CN107851472B - 从核反应堆收取活化的辐照靶的系统和方法以及放射性核素产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从核反应堆的仪器管系统(12)收取活化的辐照靶(16)的方法，包括以下步骤：将仪器管系统(12)连接到排出管(38)，所述排出管具有顶端(50)、出口(40)和在所述顶端(50)和所述出口(40)之间的锁定元件(44)；将活化的辐照靶(16)从所述仪器管系统传递到所述排出管(38)中，并且借助于所述锁定元件(44)阻断所述活化的辐照靶(16)从所述排出管(38)移出；将预定数量(16')的活化的辐照靶(16)与所述排出管(38)中的其他数量(16”)的靶(16)分离；将所述出口(40)连接到储存容器(42)并释放所述锁定元件(44)，以在重力作用下将预定数量(16')的活化的辐照靶(16)传递到所述储存容器(42)中；其中所述的分离步骤包括使预定数量(16')的活化的辐照靶(16)越过所述顶端(50)，并且借助于所述顶端(50)将其他数量(16”)的靶(16)保持在所述排出管(38)中。本发明还提供了适用于上述方法的用于产生放射性核素和收取活化的辐照靶的系统。

Description

从核反应堆收取活化的辐照靶的系统和方法以及放射性核素 产生系统

技术领域

本发明涉及一种从核反应堆收取活化的辐照靶的系统和方法，以及一种放射性核素产生系统，其被构造成从插入到商业核反应堆芯内的仪器手指中的辐照靶产生放射性核素。

背景技术

放射性核素用于各种技术和科学领域，也用于医疗用途。通常，在研究反应堆或回旋加速器中产生放射性核素。由于放射性核素的商业生产设施的数量有限并且预计会减少，因此需要提供替代的生产场所。

EP 2 093 773 A2建议，在商业核反应堆的正常操作期间，常规用于容纳中子探测器的现有仪器管系统可以用于产生放射性核素。特别地，球形辐照靶被线性地推入延伸到反应堆芯内的仪器手指中并从其移除。基于反应堆芯的轴向中子通量分布，确定反应堆芯中靶的最佳位置和暴露时间。驱动齿轮系统用于在仪器管系统中移动和保持辐照靶。

US 2013/0177118 A1公开了一种允许辐照靶在核反应堆中被辐照并在可收取的构造中沉积而没有直接人际相互作用或停止发电活动的系统。该系统包括储存所需的产生的同位素以用于处理和/或输送的可访问端点。桶形管被构造成基于靶性质与多个储存桶一起使用。一个或多个阻挡件可以在所需的位置插入桶形管中，以分离出一定数量的辐照靶。具体的实施方案示出了在对应于前导球体的长度的预定距离处设置在桶形管中的两个阻挡件。然后，前导球体可以经由重力或气动力从桶形管中排空到单独的桶或其他设施中。

US 2013/0170927 A1公开了在操作商业核反应堆的仪器管中制造放射性同位素的装置和方法。在操作期间将辐照靶插入到仪器管中并从其移除，将其转化成放射性同位素。收取站设置在访问限制区域之外，以允许在电厂操作期间进行再填充或收取靶。收取桶和/或桶形管可以配备有靶计数器或活性检测器，其计数或测量移入到收取桶中的辐照靶的性质。

US 2013/0315361 A1涉及在操作商业核反应堆的多个仪器管中制造放射性同位素的装置和方法。在核反应堆操作期间，将辐照靶插入到多个仪器管中并从其移除，转化成放射性同位素。定位辐照靶用于在核芯内部或附近将其他辐照靶适当地定位在适当位置。定位靶可能由于其标记或物理性质而从收取桶中分选出来，或者其他鉴别器可以选择性地将定位靶转移到交替终止点。

常规的气动小球测量系统在本领域中是已知的，并且例如在GB 1 324 380 A和US3,263,081 A中公开。

由于从仪器管系统收集的活化的辐照靶的高活性，并且由于反应堆壳体内的空间受到限制，所以活化的靶难以处理。特别地，包括放射性核素的活化的靶必须被填充并储存到具有辐射屏蔽的重型容器中。可移动的堆芯内探测器(TIP)系统和/或气动小球测量系统的腔室没有用于包装和输送这些重型容器的任何结构。在反应堆壳体中提供额外的水锁用于处理活化的靶和屏蔽的容器也将是太贵的。

发明内容

本发明的目的是提供一种从商业核反应堆的仪器管系统(例如，气动小球测量系统或延伸到核反应堆的堆芯中的可移动的堆芯内探测器(TIP)系统的仪器手指)收取活化的辐照靶的系统，其允许在反应堆操作期间容易地处理屏蔽的储存容器和收取活化的靶，并且其可以随后安装在反应堆壳体的可访问区域内的现有结构中。

上述目的通过根据权利要求1的放射性核素收取系统来实现。本发明的有利和便利的实施方案在从属权利要求中表示，其可以彼此独立地组合。

根据第一方面，本发明提供了一种辐照靶收取系统，包括：

至少一个储存容器，用于从核反应堆的仪器管系统接收活化的辐照靶；

排出管，其具有被构造成连接到所述储存容器的出口；和

锁定元件，其设置在所述排出管中，用于阻断所述活化的辐照靶移动到所述储存容器中；

其中所述排出管包括第一排出管部分、第二排出管部分和形成在第一和第二排出管部分的连接处的顶端，其中第一和第二排出管部分从所述顶端向下指向，其中所述出口配置在第一排出管部分的端部，并且其中第二排出管部分连接到所述仪器管系统。

根据另一方面，本发明提供了一种放射性核素产生系统，包括：

核反应堆的仪器管系统，其包括延伸到核反应堆的堆芯中的至少一个仪器手指，其中所述仪器管系统被构造成允许将辐照靶插入到所述仪器手指中和从其移除；

靶驱动系统，其被构造成以预定的线性顺序将所述辐照靶插入到所述仪器手指)中并从所述仪器手指移除所述辐照靶；

堆芯监测系统和仪表及控制单元，它们彼此连接并且被构造成基于由所述堆芯监测系统提供的核反应堆的实际状态来计算所述辐照靶的最佳轴向辐照位置和时间；和

靶收取系统，其包括至少一个储存容器，用于从核反应堆的仪器管系统接收活化的辐照靶；排出管，其具有被构造成连接到所述储存容器的出口；和锁定元件，其设置在所述排出管中，用于阻断所述活化的辐照靶移动到所述储存容器中；其中所述排出管包括第一排出管部分、第二排出管部分和形成在第一和第二排出管部分的连接处的顶端，其中第一和第二排出管部分从所述顶端向下指向，其中所述出口配置在第一排出管部分的端部，并且其中第二排出管部分连接到所述仪器管系统。

在另一方面，本发明是一种从核反应堆的仪器管系统收取活化的辐照靶的方法，所述方法包括以下步骤：

将仪器管系统连接到排出管，所述排出管具有顶端、出口和在所述顶端和所述出口之间的锁定元件；

将活化的辐照靶从所述仪器管系统传递到所述排出管中，并且借助于所述锁定元件阻断所述活化的辐照靶从所述排出管移出；

将预定数量的活化的辐照靶与所述排出管中的其他数量的活化的辐照靶分离；

将所述出口连接到储存容器并释放所述锁定元件，以在重力作用下将预定数量的活化的辐照靶传递到所述储存容器中；

其中所述的分离步骤包括使预定数量的活化的辐照靶越过所述顶端，并且借助于所述顶端将其他数量的活化的辐照靶保持在所述排出管或所述仪器管系统中。

根据本发明，将包含放射性核素的活化的辐照靶从仪器手指中移除并传递到排出管中，其中预定数量的辐照靶与排出管中剩余的辐照靶分离，并且预定数量的辐照靶在重力作用下从排出管释放到屏蔽的储存容器中。由于只有预定数量的具有预定较低活性的活化的靶从系统中收取并储存在屏蔽的容器中，所以可以使用较小容器，其容易手动地或通过反应堆壳体内的现有处理结构输送。

靶收取系统的排出管被构造成从核反应堆的仪器管系统接收活化的辐照靶。排出管包括将排出管分成出口附近的第一部分和连接到仪器管系统的第二部分的顶端。锁定元件设置在出口附近的第一排出管部分中，用于阻断活化的辐照靶从排出管移出。

从仪器管系统传递到排出管的活化辐照靶通过锁定元件保持在管中。多个屏蔽的储存容器中的一个连接到出口。当锁定元件打开时，预定数量的活化的靶由于重力驱动而离开排出管，并被收集在屏蔽的储存容器中。离开出口管的活化靶的量由第一排出管部分中的靶列的长度决定。此后，可以关闭锁定元件，并且使用加压空气或诸如氮气等任何其他合适的气体将在排出管中剩余的活化的靶驱动回仪器管系统中。可以关闭屏蔽的储存容器并从反应堆壳体输送出来。

本发明提供了一种用于分配和收取活化的辐照靶的简单和成本有效的系统。可以使用简单的锁定元件，而不是使用加压空气或气体，在重力作用下从排出管释放靶。因此，在靶的释放期间，气溶胶的产生最小化。通过将锁定元件和顶端之间的第一排出管部分的长度限定为对应于靶列的长度而限定从第一排出管部分释放的靶量，可以进行靶的分配。不需要分拣机或靶计数器。如果需要，保持在第二排出管部分中的活化的靶可以被驱动回仪器管系统中的保持位置，或者甚至返回到仪器手指中。这将进一步最小化操作人员暴露于放射性。

根据辐照靶收取系统的优选实施方案，所述出口包括用于压力密封所述排出管的阀元件。密封出口有助于安全移除填充有活化的辐照靶的储存容器。在仪器管内的靶输送期间，没有气溶胶释放到壳体内。

优选地，所述出口位于反应堆壳体的可访问区域内。

优选地，所述排出管包括位于所述锁定元件和所述出口之间的T形接头，其中所述T形接头构造成将加压气体供应到所述排出管中和从其排出。设置用于空气供应的T形接头是控制活化的辐照靶在排出管中运动的容易的成本有效措施。更优选地，T形接头包括三通阀。

更优选地，第一排出管部分、第二排出管部分和所述顶端成形为倒U形状。然后，将要与其他靶分离的预定数量的活化的辐照靶由倒U的腿部在锁定元件和顶端之间的长度来限定，其对应于该腿部中的靶列的长度。倒U形状提供了活化的辐照靶的可靠分配。此外，通过简单地打开锁定元件，在重力的作用下，可以从倒U的腿部释放靶列。因此，可以避免对活化的辐照靶的损伤。

根据另一个实施方案，所述锁定元件处于第一水平，其中第二排出管部分具有与所述顶端相对的基点并且所述基点处于第二水平，其中第一水平高于第二水平。换句话说，第一排出管部分中对应于锁定元件和顶端之间的距离的靶列的高度低于第二排出管部分中的靶列的高度或者第二排出管部分的基点和顶端之间的距离。由于第二排出管部分中的靶列的高度更大，所以顶端可以将其他数量的靶可靠地保持在第二排出管部分或仪器管系统中，而无需任何其他机械装置。

在另一个优选实施方案中，所述锁定元件是磁性或机械操作的限制元件，优选销子。这些元件可以作为标准部件以低成本提供。

辐照靶收取系统还可以包括在第一排出管部分处配置在所述顶端和所述锁定元件之间的一个或多个磁体。优选地，磁体可以用于在排出管中选择和分离活化的辐照靶与伪靶。伪靶由惰性材料制成，并且可以用于实现辐照靶在核反应堆芯中的适当轴向定位。更优选地，辐照靶和伪靶中的一个是铁磁性的，辐照靶和伪靶中的另一个是非磁性或顺磁性的。

优选地，所述的一个或多个磁体选自永磁体和螺线管。更优选地，所述的一个或多个磁体可以沿着第一排出管部分移动，从而选择性地将铁磁性的靶暴露于磁场，并且将铁磁性的靶保持在排出管中。

从核反应堆的仪器管系统收取活化的辐照靶的方法优选包括以下步骤：在从所述出口移除所述储存容器之前，将所述的其他数量的活化的辐照靶从第二排出管部分转移到所述仪器管系统中的保持位置或返回到仪器手指。保持位置可以在反应堆的屏蔽或访问限制区域中远离排出管。该实施方案进一步最小化操作员的任何暴露于辐射。

更优选地，重复收取方法的步骤，直到从系统中移除所有活化的辐照靶，并且将活化的辐照靶的一部分储存在多个储存容器中。

本发明提供了一种从商业核反应堆的仪器管系统收取活化的辐照靶的系统和方法，其中通过分配活化的辐照靶来减少转移到储存容器中的活性的总量。因此，可以使用具有较少屏蔽的较小储存容器，这允许容易地处理反应堆壳体内的容器。收取系统使用简单的机械部件，因此可以随后安装到诸如气动小球测量系统等现有的反应堆结构中。

在优选实施方案中，伪靶可以用于将辐照靶定位在仪器手指中，并且借助于它们不同的磁性性质，将活化的辐照靶与伪靶分离。位于第一排出管部分的一个或多个磁体用于将伪靶或辐照靶中的一个保持在仪器管系统内，并且将伪靶或辐照靶中的另一个分别输送到储存容器或中间罐。

借助于不同的磁性来分离各靶允许快速远程处理活化的辐照靶，还可以避免使用诸如计数器、分度器和闸门等额外的机械系统来确定伪靶和辐照靶的确切位置。

附图说明

从以下对优选实施方案的说明和附图中，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，其中相同的元件由相同的附图标记表示。优选的实施方案仅以说明的方式给出，并不旨在限制从所附权利要求中显而易见的本发明的范围。在图中：

图1示出了根据本发明的放射性核素产生系统的配置的示意图；

图2示出了部分地用辐照靶填充和部分地用伪靶填充的仪器手指；

图3示出了本发明的靶收取系统和排出管的示意图；和

图4示出了另一个靶收取排出管的示意图。

具体实施方式

本发明设想商业核反应堆可用于产生放射性核素。特别地，可以修改和/或补充商业反应堆的常规气动小球测量系统或其他仪器管系统，使得能够有效和高效地产生放射性核素。

一些例如商业气动小球测量系统或可移动的堆芯内探测器(TIP)系统的仪器管用于将辐照靶引导到反应堆芯中，并将活化的辐照靶引导出反应堆芯。通过将辐照靶定位在具有足以将辐照靶中的母材完全转化成所需放射性核素的中子通量的反应堆芯的预定区域中，来优化靶的活化。

辐照靶的适当定位可以通过由惰性材料制成的伪靶并且在仪器管系统中将伪靶和辐照靶进行排序以形成仪器手指中的靶列来实现，其中辐照靶处于反应堆芯中的预先计算的最佳轴向位置，并且其他位置被惰性伪靶占据或保持空位。

图1示出了商业核电站内的放射性核素产生系统的基本配置。与研究用反应堆相反，商业核反应堆的目的是产生电力。商业核反应堆通常具有100+兆瓦电的额定功率。

在示例性实施方案中描述的放射性核素产生系统的基础来源于用于测量核反应堆的堆芯中的中子通量密度的常规气动小球测量系统。多个气动小球以线性顺序排列，从而形成气动小球列。气动小球是基本上球形的或圆形的探针，但是可以具有其他形式，例如椭圆体或圆柱体，只要其能够移动通过仪器管系统的管道。气动球测量系统包括气动操作的驱动系统，其被构造成将气动小球插入到延伸进堆芯并穿过其整个轴向长度的仪器手指中，并且在活化之后从仪器手指移除气动小球。

为了更容易参考，以下基于商业气动小球测量系统的放射性核素产生系统也将被称为MAS或医疗气动小球系统。本发明的辐照靶收取系统也可以构建为固定到常规气动小球测量系统的未经修改的核仪器管的独立系统。然后，本发明的靶收取系统被构造成可移动的，并且在靶排出期间仅临时附接到仪器管系统。因此，不需要对气动小球测量系统进行永久性修改。

在下文中，将进一步描述除了商业气动小球测量系统之外提供的或补充或修改的MAS的主要部件。

参照图1，商业核反应堆包括仪器管系统12，其包括穿过核反应堆的堆芯10的至少一个仪器手指14。仪器管系统12被构造成允许将辐照靶16和任选的伪靶18(参照图2)插入到仪器手指14中并从其移除。

商业核反应堆的气动小球测量系统适于处理具有圆形、圆柱形、椭圆形或球形形状并且具有对应于气动小球测量系统的仪器手指的间隙的直径的辐照靶16。优选地，靶16，18的直径为1～3mm，优选为约1.7mm。

仪器管系统12的管道穿过反应堆的访问隔板11并且连接到一个或多个仪器手指14。优选地，仪器手指穿过核反应堆的压力容器盖，仪器手指14在反应堆芯10的基本上整个轴向长度上从顶部延伸到底部。在反应堆芯10的底部处的仪器手指14的端部被封闭和/或设置有阻挡件，使得插入到仪器手指中的辐照靶16形成列，其中每个靶16处于预定的轴向位置。

优选地，可以在仪器管系统12中设置一个或多个湿度传感器(未示出)，以检测主冷却剂(或任何其他液体)进入MAS的任何进入。应当理解，用于MAS的仪器手指14与围绕核反应堆的堆芯中的燃料元件的主冷却剂直接接触。湿度传感器可以基于修改为用于测量电阻的火花塞。

更优选地，仪器管系统12包括其他的传感器(未示出)，用于监视经过仪器管系统12的辐照靶16和任选的伪靶18的存在和操作时间，特别是进出仪器手指14。这些传感器优选地配置在穿过反应堆芯10的管道处。测量原理可以基于当辐照靶16和/或伪靶18经过用于测量输送时间和完整性的传感器时检测到的磁通量的变化。

优选地，传感器用于在各靶经过传感器的同时在移除过程期间监测所有辐照靶16已经离开仪器手指14。另外或作为替代，活动传感器可以用于检测辐照靶16和/或伪靶18的辐射。

根据优选实施方案，商业核反应堆是压水反应堆。更优选地，仪器管系统来自于压水反应堆(PWR)的常规气动小球测量系统，如EPR^TM或Siemens^TM PWR核反应堆。

然而，本领域技术人员将认识到，本发明不限于使用PWR反应堆的气动小球测量系统。相反，也可以使用沸水反应堆(BWR)的可移动的堆芯内探测器(TIP)系统的仪器管、CANDU反应堆的视口和重水反应堆中的温度测量和/或中子通量通道。

如图1所示，仪器管系统12被连接到靶驱动系统20，其被构造成以预定的线性顺序将辐照靶16和任选的伪靶18插入到仪器手指14中并且迫使辐照靶16和伪靶18从仪器手指14出来，从而保持各靶的线性顺序。

优选地，靶驱动系统20被气动操作，以允许使用诸如氮气或空气等加压气体快速处理辐照靶16和任选的伪靶18。

更优选地，靶驱动系统20包括一个或多个气动操作的阀电池(未示出)，用于单独控制辐照靶16和任选的伪靶18在仪器管系统中的插入和输送。基于这种分离控制，用于确定堆芯中的中子通量的常规气动小球测量系统和放射性核素产生系统可以彼此独立地操作。靶驱动系统20的阀电池除了常规气动小球测量系统的阀电池之外还可以被实现为另外的子系统，或者安装单独的靶驱动系统。

此外，靶驱动系统20还可以包括具有几个机械和/或机电装置的闸门系统(未示出)，被构造成将辐照靶16和任选的伪靶18引导到仪器管系统12的选定管道和反应堆芯10的仪器手指14中。

靶驱动系统20与靶收取系统22配合，其被构造成从仪器管系统12接收活化的辐照靶16和任选的伪靶18，并将预定数量的活化的辐照靶传递到屏蔽的储存容器中。下面将参照图3更详细地说明靶收取系统。

驱动系统20还可以包括用于将靶16，18从反应堆芯引导到靶收取系统22的闸门系统(未示出)。

进一步参照图1，仪表及控制单元(ICU)24连接到靶驱动系统20和靶收取系统22以及用于控制辐照靶16的活化的在线堆芯监测系统26。优选地，ICU 24还连接到气动小球测量系统的故障监测系统28，用于报告MAS中的任何错误。故障监测系统28还可以被设计成未连接到现有的气动小球测量系统，而是直接连接到主控制室。

根据优选实施方案，堆芯监测系统26和仪表及控制单元24被构造成使得通过考虑反应堆的实际状态来优化将辐照靶16转化成所需放射性核素的活化过程，特别是当前的中子通量、燃料燃烧、反应堆功率和/或装载。因此，可以计算最佳轴向辐照位置和辐照时间以获得最佳结果。然而，实际计算在ICU 24中执行或者是由气动小球测量系统的堆芯监测系统26执行都是不重要的。

ICU 24经由接口与在线堆芯监测系统26软件连接。该软件被构造成根据实际的中子通量在线地计算靶所需的辐照时间。MAS由ICU 24操作。用于靶活化的启动/停止信号在两个系统之间交换。ICU 24还连接到MAS的机械部件，包括传感器。常规气动小球测量系统的在线堆芯监测系统26，例如可从Areva^TM获得的POWERTRAX/S^TM堆芯监测软件系统，能够提供基本上所有相关的输入数据，用于计算有效地生成放射性核素所需的最佳活化条件。

优选地，由堆芯监测系统26提供给仪表及控制单元24的信息包括以下中的至少一个：中子通量(来自堆芯外或堆芯内检测器)、来自现有气动小球测量系统的活化值、燃烧、反应堆功率、装载、杆位置、流量、入口温度、压力和时间同步。被认为是输入数据的有关反应堆的信息越多，计算最佳轴向辐照位置和辐照时间的结果越准确。前述参数可以包括实时值和任何衍生值，例如在预定时间段内的发展。

从堆芯监测系统26获得的信息也可以在ICU 24中用于计算其他参数，例如限定相应靶列的实际长度的特定仪器手指14中的辐照靶16的量，以及单个辐照靶16和任选的伪靶18在靶列内的位置。基于计算的结果，ICU 24和/或操作员将操作机械MAS部件。

在优选实施方案中，ICU 24被构造成使得靶驱动系统20的阀门的操作至少部分地自动化以实现靶驱动系统的安全可靠操作。

更优选地，仪表及控制单元24可以被构造成自动地控制仪器管系统12中的压力，特别是在由靶驱动系统20每次插入辐照靶16和/或伪靶18之后。

放射性核素产生系统的操作优选地经由处理单元在操作员台被监视和控制。处理单元可以安装在控制柜室(未示出)中的单独的控制柜中。处理单元配备有显示器，并且尤其允许控制靶驱动系统20和靶收取系统22的阀电池的特定参数。

在操作员台处，可以监视辐照靶16在辐照和剩余辐照时间期间的状态。当仪器手指14中的一组靶16的辐照时间达到计算时间时，消息提示操作员开始相对于仪器手指14的移除和收取处理。靶驱动系统20的各种阀门的操作部分地自动化，使得重复动作被安全可靠地执行。

在将辐照靶16和伪靶18插入到仪器管系统12中之后，以全自动的方式检查和调节管系统中的压力。ICU 24还收集代表某些系统条件的额外的数字信号。特别地，湿度传感器的信号允许诸如主冷却剂进入仪器管系统12等的泄漏监测。

气动小球测量系统的装载柜还可以为放射性核素产生系统的部件提供电力，包括控制柜中的阀电池和处理单元。在装载柜中可以安装具有适宜保险丝的额外的电源逆变器。也可以使用在控制柜室内设置的额外的24伏电源。

参照图2，仪器管系统12的仪器手指14或其他气动小球管道穿过反应堆压力容器的盖。仪器手指14在反应堆芯10的基本上整个轴向长度上从顶部延伸到底部。辐照靶16和任选的伪靶18以线性顺序插入到仪器手指14中以形成靶列，其中每个靶16，18处于预定的轴向位置。仪器手指14包括位于手指顶部的气体入口30，其连接到靶驱动系统20。

可选择地，也可以将靶从反应堆芯10底部的干井插入到仪器手指14中，例如如果将沸水反应堆的TIP系统用作仪器管系统12。在这种情况下，设置用于将辐照靶16和伪靶18保持在仪器手指14中的附加装置。

辐照靶16由非易裂变材料制成，并且包括用于产生用于医疗和/或其他目的的放射性核素的适合的前体材料。更优选地，辐照靶由通过暴露于存在于操作的商业核反应堆的堆芯中的中子通量而活化来转化成所需的放射性核素的前体材料组成。有用的前体材料是分别转化成Mo-99和Lu-177的Mo-98、Yb-176和Lu-176。然而，应当理解，本发明不限于使用特定的前体材料。

伪靶18由在操作的核反应堆的堆芯10中的条件下基本上不活化的惰性材料制成。优选地，伪靶可以由廉价的惰性材料制成，并且可以在短的衰减时间之后重新使用，使得放射性废物的量进一步减少。

为了在常规的气动小球测量系统中使用，辐照靶16和伪靶18具有圆形形状，优选球形或圆柱形形状，使得靶可以平滑地滑动并且可以通过诸如空气或氮气等加压气体和/或在重力作用下容易地在气动小球测量系统的仪器管系统12中被引导。

根据优选实施方案，伪靶18和辐照靶16具有不同的磁性。优选地，伪靶18或辐照靶16是磁吸引的。更优选地，辐照靶16和伪靶18中的一个是铁磁性的，辐照靶16和伪靶18中的另一个是非磁性或顺磁性的。更优选地，伪靶18由诸如铁或铁合金等铁磁性材料制成，包括铁素体不锈钢或铁素体。

借助于在线堆芯监测系统26，可以确定仪器手指14的其中中子通量对于产生放射性核素过低的部分32，36以及中子通量高于所需的辐照靶需求并因此足以产生所需的放射性核素的部分34。

为了消除昂贵的辐照靶16的任何浪费，设置伪靶18并且优选地定位在对于放射性核素产生具有过低的中子通量密度的仪器手指14的下端部分32中。

根据图2所示的实施方案，辐照靶16在仪器手指14的中心部分34中定位在伪靶18上方并且由其保持在适当位置，在那里由ICU 24和/或在线堆芯监测系统26确定的中子通量足以将辐照靶完全转化成所需的放射性核素。

根据本发明的优选实施方案，仪器手指14的上端部分36保持空位。

在商业压水反应堆中，可用于放射性核素产生的仪器手指的中心部分34通常延伸超过约3-4米，并且端部32，36延伸超过0.5～1米。这些值可以根据反应堆类型和反应堆的实际操作状态而变化，并且对于沸水反应堆、重水反应堆和CANDU反应堆将分别有所不同。

在另一个实施方案(未示出)中，仪器手指14中的一个或多个辐照靶16可以由一个或多个伪靶18彼此分离，由此限定辐照靶的子部分。辐照靶的子部分中的辐照靶优选具有相同或不同的材料性质。更优选地，相邻子部分中的辐照靶相对于用于放射性核素产生的前体材料而不同。该实施方案使得能够在一步操作中产生不同的放射性核素。

在商业核反应堆的仪器管系统12中通过廉价的伪靶18来将辐照靶16最佳定位在反应堆操作期间提供了放射性核素的有效和经济的产生，并且还避免了由于靶不完全活化导致的核废料的产生。

本发明的辐照靶收取系统22在图3中示意性地示出。

排出管38通过仪器管系统12的气动小球管道与仪器手指14连接。排出管38被构造成在活化完成之后接收从仪器手指驱出的辐照靶16。辐照靶16和/或伪靶18的线性顺序保持在排出管中。优选地，排出管38位于反应堆芯10的外部，但位于反应堆壳体内部的可访问区域内。

排出管38具有可以连接到用于从仪器手指14接收活化的辐照靶16的至少一个储存容器42，42'的出口40。储存容器42，42'优选地具有屏蔽以最小化操作员暴露于来自活化的辐照靶16的辐射。

锁定元件44设置在排出管38中，用于阻断活化的辐照靶移动到储存容器。锁定元件44可以是磁性或机械操作的限制元件，优选地是穿过排出管38的销子。

参照图3，排出管38包括第一排出管部分46、第二排出管部分48和形成在第一和第二排出管部分46，48的连接处的顶端50。顶端50是排出管38的最高点。第一和第二排出管部分46，48从顶端50向下指向。出口40配置在第一排出管部分46的自由端，与顶端相对。第二排出管部分48连接到仪器管系统12。

出口40包括用于压力密封排出管的阀元件52。T形接头54位于锁定元件44和出口40之间，其中T形接头54具有用于将加压气体供应到排出管38中的气体入口56以及用于从系统排出气体的气体出口。优选地，T形接头被构造为三通阀。加压气体可以从靶驱动系统20或从外部气瓶供应，特别是当收取系统作为独立系统操作而不改变常规气动小球测量系统时。

在图3所示的实施方案中，第一排出管部分46、第二排出管部分48和顶端50成形为倒U形状。排出管38的其他形状是可能的，只要形成在第一和第二排出管部分46，48之间的顶端50具有足够小以有效地将第一和第二排出管部分46，48中的靶列彼此分离的半径。

此外，如图3所示，锁定元件44处于第一水平58，并且第二排出管部分48在第二水平62处具有与顶端相对的基点60。第一水平58高于第二水平62。因此，对应于第一排出管部分46中的靶列的高度的锁定元件44和顶端50之间的距离d₁小于对应于第二排出管部分48中的靶列的高度的第二排出管部分48的基点60和顶端50之间的距离d₂。因此，第二排出管部分48中的靶可以具有比第一排出管部分46中的靶列总数更高的质量。高度差有助于顶端50的作用，并且有助于各靶的分离，而不需要任何进一步的机械装置。

下面更详细地说明本发明的辐照靶收取系统的操作。

使用从靶驱动系统20供应的诸如空气或氮气等加压气体，将在仪器手指14中活化足以使靶转化成所需的放射性核素的时间段的辐照靶16从仪器手指14驱动到仪器管系统12中。排出管38连接到仪器管系统12的管道，用于接收辐照靶16。可以使用诸如三通阀等闸门系统将辐照靶16引导到靶收取系统22的排出管38中。仪器手指14中的辐照靶16的线性顺序在排出管38中被保持。

此时，通过锁定元件44阻断对排出管38的出口40的访问，从而为活化的辐照靶16提供阻挡并防止靶16离开排出管38。

进入排出管38的活化的辐照靶16经过形成在第一和第二排出管部分46，48之间的连接处的顶端50。预定数量(16')的活化的辐照靶16位于第一排出管部分46中的出口40附近。在第一排出管部分46中的辐照靶16的数量(16')直接对应于第一排出管部分46的在锁定元件44和顶端50之间的长度。顶端50在排出管38中位于靶列的最高点。

然后，关闭驱动系统20的阀门，并且解除仪器管系统12和排出管38中的压力。

排出管的出口40连接到屏蔽的储存容器42上，并且打开锁定元件44，以释放在第一排出管部分46中的位于顶端50的一侧的预定数量(16')的活化的辐照靶16，并且在重力作用下将靶16传递到储存容器42中。在第二排出管部48中的位于顶端50的另一侧的其他数量(16”)的活化的辐照靶16保持在排出管38中，或者也可以在重力作用下流回到仪器管系统12中。

关闭出口40处的阀元件52以提供出口40和排出管38的压力密封，然后，手动地或通过自动处理装置移除屏蔽的储存容器42。

在优选实施方案中，在从出口40移除储存容器42之前，通过顶端50保持在第二排出管部分48中的活化的辐照靶16的数量(16”)从排出管38主动地转移到仪器管系统12中的保持位置(未示出)。保持位置可以位于反应堆壳体的访问受限制区域内。

在第一排出管部分46中的活化的辐照靶16的一部分或数量(16')被转移到储存容器42中之后，出口40处的阀元件52关闭，并且将来自靶驱动系统20的加压气体吹入在出口40附近的T形接头54处的气体入口56。加压气体迫使其他数量(16”)的活化的辐照靶16从第二排出管部分48回到仪器管系统12中的保持位置或进入仪器手指14。然后，关闭靶驱动系统20的阀门并停止加压空气的流动。将储存容器42从出口40移除，并输送到包装设施或运送到所需的应用场所。由于排出管38完全没有活化的辐照靶16，所以进一步最小化对操作人员的辐射。

然后，可以重复上述处理步骤，以分配和收取其他数量的活化的辐照靶16，直到所有活化的辐照靶16已经从仪器管系统12中移除。然后，系统准备开始新的放射性核素产生循环。

根据本发明，简单地通过重力作用而不使用额外的机械元件和/或靶计数器，第一排出管部分46中的活化的辐照靶16的一部分与保持在排出管38中的其他的活化的辐照靶16可靠地和可再现地分离。由于第一排出管部分46中的靶列在锁定元件44和顶端50之间的长度也限制了靶量，并且因此限制了在储存容器42中收取的总活性，所以容器的屏蔽将更少需要，并且可以使用需要更少空间和更容易处理的较小容器。靶收取系统42的更简单配置有助于整合到反应堆壳体内的现有结构中。

辐照靶收取系统22的另一个实施方案在图4中示意性地示出。与前述实施方案中具有相同功能的收取系统的部件用相同的附图标记表示。

参照图4，排出管38被构造成接收在活化完成之后从仪器手指驱出的活化的辐照靶16和伪靶18。辐照靶16和伪靶18的线性顺序在排出管38中保持。辐照靶16和伪靶18具有不同的磁性。优选地，伪靶18是铁磁性的，而辐照靶16是非磁性的或顺磁性的，反之亦然。

一个或多个磁体64设置在顶端和锁定元件之间的第一排出管部分46处。优选地，所述的一个或多个磁体64选自永磁体和螺线管。

锁定元件44被磁性地致动，并且包括与第一排出管部分46交叉的销子66和用于操作销子66的电磁线圈68。

所述的一个或多个磁体64围绕第一排出管部分46。优选地，磁体64沿着第一排出管部分46的纵向轴线可移动地配置。

所述的一个或多个磁体64和/或锁定元件44由ICU 24远程控制，从而实现对辐照靶16和伪靶18的自动和快速处理。

在第一排出管部分中的出口附近的T形接头54包括连接到靶驱动系统20的气体入口56，以将诸如空气或氮气等加压气体吹入排出管38和/或仪器管系统12，用于从第一和/或第二排出管部分中将辐照靶16和/或伪靶18驱动到仪器管系统12中的保持位置或仪器手指14。

第一排出管部分的出口40可以连接到一个或多个储存容器42，42'和/或中间罐70，以选择性地接收从第一排出管部分46释放的辐照靶16或伪靶18。储存容器42，42'和/或中间罐70可以是可移动的以与出口40相匹配，或者出口40支撑在可枢转的接头72上，以在储存容器42，42'与中间罐70之间可移动。可选择地，出口40可以包括闸门，以选择性地将辐照靶16或伪靶18引导到适当的容器42，42'和罐70。

如上所述，图4所示的靶收取系统的实施方案可以用于将活化的辐照靶16在排出管中分配，并且由于磁性不同，还用于在第一排出管部分46中将活化的辐照靶16与伪靶18分离。具体地，伪靶18和/或辐照靶16可以暴露于磁场，以将伪靶18或辐照靶16保持在第一排出管部分46中并从第一排出管部分46释放辐照靶16或伪靶18中的另一个。

为了操作放射性核素产生和靶收取系统，使用靶驱动系统20将辐照靶16和伪靶18插入到仪器手指14中，并且当进行发电操作时，辐照靶16通过暴露于核反应堆芯中的中子通量而被活化，以将辐照靶的前体材料基本上转化成所需的放射性核素。

伪靶18和辐照靶16以预先计算的线性顺序配置在仪器手指14中，使得伪靶18将辐照靶16保持在反应堆芯中的预定轴向位置。辐照靶16的最佳轴向位置由ICU 24和/或在线堆芯监测系统26计算，并且对应于足以在预定时间段内将辐照靶16完全转化成放射性核素的中子通量密度。仪器手指14中的剩余位置由将辐照靶物16保持在适当位置的伪靶18占据。

辐照靶16优选地位于反应堆芯10中的仪器手指14的中心部分34中，并且伪靶18优选地定位在仪器手指14的端部32中，例如在反应堆芯10的下部，在那里中子通量密度不足以完全活化辐照靶16(参照图3)。如图2所示，在上端部分36中的辐照靶16上方的空间保持为空位。

辐照靶16在仪器手指14中被活化足以使辐照靶的前体材料完全转化成所需的放射性核素的时间段，如在线堆芯监测系统26和仪表及控制系统24所确定的。实现前体材料的完全转化的时间将取决于反应堆类型和状态、中子通量条件、前体材料的类型和本领域技术人员已知的各种其他参数，并且可以在数小时至数天的范围内，或者直到活性的饱和。完全转化是指提供适于辐照靶16的医疗或工业应用的放射性核素含量的前体材料的转化率。

在辐照靶16的活化并转化成所需的放射性核素完成之后，靶驱动系统20被操作以使用诸如氮气或空气等加压气体迫使伪靶18和活化的辐照靶16从仪器手指14进入排出管38。在仪器手指14中的伪靶18和辐照靶16的线性顺序在排出管38中保持，使得辐照靶16位于排出管38的出口附近。伪靶位于排出管38或仪器管系统12中的靶列的远端。

此时，排出管38被为各靶16，18提供阻挡的锁定元件44阻断，并且防止活化的辐照靶16和伪靶18离开排出管。

然后，将驱动系统20的阀门关闭，并且解除仪器管系统12中的压力。

进入排出管38的辐照靶16经过形成在第一和第二排出管部分46，48之间的连接处的顶端50。预定数量的活化的辐照靶16位于第一排出管部分46中的出口40附近。在第一排出管部分46中的辐照靶16的数量直接对应于第一排出管部分46的在锁定元件44和顶端50之间的长度。

排出管的出口40连接到屏蔽的储存容器42，并且打开锁定元件44，以释放在第一排出管部分46中的位于顶端50的一侧的预定数量的活化的辐照靶16，并且在重力作用下将靶16传递到储存容器42中。在第二排出管部分48中的位于顶端50的另一侧的其他数量的活化的辐照靶16和伪靶18保持在排出管38中，或者也可以在重力作用下流回到仪器管系统12中。

然后，关闭出口处的阀元件52，以提供出口40和排出管38的压力密封，并且可以手动地或通过自动处理装置移除屏蔽的储存容器42。

在优选实施方案中，在从出口移除储存容器52之前，通过顶端50保持在第二排出管部分48中的活化的辐照靶16和伪靶18的数量从排出管38转移到仪器管系统12中的保持位置，如上面参照图3所述的。

然后，可以重复上述处理步骤，以从排出管38分配和收取其他数量的活化的辐照靶16。当仪器管系统12处的传感器指示在第一排出管部分46中存在伪靶18和辐照靶16时，如图4所示，伪靶18和/或活化的辐照靶16暴露于磁场，以保持伪靶18或活化的辐照靶16中的任一个在第一排出管部分46中，并将活化的辐照靶16或伪靶18中的另一个从第一排出管部分46经由出口40释放到储存容器42，42'或中间罐70中。

为了将辐照靶16与伪靶18分离并从第一排出管部分46选择性地移除辐照靶16，螺线管64沿着第一排出管部分46的纵向轴线移动并且与铁磁性伪靶18邻近地配置，使得出口40附近的一个或多个伪靶18与螺线管64的磁场相关联并暴露于螺线管64的磁场。

然后，打开锁定元件44，在重力作用下从第一排出管部分46释放非磁性辐照靶16并且传递到储存容器42，42'，以进一步处理和/或运送到应用场所。磁性伪靶18通过由螺线管64产生的磁场的作用保持在第一排出管部分46中。

在辐照靶16与伪靶18分离并且收取在储存容器42，42'中之后，出口连接到中间罐70，磁场被切断，并且伪靶18在重力作用下被转移到中间罐70中，以在短衰减期后进一步使用。保持在第二排出管部分48中的伪靶18可以使用来自靶驱动系统20的加压气体从排出管迫进中间罐70中。

可选择地，通过关闭出口40处的阀元件52并将加压气体从靶驱动系统20吹入T形接头54的气体入口56中，可以将一些或全部伪靶18驱动回仪器手指14中。然后，可以通过将新鲜的辐照靶16和/或伪靶18插入到仪器管系统12中来开始新的放射性核素产生循环。

根据另一个实施方案，仪器手指14中的辐照靶16可以由一个或多个伪靶18分离，由此限定辐照靶的子部分(未示出)。辐照靶的子部分中的辐照靶16可以具有相同或不同的材料性质。

此外，在本实施方案中，活化的辐照靶16和伪靶18从仪器手指14驱动到排出管38中，保持伪靶18和辐照靶16的线性顺序。第一排出管部分46被锁定元件44阻挡，以防止辐照靶16和伪靶18离开排出管38。

如果一个或多个铁磁性伪靶18现在位于出口40附近的辐照靶16之前，则螺线管64与这些伪靶18邻近地配置。来自靶驱动系统20的加压气体被吹入T形接头54的气体入口56中，并且用于将顶端50的非磁性辐照靶16驱动回第二排出管部分48或仪器管系统12中的保持位置。磁性伪靶18通过激活的磁场保持在第一排出管部分46中。在靶驱动系统20的阀门关闭之后，关闭磁场，打开锁定元件44，伪靶18在重力作用下从排出管38释放并且转移到连接到出口40的中间罐70中。

在下一步骤中，关闭锁定元件44，并且使用来自靶驱动系统20的加压气体将辐照靶16和任选地剩余的伪靶18从仪器手指14或保持位置驱动出来。活化的辐照靶16现在定位在锁定元件44和出口40附近，并且如上所述可以分配和/或与伪靶18分离。

如果需要，可以重复分配和分离步骤，直到在多个储存容器42，42'中从仪器管系统12选择性地收取来自各个靶子部分的所有辐照靶16。

应当理解，如果伪靶18是非磁性的并且辐照靶16是铁磁性的，则本发明的靶分离和收取方法也将适用。

根据本发明的放射性核素产生和靶收取系统也可以安装在没有常规气动小球测量系统的核电厂中。如上所述的气动小球测量系统仅提供了便于安装放射性核素产生系统的基础，因为仅仅针对放射性核素产生不需要安装附加的仪器管、手指等。这种应用的可能的反应堆类型包括沸水反应堆、重水反应堆和CANDU(CANada氘铀)反应堆。

Claims (19)

1.一种辐照靶收取系统(22)，包括

至少一个储存容器(42，42')，用于从核反应堆的仪器管系统(12)接收活化的辐照靶(16)；

排出管(38)，其具有被构造成连接到所述储存容器(42，42')的出口(40)；和

锁定元件(44)，其设置在所述排出管(38)中，用于阻断所述活化的辐照靶(16)移动到所述储存容器(42，42')中；

其中所述排出管(38)包括第一排出管部分(46)、第二排出管部分(48)和形成在第一排出管部分(46)和第二排出管部分(48)的连接处的顶端(50)，其中第一排出管部分(46)和第二排出管部分(48)从所述顶端(50)向下指向，其中所述出口(40)配置在第一排出管部分(46)的端部，并且其中第二排出管部分(48)连接到所述仪器管系统(12)，和

其中所述排出管(38)包括位于所述锁定元件(44)和所述出口(40)之间的T形接头(54)，其中所述T形接头(54)被构造成将加压气体供应到所述排出管(38)中和从其排出。

2.根据权利要求1所述的辐照靶收取系统，其中所述出口(40)包括用于压力密封所述排出管(38)的阀元件(52)。

3.根据权利要求1或2所述的辐照靶收取系统，其中第一排出管部分(46)、第二排出管部分(48)和所述顶端(50)具有倒U形状。

4.根据权利要求1或2所述的辐照靶收取系统，其中所述锁定元件(44)处于第一水平(58)，其中第二排出管部分(48)具有与所述顶端(50)相对的基点(60)并且所述基点(60)处于第二水平(62)，其中第一水平(58)高于第二水平(62)。

5.根据权利要求1或2所述的辐照靶收取系统，其中所述辐照靶收取系统(22)包括在第一排出管部分(46)处配置在所述顶端(50)和所述锁定元件(44)之间的一个或多个磁体(64)。

6.根据权利要求5所述的辐照靶收取系统，其中所述的一个或多个磁体(64)选自永磁体和螺线管。

7.根据权利要求1或2所述的辐照靶收取系统，其中所述锁定元件(44)包括磁性或机械操作的限制元件。

8.根据权利要求7所述的辐照靶收取系统，其中所述锁定元件(44)是销子(66)。

9.一种放射性核素产生系统，包括：

核反应堆的仪器管系统(12)，其包括延伸到核反应堆的堆芯(10)中的至少一个仪器手指(14)，其中所述仪器管系统(12)被构造成允许将辐照靶(16)插入到所述仪器手指(14)中和从其移除；

靶驱动系统(20)，其被构造成以预定的线性顺序将所述辐照靶(16)插入到所述仪器手指(14)中并从所述仪器手指(14)移除所述辐照靶(16)；

堆芯监测系统(26)和仪表及控制单元(24)，它们彼此连接并且被构造成基于由所述堆芯监测系统(26)提供的核反应堆的实际状态来计算所述辐照靶(16)的最佳轴向辐照位置和时间；和

根据权利要求1～8中任一项所述的辐照靶收取系统(22)。

10.根据权利要求9所述的放射性核素产生系统，其中所述靶驱动系统(20)是气动操作的。

11.根据权利要求9或10所述的放射性核素产生系统，其中所述锁定元件(44)和所述的一个或多个磁体(64)由所述仪表及控制单元(24)远程控制。

12.一种从核反应堆的仪器管系统(12)收取活化的辐照靶的方法，所述方法包括以下步骤：

将仪器管系统(12)连接到排出管(38)，所述排出管具有第一排出管部分(46)、第二排出管部分(48)、形成在第一排出管部分(46)和第二排出管部分(48)的连接处的顶端(50)、出口(40)和在所述顶端(50)和所述出口(40)之间的锁定元件(44)；

将活化的辐照靶(16)从所述仪器管系统传递到所述排出管(38)中，并且借助于所述锁定元件(44)阻断所述活化的辐照靶(16)从所述排出管(38)移出；

将预定数量(16')的活化的辐照靶(16)与所述排出管(38)中的其他数量(16”)的活化的辐照靶(16)分离；

将所述出口(40)连接到储存容器(42，42')并释放所述锁定元件(44)，以在重力作用下将预定数量(16')的活化的辐照靶(16)传递到所述储存容器(42，42')中；

其中所述的分离步骤包括使预定数量(16')的活化的辐照靶(16)越过所述顶端(50)，并且借助于所述顶端(50)将其他数量(16”)的活化的辐照靶保持在所述排出管(38)或所述仪器管系统(12)中。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在从所述出口(40)移除所述储存容器(42，42')之前，将所述的其他数量(16”)的活化的辐照靶(16)从所述排出管(38)转移到所述仪器管系统(12)中的保持位置。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中将辐照靶(16)和一个或多个伪靶(18)插入到所述仪器管系统中，并且其中所述辐照靶(16)和所述伪靶(18)具有不同的磁性性质。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述伪靶(18)是铁磁性的，并且所述辐照靶(16)是非磁性或顺磁性的。

16.根据权利要求14所述的方法，其中当在第一排出管部分(46)中时，所述伪靶(18)和/或所述辐照靶(16)暴露于磁场。

17.根据权利要求14所述的方法，其中通过从所述排出管(38)选择性地移除所述辐照靶(16)和所述伪靶(18)中的一个而将所述辐照靶(16)与所述伪靶(18)分离，包括以下步骤：将所述辐照靶(16)或所述伪靶(18)暴露于磁场，打开所述锁定元件(44)，并且从所述排出管(38)释放所述辐照靶(16)或所述伪靶(18)中的一个，同时通过磁场的作用将所述辐照靶(16)或所述伪靶(18)中的另一个保持在第一排出管部分(46)中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述辐照靶(16)与所述伪靶(18)分离的步骤还包括将所述伪靶(18)或所述辐照靶(16)中的一个驱动回所述仪器管系统(12)的仪器手指(14)或所述仪器管系统(12)中的保持位置，同时通过磁场的作用将所述伪靶(18)或所述辐照靶(16)中的另一个保持在第一排出管部分(46)中。

19.根据权利要求12所述的方法，其在根据权利要求1～8中任一项所述的辐照靶收取系统(22)中进行。

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