CN109874296B - 放射性核素生成系统和用于产生放射性核素的方法 - Google Patents

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Abstract

一种从核反应堆中的照射靶产生放射性核素的方法，其使用商业核反应堆的至少一个仪表管道系统(12)。照射靶(16)和虚拟靶(18)被插入仪表指状物(14)中，并且所述照射靶(16)通过暴露于核反应堆芯体(10)内的中子束而被激活从而形成所需的放射性核素。所述虚拟靶(18)将所述照射靶(16)保持在所述反应堆芯体内的预定轴向位置处，该位置对应于预先计算出来的足以将所述照射靶(16)转变为所述放射性核素的中子束密度。将所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)分离的步骤包括：将所述虚拟靶(18)和/或已激活的所述照射靶(16)暴露于磁场中，以使所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)中的一者保留在所述仪表管道系统(12)中，且使所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)中的另一者从所述仪表管道系统(12)中释放。本发明还提供了适用于上述方法的装置。

Description

放射性核素生成系统和用于产生放射性核素的方法
技术领域
本发明涉及放射性核素生成系统和用于从商业核反应堆芯体中的照射靶产生放射性核素的方法。
背景技术
放射性核素被用在各种科技领域中，也被用于医疗用途。通常，放射性核素是在研究用反应堆或回旋加速器(cyclotron)中被产生的。但是，由于放射性核素的商业生产用的设施数量已经是有限的，而且预计还会减少，因此人们期望提供替代的生产地点。
专利文献EP 1 667 166 A2涉及一种在轻水动力反应堆(light waterpowerreactor)中产生同位素的方法，其中，反应堆内的一个或多个靶可以在中子束下被照射以产生一个或多个同位素。这些靶可以被组装到一个或多个燃料棒束内的燃料棒的管部中，所述一个或多个燃料棒束将会在给定的停用时间下被装载到反应堆芯体中。反应堆中的动力操作对燃料棒束进行照射从而产生所期望的同位素，例如一个或多个具有所期望比活度(specific activity)的放射性同位素或具有所期望浓度的稳定同位素。
特别地通过将实心球形探测器引入到穿过商业核反应堆芯体的仪表管道(instrumentation tube)中，来测量该商业核反应堆芯体的中子束密度。因此，曾经有人建议商业核反应堆的仪表管道应该被用于生产放射性核素。
例如，专利文献EP 2 093 773 A2中提出如下建议：传统地被用来容纳中子检测器的现有仪表管道可被用来在商业核反应堆的正常运行期间内产生放射性核素。具体地，球形照射靶按线性顺序而被推入仪表管道中和从这些仪表管道中被移除。基于反应堆芯体的轴向中子束分布轮廓，来确定各靶在反应堆芯体中的最佳位置和暴露时间。传动齿轮系统被用来使照射靶在仪表管道内移动和将照射靶保持在仪表管道内。
专利文献US 2013/0315361 A1也涉及用于在运行的商业核反应堆的多个仪表管道中产生放射性同位素的装置和方法。照射靶被插入多个仪表管道中和从所述多个仪表管道中被移除，并且这些照射靶在核反应堆的运行期间内被转变为放射性同位素。提供了对照射靶的定位过程，以将其他照射靶适当地定位在核反应堆芯体内的期望位置处或核反应堆芯体附近的期望位置处。定位靶可以由廉价的惰性材料制成或由磁性材料制成，并且可以借助于磁性锁(magnetic latch)而被保持在仪表管道中。在照射后，各靶从仪表管道中被传送到收集桶中，并且定位靶可以利用它们的标记或物理特性而从收集桶中被分选出来。
专利文献WO 2014/107218 A2公开了一种保持组件，其包括例如叉子等制约结构，以便选择性地阻挡照射靶通过通道和在仪表管道中进/出的运动。采用定位靶来支撑照射靶。定位靶可以是铁磁性的。基于诸如定位靶等磁性部件的存在，定位检测器被用来操作制约叉子。
专利文献CA 2 792 593 A2描述了用于在运行的商业核反应堆的仪表管道中产生放射性同位素的装置和方法。在运行期间内，照射靶被插入到仪表管道中和从仪表管道中被移除，并且被转变为放射性同位素。照射靶还可包括位于所有其他靶之间的已知位置处的跟踪靶，该跟踪靶由与所有其他靶不同的材料制造而成，并且该跟踪靶允许对照射靶进行跟踪或定位。例如，第一个和最后一个照射靶可由能够被磁传感器跟踪的铁磁材料制成，或者可以由会转变成能够被辐射传感器检测到的另一不同同位素产物的材料制成。
用于商业核反应堆芯体内的小球测量系统中的传统球形探测器利用加压气体而被驱动以实现在仪表管道中的进出。因此，被设计用于仪表管道中的照射靶必须能够承受高的机械负载。此外，各靶通常由具有高同位素纯度的母材制成。因此，照射靶的制备是非常昂贵的。
但是，商业核反应堆芯体中的中子束密度是不均匀的，并且可能不足以在仪表管道内的各个不同轴向位置处将照射靶转变成所期望的放射性核素。一般情况下，在芯体的中间段处的中子束密度高于在芯体顶部或底部的区域处的中子束密度。此外，燃料棒之间的间隔元件也可能会阻挡芯体内的特定轴向位置处的中子束。因此，要求对各靶进行选择性地定位，以避免由于激活不足而浪费昂贵的母材。
如果昂贵的照射靶位于核反应堆芯体的上部或下部中，那么该母材将不会完全转变成所期望的放射性核素。未完全激活的照射靶不能在工业或医疗应用中使用，因此它们必须被分拣出来且被废弃，或者它们必须根据各自的半衰期而被存储直到可以重新使用。未完全激活的照射靶的分拣将会增加安全隐患，且只能在热室(hot cells)中进行。此外，把已完全转变的照射靶从未完全激活的靶中分离出来所需的时间会导致已转变的靶中的放射性核素由于放射性衰变而发生损耗。此外，未完全激活的照射靶的废弃会增加核废料的量，进而增加在产生所期望的放射性核素时的成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供从插入到核反应堆芯体的仪表管道(例如商业核反应堆的小球测量系统或可移动芯体内探测器(Traversing Incore Probe(TIP))系统的仪表管道)中的照射靶产生放射性核素的方法，所述核反应堆能够在反应堆的运行期间内高效地且经济地产生放射性核素。
根据另一个目的，希望实现照射靶在核反应堆芯体内的最佳定位以及激活后的照射靶从仪表管道中的快速恢复，以便使得昂贵的照射靶能够完全转变且使得能够避免由于靶的不完全激活而导致的核废料的产生。
上述这些目的可以根据权利要求1的放射性核素生成方法来解决。在从属权利要求中给出了本发明的有益且有利的实施例，这些实施例可以独立地相互结合。
本发明提供了一种从核反应堆芯体中的照射靶产生放射性核素的方法，该方法包括如下步骤：
提供至少一个仪表管道系统(instrumentation tube system)，所述仪表管道系统包括穿过所述核反应堆芯体的仪表指状物(instrumentation finger)；
将至少一个照射靶和至少一个虚拟靶(dummy target)插入到所述仪表指状物中，并且通过将所述照射靶暴露于所述核反应堆芯体内的中子束来激活所述照射靶以形成放射性核素；以及
将所述虚拟靶和所述照射靶从所述仪表指状物中取回，并将所述虚拟靶与所述照射靶分离；
其中，所述虚拟靶和所述照射靶以线性顺序被布置在所述仪表指状物中，且所述虚拟靶将所述照射靶保持在所述反应堆芯体中的预定轴向位置处，所述预定轴向位置对应于预先计算出来的足够将所述照射靶转变为所述放射性核素的中子束密度，
其中，所述虚拟靶和所述照射靶具有不同的磁性能，并且
其中，将所述虚拟靶与所述照射靶分离的步骤包括：将所述虚拟靶和/或所述照射靶暴露在磁场中，以使所述虚拟靶和所述照射靶中的一者保留在所述仪表管道系统中，并且使所述虚拟靶和所述照射靶中的另一者从所述仪表管道系统中释放。
根据另一方面，本发明提供了一种放射性核素生成系统，其包括：
核反应堆的仪表管道系统，所述仪表管道系统包括至少一个穿过核反应堆芯体的仪表指状物，其中所述仪表管道系统被配置为使得照射靶和虚拟靶能够插入所述仪表指状物中和从所述仪表指状物中移除，并且其中所述虚拟靶和所述照射靶具有不同的磁性能；
靶驱动系统，它被配置为将所述照射靶和所述虚拟靶以预定的线性顺序插入所述仪表指状物中并且将所述照射靶和所述虚拟靶从所述仪表指状物中移除；
芯体监控系统和仪表及控制单元，它们二者互相连接并且被配置为基于由所述芯体监控系统提供的所述核反应堆的实际状态来计算所述照射靶的最佳轴向照射位置和照射时间；
靶移除系统，它被配置为将所述照射靶和所述虚拟靶从所述仪表管道系统中取回并且将所述照射靶和所述虚拟靶分离，所述靶移除系统包括用于将所述虚拟靶和/或所述照射靶暴露于磁场的装置，由此使所述虚拟靶和所述照射靶中的一者保持在所述仪表管道系统中并且使所述照射靶和所述虚拟靶中的另一者从所述仪表管道系统中释放。
本发明涉及了主要用途是生成电力的商业核反应堆能够被用来产生放射性核素。具体地，这种商业核反应堆的现有的或计划中的小球测量系统或其他仪表管道系统可以被改良和/或被补充，以便能够有效和高效地产生放射性核素。
根据本发明，例如小球测量系统或可移动芯体内探测器(TIP)系统的至少一些仪表管道被用来：将照射靶引导到反应堆芯体中，并在完全激活该照射靶的母材后将该照射靶引导到反应堆芯体之外。通过将照射靶定位在反应堆芯体内的具有足以将母材完全转变为所期望放射性核素的中子束的预定区域中，来使各靶的激活最优化。照射靶的恰当定位是通过如下方式来实现的：由惰性材料制成虚拟靶，并且将虚拟靶和照射靶在仪表管道系统中进行排序，以在仪表指状物中形成一列靶，其中照射靶处于反应堆芯体内的预先计算好的最佳轴向位置处，并且其他位置由惰性的虚拟靶占据。
本发明还建议：借助于不同的磁性能，例如，通过利用位于仪表管道系统的排放部处的多个磁体来将虚拟靶和照射靶中的一者保留在仪表管道系统内且将虚拟靶和照射靶中的另一者传送到存储容器，由此把已激活的照射靶与虚拟靶分离。
借助于不同的磁性能来使各靶分离就使得能够快速、远程地处理已激活的照射靶，并且还可以避免使用例如计数器、索引器(indexer)和网关(gateway)等额外的机械系统来确定所述虚拟靶和所述照射靶的准确位置。
所述虚拟靶可以由廉价的惰性材料制成，并且可以在短的衰变时间后重新使用，于是进一步减少了放射性废料的量。
因此，通过在商业核反应堆的仪表管道系统中借助于廉价的虚拟靶来实现照射靶的最佳定位，并且通过结合利用不同的磁性能来实现已激活的照射靶与虚拟靶的分离，在反应堆运行期间内提供了放射性核素的有效的且经济的生产，并且还避免了由于靶的不完全激活而导致的核废料的产生。
根据优选实施例，所述仪表管道系统源自于诸如EPRTM或者SiemensTMPWR核反应堆等压水反应堆(pressurized water reactor)的常规小球测量系统。
正如本领域技术人员所知道的，小球测量系统的主要用途是测量核反应堆芯体中的中子束密度。小球测量系统包括仪表管道系统，且还包括以气动的方式而被操作的驱动系统，该驱动系统被配置成：将球形探测器(所谓的“气动小球(aeroball)”)插入仪表管道系统的仪表指状物(所述仪表指状物在反应堆芯体的整个轴向长度上穿过该反应堆芯体)中，并且在探测器的激活以后将气动小球从仪表指状物中移除，且引导探测器使其通过仪表管道系统而到达检测室，由此维持着探测器的线性顺序。
但是，本领域技术人员将会认识到，本发明不限于PWR反应堆的小球测量系统的使用。相反，也可以使用沸水反应堆(boiling water reactor(BWR))的可移动芯体内探测器(TIP)系统的仪表管道或者CANDU反应堆的窗口(view port)。
根据本发明，所述虚拟靶和所述照射靶具有不同的磁性能。优选地，所述虚拟靶或所述照射靶是磁吸引的。更优选地，所述虚拟靶由诸如铁素体、铁或铁合金(包括铁素体不锈钢在内)等铁磁材料制成。
更优选地，所述照射靶和所述虚拟靶都具有圆形形状，优选为球形形状，由此使得各靶是可滚动的、且使得各靶在使用例如空气或氮气等加压气体(pressurized gas)的仪表管道系统中容易被处理。
所述照射靶和所述虚拟靶被插入到所述核反应堆芯体内的所述仪表管道系统的仪表指状物中。优选地，所述仪表管道系统包括与所述仪表指状物连接并且位于所述核反应堆芯体外部的排放管。更优选地，所述排放管具有与存储容器连接的出口，所述存储容器用于接收通过所述排放管从所述仪表管道系统移除的所述照射靶和所述虚拟靶中的一者。
所述靶驱动系统被配置为将所述照射靶和所述虚拟靶以预定的线性顺序通过所述仪表管道系统而插入到所述仪表指状物中，并且将所述照射靶和所述虚拟靶从所述仪表指状物中移除。
根据优选地实施例，所述靶驱动系统是以气动的方式而被操作的，这使得能够利用诸如氮气或空气等加压气体来快速地处理所述照射靶和所述虚拟靶。
更优选地，所述靶驱动系统包括：一个或多个以气动的方式而被操作的阀电池，以用于单独地控制所述照射靶和所述虚拟靶在所述仪表管道系统中的插入和输送。基于这种单独控制，用于确定芯体内的中子束的常规小球测量系统和根据本发明的放射性核素生成系统内就可以单独地被驱动。所述仪表及控制单元被配置为使得所述靶驱动系统的各阀的操作至少部分地自动化，以实现所述靶驱动系统的安全可靠的运行。
所述靶驱动系统还可包括用于将所述照射靶和/或所述虚拟靶排放到所述存储容器中的闸门装置。
根据本发明的优选实施例，所述靶驱动系统包括如下的传感器：这些传感器用于监控所述照射靶和所述虚拟靶的存在以及所述照射靶和所述虚拟靶的经过所述仪表管道系统(具体地，在仪表指状物中的进出)的行进时间。
更优选地，当所述照射靶和/或所述虚拟靶经过所述靶驱动系统的上述这些传感器时，这些传感器就会对磁通量的变化作出响应。此外，或者替代地，可采用用于感测所述照射靶和/或所述虚拟靶的辐射的活动传感器。
根据优选实施例，通过考虑反应堆的实际状态，尤其是考虑当前中子束、燃料燃耗、反应堆功率和/或负载，把所述芯体监控系统以及所述仪表及控制单元配置成使得用于将照射靶转变为放射性核素的照射过程是优化的。因此，可以计算最佳轴向照射位置和照射时间，以获得最佳结果。然而，实际的计算是在所述仪表及控制单元中被执行还是由改良后的小球测量系统的芯体监控系统来执行，这并不重要。因此，这两种替代方案都是本发明的主题。
优选地，由所述芯体监控系统提供到所述仪表及控制单元的信息包括下列中的至少一种：中子束(来自芯体外检测器或芯体内检测器)、来自现有的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、压力和时间同步。作为输入数据而被考虑的关于反应堆的信息越多，计算最佳轴向照射位置和照射时间的结果就越准确。前面提到的参数可以包括实时值和任何衍生值(例如随着时间的演变值)。
有利的是，所述仪表及控制单元可被配置成自动地控制所述仪表管道系统中的压力，尤其是在每次通过所述靶驱动系统将所述照射靶和/或所述虚拟靶插入之后的压力。
所述靶移除系统优选地包括：布置在所述仪表管道系统处的至少一个磁体，更优选地，选自至少一个永磁体或螺线管的至少一个磁体，作为用于将各靶暴露到磁场的装置。
根据优选实施例，所述仪表管道系统包括与所述仪表指状物连接的排放管，所述磁体或螺线管被布置在所述排放管处。更优选地，所述至少一个磁体可沿着所述排放管的纵向轴线移动。
更优选地，所述靶移除系统包括布置在所述排放管处的磁性锁，其用于阻挡所述照射靶和/或所述虚拟靶从所述排放管流出到所述存储容器中。优选地，所述磁性锁被布置在所述排放管的所述出口附近，位于所述至少一个磁体的相对于所述照射靶从所述排放管流出方向的下游。更优选地，所述磁性锁包括诸如横穿所述排放管的销钉等保持器装置，以使得各靶保持在所述排放管中直到所述至少一个磁体被激活为止。
更优选地，所述至少一个磁体和/或所述磁性锁由所述仪表及控制单元远程地控制，从而实现对所述照射靶的自动快速处理。
在本发明的方法中，所述照射靶优选地被定位在所述核反应堆芯体的所述仪表指状物的中央段中，并且所述虚拟靶优选地被定位在所述仪表指状物的至少一个末端段中，即所述反应堆芯体的上部和/或下部中，这里的中子束密度不足以完全激活所述照射靶。
所述照射靶在所述仪表指状物中的准确位置是由所述芯体监控系统和/或所述仪表及控制单元来确定的。一般来说，在商业压水反应堆中，所述仪表指状物的用于生成放射性核素的中央段延伸了大约3～4米，并且各末端部延伸了大约0.5～1米。这些值可能会根据反应堆的类型和反应堆的实际运行状况而有所不同，而且针对于沸水反应堆和CANDU反应堆而言是不同的值。
在优选实施例中，所述仪表管道系统穿透所述核反应堆的压力容器盖，所述照射靶和所述虚拟靶从所述反应堆芯体的顶部通过所述压力容器盖而插入到所述仪表指状物中。优选地，所述虚拟靶被布置在所述仪表指状物的下端段处，而且所述照射靶被布置在所述虚拟靶上方。更优选地，所述照射靶上方的空间将保持为空白。
根据另一个实施例，所述仪表指状物内的照射靶可以被一个或多个虚拟靶分开，由此限定了照射靶分段(irradiation target subsection)。照射靶分段之中的各照射靶优选地具有相同的或不同的材料性质。更优选地，相邻分段中的照射靶在用作用于生成放射性核素的前驱(precursor)的母材方面是不同的。因此，就可以在一步操作中产生不同的放射性核素。
或者，例如在沸水反应堆的TIP系统被用作仪表管道系统的情况下，也可以将照射靶和虚拟靶从位于反应堆芯体的底部处的干井插入到所述仪表指状物中。在这种情况下，提供了用于将所述照射靶和所述虚拟靶保留在所述仪表指状物中的附加装置。
所述照射靶在所述仪表指状物中被激活一段时间，所述一段时间足以使所述照射靶的母材完全转变为所期望的放射性核素，正如由在线的芯体监控系统以及仪表及控制系统确定的那样。实现母材的完全转变所用的时间将会取决于反应堆的类型和状态、中子束状况、母材的类型、以及本领域技术人员已知晓的各种其他参数，并且该时间可以是几个小时到几天，优选1～10天。完全转变是指照射靶的母材的如下转变率：其能够提供适合于医疗或工业应用的放射性核素含量。
在激活以后，在维持着虚拟靶和照射靶的线性顺序的情况下，所述照射靶和所述虚拟靶优选地从所述仪表指状物中被移出到所述排放管内，更优选地通过利用加压气体而从所述仪表指状物中被移出到所述排放管内。所述排放管被所述磁性锁挡住以防止所述照射靶和所述虚拟靶脱离所述仪表管道系统。
为了将照射靶与虚拟靶分离并且为了选择性地将照射靶从所述仪表管道系统中移除，将照射靶和虚拟靶暴露于磁场，优选地通过远程激活布置在与磁性靶相邻的所述排放管处的所述一个或多个磁体来使照射靶和虚拟靶暴露于磁场。
然后，打开所述磁性锁，非磁性靶(优选地，非磁性照射靶)在重力作用下从所述排放管中释放并且进入存储容器中，然而磁性虚拟靶由于磁场的作用而被保留在所述排放管中。
在另一个实施例中，如果一个或多个磁性靶(例如虚拟靶)被定位在非磁性靶(例如照射靶)之前且靠近所述排放管的出口，则使用加压气体来驱动非磁性照射靶使其回到所述仪表指状物中或所述仪表管道系统的保持部中，而磁性虚拟靶则借助于激活的磁场而被保留在所述排放管中。然后，可以打开所述磁性锁，并且通过关闭磁场来将虚拟靶从所述排放管中释放。
反之，如果虚拟靶是非磁性的并且照射靶是铁磁的，本发明的方法也适用。
因此，本发明提供了一种能够在反应堆正常运行期间内完全激活仪表指状物中的照射靶的快速有效方法，并且还能借助于惰性虚拟靶和已激活的照射靶的不同磁性能来将已激活的照射靶与惰性虚拟靶分离。
附图说明
根据下列的实施方式且根据附图(其中，相同的元件由相同的附图标记表示)，本发明的其他特征和优点将会变得更加明显。各优选实施例仅是为了解释的目的而被给出，并且不旨在限制从随附权利要求清楚可知的本发明的范围。
在附图中：
图1示出了根据本发明而建立的放射性核素生成系统(MAS)的示意结构图；
图2示出了用于提供与下列几者有关的信息的示意图：仪表指状物的数量、仪表指状物的配有小球测量检测器的设备、以及仪表指状物的在核反应堆芯体内的分布；
图3示出了一部分由照射靶填充、且一部分由虚拟靶填充的仪表指状物；以及
图4示出了本发明的移除系统和排放管的示意结构图。
具体实施方式
图1示出了商业核电厂(特别地，具有EPRTM或SiemensTMDWR核反应堆的电厂)内的放射性核素生成系统的基本结构。
与研究用反应堆不同，商业核反应堆的用途是生产电力。商业核反应堆通常具有100+兆瓦电的额定功率。
在示例性实施例中描述的放射性核素生成系统的基础源自于商业小球测量系统，所述小球测量系统的主要用途是利用多个球形探测器(所谓的“气动小球”)来测量核反应堆芯体中的中子束密度，所述多个球形探测器以线性顺序布置着从而形成气动小球柱。所述小球测量系统包括以气动的方式而被操作的驱动系统，该驱动系统被配置成：将所述气动小球插入到仪表指状物(所述仪表指状物延伸到所述芯体中、且在所述芯体的整个轴向长度上穿过所述芯体)中，并且在激活后将所述气动小球从所述仪表指状物中移除。
为了更容易表述，在下文中将基于商业小球测量系统的放射性核素生成系统也称为MAS(Medical Aeroball System(医疗气动小球系统))。
在下文中，将会进一步说明除了商业小球测量系统的构件以外还额外设置的、或者被补充的、或者被改良的MAS的主要构件。
图1示出了包括仪表管道系统12的商业核反应堆，该仪表管道系统12包括穿过核反应堆芯体10的至少一个仪表指状物14。该仪表管道系统12被配置为允许将照射靶16和虚拟靶18(参见图3)插入到仪表指状物14中和从仪表指状物14中移除。
根据本发明，压水反应堆的商业小球测量系统被改良成也能够处理如下的照射靶16和虚拟靶18：这些靶具有圆形或球形形状且具有与小球测量系统的仪表指状物的空隙对应的直径。优选地，各靶16、18的直径在1～3mm之间的范围内，优选地大约为1.7mm。
仪表管道系统12穿透反应堆约束部件11和核反应堆的压力容器盖，且仪表指状物14在反应堆芯体10的大致整个轴向长度上从反应堆芯体10的顶部延伸到反应堆芯体10的底部。仪表指状物14的位于反应堆芯体10的底部处的末端是封闭的并且/或者被设置有停止件(stop)，以使得插入到该仪表指状物中的照射靶16和虚拟靶18形成一列，其中每个靶16、18都处于预先定义的轴向位置处。
可以设置有分离构件(未图示)，该分离构件用于使仪表管道系统12的各管道在处于反应堆压力容器盖(仪表管道系统12的各管道经由该压力容器盖而被引出到反应堆约束部件11外面)上方的电缆桥处和/或在连接器板处分离开。
优选地，在仪表管道系统12中设置有数个湿度传感器来检测任何主冷却剂(或任何其他液体)向MAS中的输入。可以理解的是，用于MAS的仪表指状物14与包围着核反应堆芯体的主冷却水是直接接触的。这些湿度传感器可以基于被改良以用于测量电阻的火花塞(spark plug)。
优选地还设置有其他传感器以用于监控靶16、18的存在以及靶16、18的通过仪表管道系统的行进时间。这些传感器优选地被布置在穿透反应堆芯体10的管道处。测量原理可以基于：当照射靶16和/或虚拟靶18经过用于测量传输时间的传感器时，对磁通量的变化的检测；以及完全性指示(completeness indication)。
优选地，在各靶经过上述传感器的同时，这些传感器被用来监控在移除过程期间内所有的照射靶16都已经离开仪表指状物14。此外，或者替代地，可以使用能够感测照射靶16和/或虚拟靶18的辐射的活动传感器。
仪表管道系统12还包括排放管34，该排放管34连接到仪表指状物14，并且位于核反应堆芯体10外部。照射靶16或虚拟靶18通过排放管34而从仪表管道系统12中被移除。
仪表管道系统12连接到靶驱动系统20，靶驱动系统20被配置成：能够将照射靶16和虚拟靶18以预定的线性顺序插入到仪表指状物14中，并且能够驱动照射靶16和虚拟靶18使它们从仪表指状物14中出来。
优选地，靶驱动系统20是以气动的方式而被操作的，其使得能够利用例如氮气或空气等加压气体来快速地处理照射靶16和虚拟靶18。
优选地，靶驱动系统20包括阀电池(未图示)，该阀电池被用做附加的气动系统，以用于单独地控制仪表管道系统12中的靶16和18。该阀电池可以被实施为除了常规小球测量系统的阀电池外还额外设置的另一个子系统，或者可以安装单独的靶驱动系统。
靶驱动系统20优选地包括用于将靶16、18插入到仪表指状物14中的靶填充装置(未图示)。可以使用含有数个机械(或机电)装置的闸门系统(未图示)来将照射靶16和虚拟靶18填充到仪表管道系统12中，以供运送到反应堆芯体10，并且该闸门系统还将靶16、18引导到排放管34和存储容器36(图4)中。
靶驱动系统20与靶移除系统22协同工作，靶移除系统22被配置为将照射靶16和虚拟靶18从仪表管道系统12中取回并且将照射靶16与虚拟靶18分离。特别地，靶移除系统22包括用于将虚拟靶18和/或照射靶16暴露于磁场的装置24，以使虚拟靶18和照射靶16中的一者保留在仪表管道系统12中，并使照射靶16和虚拟靶18中的另一者从仪表管道系统12(参见图4)中释放。
仪表及控制单元(ICU)26被连接到靶驱动系统20和靶移除系统22而且还被连接到在线芯体监控系统28和故障监控系统30，所述在线芯体监控系统28用于控制照射靶16的激活。ICU 26和/或在线芯体监控系统28被配置为基于由在线芯体监控系统28提供的核反应堆的实际状态来计算照射靶16的最佳轴向照射位置和照射时间。
ICU 26通过接口而被连接至适配的在线芯体监控系统28软件。ICU26还被连接到MAS的包括传感器在内的机械构件。为了高效地生成放射性核素，先要确定照射靶的最佳照射条件和照射时间。实际上，用于这一计算的所有相关输入数据都可以从常规小球测量系统的在线芯体监控系统28(例如可从Areva购得的POWERTRAX/STM芯体监控软件系统)获得。
被连接到芯体监控系统28的ICU 26可以计算最佳照射时间和轴向照射位置以及其他参数，例如仪表指状物14中的照射靶16的数量，该数量限定了各个靶列的实际长度和该靶列内的照射靶16和虚拟靶18各自的位置。基于这些计算的结果，ICU 26和/或操作员相应地操纵MAS机械构件。ICU 26还被连接至小球测量系统的经过更新后的故障监控系统30，该故障监控系统用于报告MAS中的任何错误。
照射靶的最佳照射时间和轴向照射位置的在线计算并不是简单地基于所估计的恒定中子束的假设，而是还要考虑反应堆的实际状态，尤其是下列参数中的至少一种：中子束、来自现有的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、压力和时间同步。不仅可以考虑这些参数的实时值，还可以考虑它们的随着时间的演变值。
图2示意性地示出了用于提供与反应堆芯体10的设备有关的信息的图，包括MAS仪表指状物14、常规小球测量和中子检测器子系统、以及它们在核反应堆芯体10内的分布。根据图2所示的例子，从MAS中所用的常规小球测量和中子检测器系统取得了四个位置。
图3示出了用于MAS的仪表指状物14的简化说明。如上所述，仪表指状物14在反应堆芯体10的大致整个轴向长度上从反应堆芯体10的顶部延伸到反应堆芯体10的底部。将照射靶16和虚拟靶18以线性顺序插入仪表指状物中，从而形成一列，其中每个靶16、18处于预先定义的轴向位置处。
借助于在线芯体监测系统28，可以确定仪表指状物14的如下的段38、段44和段40：其中，在段38和段44中，中子束太低而不足以产生放射性核素；而在段40中，中子束高于所期望的照射靶需求，且因此适合于产生所期望的放射性核素。
湿度传感器42被布置在仪表指状物10处。替代地，或者此外，在仪表管道系统12的位于反应堆压力容器外部的构件处可以布置有湿度传感器。
为了消除对于昂贵的照射靶16的任何浪费，设置了虚拟靶18并将这些虚拟靶18定位在仪表指状物14的下端段38中，该下端段38具有太低的中子束密度因而不足以生成放射性核素。虚拟靶18是由惰性材料制成的，所述惰性材料在运行的核反应堆的芯体10内的条件下基本上不会被激活。
照射靶16包括能够生成要被用于医疗和/或其他用途的放射性核素的适当母材16。更优选地，所述照射靶由如下母材组成：当将该母材暴露于运行的商业核反应堆的芯体内的中子束时，该母材在激活的情况下转变为所期望的放射性核素。可用的母材是Mo98和Yb176，它们分别被转变为Mo99和Lu177。然而，可理解的是，本发明不限于使用特定的母材。
如图3所示，照射靶16被定位在上方，并且被虚拟靶18保持在仪表指状物14的段40中的适当位置处，该段40内的中子束足以将照射靶完全转变为所期望的放射性核素，正如由ICU 26和/或在线芯体监控系统28确定的那样。
根据本发明的优选实施例，仪表指状物14的上段44被保持为空白的。
在另一个实施例(未图示)中，仪表指状物14内的照射靶16之中一个或多个照射靶可以利用一个或多个虚拟靶18而被彼此分离，从而限定了照射靶分段。照射靶分段之中的照射靶优选地具有相同的或不同的材料性质。更优选地，相邻分段中的照射靶在用作用于生成放射性核素的前驱的母材方面是不同的。
根据本发明，虚拟靶18和照射靶16具有不同的磁性能。优选地，虚拟靶或照射靶是磁吸引的。更优选地，虚拟靶18由诸如铁或铁合金(包括铁素体不锈钢在内)、或者铁素体等铁磁材料制成。
为了用在常规小球测量系统中，照射靶16和虚拟靶18具有圆形形状，优选为球形形状，以使得各靶是可滚动的，并且使得各靶能够容易地通过加压空气和/或重力而在小球测量系统的仪表管道中被处理。
图4中示意性地示出了靶移除系统22。用于将照射靶16和/或虚拟靶18暴露于磁场的装置24优选地包括与仪表管道系统12相关联的一个或多个永磁体或螺线管46。
排放管34通过仪表管道系统12(图1)而被连接到仪表指状物14，并且排放管34被配置为在激活已被完成之后接收从所述仪表指状物中被驱动出来的照射靶16和虚拟靶18。排放管34位于反应堆芯体10的外部。一个或多个螺线管46缠绕在排放管34上。优选地，螺线管46沿着排放管34的纵向轴线可移动地布置着。
排放管34还设置有磁性锁48，该磁性锁用于阻挡照射靶16和/或虚拟靶18从该排放管中流出。在如图4所示的实施例中，磁性锁48包括横穿排放管34的销钉50，以便将靶16、18保留在排放管34中直到电磁线圈46被激活。
所述一个或多个永磁体或螺线管46和/或磁性锁48由ICU 26远程地控制，以使得能够实现照射靶16和虚拟靶18的自动快速处理。
排放管34还包括被连接到靶驱动系统20的气体入口52，以用于将诸如空气或氮气等加压气体吹入仪表管道系统12中且用于将照射靶16和虚拟靶18从仪表指状物14中驱动到排放管34中。
此外，排放管34包括与一个或多个存储容器36、36'和/或中间存储罐56连接的出口54，所述一个或多个存储容器36、36'和/或中间存储罐56用于选择性地接收从排放管34中释放的照射靶16或虚拟靶18。存储容器36、36'和/或中间存储罐56可以是可移动的以便与出口54相配。或者，该出口可包括闸门58，以便选择性地将照射靶16或虚拟靶18引导到合适的容器36、36'和罐56中。
关于本发明中的放射性核素生成系统或MAS的操纵，利用靶驱动系统20将照射靶16和虚拟靶18插入到仪表指状物14中，并且通过将照射靶16暴露于正在进行发电操作的核反应堆芯体内的中子束下，来激活照射靶16从而形成放射性核素。
优选地，虚拟靶18由铁磁材料制成，而照射靶16基本上是非磁性或者顺磁性的。
虚拟靶18和照射靶16以预先计算好的线性顺序而被布置在仪表指状物14中，且虚拟靶18将照射靶16保持在反应堆芯体中的预定轴向位置处。照射靶16的最佳轴向位置由ICU 26和/或在线芯体监控系统28计算出来，并且对应于在预定时间段内足以将照射靶16完全转变为放射性核素的中子束密度。仪表指状物14中的剩余位置由虚拟靶18占据，这些虚拟靶18将照射靶16保持在适当位置处。
在照射靶16被激活且被转变为所期望的放射性核素之后，利用靶移除系统22从仪表指状物14中取回虚拟靶18和已激活的照射靶16并且将虚拟靶18与已激活的照射靶16分离。将虚拟靶18和/或已激活的照射靶16暴露在磁场中，以使得虚拟靶18和已激活的照射靶16中的一者被保留在仪表管道系统12中且使得虚拟靶18和已激活的照射靶16中的另一者从仪表管道系统12中释放。
优选地，通过处理单元在操作台处对MAS的操作进行监视和控制。该处理单元被安装在控制柜室(未图示)中的一个单独控制柜中。该处理单元配有显示器，并且除此之外，还允许控制MAS阀电池的特定参数。
在操作站处，可以监视照射靶16在照射期间内的状态和剩余的照射时间。当某个仪表指状物14中的一组靶16、18达到了所计算出的照射时间时，就有消息提示操作员开始针对这一仪表指状物14的移除过程。靶驱动系统20的各阀的操作部分地自动化，以使得能够更安全、更可靠地执行重复动作。
在每次将照射靶16和虚拟靶18插入到仪表管道系统12中之后，以全自动方式检查和调节所述仪表管道系统中的压力。ICU 26更进一步还收集代表着某种系统条件的数字信号。尤其是，湿度传感器的信号使得能够进行泄漏监控，即，使得能够检测出是否有任何主冷却剂已经进入MAS的管道系统。
用于MAS构件(包括阀电池和MAS机柜的处理单元在内)的电力是通过小球测量系统的负载柜来提供的。为此，在负载柜中安装了具有合适的保险丝的另一个电力逆变器。也可以使用被合并在控制柜室内的额外的24伏电源。
照射靶16优选地被定位在反应堆芯体10中的仪表指状物14的中央段40中；而且虚拟靶18优选地被定位在仪表指状物14的末端段38和/或上段44中，即反应堆芯体10的上部和/或下部中，这里的中子束密度不足以完全激活照射靶16(参见图3)。
照射靶16在仪表指状物14中的准确位置由ICU 26和/或在线芯体监控系统28预先计算出来。
照射靶16和虚拟靶18优选地通过压力容器盖而从反应堆芯体10的顶部插入到仪表指状物14中。优选地，虚拟靶18被布置在仪表指状物14的下部处，照射靶16被布置在虚拟靶18的上方。如图3所示，上段44中的照射靶上方的空间可以保持为空白的。
在激活已完成之后，照射靶16和虚拟靶18利用由靶驱动系统20(参见图4)提供的诸如氮气或空气等加压气体而从仪表指状物14中被传送到排放管34中。在排放管34中维持了虚拟靶18和照射靶16的在仪表指状物14中的线性顺序，且因此照射靶16靠近排放管34的出口54。排放管34被磁性锁48阻挡住，该磁性锁48提供了针对靶16、18的停止件，从而防止照射靶16和虚拟靶18离开管道系统12。
然后，将驱动系统20的各阀关闭，并且解除仪表管道系统12中的压力。
为了将照射靶16与虚拟靶18分离并且为了从排放管34中选择性地移除照射靶16，将照射靶16和虚拟靶18暴露于通过激活布置在该排放管处的螺线管46而被建立起来的磁场。更优选地，螺线管46沿着排放管34的纵向轴线而被移动，并且被布置成与铁磁虚拟靶18相邻，以使得每个虚拟靶18与螺线管46的磁场相关联且暴露在螺线管46的磁场中。
然后，打开磁性锁48，非磁性照射靶16在重力作用下从排放管34中释放且进入存储容器36中，以供进一步处理和运输到应用站点，而磁性虚拟靶18通过由螺线管46产生的磁场的作用而保持在排放管34中。
当靶16、18被驱动以使它们从仪表指状物14中离开时，布置在排放管34处的螺线管46也可以被用来减慢靶16、18的速度，以防止各靶损坏。替代地，可以在不激活磁性锁48的情况下仅使用螺线管46来使排放管中的靶16、18停止。
在照射靶16从虚拟靶18中分离并且被收集到存储容器36中之后，将出口连接到中间存储箱56，关闭磁场，虚拟靶18在重力作用下转移到中间存储箱56，以供在短的衰变时期之后再被使用。
替代地，可以利用来自靶驱动系统20的加压气体来驱动一部分或全部的虚拟靶18使它们回到仪表指状物14中，并且新的照射靶16被插入仪表管道系统中。
根据另一个实施例，仪表指状物14中的照射靶16可被一个或多个虚拟靶18分开，从而限定照射靶分段。照射靶分段中的照射靶16可以具有相同的或不同的材料性质。
在本实施例中，已激活的照射靶16和虚拟靶18也从仪表指状物14中被驱动到排放管34中，且维持虚拟靶18和照射靶16的线形顺序。排放管34被磁性锁48阻挡以防止照射靶和虚拟靶离开管道系统12。
如果一个或多个铁磁性虚拟靶18现在位于照射靶16之前且靠近出口54，则螺线管46被布置成与这些虚拟靶18相邻。来自靶驱动系统20的加压气体被用来驱动非磁性照射靶16以使其回到仪表指状物14中或仪表管道系统12的保持部中，但是磁性虚拟靶18利用激活的磁场而被保留在排放管34中。然后关闭磁场，打开磁性锁48，虚拟靶18在重力作用下从排放管34释放并转移到与出口54连接的中间存储箱56中。
在下一步骤中，关闭磁性锁48，并且利用来自靶驱动系统20的加压气体来驱动照射靶16和剩余的虚拟靶18使它们从仪表指状物14或保持部中出去。已激活的照射靶16现在位于磁性锁48和排放管出口54附近，并且可以如上所述那样与虚拟靶18分离。
如果必要，可以重复分离步骤，直到所有的照射靶都从管道系统中被选择性地收集到各自相应的存储容器36、36'中。
反之，如果虚拟靶18是非磁性的并且照射靶16是铁磁性的，本发明的方法也将适用。
根据本发明的放射性核素生成系统也可以被安装在不具有常规小球测量系统的核电厂中。
如上所述的小球测量系统仅提供了有利于安装放射性核素生成系统的基础，因为不需要仅仅为MAS安装额外的仪表管道、指状物等。用于这种应用的可能的反应堆类型包括沸水反应堆和CANDU(CANada氘铀)反应堆。

Claims (28)

1.一种从核反应堆内的照射靶产生放射性核素的方法，其包括以下步骤：
提供至少一个仪表管道系统(12)，所述仪表管道系统包括穿过核反应堆芯体(10)的仪表指状物(14)；
将至少一个照射靶(16)和至少一个虚拟靶(18)插入到所述仪表指状物(14)中，并且通过将所述照射靶(16)暴露于所述核反应堆芯体(10)内的中子束来激活所述照射靶(16)以形成放射性核素；以及
从所述仪表指状物(14)中取回所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)，并且将所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)分离，
其中，所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)以线性顺序被布置在所述仪表指状物(14)中，且所述虚拟靶(18)将所述照射靶(16)保持在所述核反应堆芯体(10)内的预定轴向位置处，所述预定轴向位置对应于预先计算出来的足以将所述照射靶(16)转变为所述放射性核素的中子束密度，
其中，所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)具有不同的磁性能，并且
其中，将所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)分离的步骤包括：将所述虚拟靶(18)和/或已激活的所述照射靶(16)暴露于磁场，以使所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)中的一者保留在所述仪表管道系统(12)中，且使所述虚拟靶(18)和已激活的所述照射靶(16)中的另一者从所述仪表管道系统(12)中释放。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
所述仪表指状物(14)具有中央段(40)和末端段(38)，并且
所述照射靶(16)位于所述中央段(40)中，且所述虚拟靶(18)位于所述末端段(38)中。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述仪表指状物(14)的所述末端段(38)位于所述核反应堆芯体(10)的底部中。
4.如权利要求3所述的方法，其中，
所述仪表指状物具有上段(44)，所述上段(44)位于所述照射靶(16)上方，并且
所述上段(44)是空白的。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述仪表指状物(14)中的一个或多个所述照射靶(16)通过一个或多个所述虚拟靶(18)而彼此分离，由此限定了照射靶分段。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述照射靶分段中的所述照射靶(16)由不同的母材制成。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述虚拟靶(18)是铁磁性的，且所述照射靶(16)是非磁性的或顺磁性的。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)借助于加压气体而被插入到所述仪表管道系统(12)中和从所述仪表管道系统(12)中被取回。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述仪表管道系统(12)包括排放管(34)，并且所述磁场是通过激活布置在所述排放管(34)处的至少一个磁体(24)而被产生的。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述虚拟靶(18)和/或所述照射靶(16)借助于磁性锁(48)而被保留在所述仪表管道系统(12)中。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中，激活所述照射靶(16)的步骤包括：考虑到包括当前中子束、燃料燃耗、核反应堆功率和/或负载在内的所述核反应堆的实际状态，计算照射时间和轴向照射位置。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中，利用包括下列中的至少一者的信息来确定所述核反应堆的实际状态：来自芯体外检测器或芯体内检测器的中子束、来自现有的小球测量系统的激活值、燃耗、核反应堆功率、负载、棒位置、流量、入口温度、压力、和时间同步。
13.如权利要求9所述的方法，其中，取回所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)的步骤包括：利用加压气体且在维持着所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)的线形顺序的情况下，将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)从所述仪表指状物(14)中转移到所述排放管(34)中。
14.如权利要求10所述的方法，其中，将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)分离的步骤包括：通过将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)暴露于磁场、通过打开所述磁性锁(48)、并且通过利用所述磁场的作用在使所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)中的一者保持在所述排放管(34)中的同时使所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)中的另一者从所述排放管(34)中释放，来选择性地将所述照射靶(16)从所述仪表管道系统(12)中移除。
15.如权利要求9所述的方法，其中，将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)分离的步骤包括：借助于所述磁场，在使所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)中的一者保留在所述排放管中的同时，驱动所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)中的另一者使其回到所述仪表指状物(14)中或所述仪表管道系统(12)的保持部中。
16.一种放射性核素生成系统，其包括：
核反应堆的仪表管道系统(12)，所述仪表管道系统包括至少一个穿过核反应堆芯体(10)的仪表指状物(14)，所述仪表管道系统(12)被配置成允许照射靶(16)和虚拟靶(18)插入所述仪表指状物(14)中和从所述仪表指状物(14)中移除，并且所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)具有不同的磁性能；
靶驱动系统(20)，它被配置成将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)以预定的线性顺序插入所述仪表指状物(14)中和将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)从所述仪表指状物(14)中移除；
芯体监控系统(28)和仪表及控制单元(26)，它们二者互相连接且被配置成基于由所述芯体监控系统(28)提供的所述核反应堆的实际状态来计算所述照射靶(16)的最佳轴向照射位置和照射时间；以及
靶移除系统(22)，它被配置成将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)从所述仪表管道系统(12)中取回且将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)分离，所述靶移除系统(22)包括用于将所述虚拟靶(18)和/或所述照射靶(16)暴露于磁场的装置(24)，由此使所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)中的一者保留在所述仪表管道系统(12)中且使所述虚拟靶(18)和所述照射靶(16)中的另一者从所述仪表管道系统(12)中释放。
17.如权利要求16所述的放射性核素生成系统，其中，所述仪表管道系统(12)源自于压水反应堆的小球测量系统。
18.如权利要求16所述的放射性核素生成系统，其中，所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)具有圆形形状。
19.如权利要求16所述的放射性核素生成系统，其中，所述靶驱动系统(20)是以气动的方式而被操作的。
20.如权利要求16所述的放射性核素生成系统，其中，所述靶驱动系统(20)包括用于单独地控制所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)在所述仪表管道系统(12)中的输送的阀电池。
21.如权利要求16所述的放射性核素生成系统，其中，用于将所述虚拟靶(18)和/或所述照射靶(16)暴露于磁场的所述装置(24)包括布置在所述仪表管道系统(12)处的一个或多个磁体。
22.如权利要求21所述的放射性核素生成系统，其中，所述一个或多个磁体选自永磁体和螺线管。
23.如权利要求16所述的放射性核素生成系统，其中，所述仪表管道系统(12)包括与所述仪表指状物(14)连接的排放管(34)，所述排放管被配置成接收从所述仪表指状物(14)中移除的所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)。
24.如权利要求23所述的放射性核素生成系统，其中，用于将所述虚拟靶(18)和/或所述照射靶(16)暴露于磁场的所述装置(24)被布置在所述排放管(34)处。
25.如权利要求24所述的放射性核素生成系统，其中，所述排放管(34)设置有磁性锁(48)，所述磁性锁用于阻挡所述照射靶(16)和/或所述虚拟靶(18)从所述排放管(34)中流出。
26.如权利要求25所述的放射性核素生成系统，其中，所述磁性锁(48)包括用于将所述照射靶(16)和所述虚拟靶(18)保留在所述排放管(34)中的保持器装置(50)。
27.如权利要求25所述的放射性核素生成系统，其中，用于将所述虚拟靶和/或所述照射靶暴露于磁场的所述装置(24)和/或所述磁性锁(48)由所述仪表及控制单元(26)远程地控制。
28.如权利要求16至27中任一项所述的放射性核素生成系统，其适合于执行如权利要求1或2所述的方法。
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