CN103155048A - 主中子源倍增器组件 - Google Patents
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Abstract
一种在核反应堆和其它工业用途中使用的中子发射组件由封装少量252锎的大量铍制成，252锎能够放置在具有端部塞和保持弹簧的储器中。
Description
技术领域
本发明提供了一种装置和机构，通过所述装置和机构产生稳定的高能中子源，所述高能中子源除了倍增主驱动器同位素的辐射能并且有效传递其辐射能之外，还能够通过简单地调整倍增器组件的物理布局而改变强度。所产生的中子源具有多种实际用途，包括但不局限于：核反应堆的启动源、材料的无损检测、中子活化分析、样本水分分析、石油测井、治疗癌症、爆炸物探测、金属疲劳探测和工艺物流中的化学成分和含水量的其它实时评估，诸如发电厂和水泥窑中的燃烧优化。
背景技术
通常需要多种中子源（发射器），从而安全启动核反应堆堆芯。用于此目的的反应堆启动源被称作“主源”和“次级源”。主源是自给中子源，所述自给中子源提供中子而同时又不需要外部能量或者来自反应堆自身的辐射。次级反应堆启动源通常由与铍均匀混合的初始非放射性驱动材料制成。为了制造，次级源驱动材料（通常为锑）是非放射性的。结果，次级源不产生中子源直到在核反应堆中辐照驱动材料为止。次级源因驱动材料的放射性衰变产生的高能伽马射线与铍相互作用而产生中子。典型地，均与铍组合使用的当前技术的主源驱动材料是强阿尔法粒子，所述强阿尔法粒子发射钋、镭、钚、镅和锔的同位素。作为用于商业用途的实用主源而同时又不使用混合的铍的唯一材料是锎-252或者252锎。
由Ransohoff et al.和Bodnarescu（分别为美国专利申请No.3,269,915和No.3,396,007）概述了在核反应堆内产生“次级源”放射同位素。Impink,Jr.（发表于1980年6月的在下文中称作“Impink”的美国专利No.4,208,247）对“主源”的使用和中子源的一般用法做了详细描述，其中，优选地，钚-238和铍封装在合金中，所述合金不允许传输热中子，即，其对于热能中子而言基本是“黑洞”，例如精隔；65%的银/镉或者80%银/15%铟/镉。
反应堆启动中子源用于安全地辅助在核反应堆的初始堆芯加载中开始核链式反应。要求反应堆启动源安全启动仅包含未受辐照的新核燃料的初始堆芯，原因在于所有源（例如，燃料的自发裂变、宇宙辐射、氘光中子）的中子数密度均不足以可靠地监控反应堆中子数，以确保安全地启动反应堆。利用具有仅仅轻度放射性燃料的初始堆芯或者在长期停工期间之后在核反应堆中产生低中子通量，在所述长期停工期间，辐照燃料发生衰变，从而减少了来自先前提及机构的反应堆的固有中子源。固定式反应堆主启动中子源和次级启动中子源均在反应堆堆芯中提供了对电厂设备而言足以可靠地测量的中子数，并且因此为反应堆操作者能够安全地启动反应堆以及在检测到不安全情况时反应堆防护系统否决操作者并且终止反应堆启动提供了反应堆功率和反应性信息。在没有反应堆启动中子源的情况下，反应堆在反应堆防护系统干预以终止启动之前在启动期间发生快速功率激增。启动源通常插入在反应堆堆芯内部的等距间隔开的位置中以代替一些燃料棒，或者插入在反应堆堆芯的内部的结构内。
中子源除了启动核反应堆之外，还可以在其它工业应用中具有许多用途。中子源的这些工业用途通常包括使用中子源在源附近产生放射性同位素，在此之后测量在被评估的处理中如此产生的放射性同位素（多种放射性同位素）的独特的核衰变特征并且在在本领域中通常被称作中子活化分析的处理中由测量值推断出浓度或成分。所产生的工业应用包括但不局限于：材料的无损检测、中子活化分析、样品水分分析、石油测井、治疗癌症、爆炸物探测、金属疲劳探测和工艺物流中的化学成分或含水量的其它实时评估，诸如发电厂和水泥窑中的燃烧优化。
Impink（上文引用）还教导的是（在此专利的时候），商用反应堆的中子源已经定位在核芯内，并且在至少一个完整的操作循环期间保持在核芯内。源保持固定位置。在反应堆内，源插入在选择的燃料组件中并且在燃料组件引导套筒内延伸，所述引导套筒设计成向燃料组件提供结构并且引导控制元件插入到反应堆中。源还靠近核芯周边布置在组件中，以便定位在位于反应堆容器外部的探测和监控设备的探测范围内。
在http://en.wikipedia.org.wiki/beryllium（7/07/2010）的文章中将铍描述为轻质、坚固但是易碎的浅灰色碱土金属。其主要在非核应用中用作尤其是铍铜合金的合金中的硬化剂。在结构上，铍的非常低的密度（水的1.85倍）、高熔点（1287℃）、高温度稳定性和低热膨胀系数使得其在许多方面均为航空航天和核应用的理想的高温材料。由于含铍灰尘的毒性（尤其是通过呼吸），因此铍金属的商业用途存在技术挑战。铍对组织产生直接腐蚀作用并且能够在易感人群中导致被称作铍中毒的慢性威胁生命的过敏性疾病。
在核领域中，铍作为极其不寻常元素的地方在于基本所有自然生成的铍均为9Be同位素，9Be同位素对于其最后的中子具有非常低的结合能（1.69MeV）。铍的核物理的这种奇特方面所产生的结果是当9Be被带有高于下文示出的阈值能量的能量的辐射刺激时，9Be通过中子放射如下文示出的那样分裂并且形成更为稳定的氦或者碳原子。
9Be4+4He2→12C6+1n0Eα=0（放热）
9Be4+γ→2·4He2+1n0Ey≥1.6MeV
9Be4+1n0→2·4He2+2·1n0En≥1.6MeV
锎（元素98）是纯人造的稀有元素，通过在专门的高通量反应堆中对诸如钚或锔的其它稀有的人造同位素进行长期辐照来合成锎，所述专门的高通量反应堆专门设计成生产高阶锕系同位素。锎（Cf）专用于利用其强中子发射性能的用途。迄今为止，因为252锎的高源强度、高生产量和相对较长的半衰期，其是用于中子源的最广泛使用的锎同位素。目前，在世界上仅有两种合成并且分离252锎的设备。此时，在田纳西州的橡树岭国家实验室在拥有五十年历史的高通量同位素反应堆中生产大约200毫克的世界年产量的大约90%。通过从所有其它锕系元素和裂变产物中分离出252锎的方式在反应堆地点初始提纯在反应堆中产生的252锎，所述其它锕系元素和裂变产物源自从热室实验室远程实施的复杂的放射化学过程中的目标辐照。通过用源自分离处理的252锎化合物涂覆插入材料线、箔或者其它形式并且将所产生的形式放置在屏蔽所产生的252锎源材料的桶中，从而允许从热室实验室移走材料来结束分离处理。252锎的高中子强度使得从所有其它锕系元素和裂变产物中分离锎之后，任何源制造过程必须在良好屏蔽防护的设施中远程进行以保护制造人员。结果，唯一可行的是在使用252锎制造中子源的过程中应用简单的制造处理。即使鉴于先前所引用的专利，仍然似乎没有合理的理由尝试对作为中子源的锎添加任何东西，因为锎在可获得的放射性同位素中已经是按重量最强的中子源。
现在参照现有技术图1，其示出了典型的热核反应堆的一个实施例，所述热核反应堆包括容置由多个燃料组件14（图2A中示出）构成的核芯12的密封的反应堆容器10。诸如包括水的一种反应堆冷却剂通过入口喷嘴16进入容器，在位于容器和核芯支撑结构之间的环形区域中向下流动，转向并且向上流动通过穿孔板20且通过核芯12而且通过出口喷嘴22排出。
在现有技术附图2A中示出了燃料组件14，所述燃料组件14包括多个燃料细棒24，所述燃料细棒24容纳布置成束的核燃料芯块26。组件还包括多个导向套管28，所述导向套管28向组件提供了框架支撑并且成适当的尺寸，以便可移除地接收控制元件30的控制棒29，所述控制棒29能够通过诸如电磁体32的装置定位在核芯区域上方和内部，所述电磁体32作用在可移除地连接到控制元件30的轴34上（图1）。
通过诸如中子探测器36的探测设备（图1）来持续监控核芯内的中子通量，所述探测设备位于与核芯12的高度齐平的高度处。通过定位杆38可以固定或者横向移动位于容器外部的探测器。
燃料组件14的导向套管28除了如图2A所示接收控制棒29之外，还成适当的尺寸，以接收图2B中示出的中子源储器。中子源储器容纳中子发射源44。
源44包括大量快速中子发射材料，包层48将所述快速中子发射材料封装并且保持在合适位置中。因为包括源强度在内的多种要素的组合，所以用于现行技术反应堆启动源的优选源材料是252锎。然而，252锎源材料极其昂贵并且仅仅能获得有限数量，所以最小化对这些材料的需求非常重要。主源的最优解决方案是使得完成所要求功能所需的252锎的数量最小化。另外，由实现所需功能的最小源强度确定中子源的使用寿命，因此，本发明的主要目的中的一个是更为有效地使用252锎来减小源所需的252锎的数量或者延长给定数量的252锎的有效寿命。
发明内容
通过以下方式来解决以上问题并且满足目的：组合252锎驱动源和铍倍增器组件，使得能够通过铍倍增器（倍增器组件）将来自252锎驱动源的大多数放射性衰变能转变成中子，并且然后能够通过铍（n，2n）反应倍增所产生的中子。本发明包括快速中子发射源倍增器组件，所述快速中子发射源倍增器组件主要包括252锎的驱动源，252锎沉积在主要包括箔和线的表面上并且由作为倍增器段的铍段所封装和包围。现行技术主源设计利用252锎的作为自发裂变事件的衰变事件的仅仅3.1%。其余衰变事件是高能阿尔法衰变，高能阿尔法衰变的能量被包围252锎源（44）的源包层（48）完全屏蔽，如现有技术图2B所示。本发明驱动源的优选实施例是涂覆有252锎的线或者箔，所述线或者箔嵌入位于简单机加工的铍倍增器内的凹部中。优选地，铍如图3A和3B所示分为两部分，以便驱动源68容易插入。铍倍增器的尺寸仅仅在将阿尔法粒子和自发裂变产物的能量捕获在铍倍增器中的程度上是关键的。由于这些粒子数量大并且其具有带电性质，因此吸收能量所需的铍的数量远小于形成用于驱动源组件的在结构上合适的容器所需的铍的数量。捕获252锎阿尔法粒子和自发裂变衰变的能量导致相对于现行技术的252锎主源而言每单位质量252锎驱动材料的中子源强度增加大约9倍。还可以通过能够插设在252锎驱动源和铍倍增器之间的屏蔽帘来调整本发明的中子源的强度。这种屏蔽帘能够停止阿尔法粒子并且干扰阿尔法粒子传送至铍倍增器。
增加倍增器组件的质量会通过增加因由自发裂变从252锎直接产生的中子以及因与产生自252锎衰变的高能阿尔法粒子和裂变产物相互作用而在铍中产生的那些中子而导致发生的铍（n，2n）反应来进一步增加中子源强度。优选实施例将倍增器组件封装在密封源储器中，所述源储器包括用于将倍增器组件保持在一起的优选的为弹簧的装置和空隙容积，所述空隙容积提供在没有过分加压源储器的情况下收集产生自铍分解反应的氦气的空间。在本发明的倍增器中，由252锎直接产生的中子和由因所述铍倍增器组件转变阿尔法粒子和裂变产物所产生的中子在从所述源组件被发射之前通过铍（n，2n）反应进一步倍增。
本发明的主要创新是将已经作为强中子源的252锎和异质铍倍增器组合，以完成将252锎放射性能量转变成中子的转变。本发明的制造需要在进行任何结构封装之前将252锎驱动源插入到倍增器组件中。而且，需要机加工并且制造金属铍或者铍氧化物。最后，在存在强中子源的情况中必须远程实施所有制造。
252锎和铍一起提供了增效作用，从而因铍激励中子倍增而允许每个倍增器组件将252锎的质量从大约260微克减小至大约30微克，即减小了8倍多。
附图说明
结合附图，从以下描述中将更充分理解本发明的优势、性质和额外的特征，在所述附图中：
图1是典型核反应堆的一个实施例的反应堆容器的局部剖切的现有技术正视图；
图2A是具有插入其中的控制元件的燃料组件的现有技术透视图；
图2B是插入到燃料组件中的现有技术的中子源；
图3A是本发明的布置在反应堆套管中的中子源储器的剖视图；
图3B是示出了252锎、线和铍部件的中子源的三维视图，其最佳地图解了本发明的作为反应堆启动源的最广泛的实施例。
具体实施方式
在本发明中，如图3A所示并且如下文所述，大量的铍将用于包封/包围/封装少量252锎。在本发明的倍增器组件中仅使用252锎和铍。倍增器组件包括铍和涂覆到线或者箔上的252锎。在此描述的本发明的优选实施例使用来自252锎的所有不同类型的辐射，以便其能够有效转变成中子。即使252锎是非常强的中子源，也只能由衰变中的3.1%来直接产生中子，衰变是自发核裂变，每次裂变发射出平均3.77个中子。当前技术的252锎中子源使得252锎放射能的作为阿尔法粒子的剩余的96.9%无用，因为该能量作为标准源设计不锈钢护壳中的热量而消散。
优选的实施例不使用源护壳（所述源护壳还是用于屏蔽阿尔法粒子和裂变产物能量的极其有效的屏障），而是使用通常为钯的裸线，252锎在与产自反应堆的多种辐照产物分离之后已经被沉积在所述裸线上。作为将线封装在屏蔽件中的替代方案，将线封装在简单的铍倍增器组件中，然后用源自252锎的衰变的阿尔法粒子、裂变产物、瞬发裂变伽马射线和高能中子直接照射所述铍倍增器组件。结果，涂覆有252锎的裸线的中子源强度被倍增大约八至十倍，从而导致对于相同数量的252锎产生明显更强的源或者使用期更长的源，或者对于恒定源强度所需的252锎的数量减小了九倍。多次计算已经表明了利用现有技术的未倍增源的典型600MBq反应堆启动主源需要将近260μg的252锎，而倍增源仅仅需要29μg。
现在参照图3A，示出了主源储器60，其包括：252锎的驱动源，所述驱动源以68示出并且涂覆到衬底线69上，和包封/包围/封装铍段64，以提供倍增器组件62。在图3B中更好地图解了该倍增器组件62。在核电站、石油测井以及其它地方中倍增器组件62能够具有广泛的用途。
在此，倍增器组件62包括示出为68并涂覆在衬底/表面69上且由示出为64的铍包围的252锎，能够插入周围中空管/棒70或者被周围中空管/棒70所容纳/包封。主源储器的端部能够被顶端塞子84和底端塞子84′所密封，其中，定位元件（最简单的为弹簧78）将所容纳/包封的倍增器组件62保持在接近或者靠近底端部塞子84′的合适位置中。主源储器中的空隙容积示出为86，其能够捕获由252锎阿尔法衰变直接释放以及由铍分解反应释放的氦气。
尽管已经详细地描述了本发明的特定实施例，但是本领域中的技术人员应当理解的是，根据本发明的整体教导能够作出针对那些细节的多种修改方案和变形方案。因此，所公开的具体实施例意味着仅仅解释而非限制本发明的范围，本发明的范围将由随附权利要求和其任何以及全部等同物来界定。
Claims (13)
1.一种快速中子发射源倍增器组件（62），主要包括252锎的驱动源（68），252锎沉积在主要包括箔和线的表面（69）上并且被作为倍增器段的铍段（64）所封装和包围。
2.根据权利要求1所述的快速中子发射源倍增器组件（62），所述快速中子发射源倍增器组件布置在周围的中空管（70）中。
3.根据权利要求1所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，所述铍段（64）被机加工。
4.根据权利要求1所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，微量252锎封装在铍快速中子发射源倍增器组件（62）中。
5.根据权利要求1所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，通过铍捕获从252锎产生的阿尔法粒子和裂变产物的能量，铍将这些粒子的能量转变成中子。
6.根据权利要求5所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，由252锎直接产生的中子和由因所述铍倍增器组件（62）转变阿尔法粒子和裂变产物所产生的中子在从所述源组件被发射之前通过铍（n，2n）反应进一步倍增。
7.根据权利要求1所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，所述表面（69）是钯箔或钯线。
8.根据权利要求2所述的快速中子发射源倍增器组件（62），还包封在储器中，所述储器由顶端部塞子（84）和底端部塞子（84′）所密封，其中，所述倍增器组件（62）被弹簧（78）保持在抵靠所述端部塞子（84，84′）中的一个的合适位置中。
9.根据权利要求8所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，从中子源反应产生的氦气被保持在所述源储器内的空隙容积（86）内。
10.根据权利要求8所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，所述源用于提供稳定的中子源，以便安全地启动核反应堆。
11.根据权利要求8所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，所述源用于提供稳定的中子源，以便非破坏性地评估材料成分和浓度。
12.根据权利要求8所述的快速中子发射源倍增器组件（62），所述快速中子发射源倍增器组件布置在中子反应堆的芯（12）中。
13.根据权利要求1所述的快速中子发射源倍增器组件（62），其中，能够停止阿尔法粒子的材料的屏蔽帘插置在所述252锎驱动源和铍倍增器之间，以通过对将阿尔法粒子传送到所述铍倍增器产生干扰来调整中子源强度。
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