CN108932988A - 一种生产反应堆启动中子源的方法及中子源棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生产反应堆启动中子源的方法,其包括如下步骤:步骤S1,将氧化铋和铍的粉末按照预定的重量比进行均匀混合,并压实形成圆柱形的中子源芯块;步骤S2,将一定数目的上述中子源芯块进行封装,形成中子源棒;步骤S3,在核电厂将所述中子源棒插入到燃料组件的控制棒导向管内,然后将该燃料组件布置到反应堆堆芯的合适位置,在反应堆运行过程中,堆芯中子对上述中子源棒进行辐照产生足够数量的中子。本发明还公开了相应的中子源棒。实施本发明,既可用作初级中子源又可用作次级中子源,其具有安全,且容易获得的优点。

Description

一种生产反应堆启动中子源的方法及中子源棒
技术领域
本发明涉及同位素中子源生产技术领域,特别涉及一种核反应堆启动中子源生产方法及中子源棒。
背景技术
在核电厂反应堆的装料和启动过程中,为了确保临界安全,整个过程应处于中子探测器的有效监督之下。反应堆初期运行之前或者长期停堆之后,装料和启动过程中堆芯内中子很少,堆外探测器可能无法探测到堆芯内的中子注量率水平。为此,堆芯内通常需要安装中子源组件,这些中子源组件所产生的中子经次临界增殖后可以产生足够多的中子数,使得中子探测器能够探测到堆内中子水平以克服测量盲区。
通常来说,反应堆堆芯中有两种类型的中子源,它们是初级中子源和次级中子源。初级中子源在反应堆首循环中使用,次级中子源在反应堆后续循环中使用。
目前国内大多数核电厂反应堆在首次启动时使用252Cf中子源。但是,由于252Cf同位素的物理特性和生产工艺,目前世界上只有美国和俄罗斯具备商业化生产锎-252原料的能力,从而形成了252Cf中子源的一种实质上的垄断。由于市场的垄断,故存在一些不利的情形,例如,由于需求突然减少等异常情况时,可能会导致的252Cf中子源供给的锐减和价格的畸高,不可避免地影响突发事件后252Cf中子源供货的及时性和确定性。
在其他一些现有技术中,也可以采用其他类型的初级启动中子源,例中,在秦山一期工程300MW核电厂使用210Po-Be作为初级启动中子源。制作这类中子源需要源壳内放入210Po镀片(基底材料为金箔)和Be粉。考虑到制源生产周期、质量检验和包装运输约需10周,放射性衰变损失接近30%,故每个源的210Po投料量应大于259GBq。在具体制造过程中,每个源的210Po活度控制在259-370GBq。在《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871-2002)中210Po被列为极毒组,210Po的豁免活度为104Bq。在上述210Po-Be中子源生产过程中涉及210Po投料量很大,具有一定风险性。
目前国内大多数核电厂反应堆在后续循环启动时使用锑-铍中子源。通常反应堆锑-铍中子源由叠放在不锈钢包壳内的Sb-Be芯块组成。锑-铍中子源开始不产生中子,只有在反应堆内受中子辐照后才激活成为中子源:123Sb与中子反应生成124Sb,124Sb发生衰变释放出γ射线,而9Be与γ射线反应放出中子。但是,由于锑-铍中子源的半衰期只有60.2天,发射的中子能量只有29keV。在停止辐照60天后,中子强度将下降至约一半水平。锑-铍中子源的这一特点制约了其使用的灵活性。例如,假若核电厂因电网需求不足而停堆大修时间延长到60天或90天等,反应堆再启动时的锑-铍中子源强度就可能不足。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种生产新型反应堆启动中子源的方法及中子源棒,既可用作初级中子源又可用作次级中子源,其具有安全,且容易获得的优点。
本发明的第一方面提供的本发明提供了一种生产反应堆启动中子源的方法,其包括如下步骤:
步骤S1,将氧化铋和铍的粉末按照预定的重量比进行均匀混合,并压实形成圆柱形的中子源芯块;
步骤S2,将一定数目的上述中子源芯块进行封装,形成中子源棒;
步骤S3,在核电厂将所述中子源棒插入到燃料组件的控制棒导向管内,然后将该燃料组件布置到反应堆堆芯的合适位置,在反应堆运行过程中,堆芯中子对上述中子源棒进行辐照产生足够数量的中子。
其中,进一步包括:
步骤S4,在核电厂一个燃料循环结束而停堆后,取出上述中子源供下一个燃料循环反应堆启动时使用或者其它反应堆启动时使用。
其中,所述步骤S2中的中子源棒其整体为一个长条筒形,其包括一个圆筒形的包壳管,在所述包壳管两端分别设置有上端塞和下端塞,在上端塞顶部设置有吊装部;在包壳管内部放置有多个中子源芯块。
其中,所述步骤S3中进一步包括:
中子源芯中的铋元素的天然同位素209Bi在反应堆内受中子辐照后生成210Bi,210Bi衰变生成210Po,其反应式如下:
210Po衰变发射出α粒子,而衰变成稳定的206Pb,并伴随发射低强度γ射线;210Po发射的α粒子与铍(9Be)作用而产生中子。
其中,所述氧化铋和铍的粉末的重量比处于1:0.0005~1:0.05之间。
相应地,本发明的另一方面还提供一种中子源棒,用于在反应堆启动时经辐照产生中子,其包括:
圆筒形的包壳管,在所述包壳管两端分别设置有上端塞和下端塞,在上端塞顶部设置有吊装部;
其中,在包壳管内部放置有多个中子源芯块,所述中子源芯块为氧化铋-铍组成的混合物。
其中,所述中子源芯块为氧化铋和铍的粉末按照一定的重量比均匀混合并压实而成的圆柱形。
实施本发明,具有如下的有益效果:
首先,本发明提供的启动中子源在用作初级中子源时,相比现有技术中252Cf中子源价格较便宜,提高了核电厂使用启动中子源的经济性;
本发明提供的启动中子源在用作初级中子源时,相比现有技术中210Po-Be中子源,制备过程简单,而且避免了剧毒物质210Po的操作过程,提高了中子源制备过程的安全性;
本发明提供的启动中子源在用作次级中子源时,相比现有技术中的锑-铍中子源,半衰期明显增长,中子能量明显提高,有利于提高核电厂中子源使用的灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种生产反应堆启动中子源的方法的一个实施例的主流程示意图;
图2为图1中涉及的中子源芯块的结构示意图;
图3是封装有中子源芯块的中子源棒的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示,为本发明提供的一种生产反应堆启动中子源的方法的一个实施例的主流程示意图;一并结合图2和图3所示,在本实施例中,该生产反应堆启动中子源包括如下步骤:
步骤S1,在工厂将氧化铋(Bi2O3)和铍(Be)的粉末按照一定的重量比实现均匀混合,压实成为如图1所示的圆柱形的中子源芯块1。可以理解的是,在本发明实施例中,中子源芯块为氧化铋-铍组成的混合物。由于金属铋的熔点只有545K,故本发明采用熔点较高的氧化铋与铍进行混合,使之可以耐受堆内辐照的温度条件。由于氧化铋和铍均没有放射性,故步骤S1对应的生产过程中不存在放射性的操作风险,在一个例子中,所述氧化铋和铍的粉末的重量比处于1:0.0005~1:0.05之间。
步骤S2,在核电厂燃料组件制造工厂将一定数目(如两个以上)的上述中子源芯块进行封装,形成中子源棒,通过该封装可以确保密封性。该步骤的这个生产过程也没有放射性操作风险。具体地,在一个例子中,所述中子源棒如图2所示,其整体为一个长条筒形,其包括一个圆筒形的包壳管20,在所述包壳管20两端分别设置有上端塞21和下端塞22,在上端塞21顶部设置有吊装部210;其中,在包壳管20内部放置有多个中子源芯块1。
步骤S3,在核电厂将步骤S2中产生的中子源棒插入到燃料组件的控制棒导向管内,然后将该燃料组件布置到反应堆堆芯的合适位置。在反应堆运行过程中,堆芯中子对上述中子源棒进行辐照产生足够数量的中子。
具体地,氧化铋-铍中子源开始不产生中子,只有在反应堆内受中子辐照后才激活成为中子源。铋元素的天然同位素只有209Bi。209Bi在反应堆内受中子辐照后生成210Bi,210Bi衰变生成210Po。反应式如下:
其中,210Bi的半衰期为5.01天。210Po的半衰期为138.4天。210Po衰变发射出α粒子,而衰变成稳定的206Pb,并伴随发射低强度γ射线。210Po发射的α粒子与9Be作用而产生中子。
可以理解的是,氧化铋-铍中子源发生的中子能谱是连续分布的,平均能量为4MeV左右,氧化铋-铍中子源的半衰期为138.4天。
步骤S4,在核电厂一个燃料循环结束而停堆后,取出上述中子源供下一个燃料循环反应堆启动时使用或者其它反应堆启动时使用。
相应地,本发明实施例的另一方面还提供了一种中子源棒,用于在反应堆启动时经辐照产生中子,具体结构可参见图3所示,其中,所述中子源棒2其整体为一个长条筒形,其包括一个圆筒形的包壳管20,在所述包壳管20两端分别设置有上端塞21和下端塞22,在上端塞21顶部设置有吊装部210,所述吊装部210用于吊装所述中子源棒2;其中,在包壳管20内部放置有多个中子源芯块1,所述中子源芯块1为氧化铋-铍组成的混合物;具体地,在一个例子中,所述中子源芯块1为氧化铋(Bi2O3)和铍(Be)的粉末按照一定的重量比实现均匀混合并压实而成,其为圆柱形。在一个例子中,所述氧化铋和铍的粉末的重量比处于1:0.0005~1:0.05之间。更多的细节,可以参照前述对图1至图3的描述,在此不进行赘述。
实施本发明实施例,具有如下的有益效果:
首先,本发明提供的启动中子源在用作初级中子源时,相比现有技术中252Cf中子源价格较便宜,提高了核电厂使用启动中子源的经济性;
本发明提供的启动中子源在用作初级中子源时,相比现有技术中210Po-Be中子源,制备过程简单,而且避免了剧毒物质210Po的操作过程,提高了中子源制备过程的安全性;
本发明提供的启动中子源在用作次级中子源时,相比现有技术中的锑-铍中子源,半衰期明显增长,中子能量明显提高,有利于提高核电厂中子源使用的灵活性。
以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,如对各个实施例中的不同特征进行组合等,这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生产反应堆启动中子源的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1,将氧化铋和铍的粉末按照预定的重量比进行均匀混合,并压实形成圆柱形的中子源芯块;
步骤S2,将一定数目的上述中子源芯块进行封装,形成中子源棒;
步骤S3,在核电厂将所述中子源棒插入到燃料组件的控制棒导向管内,然后将该燃料组件布置到反应堆堆芯的合适位置,在反应堆运行过程中,堆芯中子对上述中子源棒进行辐照产生足够数量的中子。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,进一步包括:
步骤S4,在核电厂一个燃料循环结束而停堆后,取出上述中子源供下一个燃料循环反应堆启动时使用或者其它反应堆启动时使用。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2中的中子源棒其整体为一个长条筒形,其包括一个圆筒形的包壳管,在所述包壳管两端分别设置有上端塞和下端塞,在上端塞顶部设置有吊装部;在包壳管内部放置有多个中子源芯块。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中进一步包括:
中子源芯中的铋元素的天然同位素209Bi在反应堆内受中子辐照后生成210Bi,210Bi衰变生成210Po,其反应式如下:
210Po衰变发射出α粒子,而衰变成稳定的206Pb,并伴随发射低强度γ射线;210Po发射的α粒子与铍(9Be)作用而产生中子。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法,其特征在于,所述氧化铋和铍的粉末的重量比处于1:0.0005~1:0.05之间。
6.一种中子源棒,用于在反应堆启动时经辐照产生中子,其特征在于,其包括:
圆筒形的包壳管,在所述包壳管两端分别设置有上端塞和下端塞,在上端塞顶部设置有吊装部;
其中,在包壳管内部放置有多个中子源芯块,所述中子源芯块为氧化铋-铍组成的混合物。
7.如权利要求6所述的中子源棒,其特征在于,所述中子源芯块为氧化铋和铍的粉末按照一定的重量比均匀混合并压实而成的圆柱形。
8.如权利要求7所述的中子源棒,其特征在于,所述中子源芯块中,所述氧化铋和铍的粉末的重量比处于1:0.0005~1:0.05之间。
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