Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4175
Butzek, Michael
Sicherheitstechnische Auslegung der Betriebsumgebung eines Hochleistungs-Spallationstargetsystems der Megawattklasse mit Quecksilber als Targetmaterial
151 S., 2005
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der sicherheitstechnischen Auslegung der direkten Betriebsumgebung
eines 5 MW-Quecksilber-Spallationstargets unter Berücksichtigung der sicherheitsrelevanten
Gesichtspunkte während des Aufbaues, des Betriebs und des später
notwendigen Rückbaues sowie des bei einer Anlage diesen Ausmaßes nicht zu unterschätzenden
Kostenaspektes. Von einer Spallationsquelle der hier diskutierten Leistungklasse
gehen sowohl vom toxischen und radioaktiven Inventar als auch durch die Art und Intensität
der entstehenden Strahlung erhebliche Sicherheitsrisiken sowohl für das Betriebspersonal als
auch für die Umgebung der Anlage aus. Aufgrund qualitativer Unterschiede sowohl des
Inventars als auch der entstehenden Strahlung kann jedoch bei der Planung einer Spallationsquelle
nicht die Sicherheitsphilosophie eines Spaltreaktors unreflektiert übernommen werden.
Vielmehr ist eine systematische Untersuchung aller, die Sicherheit beeinflussenden Randbedingungen
notwendig.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die für diesen Typ der Quelle sicherheitsrelevanten räumlichen
Randbedingungen, der Einfluss der verwendeten Medien, die entstehende Strahlung
und deren Besonderheiten sowie die grundsätzlichen Randbedingungen aus der Handhabung
der Komponenten untersucht. Im Folgenden wird der Grundaufbau der Anlage dargelegt und
somit die Grundlage für die Entwicklung aller weiteren Systeme festgelegt. Unter Berücksichtigung
des Targetmediums Quecksilber sowie der tritiumhaltigen Wasserkreisläufe in
Kombination mit den für die Moderatoren verwendeten brennbaren Medien wurde ein
Einschlusskonzept entwickelt, welches einerseits die sichere Durchführung des Strahlbetriebes
garantiert andererseits auch die besonderen Belange der Handhabung nicht außer
Acht lässt. Für alle sicherheitsrelevanten Komponenten des Einschlusssystems werden
Konzepte für eine spätere technische Detailausarbeitung dargelegt.
Für den Aufbau der Abschirmung werden verschiedene in Frage kommende Materialien
bezüglich ihrer Eignung diskutiert. Es wird eine Ausarbeitung des Aufbaues der Abschirmung
aufgezeigt, die sowohl die sicherheitstechnischen Belange während des Betriebes als auch
einen vereinfachten späteren Rückbau berücksichtigt. Die innerhalb der Abschirmungen
liegenden Strahlverschlüsse wurden bezüglich der sicheren Handhabung sowie der
Positioniergenauigkeit der darin befindlichen Neutronenleiter optimiert. Aufgrund der hohen
erwarteten Anzahl sicherheitsrelevanter Handhabungsvorgänge wurden Konzepte zur sicheren
und schnellen Handhabung der wichtigsten Komponenten der direkten Targetumgebung
erarbeitet. Aufgrund der hier erarbeiteten Konzepte ist sowohl der Bau als auch der Betrieb
einer solchen Anlage unter Sicherheits- und Kostengesichtspunkten durchführbar.
This thesis is concerning the safety relevant layout of the environment of a mercury based 5-
Megawatt-spallation target. All safety relevant aspects related to construction, operation and
dismantling as well economical issues were taken into account. Safety concerns are basically
driven by the toxic and radioactive inventory as well as the kind and intensity of radiation
produced by the spallation process. Due to significant differences in inventory and radiation
between a spallation source and a fission reactor, for the design of the spallation source
mentioned above the safety philosophy of a fission reactor must not be used unchanged.
Rather than this a systematic study of all safety related boundary conditions is necessary.
Within this thesis all safety relevant boundary conditions for this specific type of machine are
given. Beside the spatial distribution of different areas inside the target station, influence of
medias to be used as well as arising radiation and handling requirements are discussed in
detail. A general layout of the target station is presented, serving as a basis for all further
component and system development. An enclosure concept for the target station was
developed, taking into account the safety relevant issues concerning the mercury used as
target materials, the water cooling loops containing massive amounts of tritium as well as the
materials used for the moderators potentially forming explosive mixtures. Concept and
detailed technical layout of the enclosure system was chosen to guarantee safe operation of
the source as well as taking care of requirement arising for handling needs.
For design of the shielding different suitable materials have been discussed. A design for
assembling the shielding is shown taking into account the safety relevant requirements during
operation as well as during dismantling. The neutron beam shutters, buried inside the
shielding were designed to optimize handling and positioning issued of the inner part of the
neutron guide system. Due to the high amount of safety relevant handling procedures,
concepts for time efficient and safe handling of the major components have been developed.
Based on the concepts shown is this thesis, construction an operation of a high power
spallation source of the described kind seem to be feasible considering safety and costs.
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