CN103038831A - 同位素生成靶 - Google Patents

Abstract

一种同位素生成靶，可包括外径壁和内径壁。同位素源可位于所述内径壁与所述外径壁之间，并且所述同位素源可包含裂变材料，所述裂变材料中散布有一个或多个空隙区域。中央区域可位于所述内径壁内，并且所述中央区域可构造为容纳中子热化体。

Description

同位素生成靶

背景技术

放射性钼（⁹⁹Mo）用来生成锝（^99mTc），锝是医护行业中所使用的多种放射性药剂中的一种成分。在全球所有的核医疗操作中，大约80%需要锝同位素的持续供应，仅在美国，每天进行的诊断操作就有将近50,000例。随着世界人口老龄化，此项需求会持续增长。

常规的钼的生成在高功率反应堆（例如能够生成超过十兆瓦热能的核反应堆）中进行。当前法规对于利用高浓缩铀（HEU）产生诸如钼的同位素的高功率反应堆允许有限的或受约束的使用。然而，由于对HEU扩散的担忧，日益加强的详细审查可能最终会限制或禁止此材料用于钼和其他放射性同位素的生成。

各个国家（诸如美国）可能会在未来的钼生成问题上达成妥协。当前，北美唯一的钼源位于加拿大，而且人们日益担忧，来自此钼源的持续钼供应会在不久的将来终结。尽管在欧洲存在其他钼源，但是钼的半衰期很短（2.75天），使得环球运输的解决方案无法实现。因此，对于许多国家来说，钼的本地生成是唯一可行的长期选择。

附图说明

图1所示为示例性的同位素靶。

图2所示为图1的示例性的同位素靶的截面。

图3所示为示例性的同位素生成靶。

图4所示为示例性的靶和靶芯。

图5所示为图4的示例性的靶的截面。

图6所示为显示示例性的同位素生成率的图表。

图7所示为示例性的靶组件。

图8所示为图7的示例性的靶组件的截面。

图9所示为同位素生成组件的分解图。

图10所示为图7的示例性的靶组件的另一个截面。

图11所示为含真空腔室的靶。

图12所示为示例性的格型构造。

图13所示为显示在各种靶之间的比较的图表。

图14所示为示例性的靶和多层源结构。

图15所示为同位素生成的示例性的过程。

具体实施方式

图1所示为示例性的同位素靶10。同位素靶10可用来生成诸如钼（⁹⁹Mo）的放射性同位素。同位素靶10示出为圆柱体形状，具有外径壁3和内径壁9。但是，本发明也涵盖具有其他形状的靶，包括六边形截面和其他几何形状。

外径壁3可与第一直径相关，内径壁9可与第二直径相关。第一直径大于第二直径。同位素靶10可包含中央区域15，中央区域15从同位素靶10的第一末端12延伸到同位素靶10的第二末端14。中央区域15可包含中空部分、通道、空腔、通孔、管等。

图2所示为图1的示例性的同位素靶10的截面20。同位素靶10可包含第一管2和第二管4。第二管4可嵌套于第一管2中以形成靶腔室1。第一管2可包含同位素靶10的外径壁3和内壁5。第二管4可包含同位素靶10的内径壁9和外壁7。靶腔室1可位于第一管2的内壁5与第二管4的外壁7之间。

在一个实例中，靶腔室1基本上可延伸至同位素靶10的整个长度。靶腔室1可在同位素靶10的第一末端12（图1）和第二末端14（图1）处密封。另外，包括同位素源或其他放射性和/或裂变材料，诸如铀（例如²³⁵U）的靶材料，可位于靶腔室1中。该靶材料可位于内径壁9与外径壁3之间。在一个实例中，该靶材料可散布有一个或多个空隙区域。

中央区域15可位于内径壁9内。在一个实例中，中央区域15可构造为容纳中子热化体（neutron thermalization volume）。例如，该中子热化体可包含水、重水、石墨、锆、塑料、蜡状物、石蜡、含氢材料、其他类型的中子减速剂，或其任何组合。中央区域15可以形成水道，该水道构造为允许水流动通过同位素靶10。例如，水可通过第一末端12（图1）进入中央区域15，并在第二末端14（图1）处离开中央区域15。在另一个实例中，中央区域15可包含完全封闭的腔室，该腔室构造为容纳中子热化体。

中央区域15可构造为使得由位于靶腔室1中的靶材料中产生的中子在再次进入靶材料之前由中子热化体热化。在裂变事件期间和/或同位素生成过程期间，还可使用中子热化体（例如水或一次冷却剂）从同位素靶10上除热和/或冷却同位素靶10。该靶材料可以各种不同的几何形状位于靶腔室1内。

图3所示为示例性的同位素生成靶30，其图以示例方式示出同位素靶的截面图，与图1中示出的同位素靶10相似。同位素生成靶30可包含外包层32和内包层34。靶材料31可位于外包层32与内包层34之间。靶材料31可包含裂变材料36和一个或多个空隙区域38。

该一个或多个空隙区域38可构造为俘获从裂变材料36生成的裂变产物气体。通过在该一个或多个空隙区域38中俘获裂变产物气体，可减少形成间隙（interstitial）的裂变产物气体的量，否则它可能导致在裂变材料与包层之间不具有任何空隙的靶中的环绕包层结构恶化。

在一个实例中，裂变材料36可包含裂变源球粒（pellet），并且该一个或多个空隙区域38可包含在这些球粒之间的间隔或间隙。该裂变材料36可包含多个单个的源物体，可以粉末形态存储，或呈现出其他物理形态，诸如球体、片段、颗粒、薄片、杆、箔、其他几何形状或其任何组合。

可将该一个或多个空隙区域38密封以防止裂变气体从同位素生成靶30中离开。例如，该靶材料31可包容在密封腔室中，该密封腔室处于外包层32、内包层34与同位素生成靶30的末端（诸如图1中所示的同位素靶10的第一末端12和第二末端14）之间。空隙区域38可包含一种或多种气体、真空或部分真空，例如在俘获到任何裂变产物气体之前。

同位素生成靶30的中央区域35可包含中子热化体或中子减速剂。该中子热化体可包含水。在一个实例中，同位素生成靶30可构造为安装在反应堆芯中，并且该中子热化体可包含与该反应堆芯相关的一次冷却剂。该反应堆芯可与输出小于十兆瓦热的低功率反应堆相关。例如，可使用低功率反应堆（诸如训练，研究，同位素，通用原子反应堆，Training，Research,Isotopes,General A tomics，即

反应堆）来生成某些同位素，诸如钼。

该同位素生成可通过一系列操作或一般步骤来完成。在第一步操作中，可以制造出适宜的同位素生成靶。同位素生成靶（诸如同位素生成靶30）的制造过程可以包含将特定几何形状的靶材料（诸如铀）放置在同位素生成靶内。

在第二步操作中，该同位素生成靶可由中子源辐照。例如，可将该同位素生成靶放置在核反应堆中。在辐照期间，在该靶材料中的裂变反应可以生成一种或多种同位素，诸如钼。在裂变反应期间，通常还会产生裂变气体或副产物。在一个实例中，裂变气体和/或副产物可被俘获或存储在散布有靶材料的空隙区域中。

在第三步操作中，可将该同位素生成靶运输到热室设施中用于远程处理。在该热室内部，可将辐照过的靶材料从包层上移除。在一个实例中，可将该同位素生成靶的一个末端（诸如图1所示的第一末端12）切除或以其他方式移除来提取该靶材料。例如，可将图3中所示的裂变材料36松散地放置在腔室1（图2）内以便于移除，例如，通过翻转已移除第一末端12的同位素靶10。可对该靶材料执行一系列化学分离来生成或提取所期望的最终产物，诸如纯钼。

在第四步操作中，可将该最终产物运输到目的地，诸如分销机构、医院、诊所、实验室、检测机构、研究机构、企业、政府机构等等。在一个实例中，从最终产物（例如，钼）中获取的锝（^99mTc）在目的地处可用于医疗操作。

图4所示为示例性的靶40和中央区域45。靶40可包含第一末端42和第二末端44。在一个实例中，可将第一末端42和第二末端44中的一者或两者移除，例如在将靶40辐照过之后。

该靶可构造为具有约1.43英寸（3.63厘米）的外径以及约22英寸（171.63厘米）的高度。该靶40可构造为用于接近

反应堆或其他类型的反应器的燃料元件的总体尺寸。

图5所示为图4中示例性的靶40的截面50，其在第一末端42处或附近处截取。该靶40可包含外包层52、内包层54以及在内外包层之间所形成的靶腔室51。裂变材料可位于腔室51内。在一个实例中，该裂变材料可包含两层裂变材料，包括第一层53和第二层56。空隙区域58可位于第一层53与第二层56之间。空隙区域58可包含环形腔，或在形状上为环形。

空隙区域58可由一种或多种气体填充，并且可构造为真空或部分真空。空隙区域58可构造为用作用于收集裂变产物气体和/或副产物的储器或体（volume）。在开始时将空隙区域58设为真空或部分真空，可便于收集在裂变材料辐照期间所产生的较大量裂变产物气体，以利于进一步减少在同位素生成操作期间在空隙区域58内的总体压力。

外包层52和内包层54可包含两个嵌套和/或密封的管。可将这些嵌套管的顶部和底部密封以使得在辐照期间所生成的裂变气体可以储集于空隙区域58中。外包层52和/或内包层54可由不锈钢、铝和/或其他材料制成，且可制造为具有标称0.020英寸（0.06厘米）的厚度。该裂变材料和包层的精确厚度可能会随着各种设计考虑因素而变化，诸如可用的中子通量、产品产量要求、材料特性、反应堆芯几何形状或其任何组合。

内包层54可构造为用于中子减速剂55的通道或容器。中子减速剂55可位于内包层54内，并且可构造为使得在裂变材料（例如，第一层53和/或第二层56）中产生的中子在再次进入裂变材料之前被中子减速剂55热化。经热化的中子可用来在第一层53和/或第二层56中生成额外的裂变事件。

在一个实例中，该中子减速剂55可包含石墨、锆、塑料、蜡状物、石蜡、含氢材料、其他类型的中子减速剂，或其任何组合。在另一实例中，中子减速剂55可包含水，诸如轻水或重水，在同位素生成操作期间该水能够流动通过在内包层54内形成的通道。中子减速剂55可包含来自反应堆的一次冷却剂。外包层52和/或内包层54可防止第一层53和第二层56接触任何水或一次冷却剂。

在一个实例中，可在靶40的侧面上开出孔（例如打孔），并且裂变气体和/或副产物可从空隙区域58中提取以收集和/或存储。可将靶40的一个或两个末端（例如，第一末端42和/或第二末端44（图4））移除或切除。可从第一层53和/或第二层56中提取最终产物（例如，钼）。例如，该最终产物可以化学方法从辐照过的材料分离。

在同位素生成靶中的裂变反应率（rate of fision reactions）可用如下方程式来描述：

R=ΦσN,

其中，

R=裂变的反应率密度（fissions cm^-3s^-1，即每秒每立方厘米的裂变数），

Φ=来自反应堆的中子通量（neutrons cm^-2s^-1，即每秒每平方厘米的中子数），

σ=裂变的微观截面积（cm^-2，即每平方厘米），

N=靶原子的原子密度（atoms cm^-3，即每立方厘米的原子数）

中子和裂变碎片可从裂变事件中直接生成。约6.5%的时间中，同位素钼可生成为经热中子辐照过的²³⁵U靶的裂变碎片。以上方程式可以描述在裂变材料中的裂变率密度。为使裂变率密度最大化，可以改变方程式中的通量和原子密度的值；微观截面积为固定参数。许多类型的研究用反应堆和低功率反应堆可与一兆瓦热（MW_t）的标称功率相关，而且可具有数量级为1E13 neutrons cm^-2s^-1的中子通量。

由于截面积是固定的，所以原子密度N和/或中子通量Φ可通过根据本文所述参考各个实例构造靶的几何形状和/或材料而增加。尽管在一些实例中，从反应堆芯射出的中子通量可与某一固定值相关，但是仍可利用靶的几何形状来增加靶内的中子通量。

中子通量Φ可包含来自反应堆芯的中子通量和来自靶的中子通量，例如，在靶内产生的中子。在靶中因裂变事件而产生的中子可能会有机会在位于靶内的中子减速剂（诸如水）内热化，并且这些热中子可继续在靶内导致更多的裂变反应。

在一个实例中，基本上所有的裂变材料（例如铀）可位于一层上（例如，位于外包层52的内表面上）。但是，具有两层裂变材料（例如第一层53和第二层56）可以改善对来自裂变反应的热的移除。例如，从靶40上移除的热量可对应于包层中与中子减速剂55（例如水）直接接触的表面积的量。在一个实例中，外包层52的外壁和内包层54的内壁可对水暴露，这可以冷却靶40的这些表面。

为增加靶材料（例如，铀）的原子密度（N），靶40可使用铀金属来构造，该铀金属具有大约18g cm^-3的密度，几乎四倍于铀氧化物（UO₂）的密度。较高的密度导致较高的原子密度N。在一个实例中，该靶材料可包含低浓缩铀（LEU），浓缩度大约19.75%。浓缩度为20%或20%以上的裂变材料可称为或定义为HEU，而浓缩度低于20%的裂变材料可称为或定义为LEU。

第一层53和/或第二层56的厚度可以根据靶材料的期望质量而变化。质量越大，N值越大，因此钼的生成率也越大。在一个实例中，可将第一层53和/或第二层56分别“溅镀（sputter）”或以其他方式黏附到外壁52和内壁54上。由于其径向位置（例如圆柱体几何形状和/或厚度）之间的不同，与第二层56相比，第一层53可具有不同的质量。

在一个实例中，第一层53和第二层56可松散地装配于靶腔室51内，例如，分别既不黏附到内壁54，也不黏附到外壁56。因此，可使用物理方法从靶40上移除第一层53和第二层56，而无需进行任何化学或热的处理。在另一实例中，在将该裂变材料辐照之后，可将化学品插入或注入到空隙区域58中，以溶解第一层53和第二层56，用于从包层移除。

图6所示为说明示例性的同位素生成率的图表60。图表60所示为钼的生成率随靶质量（例如铀）变化的情况。可根据靶内的裂变材料的质量变化来确定同位素生成率的相对变化。

该靶可包含从200克与400克之间选取的裂变材料质量，但是也可使用其他质量的裂变材料。在一个实例62中，包含质量为200克的铀的靶可以生成大约300居里（Ci）的钼（⁹⁹Mo），而在另一实例64中，包含质量为400克的铀的靶可以生成大约450居里的钼。

随着裂变材料质量增加，最终产物（诸如钼）的量也会增加。但是，最终产物量的增加可能并非是线性的，因为在中子渗入裂变材料时中子通量可能减弱。此现象也被称为或已知为自屏蔽（self-shielding）。因此，图6中所示的示例性的同位素生成率曲线可能趋近或达到最大值，而非随着裂变材料的质量继续线性增加。可以通过增加或降低与裂变材料相关的直径、厚度、长度、宽度、高度、组成或其任何组合来改变裂变材料的质量。

图7所示为包含同位素生成靶76的示例性的靶组件70。在一个实例中，同位素生成靶76的尺寸可与反应堆芯的燃料元件的尺寸大致相当。支架结构77可耦接到同位素生成靶76，并且可构造为用于将同位素生成靶76插入到反应堆芯中。支架结构77的第一部分71可在第一末端72处耦接到同位素生成靶76，而支架结构77的第二部分73可在第二末端74处耦接到同位素生成靶76。

支架结构77可包含一个或多个孔75。该一个或多个孔75（下文中称为“这些孔”）可构造为引导水或一次冷却剂进入或通过靶组件70。这些孔75可定位为围绕第一部分71和第二部分73中一者或两者的外圆周。这些孔75可构造为为水或一次冷却剂提供用于进入靶组件70或从靶组件70中离开的路径。

图8所示为图7的示例性的靶组件70的截面80。同位素生成靶76可包含外壁82和内壁84。同位素生成靶76可构造为将裂变材料包容在位于外壁82与内壁84之间的同位素生成腔室中。此外，同位素生成靶76可包含位于内壁84内的中央区域85。在一个实例中，在同位素生成靶76中所包括的裂变材料的长度86可为大约20英寸。

支架结构77可构造为引导与反应堆芯相关的一次冷却剂通过中央区域85。关于这些孔75，附加地或替换地，支架结构77可包含第一开口87和第二开口88，第一开口87位于第一部分71中或附近处，第二开口88位于第二部分73中或附近处。第一开口87和第二开口88中的一者或两者可构造为允许水或一次冷却剂进入中央区域85或从中央区域85中排出。中央区域85可构造为在同位素生成靶76插入到反应堆芯中时对由裂变材料所产生的中子进行热化。

支架结构77可包含连接装置89。连接装置89可构造为将支架结构77耦接到同位素生成靶76。该支架结构的第一部分71和第二部分73中的每一者可通过连接装置（诸如连接装置89）耦接到同位素生成靶76。

图9所示为同位素生成组件90的分解图，包括同位素靶结构95、第一支架结构92以及第二支架结构94。第一支架结构92可包含一个或多个开口97，该一个或多个开口97可构造为允许冷却剂流入同位素靶结构95或从同位素靶结构95中流出。第二支架结构94也可包含一个或多个开口。第一支架结构92和第二支架结构94各自可包含靶插入件96。靶插入件96可包含连接装置93。在一个实例中，连接装置93可构造为将靶插入件96连接到第一支架结构92，和/或连接到同位素靶结构95。

图10所示为图7的示例性的靶组件70的另一截面100。支架结构77可通过连接装置89连接到同位素生成靶76。连接装置89可包含一个或多个支撑臂、凹槽、网状结构等等。这些支撑臂可从支架结构77起向外辐射延伸，以连接到同位素生成靶76。

一个或多个开口（诸如开口105）可形成在连接装置89之间或通过连接装置89。在一个实例中，支架结构77可构造为引导水或一次冷却剂通过开口105进入到同位素生成靶76中。经过同位素生成靶76的水或一次冷却剂进入之后可被允许从开口105离开。

同位素生成腔室101可位于外壁82与内壁84之间，并且可构造为容纳裂变材料。裂变材料中所产生的中子在再次进入同位素生成腔室101之前，可由进入同位素生成靶76和/或从同位素生成靶76离开的水或一次冷却剂热化或者减速。再次进入裂变材料中的中子可以导致额外的裂变事件，其可产生更多的中子，这些中子随后可由在同位素生成靶76的中央区域中的一次冷却剂热化。

图11所示为包含真空腔室115的靶110。靶110可包含单个薄壁不锈钢管112，其与铀氧化物（UO₂）114一起涂布于管内侧。铀氧化物114可包含HEU，浓缩度为大约93%，密度为大约4.8g cm^-3。图中所示的靶110可相似于在利用高功率反应堆的所谓“森迪凯姆（Centichem）”过程中所用的靶。

从铀氧化物114的裂变所生成的任何中子在中子保留在靶110中时可能不具有在真空腔室115中热化的机会。因此，这些高能中子导致铀氧化物114的又一轮裂变事件的可能性可能极低。从裂变事件生成的绝大多数中子会简单地从靶泄露出去。替代地，靶110可能必须依赖于从靶110外部进入到不锈钢管112中的中子，例如，远端中子源所产生的中子。因此，与靶110相关的中子通量可能小于与诸如图1中所示的同位素靶10的这类靶相关的中子通量，这类靶包括构造为容纳中子热化体的中央区域。

将铀氧化物涂布于不锈钢管112的内侧上可能需要在化学浴中处理该材料。该化学浴可用来将铀氧化物114和不锈钢管112溶解，这样可能会使所期望的同位素的分离和处理复杂化。在铀氧化物114与不锈钢管112之间可以不存在空间或空隙。

图12所示为示例性的格型构造120。格型构造120可包含用于反应堆芯组件的网格板，其包含多个燃料棒及一个或多个靶。在一实例中，该格型构造120可包含燃料棒的多个同心环。在所示的实例中，外环122（“G环”）可包含三十六个位置；“F环”124可包含三十个位置；“E环”126可包含二十四个位置；“D环”128可包含十八个位置等等。中央位置（“A环”）可包含一个位置。

一个或多个靶可位于格型构造120的位置中的任何位置处。在一个实例中，靶可位于与外环122相关的位置中，以方便对靶的存取，例如安装和/或取回（retrieval）。该靶的该位置还可用来控制由该靶接收的中子通量和/或由该靶产生的热量。为了增加功率密度和/或中子通量，可将该靶移到更接近格型构造120的中心。

在一个实例中，每添加三个靶，可能需要从格型构造120中移除大约两个燃料棒。在维持反应堆的总体设计特性（例如认证标准和操作标准）的同时，可将一个或多个靶添加到格型构造120。在同位素生成过程期间，可将该靶放置在反应堆芯中达数小时或数天，例如六天。

图13所示为显示在使用示例性的水减速剂的各个靶之间的比较的图表130。图中所示的图表130将位于图12的格型构造120中的外环122中的靶的钼生成率与位置（即元件号）的关系进行了比较。第一靶132包含铍包层和中央区域，该中央区域包含中子热化体或中子减速剂水（诸如图1中的中央区域15），图中所示第一靶132的钼生成率在大约280居里（Ci）与405居里之间变化。

第二靶134包含不锈钢包层和中央区域，该中央区域包含中子热化体或中子减速剂水，图中所示第二靶134的钼生成率在大约230居里与300居里之间变化。为便于说明和比较，第一靶132和第二靶134可均包含200克的裂变材料。

第三靶136包含200克的裂变材料和真空腔室（诸如图11的真空腔室115），图中所示第三靶136的钼生成率在大约160居里与230居里之间变化。第四靶138包含100克裂变材料和真空腔室，图中所示第四靶138的钼生成率在大约105居里与150居里之间变化。

一般可以理解，第一靶132和第二靶134较之第三靶136或第四靶138，可提供较高的同位素生成率。通过包括具有中子热化体或中子减速剂的中央区域，第一靶132和第二靶134可能能够通过有效地增加靶中的热中子的数目，进而增加裂变材料的裂变率，来有效率地利用可用的中子，例如中子通量。

在靶中包括中央中子热化体可以提供生成钼和其他同位素（诸如钚）的改进且更划算的方法。在相同的中子通量下，与包含真空腔室的靶相比，在低功率反应堆中，包含中央中子热化体的一些示例性的靶可生成数量大约为三倍的钼。在各种示例性的靶中还可利用其他类型的包层，包括锆、锆合金、铝、陶瓷、其他材料或其任何组合。

图14所示为示例性的靶140和多层源结构。图中所示靶140包含第一包层组件142和第二包层组件144。第二包层组件144可嵌套于第一包层组件142内。第一包层组件142可包含第一裂变材料源141，第二包层组件144可包含第二裂变材料源143。例如，与包含单层裂变材料的靶相比，该多层源结构的几何形状可用来增加裂变材料的质量。

靶140的中央区域145可位于第二包层组件144的内壁148内。中央区域145可包含中子热化体或中子减速剂，诸如水或一次冷却剂。此外，中间区域147可包含中子热化体或中子减速剂，诸如水或一次冷却剂。中间区域147可位于第二包层组件144的外壁149外部，例如，位于第一包层组件142与第二包层组件144之间。

在一个实例中，可允许水或其他类型的一次冷却剂流动通过中央区域145和/或中间区域147，以使得可以存在两个或两个以上的通道来供水流动通过靶140。另外，在第一裂变材料源141与第二裂变材料源143之间包括中间区域147，可以减少由于靶140中的裂变材料的质量增加所导致的自屏蔽效应。可通过对靶140进行构造以改变裂变材料的量和/或调整通过靶140的水流的体积和/或流速，来控制中子热化率和/或同位素生成率。

示例性的操作模式

图15所示为同位素生成的示例性的过程150。在操作151中，可存储位于同位素生成靶的外壁与内壁之间的裂变材料。裂变材料外壳可包含外壁和内壁。可将裂变材料存储在位于外壁与内壁之间的靶腔室中。

在操作152中，可引导一次冷却剂（诸如水）通过该同位素生成靶。可引导该一次冷却剂通过该同位素生成靶的中央区域或通道。在一个实例中，可经由位于该同位素生成靶的一个或两个末端处的支架装置来引导该一次冷却剂通过该同位素生成靶。

在操作153中，可在该同位素生成靶的中央区域中热化在裂变材料的裂变事件期间产生的中子。中子响应于以中子源对该裂变材料的辐照而产生。该中央区域可包含中子热化体或中子减速剂，诸如轻水、重水、石墨、锆、塑料、蜡状物、石蜡、含氢材料、其他类型的中子减速剂，或其任何组合。在一个实例中，该中央区域可包含与反应堆芯相关的一次冷却剂。

该中央区域可包含水，水对在裂变事件期间所产生的中子进行热化，而这些经热化的中子可导致辐照过的材料的额外的裂变事件。在一个实例中，由于中子经过热化，裂变事件的数量大约两倍于仅用位于靶外部的中子源所产生的中子辐照过的靶。

在操作154中，可将在辐照过的材料的裂变事件期间所产生的裂变副产物俘获在散布有裂变材料的一个或多个空隙区域中。该一个或多个空隙区域可位于该同位素生成靶的外壁与内壁之间。在一个实例中，该一个或多个空隙区域可散布在包含裂变材料的多个物体（诸如球体或球粒之间）之间。在另一实例中，可将裂变副产物存储在位于两层或两片裂变材料之间的环形腔中。

在操作155中，可将辐照过的材料从同位素生成靶中移除。在一个实例中，在移除该辐照过的材料之前，可移除（例如切除）该同位素生成靶的一个或多个末端。存储为多个物体的裂变材料可松散地包容在该同位素生成靶中，并且可通过物理方法从该同位素生成靶中移除该辐照过的材料，而无需任何化学或热处理。在一个实例中，该裂变材料可在该靶腔室内存储为一个或多个片、箔、管等。可将该裂变材料黏附（例如溅镀）到该靶腔室的内壁和/或外壁上。

在操作156中，可通过化学方法来处理该辐照过的材料，以分离同位素，例如钼同位素。例如，可在化学浴或酸浴中处理该辐照过的材料。在一个实例中，可在将该辐照过的材料从该同位素生成靶中移除之后，用化学方法处理该辐照过的材料。在另一实例中，可在该辐照过的材料仍保留在该同位素生成靶中时用化学方法处理该辐照过的材料。

为方便起见，这些操作可以描述为各种互相连接的功能块或图。但这并非必需的，在一些情况下，可以将这些功能块或图等效地汇总到界限不清晰的单一操作中，并且/或者也可从过程中省略一个或多个操作。

尽管已使用在低功率反应堆（诸如反应堆）中的靶描述了某些实例，但是所属技术领域的一般技术人员会了解，该靶也可用于板状燃料式研究用反应堆或者是例如功率容量大于十兆瓦热的高功率反应堆。尽管可使用包含LEU的靶来描述各个实例，但是其他实例也可包括HEU、铀氧化物UO₂、钚、²³³U，或其任何组合。

尽管已描述和说明了各个实例的原理，但是，显而易见，可在不偏离此类原理的情况下在布置和细节上对这些实例做出修改。发明人主张，所有修改和变型应落入以下权利要求书的精神和范围内。

Claims (23)

1.一种同位素生成靶，包含：

外径壁；

内径壁；

同位素源，其位于所述内径壁与所述外径壁之间，其中所述同位素源包含散布有一个或多个空隙区域的裂变材料；以及

中央区域，其位于所述内径壁内，其中所述中央区域构造为容纳中子热化体。

2.根据权利要求1所述的同位素生成靶，其中所述一个或多个空隙区域构造为俘获从所述裂变材料中生成的裂变气体。

3.根据权利要求2所述的同位素生成靶，其中所述裂变材料包含同位素源球粒，并且其中所述一个或多个空隙区域包含所述同位素源球粒之间的间隙。

4.根据权利要求2所述的同位素生成靶，其中所述裂变材料包含两层裂变材料，并且其中所述一个或多个空隙区域包含位于所述两层之间的环形腔。

5.根据权利要求2所述的同位素生成靶，其中所述一个或多个空隙区域经密封以防止所述裂变气体离开所述同位素生成靶。

6.根据权利要求1所述的同位素生成靶，其中所述中子热化体包含水。

7.根据权利要求6所述的同位素生成靶，其中所述同位素生成靶构造为安装在反应堆芯中，并且其中所述水包含与所述反应堆芯相关的一次冷却剂。

8.根据权利要求7所述的同位素生成靶，其中所述反应堆芯与低于20兆瓦热的反应堆相关，并且其中所述同位素源包含铀低于20%的低浓缩裂变材料。

9.根据权利要求1所述的同位素生成靶，其中所述中央区域构造为使得在所述裂变材料中产生的中子在再次进入所述裂变材料之前由所述中子热化体热化。

10.一种同位素生成组件，包含：

靶，所述靶的尺寸近似为反应堆芯的燃料元件的尺寸，其中所述靶包含外包层和内包层，其中所述靶构造为将裂变材料包容在同位素生成腔室中，所述同位素生成腔室位于所述外包层与所述内包层之间，并且其中所述靶包含位于所述内包层内的中央区域；以及

耦接到所述靶的支架结构，其中所述支架结构构造为将所述靶插入到所述反应堆芯中，并且其中所述中央区域构造为在所述靶插入到所述反应堆芯中时热化由所述裂变材料产生的中子。

11.根据权利要求10所述的同位素生成组件，其中所述同位素生成腔室包含一个或多个空隙区域，所述一个或多个空隙区域构造为俘获从所述裂变材料中产生的裂变气体。

12.根据权利要求11所述的同位素生成组件，其中所述裂变材料包含裂变球粒，并且其中所述一个或多个空隙区域包含在所述裂变球粒之间的空间。

13.根据权利要求11所述的同位素生成组件，其中所述支架结构构造为引导与所述反应堆芯相关的一次冷却剂通过所述中央区域。

14.根据权利要求13所述的同位素生成组件，其中在所述中子再次进入所述裂变材料之前，所述中子由所述一次冷却剂热化。

15.根据权利要求14所述的同位素生成组件，其中再次进入所述裂变材料的所述中子导致裂变事件，所述裂变事件产生更多中子，这些中子由所述中央区域中的所述一次冷却剂热化。

16.一种同位素生成设备，包含：

用于容纳裂变材料的装置，其中所述容纳装置包含外壁和内壁；

用于热化位于所述容纳装置的所述内壁内的中子的装置；以及

用于存储在所述裂变材料的裂变事件期间产生的裂变副产物的装置，其中所述存储装置位于所述外壁与所述内壁之间。

17.根据权利要求16所述的同位素生成设备，其中所述热化装置包含与反应堆芯相关的一次冷却剂。

18.根据权利要求17所述的同位素生成设备，其进一步包含用于引导所述一次冷却剂通过所述同位素生成设备的装置。

19.根据权利要求16所述的同位素生成设备，其中所述存储装置包含空隙区域，所述空隙区域散布于包含所述裂变材料的多个物体之间。

20.根据权利要求16所述的同位素生成设备，其中所述存储装置包含环形腔，所述环形腔位于所述裂变材料的两层之间。

21.一种生成同位素的方法，包含：

存储裂变材料，所述裂变材料位于同位素生成靶的外壁与内壁之间；

俘获在所述裂变材料的裂变事件期间产生的裂变副产物，其中所述裂变产物被俘获在一个或多个空隙区域中，所述一个或多个空隙区域散布有所述裂变材料；以及

在所述同位素生成靶的中央区域中热化在所述裂变事件期间产生的中子，其中所述中央区域位于所述内壁内。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述中央区域包含水，所述水热化所述中子，并且其中在所述水中被热化的中子导致所述裂变材料的额外的裂变事件。

23.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含：

辐照所述裂变材料；

从所述同位素生成靶移除所述辐照过的材料；以及

对所述辐照过的材料进行化学处理，以分离所述同位素。

Images