energie pro verfügbaren
Neutron ist um eine Größenordnung geringer.
Eine neue Neutronenquelle, die von der Entwicklung der letzten 20 Jahren in der
Beschleuniger-technologie profitieren wird, ist die Europäische Spallationsquelle (ESS).
Mit den Spezifikationen für diese neue Quelle, ein 2 × 5 MW Linearbeschleuniger, zwei
Targetstationen mit unterschiedlichen Pulsfolgen: eine Kurzpulsstation mit 50 s-1 und 1 µs
Protonenpulsdauer, eine Langpulsstation mit 162/3s-1 und 2 ms Protonenpulsdauer, wird ein
Neutronenspitzenfluß von 1 bis zu 2 × 1017 n cm-2s-1 für die Kurzpulsstation erwartet.
Ein Flüssig-Metall-Target wurde ausgewählt für die ESS, da es am besten geeignet sein sollte,
um die gegebene Anforderungen für die Neutronenproduktion und Lebensdauer zu erfüllen.
Die internationale ASTE (AGS Spallation Target Experiment) Kollaboration wurde ins Leben
gerufen, um die Probleme der Strukturmaterialien des Targets zu identifizieren und zu lösen.
Innerhalb dieser Zusammenarbeit wurde ein Flüssig-Metal-Target mit einer vereinfachten
Geometrie aufgebaut. In der Zeit zwischen 1997 und 2001 wurden verschiedene Experimente
zur Messung wichtiger Größen wie Druck, Dehnungen oder Temperatur unter realistischen
Bedingungen durchgeführt.
Wertvolle Erfahrungen zu experimentellen Techniken zur Messung der obergenannten Größen
unter einer hoher Strahlbelastung konnten gesammelt werden.
Die Finite-Elemente-Simulationen des Problems ermöglichten, neben den Ergebnissen für die
Dehnungen, die in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten waren, eine bessere
Einsicht in die durchgeführten Druckmessungen.
In der kritischen Zeit, die der Protonenpulsenergiedeponierung folgt, liegen die abgeschätzten
maximalen Spannungswerte unter ESS Bedingungen noch innerhalb der Elastizitätsgrenzen für
die in Frage kommenden Materialien des Targetsbehälters.
Trotzdem wird weitere Forschung benötigt, um die Änderungen der mechanischen
Eigenschaften der Materialien unter hoher Strahlenbelastung und auch die mögliche Korrosion
und Kavitation zu berücksichtigen.
Neutrons are an ideal probe for understanding the microscopic structure and dynamics of the
matter and its behaviour. They are mainly produced by the fission chain reaction in reactors
or by some accelerator-based reactions such as the spallation.
An increase of the neutron flux of reactors for a better instrumental resolution is limited by
heat transfer problems. Even if pulsed reactors may partially overcome this limits, a more
e.ective way to produce neutrons seems to be the spallation reaction because the amount of
energy released per available neutron is smaller by an order of magnitude.
Profiting of the significant advances in the accelerator technology during the past 20 years, a
new spallation source has been planned. The specifications given for the European Spallation
Source (ESS), a 2 × 5 MW linear accelerator as the power source, two target stations with
di.erent pulse repetition rates: Short Pulse Target Station (SPTS) at 50 Hz repetition rate, 1
µs proton pulse length, Long Pulse Target Station (LPTS) at 162/3s-1 repetition rate, 2 ms
proton pulse length, a peak neutron flux up to 2 × 1017 n cm-2s-1 for the SPTS, will, besides
assuring the availability of a general purpose neutron source for the research, also enlarge its
actual application field.
A liquid metal target appeared to be the best choice in order to fulfil the given specifications
for the neutron production and lifetime.
In order to identify and solve the problems connected with the structural integrity of the liquid
metal target within the specified operative conditions the international ASTE (AGS Spallation
Target Experiment) collaboration was created.
Within this collaboration a liquid mercury target with a simplified geometry was built. In
di.erent experiments which took place between 1997 and 2001 various e.orts in order to
measure relevant quantities as pressure, strain or temperature under realistic conditions were
done.
Considerable experience was gained concerning the experimental techniques necessary to
measure such quantities in a highly radioactive environment .
The finite elements simulations of the problem besides giving results in good agreement with
the experimental strain data, provided a better insight as far as the pressure measurements in
the mercury are concerned.
The estimated maximum stress values under the ESS operative conditions in the first critical
instants after the beam energy deposition are still within the elasticity limits for the materials
under examination.
Nevertheless, the modifications in the mechanical properties induced by the irradiation and
also by the probable corrosion and cavitation need further investigations.
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