CN106531278A - 研究堆辐照生产Pu‑238用含Np‑237辐照靶件 - Google Patents

研究堆辐照生产Pu‑238用含Np‑237辐照靶件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了研究堆辐照生产Pu‑238用含Np‑237辐照靶件，包括靶件筒和设置在靶件筒两端的上端头和下端头，所述靶件筒内设有冷却性能高的待辐照靶体，其冷却效果佳，适用于利用研究堆辐照生产Pu‑238。利用本发明的辐照靶件能够辐照出Pu‑238，并且转换率高、安全性好。

Description

研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件
技术领域
本发明属于放射性同位素辐照生产领域，具体涉及到利用研究堆辐照生产Pu-238用的含Np-237辐照靶件。
背景技术
放射性同位素电池(核电池)具有体积小、能量密度大、寿命长、可靠性高、不受环境影响等特点，可为宇宙飞船、微小卫星、心脏起搏器等提供能源。Pu-238是首个被发现的人工合成钚同位素，具有半衰期适中、功率密度高、辐射屏蔽轻等特点，是一种理想的放射性同位素热源材料。Pu-238的大规模制备依靠在反应堆内对靶件进行辐照，再通过溶剂萃取和离子交换方法纯化得到。目前，两条主要的生产途径为：从乏燃料中回收Np-237再辐照；直接堆照Am-241靶件。美、俄等国主要采取辐照Np-237靶件的途径进行生产。
我国目前尚不能进行Pu-238辐照生产，需要依靠从国外进口，对Pu-238辐照生产的研究也处于起步阶段。
辐照靶件类型与反应堆结构、所生产的同位素种类及其特性有关，应当便于在反应堆内进行布置、具有较大的转换率，同时应便于进行同位素分离提纯、并满足热工安全要求。Np-237辐照过程中吸收中子生成Np-238，Np-238衰变为Pu-238，而Np-238具有很大的裂变截面，损耗率大；Pu-238本身是一种裂变核素，靶件中有很强的裂变发热，给靶件的冷却提出了严格的要求；此外，Pu-238生产中伴随Pu-236的生成，它衰变时产生强γ辐射子体，严重影响Pu-238的品质，辐照中应严格控制其含量。从乏燃料中提取Np-237成本高昂，为获得较好的经济效益，要求所设计的靶件具有较高的Pu-238转换率，从而对Np-237辐照靶件设计提出了很严格的要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，利用本发明的辐照靶件能够辐照出Pu-238，并且转换率高、安全性好。
本发明通过下述技术方案实现：
研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，包括靶件筒和设置在靶件筒两端的上端头和下端头，所述靶件筒内设有冷却性能高的待辐照靶体。
所述冷却性能高的待辐照靶体包括内套管，所述内套管设于靶件筒中央且其轴线与靶件筒轴线重合，靶件筒与内套管间设有数个轴线与靶件筒轴线重合的环形靶体。
目前国外从乏燃料中回收Np-237再辐照的方式主要为，Np-237在辐照过程中吸收中子生成Np-238，Np-238衰变为Pu-238。而Np-238具有很大的裂变截面，损耗率大；Pu-238本身是一种裂变核素，靶件中有很强的裂变发热，给靶件的冷却提出了严格的要求。目前国内现有的靶件多采用单个圆环形靶件，其靶件内侧无冷却通道，因此冷却液只能从靶件的外侧流过，靶件内的芯体的冷却效率不高，若用于Np-237的辐照，安全隐患非常大，难以满足Pu-238的辐照生产。
本发明的内套管能够在靶件筒内形成冷却剂内外流道，在内套管外设有数个环形靶体，在环形靶体与内套管间、环形靶体与环形靶体间、环形靶体与靶件筒间形成多个冷却流道，冷却剂能够从环形靶体的内外两侧流过，增大了环形靶体与冷却液的接触面积，大大提高了冷却效率。
所述环形靶体包括圆筒型的外包壳和内包壳，外包壳和内包壳间填充有芯体，在外包壳和内包壳两端设有环形的密封端塞。
所述环形靶体为一个或两个，环形靶体与环形靶体间、环形靶体与靶件筒及内套管间有间距，形成冷却流道。
由于Pu-238生产中伴随Pu-236的生成，它衰变时产生强γ辐射子体，严重影响Pu-238的品质，辐照中应严格控制其含量。从乏燃料中提取Np-237成本高昂，为获得较好的经济效益，要求所设计的靶件具有较高的Pu-238转换率，从而对Np-237辐照靶件设计提出了很严格的要求。
利用研究堆辐照生产Pu-238是一个过程较为复杂的工艺，涉及到辐照反应的多个部件和多个操作方式的改进，而对于Np-237辐照靶件而言，提高Pu-238转换率，则要求Np-237辐照靶件具备更高的冷却效率。本发明在环形靶体的内侧和外侧均设有冷却流道，并且辐照芯体填充于环形筒状的外包壳和内包壳内，大大增加了冷却液与环型靶体的接触面，显著提高了靶件的冷却效果，经发明人反复试验，利用本发明的辐照靶件能够辐照生产Pu-238，并且具有很高的转化率。得到了品质较高的Pu-238，具有良好的经济效益。
进一步地，所述芯体为(Np-237)-HNO3溶液或铝基弥散(Np-237)O2芯块，所述靶件筒为LT24铝合金材质，所述外包壳和内包壳为305铝合金材质，它具有成本低廉、核性能优良和强度适当的优点，在研究堆中有着较好的应用。
其中，铝基弥散(Np-237)O2芯块采用无压烧结真空工艺制备，该芯块具有导热性能好、包容裂变产物能力强、后处理方便等优点。
本发明中，外包壳和内包壳与密封端塞可以通过焊接方式相连，并采用特殊工艺进行密封，从而构成一个密封的辐照罐结构，因而该辐照罐内可以盛装(Np-237)-HNO3溶液。
本发明的冷却性能高的待辐照靶体还可以采用另一种结构，其包括数根均匀分布的靶件棒，靶件棒间、靶件棒与靶件筒间有间距，形成冷却流道。
所述靶件棒外部为圆筒形外壳，外壳内填充有靶心体，所述外壳两端设有密封塞。
目前，国内外存在一些具有单个独立的靶件棒的辐照靶件，独个靶件棒固定于靶件中央，其外侧有冷却液流过，由于其冷却效率欠佳，因此一直无法应用于Pu-238的辐照生产。
本发明采用数根靶件棒同时被辐照的结构，多个靶件棒中单个靶件棒相比于现有的独个靶件棒而言，明显具有更小的横截面，因而其与冷却液接触的表面积与体积的比值显著增大，更加利于热交换，大大提高了靶件的冷却效率，同时由于本发明的靶件棒为数根，数根靶件棒的总体积与现有独个靶件棒的总体积相同或者更大，相同时间内能够辐照相同量或者更多地靶心体原料，因而本发明能够在保证靶心体的辐照效率不变或者增大的情况下显著提高靶件的散热效率，并能够将其应用于Pu-238的辐照生产。
所述靶件棒为7根，在靶件筒中央设有1根靶件棒，其余6根靶件棒均匀环布于中央靶件棒外周。
其余的6根靶件棒间连线构成一个正六边形，这种结构有着优秀的几何力学性能，能够增强整个辐照靶件的机械强度，防止其在运输或使用过程中发生破损或断裂，引起不必要的原料泄漏，避免造成经济损失或人员伤亡，有效提高本发明用于Pu-238辐照生产的安全性和可行性，适于辐照靶件领域广泛推广。
所述靶件棒还可以为19根，在靶件筒中央设有1根靶件棒，在中央的靶件棒外周均匀环布有6根靶件棒，其余12根靶件棒均匀环布于6根靶件棒构成的圆环的外周。
靶件棒为19根时，由于其内部的正六边形排列结构，使其不仅具有较高的力学性能和机械强度，同时，其单根靶件棒的横截面更小，其热交换效果更佳，并且一次性被辐照的Np-237量更多，有效提高生产效率，减小能源耗损，在一定程度上降低了原本高昂的Pu-238辐照生产成本。
进一步地，所述靶芯体为铝基(Np-237)O2芯块或(Np-237)-HNO3溶液，所述靶件筒为LT24铝合金材质，所述外壳为305铝合金材质，它具有成本低廉、核性能优良和强度适当的优点，在研究堆中有着较好的应用。
其中，铝基弥散(Np-237)O2芯块采用无压烧结真空工艺制备，该芯块具有导热性能好、包容裂变产物能力强、后处理方便等优点。
本发明中，外壳与密封塞可以通过焊接方式相连，并采用特殊工艺进行密封，从而构成一个密封的辐照罐结构，因而该辐照罐内可以盛装(Np-237)-HNO3溶液。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，由于含有Np-237的待辐照物与冷却液具有更大的接触面，因而具有十分理想的冷却效果，适用于Pu-238的辐照生产，并有效提高Pu-238的转化率，提高Pu-238的品质，降低生产成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例1环形靶体为单个示意图；
图3为本发明实施例1环形靶体为两个示意图；
图4为本发明实施例1环形靶体结构示意图；
图5为本发明实施例2靶件棒为7个示意图；
图6为本发明实施例2靶件棒为19个示意图；
图7为本发明实施例2靶件棒结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-靶件筒，2-内套管，3-环形靶体，31-外包壳，32-内包壳，33-芯体，34-密封端塞，4-靶件棒，41-外壳，42-靶芯体，43-密封塞，5-上端头，6-下端头，7-辐照孔道，8-冷却流道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1～4所示，本发明一种研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，包括靶件筒1和设置在靶件筒1两端的上端头5和下端头6，所述靶件筒1内设有冷却性能高的待辐照靶体。
所述冷却性能高的待辐照靶体包括内套管2，所述内套管2设于靶件筒1中央且其轴线与靶件筒1轴线重合，靶件筒1与内套管2间设有数个轴线与靶件筒轴1线重合的环形靶体3。
所述环形靶体3包括圆筒型的外包壳31和内包壳32，外包壳31和内包壳32间填充有芯体33，在外包壳31和内包壳32两端设有环形的密封端塞34。
优选的，所述环形靶体3为一个或两个，环形靶体3与环形靶体3间、环形靶体3与靶件筒1及内套管2间有间距，形成冷却流道8。
所述芯体33为(Np-237)-HNO3溶液或铝基弥散(Np-237)O2芯块，所述靶件筒1为LT24铝合金材质，所述外包壳31和内包壳32为305铝合金材质。
其中，铝基弥散(Np-237)O2芯块采用无压烧结真空工艺制备，该芯块具有导热性能好、包容裂变产物能力强、后处理方便等优点。
本实施例中，外包壳31和内包壳32与密封端塞34可以通过焊接方式相连，采用特殊工艺进行密封，从而构成一个密封的辐照罐结构，因而该辐照罐内可以盛装(Np-237)-HNO3溶液。
实施例2
如图1、图5～7所示，本发明一种研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，包括靶件筒1和设置在靶件筒1两端的上端头5和下端头6，所述靶件筒1内设有冷却性能高的待辐照靶体，所述冷却性能高的待辐照靶体包括数根均匀分布的靶件棒4，靶件棒4间、靶件棒4与靶件筒1间有间距，形成冷却流道8。
所述靶件棒4外部为圆筒形的外壳41，外壳41内填充有靶心体42，所述外壳41两端设有密封塞43。
优选的，所述靶件棒4为7根，在靶件筒1中央设有1根靶件棒4，其余6根靶件棒4均匀环布于中央靶件棒4的外周。
优选的，所述靶件棒4还可以为19根，在靶件筒1中央设有1根靶件棒4，在中央的靶件棒4外周均匀环布有6根靶件棒4，其余12根靶件棒4均匀环布于6根靶件棒4构成的圆环的外周。
所述靶芯体42为铝基(Np-237)O2芯块或(Np-237)-HNO3溶液，所述靶件筒1为LT24铝合金材质，所述外壳41为305铝合金材质。
其中，铝基弥散(Np-237)O2芯块采用无压烧结真空工艺制备，该芯块具有导热性能好、包容裂变产物能力强、后处理方便等优点。
本实施例中，外壳41与密封塞43可以通过焊接方式相连，并采用特殊工艺进行密封，从而构成一个密封的辐照罐结构，因而该辐照罐内可以盛装(Np-237)-HNO3溶液。
将本发明实施例1和2中的辐照靶件应用于研究堆中，在环形靶体3或靶件棒4内填充铝基(Np-237)O2芯块或(Np-237)-HNO3溶液后，密封好环形靶体3或靶件棒4，将辐照靶件插入辐照孔道7内，启动辐照系统进行辐照生产Pu-238，其转换效率高，安全性好，成本更低。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，包括靶件筒和设置在靶件筒两端的上端头和下端头，其特征在于，所述靶件筒内设有冷却性能高的待辐照靶体。
2.根据权利要求1所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述冷却性能高的待辐照靶体包括内套管，所述内套管设于靶件筒中央且其轴线与靶件筒轴线重合，靶件筒与内套管间设有数个轴线与靶件筒轴线重合的环形靶体。
3.根据权利要求2所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述环形靶体包括圆筒型的外包壳和内包壳，外包壳和内包壳间填充有芯体，在外包壳和内包壳两端设有环形的密封端塞。
4.根据权利要求2或3所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述环形靶体为一个或两个，环形靶体与环形靶体间、环形靶体与靶件筒及内套管间有间距，形成冷却流道。
5.根据权利要求3所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述芯体为(Np-237)-HNO3溶液或铝基弥散(Np-237)O2芯块，所述靶件筒为LT24铝合金材质，所述外包壳和内包壳为305铝合金材质。
6.根据权利要求1所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述冷却性能高的待辐照靶体包括数根均匀分布的靶件棒，靶件棒间、靶件棒与靶件筒间有间距，形成冷却流道。
7.根据权利要求6所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述靶件棒外部为圆筒形的外壳，外壳内填充有靶心体，所述外壳两端设有密封塞。
8.根据权利要求7所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述靶件棒为7根，在靶件筒中央设有1根靶件棒，其余6根靶件棒均匀环布于中央靶件棒外周。
9.根据权利要求7所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述靶件棒为19根，在靶件筒中央设有1根靶件棒，在中央的靶件棒外周均匀环布有6根靶件棒，其余12根靶件棒均匀环布于6根靶件棒构成的圆环的外周。
10.根据权利要求8或9所述的研究堆辐照生产Pu-238用含Np-237辐照靶件，其特征在于，所述靶芯体为铝基(Np-237)O2芯块或(Np-237)-HNO3溶液，所述靶件筒为LT24铝合金材质，所述外壳为305铝合金材质。
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