CN101552045A - 放射性同位素生产结构、燃料组件及使用该结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及放射性同位素生产结构、燃料组件及使用该结构的方法。示例性实施例涉及具有放射目标(170)的系板附件和/或具有带有放射目标(170)的示例性实施例系板附件(150)的燃料组件，以及使用该结构来产生放射性同位素的方法。示例性实施例系板附件(150)可包括允许放射目标(170)容纳在保持孔(160)中的多个保持孔(160)。放射目标(170)可以在包括燃料组件(100)的运行的核堆芯中被放射，从而产生可以通过移除示例性实施例系板附件(150)而从用尽的核燃料组件(100)中获取的放射性同位素。
Description
技术领域
示例性实施例大体涉及核电站中的燃料结构以及其中所产生的放射性同位素。
背景技术
一般来讲，核电站包括反应堆芯，其具有设置在其中以便通过核裂变产生能量的燃料。美国核电站的普通设计是将燃料设置在置于反应堆芯内部的作为燃料组件捆绑在一起的多个燃料棒或者燃料组件中。这些燃料棒通常包括在整个组件中的各个轴向位置处将燃料棒连接至组件构件的若干元件。
如图1所示，核反应堆(例如BWR(沸水堆))的传统燃料组件10可包括围绕上系板14和下系板16的外部通道12。多个全长燃料棒18和/或部分长度燃料棒19可以在燃料组件10内设置在矩阵中，并且穿过多个隔离件20。除了全部终止于全长燃料棒18的下方竖直位置处的部分长度燃料棒19之外，燃料棒18和19大体始自上系板14且终止于下系板16，并连续地延伸燃料组件10的长度。上端塞15和/或下端塞17可以将燃料棒18和19连接至上系板14和下系板16，其中在部分长度燃料棒19的情况下仅使用下端塞17。连接杆28可以是布置在燃料组件10中的拐角位置上的全长度的杆，其牢固地连接至上系板14和下系板16，并且为燃料组件10提供操作点。端塞15和17可以分别与上系板14和下系板16配合，而且在连接杆28的情况下可以分别穿过上系板14和下系板16，并且可以将燃料棒18或19沿轴向固定在燃料组件10中。
发明内容
示例性实施例涉及具有放射目标的系板附件和使用示例性实施例系板附件的燃料组件，以及使用该结构来产生放射性同位素的方法。示例性实施例系板附件可包括多个保持孔，这些保持孔允许放射目标被插入和容纳在其中。可以在包括燃料组件的运行的核堆芯中放射放射目标，从而产生可以通过移除示例性实施例系板附件而从用尽的核燃料组件中获取的有用的放射性同位素。
示例性实施例系板附件可以通过上系板、燃料棒和/或围绕燃料组件的通道而连接至燃料组件。示例性实施例系板可以保持在燃料组件内的固定的轴向位置处，以便将其中的放射目标暴露于持续的、较低水平的中子流，从而将大量的放射目标转变成可用的放射性同位素。
附图说明
通过详细描述所附的附图，示例性实施例将变得更加显而易见，其中类似的元件由类似的参考标号表示，这些参考标号仅以说明的方式给出，且因此不限制本文的示例性实施例。
图1是不具有系板附件的现有技术燃料组件的图解。
图2是具有示例性实施例系板附件的示例性实施例燃料组件的图解。
图3是示例性实施例系板附件的详细图解。
图4是显示了其中的放射目标的示例性实施例系板的详细图解。
具体实施方式
本文公开了示例性实施例的详细的说明性实施例。然而，本文公开的特定结构性和功能性细节仅仅是代表性的，以便于描述示例性实施例的目的。然而，示例性实施例可以以许多替换形式来实施，而且不应理解为仅仅限于本文所述的示例性实施例。
将理解的是，虽然用语第一、第二等等在本文中可用于描述各元件，但是这些元件不应受到这些用语的限制。这些用语仅用于使元件彼此区别。例如，第一元件可以称为第二元件，且类似地，第二元件可以称为第一元件，而不偏离示例性实施例的范围。如本文所用，用语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个项目的任何及所有组合。
将理解的是，当某元件被称为“连接”、“联接”、“配合”、“附连”或“固定”到另一元件时，该元件可以直接连接或联接到另一元件或可能存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，则不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语(例如，“在...之间”对“直接在...之间”、“与...相邻”对“与...直接相邻”等)应以类似的方式来解释。
本文所使用的用语仅出于描述特定实施例的目的，并且不意图对示例性实施例进行限制。如本文所用，除非文字另有明确说明，单数形式“此”和“该”也意图包括复数形式。还将理解的是，当在本文中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
还应当注意，在一些备选实施方式中，所述功能/动作可以不按数字所表明的顺序出现。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续显示的两个数字事实上可以基本上同时执行，或者有时可以按相反的顺序执行。
图2显示了包括可以单独地或共同地起到放射性同位素生产结构的作用的上系板114和示例性实施例系板附件150的示例性实施例燃料组件100。除了包括示例性实施例系板附件150之外，示例性实施例燃料组件100可以与传统的燃料组件类似。虽然示例性实施例燃料组件100被示为与传统的BWR型燃料组件类似，但是根据本发明，包括PWR(压水反应堆)型燃料组件和未用完的燃料棒束的其它示例性实施例可以是可带有该系板附件来使用的。
示例性实施例系板附件150可以大致为矩形，并且将全长燃料棒118框在燃料组件100中。示例性实施例系板附件150的外周边可以延伸到由燃料棒118形成的燃料组件100的外周边附近，以便在示例性实施例燃料组件100内形成基本一致的轴向轮廓。
虽然示例性实施例系板附件150被示为具有中空中心的大致矩形，但是其它形状也是可行的。例如，示例性实施例系板附件可沿着仅示例性实施例燃料组件的一侧或两侧而非所有的四侧而延伸。类似地，示例性实施例系板附件可具有各种各样的厚度，或者甚至贯穿示例性实施例燃料组件的整个截面轮廓且具有允许冷却剂流过其中的通道而非具有中空中心。示例性实施例系板附件还可具有包括六边形、三角形等形状的其它形状，以匹配示例性实施例燃料组件及其中的系板。
在图2的示例性实施例系板中，附件150可具有与沿着示例性实施例燃料组件100的横截面的单排燃料棒118相等的截面边缘厚度。也就是说，示例性实施例系板附件150可以围绕示例性实施例组件100中的外部燃料棒118，或与外部燃料棒118定位在同一处。这样，示例性实施例系板附件150就不会显著减少或干扰经过组件100中的内部棒的冷却剂流，并且其可以布置在组件100内的具有通常较低的中子流的位置处。
如图2所示，示例性实施例系板附件150可以沿轴向方向定位在上系板114下方。示例性实施例系板附件150可以以多种方式保持在上系板114下方。例如，示例性实施例附件150可以直接焊接到上系板114上、铸造到上系板114中或者以其它方式在结构上与上系板114连续，可以以摩擦的方式和/或锁-键的方式装配到上系板114中，或者可以通过例如螺栓或螺钉等紧固件而连接至上系板114。
如图2和3所示，作为另一种附连选项，示例性实施例系板附件150可以允许一个或多个燃料棒118和/或上端塞及连接塞120经由孔口155轴向地穿过附件150且进入上系板114中。因此燃料棒118可以使示例性实施例系板附件150固定在上系板114下方的横向位置上。通过设置在孔口155中的燃料棒118或者通过沿轴向方向经过组件100的冷却剂流，和/或将示例性实施例系板附件150紧靠上系板114而固定，可以将示例性实施例系板附件150保持在上系板114下方的固定的轴向位置上。或者，例如，燃料棒118和/或上端塞120可以用拧入、锁入、焊入等方法装配到示例性实施例系板附件150中，以便将附件150保持在上系板114下方的固定的轴向位置上。
更进一步，示例性实施例系板附件150可以通过焊接和/或可移除地装配到围绕示例性实施例燃料组件100的外部通道112中而附连至外部通道112。侧向延伸部(在以下讨论)可以有利于外部通道112和示例性实施例系板附件150之间的这种接触。
在示例性实施例燃料组件中，示例性实施例系板附件可以由此沿轴向方向保持在上系板附近或附连在其下方。在组件拆卸期间，这个位置允许容易地接近示例性实施例系板附件，因为仅移除上系板就可以接触示例性实施例系板附件
图3是示例性实施例系板附件150的详细图解。虽然示例性实施例系板附件150被示为与外部通道112的形状相匹配的中空矩形，但是如上所述，其它形状和定向也是可行的。示例性实施例系板附件150由当暴露于运行的核堆芯中的条件时基本上保持其物理特性和中子特性的材料制成，从而示例性实施例系板附件150不会干扰或影响存在于运行的反应堆中的中子流。示例性实施例系板附件可以由例如不锈钢、因科镍合金、镍合金、锆合金、铝等制成。
如上所述，孔口155可以完全穿透示例性实施例系板附件150，并且允许燃料棒118(以阴影显示)和/或上端塞120穿过和/或连接到示例性实施例系板附件150。这样，孔口155尺寸可设置为具有充分地大于燃料棒118外径和/或上端塞120外径的内径。图3的实例连接方法显示示例性实施例系板附件150“座落”于燃料棒118和上端塞120接头的肩部117上。应当理解，可以使用以上所述及以下所述的若干其它连接方法，包括棒或端塞与示例性实施例系板附件之间的摩擦接触、锁-键、狭槽型，或者楔形榫型接头、焊接，和/或零件之间的连续连接。
示例性实施例系板附件150可包括有利于相对于通道112的定位和/或与通道112的连接的一个或多个侧向延伸部165。例如，侧向延伸部165可以在示例性实施例系板附件150的各侧上连接或靠接通道112，以便在示例性实施例燃料组件100内对中和/或固定示例性实施例系板附件150。侧向延伸部165还可以进一步匹配上系板114的延伸部和/或形状，以便在上系板114和示例性实施例系板附件150之间提供一致的轴向轮廓。
示例性实施例系板附件150在其顶面中包括多个保持孔160，如图4(图3中的区域A的放大部分)所示，一个或多个放射目标170布置且容纳在该多个保持孔160中。孔160不穿过示例性实施例系板附件150，但是却具有足以允许放射目标170安放在孔160内的深度。孔160可以按几何学的方式布置在孔口155周围或之间。或者，只要附件150的结构整体性不受孔160的位置和/或数量的损害，孔160可以在整个示例性实施例系板附件150中不以特定的式样分散。
放射目标170可以是便于插入保持孔160中的小“种子”或小杆的形状。基于孔160的大小，放射目标170可具有可安放到孔160内的宽度和长度，并且可以是例如以毫米来计量的。包含潜在地不同类型的母材(包括固体、液体和/或气体)的若干放射目标170可以布置在单个保持孔160中。或者，各个孔160可以容纳同质的放射目标170。
放射目标170可以由当暴露于在运行的核反应堆中的系板114下方遇到的中子流时基本上转变成放射性同位素的各种材料构成。因为中子流在示例性实施例燃料组件100的轴向端部(图2)处可能较低，所以示例性实施例系板附件和其中的放射目标170也可暴露于较低的通量下。因此，具有高中子截面和更短的半衰期的材料优选用于放射目标170，该材料包括例如铱191，当暴露于在运行的核反应堆中遇到的中子流时，铱-191可以转变成铱192。类似地，其它同位素也可以用作放射目标170，包括例如钴59、硒74、锶88和/或铱191。
如图4所示，保持孔160可以由覆盖孔160并且连接至示例性实施例系板附件150的盖罩161密封或闭合。例如，盖罩161可以焊接到附件150上，或者如果孔160是带螺纹的，盖罩161可以螺纹连接到孔160中。将盖罩161牢固地附连到孔160上以便提供对放射目标170的容纳的其它方法可能是已知的，并且可以与示例性实施例一起使用。因为盖罩161可以向保持孔160提供容纳，所以当暴露于中子流时，放射目标170可以包含或产生有用的气态、液态和/或固态放射性同位素，而且即使这些放射性同位素可能是液态、气态或固态的，它们也可以通过盖罩161而容纳在放射孔160中。
由于示例性实施例系板附件的更高的轴向位置，容纳在其中的放射目标可以被更低量的中子流放射更长的时间段，从而导致从具有更高的截面的放射目标中更加可预测地且有效地产生具有更短的半衰期的放射性同位素。此外，由于示例性实施例系板附件可以布置在其中的上系板区域与低微振磨损相关联，所以示例性实施例系板附件可以向放射目标提供坚固的容纳。最后，可以轻易地从经放射的示例性实施例燃料组件中移除上系板，而不干扰燃料棒或经放射的燃料，从而允许更容易地获取示例性实施例系板附件和其中的有用的放射性同位素。对于保持和容纳由示例性实施例系板附件中的放射目标所产生的固态、液态或气态放射性同位素，示例性实施例系板附件可以进一步提供坚固的容纳。
由此描述了示例性实施例，本领域技术人员将理解，可以通过常规实验来改变示例性实施例而不需要进一步的创新性活动。例如，其它燃料类型、形状和构造可以结合示例性实施例燃料组件和系板附件使用。变型不应视为偏离示例性实施例的精神和范围，并且对本领域技术人员而言显而易见的所有这种修改都意图包括在所附的权利要求书的范围之内。
Claims (10)
1.用于在核燃料组件(100)中使用的放射性同位素生产结构，所述结构包括：
成形为以便沿轴向装配在所述核燃料组件(100)中的系板(114)下方的系板附件(150)，所述系板附件(150)包括至少一个保持孔(160)，所述系板附件(150)由当暴露于运行的核反应堆中的中子流时基本上保持其物理特征和中子特征的材料制成；以及
构造成当暴露于运行的核反应堆中的中子流时基本上转变成放射性同位素的至少一个放射目标(170)，所述至少一个放射目标(170)放置在所述至少一个保持孔(160)中。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述系板附件(150)还包括成形为和定位成以便允许所述核燃料组件(100)的燃料棒(18/19)穿过所述系板附件(150)并进入所述系板中的至少一个孔口(155)。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述至少一个孔口(155)成形为用以定位成与所述燃料棒(18/19)相靠，以便将所述系板附件(150)靠着所述系板(114)而锁定。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述系板附件(150)还包括使所述系板附件(150)连接到围绕所述核燃料组件(100)的通道上的至少一个侧向延伸部(165)，所述至少一个侧向延伸部(165)构造成以便将所述系板附件(150)在所述燃料组件(100)内保持在固定的轴向位置处。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述系板附件(150)还包括在所述至少一个保持孔(160)上方连接至所述系板附件(150)的至少一个盖罩(161)，所述盖罩(161)成形为以便将所述放射目标(170)密封和容纳在所述保持孔(160)内。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述放射目标(170)为铱191、硒74、锶88和钴59中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，多个放射目标(170)布置在所述保持孔(160)中，所述多个放射目标(170)中的至少第一放射目标(170)为第一材料，且所述多个放射目标(170)的第二放射目标(170)中的至少一个为第二材料。
8.一种核燃料组件(100)，包括：
上系板(114)；
定位在所述上系板(114)下方、某轴向位置处的系板附件(150)，
所述系板附件(150)包括构造成当暴露于运行的核反应堆中的中子流时基本上转变成放射性同位素的至少一个放射目标(170)，
所述系板附件(150)由当暴露于所述运行的核反应堆中的所述中子流时基本上保持其物理特性和中子特征的材料制成；以及
延伸到所述上系板(114)中的多个燃料棒(18/19)。
9.根据权利要求13所述的核燃料组件(100)，其特征在于，所述系板附件(150)由不锈钢、因科镍合金、镍合金、锆合金和铝中的至少一种制成。
10.一种在具有放射性同位素生产结构的核燃料组件(100)中生成放射性同位素的方法，所述方法包括：
将至少一个放射目标(170)插入到系板附件(150)的保持孔(160)中，所述至少一个放射目标(170)构造成当暴露于运行的核反应堆中的中子流时基本上转变成放射性同位素，所述系板附件(150)成形为以便沿轴向装配在所述核燃料组件(100)中的系板(114)下方，所述系板附件(150)由当暴露于所述运行的核反应堆中的所述中子流时基本上保持其物理特性和中子特性的材料制成；
使所述系板附件(150)沿轴向定位在所述核燃料组件(100)中的所述系板(114)下方；
将所述核燃料组件(100)装入核动力反应堆中；以及
启动所述核动力反应堆的动力运行。
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