CN107210075A - 放射性核素产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种放射性核素产生系统，所述系统包括：管系统，其被构造成允许将辐照靶插入核反应堆的仪表指状件中并将所述辐照靶从所述核反应堆的仪表指状件中移除；和辐照靶驱动系统，其被构造成将所述辐照靶插入所述仪表指状件中并将所述辐照靶从所述仪表指状件中移除。所述放射性核素产生系统还包括仪表和控制单元，所述仪表和控制单元与在线堆芯监测系统连接，并且被构造成基于所述反应堆的实际状态来计算所述辐照靶的最佳辐照时间，其中所述反应堆的实际状态由所述在线堆芯监测系统提供。

Description

放射性核素产生系统
技术领域
本发明涉及一种放射性核素产生系统。
背景技术
放射性核素用于科学技术的各个领域，也用于医疗目的。通常，放射性核素在研究用反应堆或回旋加速器中产生。然而，因为先前用于放射性核素的商业生产的设备数量是有限的且预计会减少，所以希望提供替代的生产场地。
尤其通过使用加压空气来驱动管系统中的气动小球而将固态球形探头(所谓的“气动小球”)引入到穿过反应堆的堆芯的仪表管(“指状件”)中来测量商业核反应堆的堆芯内的中子通量密度。有建议使用这种气动小球测量系统来生产放射性核素。
EP 2093773 A2示出了放射性核素产生系统，其中在商业轻水核反应堆中通过核裂变产生具有医疗应用的短期放射性同位素。通常用于容纳中子探测器的现有仪表管用于在反应堆的正常运行期间产生放射性核素。将球形辐照靶线性地推入仪表管中且将其从仪表管中线性地移除。当反应堆的堆芯的轴向中子通量分布被认为是已知的或可计算的时，至少基于该参数来确定反应堆的堆芯中的靶的最佳位置和暴露时间量。驱动齿轮系统、致动器或气动驱动器可以用于移动和保持辐照靶。自动流量控制系统维持该气动小球测量系统的所有子系统之间的同步性。
从US 8842798 B2和US 2013/0170927 A1中也已知类似的系统，例如，其具体记载了基于现有的TIP(可移动的堆芯内探测器(traversing incore probe))系统的几个驱动系统的实施方案(靶的通道和输送机构)。在特定时间以特定方式分配辐照靶时可以使用如截止阀或闸阀等部件。US 2013/0315361 A1提出了一种用于密封仪表管基部的阀门。设置交替路径以保持到现有的TIP管索引器(indexer)的入口，或提供到期望的目的地的替代路线。在US 2013/0177126 A1中，示出了保持组件，其包括如叉件等限制结构，用于选择性地阻挡辐照靶移动通过通道和/或进入/离开仪表管。
发明内容
本发明的目的是改善放射性核素的生产。
通过根据权利要求1所述的放射性核素产生系统来实现上述目的。在可以彼此独立组合的从属权利要求中表明了本发明的有益和有利的实施方案。
本发明提供了一种放射性核素产生系统，所述系统包括：管系统，其被构造成允许将辐照靶插入核反应堆的仪表指状件中并将所述辐照靶从所述核反应堆的仪表指状件中移除；和辐照靶驱动系统，其被构造成将所述辐照靶插入所述仪表指状件中并将所述辐照靶从所述仪表指状件中移除。根据本发明，所述放射性核素产生系统还包括仪表和控制单元，所述仪表和控制单元与在线堆芯监测系统连接，并且被构造成基于所述反应堆的实际状态来计算所述辐照靶的最佳辐照时间，其中所述反应堆的实际状态由所述在线堆芯监测系统提供。
本发明是基于以下发现：其主要目的是产生电力的现有或未来的核反应堆可以用于生产放射性核素。特别地，可以修改和/或补充这种商业反应堆的现有或另外设计的气动小球测量系统或其他辐照系统，以使得能够有效和高效地生产放射性核素。
如上所述，气动小球测量系统是用于测量反应堆的堆芯中不同位置处的中子通量密度的系统。这种气动小球测量系统的至少一些仪表指状件和与其连接的管子可以用于将包括合适的母体材料的气动小球引导到反应堆的堆芯中，并在母体材料的适当辐照之后将气动小球从反应堆的堆芯中引导出来。特别值得注意的是，通过考虑反应堆的实际状态，特别是当前的中子通量、燃耗、反应堆功率和/或负载来优化辐照过程。因此，可以计算出辐照过程的最佳辐照时间和其他参数以获得最佳结果。对于本发明的主要构思，实际计算是在气动小球测量系统的仪表和控制单元中进行或是通过气动小球测量系统的适配的在线堆芯监测系统来进行并不重要。因此，两种可选方案都应包含在内。
优选地，由所述在线堆芯监测系统向所述仪表和控制单元提供的信息包括以下参数中的至少一个：中子通量(来自堆芯外或堆芯内探测器)、来自现有气动小球测量系统的激活值、燃耗、反应堆功率、负载、棒位置、流量、入口温度、压力以及时间同步性。将关于反应堆的越多信息考虑为输入数据，最佳辐照时间的计算结果将越精确。前面提到的参数可以包括实时值和任意衍生值，如随时间的发展。
根据本发明的高级实施方案，所述仪表和控制单元根据由所述在线堆芯监测系统提供的信息来计算其他参数，特别优选所述辐照靶在所述仪表指状件中的辐照位置。
放射性核素产生系统的仪表指状件被核反应堆的主冷却剂包围。为了立即察觉到系统中的任何泄漏，所述放射性核素产生系统还包括用于检测主冷却剂的进入的至少一个传感器。
所述用于检测主冷却剂的进入的传感器优选位于所述仪表指状件上或所述管系统的部件上。
根据本发明的特定方面，所述传感器是基于被修改为用于测量电阻的火花塞的湿度传感器。
根据本发明的优选实施方案，所述驱动系统包括作为气动系统的阀组，用于单独控制所述辐照靶在所述管系统中的输送。基于这种单独控制，可以单独驱动常规气动小球测量系统(用于确定堆芯内的中子通量)和根据本发明的放射性核素产生系统。
根据本发明的优选实施方案，所述管系统包括分离部件，所述分离部件在所述反应堆压力容器头部上方的电缆桥处和/或在所述核反应堆的连接器板处对所述管子进行拆分。
根据本发明的优选实施方案，所述驱动系统包括靶填充装置，用于将所述辐照靶插入所述仪表指状件中，并且在辐照之后将所述辐照靶从所述仪表指状件中移除，以便在所述管系统中进一步输送。
为了靶填充装置的安全和可靠的操作，所述仪表和控制单元被构造成使得所述靶填充装置的阀的操作是至少部分自动的。
根据本发明的优选实施方案，所述驱动系统包括用于在辐照之后将所述辐照靶排放到收集容器中的闸门装置。
根据本发明的优选实施方案，所述驱动系统包括用于监测所述辐照靶和/或任意指示球的出现及其穿过所述管系统(特别是进入和离开所述仪表指状件)的运行时间的传感器。
关于这些传感器的测量原理，可以利用当所述辐照靶和/或指示球经过所述传感器时的磁通量的变化。另外，或者作为替代，可以采用感测所述辐照靶和/或指示球的辐射的辐射传感器。
根据本发明的优选实施方案，所述仪表和控制单元与所述核反应堆的至少一个故障监测系统连接，特别是与气动小球测量系统的故障监测系统连接。
根据本发明的优选实施方案，设置有操作员站，其包括用于控制所述驱动系统的机械部件的特定操作参数，特别是所述阀组的特定操作参数的处理单元。
有利地，所述仪表和控制单元可以被构造成特别是在每次进给辐照靶之后自动控制所述管系统中的压力。
根据本发明的优选实施方案，用于所述放射性核素产生系统的部件的电力由气动小球测量系统的负载柜和/或由控制柜管理。
附图说明
从以下说明和参照的附图中可明显地看出本发明的其他特征和优点。在附图中：
图1示出了根据本发明的放射性核素产生系统(MAS)设置的示意图；
图2示出了MAS I&C集成到气动小球测量系统中的例子；
图3示出了气动小球测量系统中的MAS I&C的变形例；
图4示出了提供关于仪表指状件的数量、其配备的小球测量探测器及其在核反应堆的堆芯内的分布的信息的示意图；和
图5示出了部分地填充有MAS气动小球并且部分地填充有指示球的仪表指状件。
具体实施方式
图1示出了商业核电站(特别是具有EPRTM或西门子DWR(Siemens DWR)核反应堆的电站)内的放射性核素产生系统的基本设置。放射性核素产生系统的基础是现有或另外设计的气动小球测量系统(AMS)，其主要目的是测量核反应堆的堆芯内的中子通量密度。气动小球测量系统包括驱动系统，该驱动系统被构造成将气动小球插入延伸到堆芯内的仪表指状件中，并且在辐照之后将气动小球从仪表指状件中移除。
气动小球测量系统还适于处理特定的辐照靶，其也形成直径为1.9mm且包括用于产生待用于医疗和/或其他目的的放射性核素的合适的母体材料的气动小球。下面，为了更容易参考，基于现有或另外设计的气动小球测量系统的放射性核素产生系统被称为MAS(医疗用气动小球系统(Medical Aeroball System))。
如图1所示，MAS的仪表和控制单元(I&C)与靶填充装置(进料/出料机构)、包括阀组的机械控制设备、气动小球测量系统的适配的在线辐照控制系统和故障监测系统连接。
在下文中，参照图2和图3对MAS的除了现有或另外设计的气动小球测量系统的部件之外仍必需的或需要进行修改的主要部件进行说明。在图2和图3中，添加或修改的部件用粗线表示并用斜体书写。
阀组用作附加气动系统，用于单独控制管系统中的MAS靶。除了气动小球测量系统的阀组之外，阀组还可以实施为另外的子系统，或者安装全新的系统。
分离部件在管子经由其从反应堆井中引出的反应堆压力容器头部上方的电缆桥处和/或在连接器板处对管子进行拆分。
靶填充装置(进料/出料机构)将MAS气动小球插入仪表指状件中，并在辐照之后将其从仪表指状件中移除，以便在管系统中进一步输送。
包括几个(电)机械装置的闸门系统用于将辐照靶填充到管子中以将其输送到反应堆的堆芯，并且还用于在辐照之后将MAS气动小球排放到收集容器中。
设置几个湿度传感器以检测主冷却剂(或任何其他液体)到MAS系统的任何进入。应理解的是，用于MAS的仪表管与核反应堆的堆芯周围的主冷却水直接接触。湿度传感器可以基于被修改为用于测量电阻的火花塞。
其他传感器被设置用于监测MAS气动小球的出现及其穿过管子的运行时间。这些传感器优选地配置在穿透堆芯的仪表管上。测量原理可以基于当MAS气动小球(或用于测量输送时间和完成度指示的任何指示球)经过时磁通量的变化的检测。
经由接口，MAS I&C控制单元与适配的在线堆芯监测系统软件连接。控制单元进一步连接至MAS的机械部件(包括传感器)。为了有效地产生放射性核素，需要确定MAS气动小球的最佳辐照条件和时间。实际上，用于该计算的所有相关输入数据都可从气动小球测量系统的在线辐照控制系统(例如，Areva的POWERTRAX/S堆芯监测软件系统)获得。因此，连接至该(适配的)系统的控制单元可以计算最佳辐照时间和其他参数，如仪表指状件中的MAS气动小球的量(限定各靶列的实际长度和靶列内的各个气动小球的位置)。基于这些计算结果，控制单元和/或操作员相应地操作MAS机械部件。控制单元还与气动小球测量系统的用于报告MAS中的任何错误的更新的故障监测系统连接。
最佳辐照时间和其他参数的在线计算不是简单地基于估计的恒定中子通量的假设，而是考虑了反应堆的实际状态，特别是以下参数中的至少一个：中子通量、来自现有气动小球测量系统的激活值、燃耗、反应堆功率、负载、棒位置、流量、入口温度、压力以及时间同步性。不仅可以考虑这些参数的实时值，而且可以考虑它们随时间的发展。
图4示意性地示出了提供关于仪表指状件的数量、其配备的小球测量探测器及其在核反应堆的堆芯内的分布的信息的图。根据图4所示的例子，从气动小球测量系统中取出四个小球测量位置，以供MAS使用。
图5示出了用于MAS的仪表指状件10的简化图。借助于在线堆芯监测系统，可以确定仪表指状件的其中中子通量对于生产放射性核素来说是过低的区域12，以及其中中子通量在所需的辐照靶要求以上且因此适于生产所希望的放射性核素的区域14。仪表指状件10的上部区域16可以空着。使指示球置于仪表指状件中的靶的下方，如果指示球经过传感器，则传感器会监测到在吹出过程期间所有球都离开了指状件。
图5还象征性地示出了理论上可以配置在仪表指状件10上的湿度传感器18。然而，湿度传感器通常配置在管系统的反应堆压力容器外部的部件上。
在操作员站经由处理单元进行MAS的手动操作。处理单元安装在控制柜室中的单独控制柜中(参照图2和图3)。处理单元配备有显示装置，且尤其允许控制MAS阀组的特定参数。
在操作员站，可以监测辐照期间的MAS辐照靶的状况和剩余的辐照时间。当超过仪表指状件中的一组靶的计算的辐照时间时，消息提示操作员开始针对该仪表指状件的出料处理。进料/出料机构的各种阀的操作是部分自动的，使得更安全和更可靠地执行重复动作。
在每次进给新的辐照靶之后，以完全自动化的方式对管系统中的压力进行检查和调节。控制单元还收集表示某些系统状况的其他数字信号。特别地，湿度传感器的信号允许进行泄漏监测，即，检测是否有任何主冷却剂进入MAS的管系统中。
MAS部件(包括阀组和MAS柜的处理单元)的电力经由气动小球测量系统的负载柜实现。为此，具有适当保险丝的其他功率变换器安装在负载柜中。也可以使用并入控制柜室中的附加的24伏电源。
MAS也可以安装在没有气动小球测量系统的核电站中。如上所述的气动小球测量系统仅是使得期望的放射性核素产生系统的安装更容易的基础，原因是不需要仅为MAS而安装管子、指状件等。用于这种应用的可能的反应堆可以是CANDU((加拿大氘化铀)CanadaDeuterium Uranium)反应堆。

Claims (17)

1.一种放射性核素产生系统，所述系统包括：
管系统，其被构造成允许将辐照靶插入核反应堆的仪表指状件中并将所述辐照靶从所述核反应堆的仪表指状件中移除，
辐照靶驱动系统，其被构造成将所述辐照靶插入所述仪表指状件中并将所述辐照靶从所述仪表指状件中移除，以及
仪表和控制单元，
所述仪表和控制单元与在线堆芯监测系统连接，并且被构造成基于所述反应堆的实际状态来计算所述辐照靶的最佳辐照时间，其中所述反应堆的实际状态由所述在线堆芯监测系统提供。
2.根据权利要求1所述的放射性核素产生系统，其特征在于，由所述在线堆芯监测系统向所述仪表和控制单元提供的信息包括以下参数中的至少一个：中子通量、来自现有气动小球测量系统的激活值、燃耗、反应堆功率、负载、棒位置、流量、入口温度、压力以及时间同步性。
3.根据权利要求1或2所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述仪表和控制单元根据由所述在线堆芯监测系统提供的信息来计算其他参数，特别优选所述辐照靶在所述仪表指状件中的辐照位置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述放射性核素产生系统还包括用于检测主冷却剂的进入的至少一个传感器。
5.根据权利要求4所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述传感器位于所述管系统的优选在所述核反应堆的压力容器外部的部件上。
6.根据权利要求4或5所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述传感器是基于被修改为用于测量电阻的火花塞的湿度传感器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述驱动系统包括作为气动系统的阀组，用于单独控制所述辐照靶在所述管系统中的输送。
8.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述管系统包括分离部件，所述分离部件在所述反应堆压力容器头部上方的电缆桥处和/或在所述核反应堆的连接器板处对所述管子进行拆分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述驱动系统包括靶填充装置，用于将所述辐照靶插入所述仪表指状件中，并且在辐照之后将所述辐照靶从所述仪表指状件中移除，以便在所述管系统中进一步输送。
10.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述仪表和控制单元被构造成使得所述靶填充装置的阀的操作是至少部分自动的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述驱动系统包括用于在辐照之后将所述辐照靶排放到收集容器中的闸门装置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述驱动系统包括用于监测所述辐照靶和/或指示球的出现及其穿过所述管系统的运行时间的传感器。
13.根据权利要求12所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述用于监测所述辐照靶和/或指示球的出现及其运行时间的传感器测量当所述辐照靶和/或指示球经过所述传感器时的辐射和/或磁通量的变化。
14.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述仪表和控制单元与所述核反应堆的至少一个故障监测系统连接，特别是与气动小球测量系统的故障监测系统连接。
15.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，操作员站包括用于控制所述驱动系统的机械部件的特定操作参数，特别是所述阀组的特定操作参数的处理单元。
16.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，所述仪表和控制单元被构造成自动控制所述管系统中的压力。
17.根据前述权利要求中任一项所述的放射性核素产生系统，其特征在于，用于所述放射性核素产生系统的部件的电力由气动小球测量系统的负载柜和/或由控制柜管理。
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