CN114613525B - 一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于公开一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体，包括若干组钴棒束部件，所述钴棒束部件包括一贯穿全长的锆合金中心棒和钴元件；与现有技术相比，有效提升最终封装源内单位体积钴源容量，大幅度降低比活度需求近30％，只需要比活度达到220Ci/g即可满足医用伽马刀设备需求，使依托重水堆在一个大修周期(24‑26个月)内生产满足医用需求的高比活度钴源具备可行性,大幅度提升钴源生产效率，降低钴源生产成本；采用小尺寸钴芯体镀镍技术，对辐照后的芯体进行有效保护，防止放射性钴源对热室设施造成沾污，降低放射性钴源对后续操作环节的放射性污染，实现本发明的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种钴调节棒芯体，特别涉及一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体。
背景技术
自上世纪90年代末，国产伽玛刀设备正式用于临床以来，至今累计总装机量约340台。伽玛刀设备的钴放射源使用寿命一般要求1个半衰期，即5-6年需要换新源。国际上钴放射源产量有限，供应形势比较紧张，导致原料不足，有相当部分的设备的放射源未能得到及时更换，有的甚至超过2个半衰期，不得不处于停用状态；许多新装的伽玛刀因缺源而迟迟不能投入使用。
目前，加拿大有8座重水反应堆生产钴-60放射源，提供了全世界80-90％的钴源；此外，阿根廷于80年代初建成投产的1座重水核反应堆机组也一直在生产钴-60放射源。但是，2014年加拿大官方宣布反应堆退役不再生产，阿根廷的重水堆自2015年起全面大修，恢复运行后是否继续生产医用钴-60放射源尚不能确定。总体来看，全球医用钴-60放射源供应形势非常紧迫。
重水慢化核反应堆堆芯燃料通道间距较大，堆芯尺寸较大。为了展平堆芯中子通量分布和功率分布，在堆芯设置了调节棒组件，长期插入堆芯吸收中子。它的中子吸收属于中子损耗，如能将反应堆内的调节棒组件替换成同位素靶件材料，长期在堆内接受中子照射，就可以大量生产目标同位素。该过程所吸收的中子属于对损耗中子的重新利用，不会对堆芯经济性造成影响。
现有技术中，公开了一种采用钴-59芯体的调节棒组件设计方案，可以实现在重水反应堆中开展反应性调节同时生产钴-60放射源的目的。但芯体体积大，比活度较低(约120-170Ci/g)，难以满足医用需求。目前主流的高比活度钴-60放射源工业化生产技术为加拿大AECL公司独占，使用了统一规格的1mm直径钴粒。由于小钴粒装配时的间隙效应，为满足医疗设备源强的需求，必须要求钴粒比活度高达300至320Ci/g，大大延长了钴芯块堆内辐照生产时间和生产成本，难以在重水核反应堆单个大修周期(24个月-26个月)内完成单批次生产，将极大的增加生产成本。
因此，特别需要一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体，以解决上述现有存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体，针对现有技术的不足，实现单个大修周期生产满足医用放射源强度需求的高比活度钴-60放射源的生产。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体，是重水堆钴调节棒组件的一部分，钴调节棒组件由一贯穿全长的锆合金中心棒和若干钴棒束组成，所述若干钴棒束部件的下端设置有下端定位凸板、间隔管和锁紧螺母，所述若干钴棒束部件的上端设置有上端定位凹板、压缩弹簧、连接头、钢丝绳连接螺母和钢丝绳；锁紧螺母与锆合金中心棒相连接，压缩弹簧设置在连接头和上端定位凹板之间，钢丝绳与驱动机构相连接；所述钴棒束部件由若干钴元件或锆棒组成，所述钴元件为筒形密封结构，包括锆合金包壳管、密封在包壳管里的调节棒芯体、上端塞及下端塞，锆合金包壳管与上端塞及下端塞之间分别通过焊接密封；所述调节棒芯体为圆柱形，单个钴元件内布置的芯体直径为2.5-2.6mm、2.9-3.0mm以及3.6-3.8mm三种的组合，对应高度为3mm-5.5mm、8mm-11mm以及16mm的组合。
在本发明的一个实施例中，所述钴调节棒芯体采用多孔挤压工艺制备，密度不小于8.7g/cm3，晶粒尺寸不大于20μm。
在本发明的一个实施例中，所述钴调节棒芯体的表面进行镀镍，镀镍层的厚度为5-40μm。
在本发明的一个实施例中，容纳所述钴调节棒芯体的钴元件内填充有0.08-0.15MPa氦气。
在本发明的一个实施例中，容纳所述钴调节棒芯体的钴源件内包含呈3列布置的直径2.9-3.0mm的钴芯块，或包含一列布置的直径3.6-3.8mm的钴芯块和两列布置的直径2.5-2.6mm的钴芯块。
本发明的利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体，与现有技术相比，有效提升最终封装源内单位体积钴源容量，大幅度降低比活度需求近30％，只需要比活度达到220Ci/g即可满足医用伽马刀设备需求，使依托重水堆在一个大修周期(24-26个月)内生产满足医用需求的高比活度钴源具备可行性,大幅度提升钴源生产效率，降低钴源生产成本；采用小尺寸钴芯体镀镍技术，对辐照后的芯体进行有效保护，防止放射性钴源对热室设施造成沾污，降低放射性钴源对后续操作环节的放射性污染，实现本发明的目的。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明的利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体的结构示意图；
图2为图1的A-A剖面的结构示意图；
图3为本发明的钴棒束部件的结构示意图；
图4为图3的侧面的结构示意图；
图5为本发明的钴元件规格1的结构示意图；
图6为本发明的钴元件规格2的结构示意图；
图7为本发明的钴元件规格3的结构示意图；
图8为本发明的钴元件规格4的结构示意图；
图9为本发明的钴元件规格5的结构示意图；
图10为本发明的钴元件规格6的结构示意图；
图11为本发明的钴芯块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
重水堆钴调节棒组件是堆芯反应性控制的重要部件之一，21组钴调节棒组件分别由驱动机构平台上21台驱动机构驱动作插入或抽出堆芯的运动。21组钴调节棒组件分为A、B、C、D四种类型。
A、B、C三种类型钴调节棒组件为长棒组件，分别装有16束钴棒束部件，D型钴调节棒组件为短棒组件，装有6束钴棒束部件，医用钴调节棒组件与原D型钴调节棒组件相比除装载芯块不同外，其余结构均相同，同样含有6束钴棒束部件。
A、B、C、D(医用)四种类型钴调节棒组件除了装有不同的钴棒束部件外，其它结构组成是相同的。每组钴调节棒组件中心是1根贯穿全长的锆合金中心棒，其上装有钴棒束部件，下端装有定位凸板、间隔管和锁紧螺母，上端装有定位凹板、压缩弹簧、连接头、钢丝绳连接螺母和钢丝绳。锁紧螺母与锆合金中心棒相连接，并拧到合适的力矩。辐照后的钴调节棒组件在乏燃料水池中可用长柄工具将锁紧螺母拆卸(水平状态拆卸)，并拿出钴棒束部件。在连接头和定位凹板之间装有一根GH4169压缩弹簧，它能始终保证钴棒束之间紧密配合，防止钴棒束产生转动和补偿不同部件之间热膨胀差和辐照肿胀差。顶端的钢丝绳用于与驱动机构相连接，其长度应能满足调节棒组件运行行程和乏燃料水池中吊装操作的需要，此外钢丝绳与驱动机构的连接及与钴调节棒组件的连接还要容易拆装。医用钴调节棒组件结构参见图1和图2。
根据医用钴-60放射源的需求，不同类型医用钴调节棒组件的区别在于其中装载的钴芯块规格不同。每组医用钴调节棒组件均包含了不同的钴棒束部件，表1至表4为目前医用钴调节棒组件及各类钴棒束部件、钴元件、钴芯块的示例。钴元件内芯块装载长度均为176mm。
表1钴芯块规格表
| 钴芯块规格 | 直径 | 长度 |
| 1 | Φ2.9mm | 5.5mm |
| 2 | Φ2.9mm | 11mm |
| 3 | Φ3.6mm | 4mm |
| 4 | Φ3.6mm | 16mm |
| 5 | Φ2.5mm | 5.5mm |
| 6 | Φ2.5mm | 11mm |
| 7 | Φ2.5mm | 3mm |
| 8 | Φ2.5mm | 8mm |
表2钴元件规格表
表3医用钴调节棒组件(I型)装载方案
表4医用钴调节棒组件(I I型)装载方案
钴棒束部件：
钴棒束部件结构如图3所示，下端板为凹板，上端板为凸板，上、下端板与锆合金中心管焊接连接。所有钴棒束部件组装成钴调节棒组件时，相邻的两块端板应凹凸定位相配。上、下端板上开有6个内环孔以及3个或4个外环孔。内环孔供慢化剂通过，外环孔供组装钴元件和锆棒之用。钴元件应从上端板外环孔插入，然后在上端板对应T型槽内旋入挡环以防止钴元件掉出。
钴元件：
钴元件由密封在包壳管里的吸收体钴芯块、锆合金包壳管及上、下两个端塞组成。锆合金包壳管与上、下两个端塞采用焊接密封。钴芯块采用粉末冶金工艺制成。钴芯块表面均进行镀镍处理以防止氧化。钴元件内充(0.08-0.15)MPa氦气。医用钴调节棒组件中的钴元件结构见图5至图10所示，钴芯块结构如图11所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种利用重水堆生产高比活度钴放射源的钴调节棒芯体，是重水堆钴调节棒组件的一部分，钴调节棒组件由一贯穿全长的锆合金中心棒和若干钴棒束组成，所述若干钴棒束部件的下端设置有下端定位凸板、间隔管和锁紧螺母，所述若干钴棒束部件的上端设置有上端定位凹板、压缩弹簧、连接头、钢丝绳连接螺母和钢丝绳；锁紧螺母与锆合金中心棒相连接，压缩弹簧设置在连接头和上端定位凹板之间，钢丝绳与驱动机构相连接；所述钴棒束部件由若干钴元件或锆棒组成，所述钴元件为筒形密封结构，包括锆合金包壳管、密封在包壳管里的调节棒芯体、上端塞及下端塞，锆合金包壳管与上端塞及下端塞之间分别通过焊接密封；所述调节棒芯体为圆柱形，其特征在于，单个钴元件内布置的芯体直径为2.5-2.6mm、2.9-3.0mm以及3.6-3.8mm三种的组合，对应高度为3mm-5.5mm、8mm-11mm以及16mm的组合。
2.如权利要求1所述的钴调节棒芯体，其特征在于，所述钴调节棒芯体采用多孔挤压工艺制备，密度不小于8.7g/cm3，晶粒尺寸不大于20μm。
3.如权利要求1所述的钴调节棒芯体，其特征在于，所述钴调节棒芯体的表面进行镀镍，镀镍层的厚度为5-40μm。
4.如权利要求1所述的钴调节棒芯体，其特征在于，容纳所述钴调节棒芯体的钴元件内填充有0.08-0.15MPa氦气。
5.如权利要求1所述的钴调节棒芯体，其特征在于，容纳所述钴调节棒芯体的钴元件内包含呈3列布置的直径2.9-3.0mm的钴芯块，或包含一列布置的直径3.6-3.8mm的钴芯块和两列布置的直径2.5-2.6mm的钴芯块。
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