CN115064295B - 一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统和方法，包括生产通道，包括连接在一起的直管段、弯管段和斜管段，直管段底端靠近重水堆排管容器内侧底部，直管段顶端伸出至排管容器上部空间并与弯管段的首端连接，弯管段的末端与斜管段的首端连接，斜管段的末端设有牵引机构；小车，位于生产通道内部用于承载靶盒，一端连接配重块，另一端通过牵引绳连接牵引机构；自动运输设备，位于排管容器上方空间，用于运输靶盒。从重水堆反应平台上预留的孔道，将靶盒以自重的方式送入堆芯区域内，利用重水堆内的辐照将靶盒内的材料转换为放射性同位素。

Description

一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统和方法

技术领域

本发明涉及同位素生产技术领域，具体为一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统和方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

放射性同位素应用在多个领域，可以通过将靶盒输送至重水堆内，利用重水堆辐射靶盒进行同位素生产，而此种生产方法中靶盒处于高放射性的重水堆中，人员无法手动操作。专利CN107710333A介绍了一种通过气压控制实现球形靶盒进出重水堆的系统。在反应堆内的通道采用套管式的封闭结构，以满足控制气体进出的需求。靶盒进出重水堆时速度难以控制，容易出现多个靶盒之间相互撞击后破裂、靶盒在生产通道内卡住、靶盒快速运动对堆芯的正常运行造成扰动等系列事故，不利于同位素的安全生产。专利CN112789689A介绍了一种通过绞盘运送靶盒进行辐照生产的系统，靶盒在反应堆内通过绞盘运输，在反应堆上方通过气动或者液压的方式传送。绞盘布置在贯穿孔洞的正上方，受辐照的剂量大；靶输送组件直接同反应堆流体流通，冷却剂的泄漏风险大。靶盒在后端通过气动或者液压的方式传送，其传动装置结构设计复杂、传送通道的密封性能要求高。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统和方法，可以实现⁹⁹Mo、¹⁷⁷Lu、⁸⁹Sr、¹³¹I等同位素的生产。该系统将封闭的生产通道从重水堆排管容器上方的贯穿孔洞插入至堆芯区域，隔绝排管容器中的重水后，靶盒在自重或者配重块的作用下沿生产通道进入堆芯区域，利用堆芯区域内的中子辐照将靶盒内的材料转换为放射性同位素，再利用牵引绳将靶盒沿生产通道移出重水堆外，最后靶盒利用自身重力离开生产通道进入自动运输通道。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，包括：

生产通道，包括连接在一起的直管段、弯管段和斜管段，直管段底端靠近重水堆排管容器内侧底部，直管段顶端伸出至排管容器上部空间并与弯管段的首端连接，弯管段的末端与斜管段的首端连接，斜管段的末端设有牵引机构；

小车，位于生产通道内部用于承载靶盒，一端连接配重块，另一端通过牵引绳连接牵引机构；

自动运输单元，位于排管容器上方空间，用于在反应堆堆顶区域运输靶盒。

还具有屏蔽塞和屏蔽组件，屏蔽塞朝向反应性控制平台的下方区域，位于排管容器贯穿孔和生产通道之间，屏蔽组件朝向反应性控制平台的上方区域，封闭包裹部分直管段和弯管段。

直管段通过排管容器顶部的贯穿孔插入至堆芯区域内。直管段外侧同轴布置保护套管，保护套管底端通过定位顶针连接在排管容器底部，中部径向支撑在排管容器顶部。保护套管在管壁上设有流水孔。

自动运输单元包括自动运输通道、自动牵引设备和料盒。料盒和自动牵引设备位于自动运输通道内部。料盒上方设有接收靶盒的开口，底部设有卸出靶盒的开合闸门，料盒内部设置斜坡，斜坡底部空间用于储存靶盒，料盒上部设有人工牵引的接口。

弯管段或斜管道上均设有充排气口、密封阀、装料口和卸料口，装料口为接收靶盒的开口，充排气口经控制阀连接充排气单元。

充排气单元连通生产通道和自动运输通道，对封闭空间内进行气体和压力控制。卸料口设有导向通道，导向通道的出口朝向自动运输通道。

小车顶部设有用于靶盒装料的第一开口，底部设有用于靶盒卸料的第二开口，相邻小车之间通过铰链首尾相连。

靶盒采用金属包壳密封，内部填充用于放射性同位素生产的填充料。

本发明的第二个方面提供一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的方法，包括以下步骤：

靶盒装入自动运输通道；

自动牵引设备将靶盒通过自动运输通道送至生产通道的装料口，同时，充排气单元将惰性气体注入生产通道内并维持正压；

靶盒经生产通道的装料口进入小车，承载靶盒的小车在配重块和自身重力的牵引下送入反应堆内辐照；

完成辐照生产后牵引机构带动小车和靶盒送至生产通道的卸料口；

靶盒经生产通道的卸料口落入料盒，装载靶盒的料盒在自动运输通道内被运输至屏蔽运输容器处，将靶盒装入屏蔽运输容器运至指定区域。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、小车携带靶盒依靠配重块和自身重力，沿生产通道进入重水堆的堆芯区域内，靶盒内的材料接受堆芯区域辐照完成同位素生产后，通过牵引机构带动的牵引绳使小车和靶盒沿生产通道离开堆芯区域，机械传动结构简单，系统设计可靠性高。

2、小车内部承载靶盒，通过铰链结构首尾相连，避免出现靶盒相互撞击后破损的事故。

3、小车配合牵引机构的动作，牵引绳能够约束靶盒和小车在生产通道内的运动速度，对堆芯正常运行造成的扰动小。

4、生产通道为单管结构，靶盒及小车更靠近反应堆中的重水冷却剂，热阻小，散热条件好。

5、牵引机构布置在屏蔽组件外部、生产通道斜管道的末端，避免了直接布置在排管容器贯穿孔洞的正上方，大大降低了机电设备所受的辐照剂量。

6、生产通道提供了同位素生产的封闭空间，并且采用惰性气体保护，提升了同位素生产的安全性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一提供的利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统整体结构示意图；

图2(a)是本发明实施例一提供的装置中小车的结构示意图；

图2(b)是本发明实施例一提供的装置中靶盒的结构示意图；

图2(c)是本发明实施例一提供的装置生产通道的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的装置生产通道在堆顶区域的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的装置生产通道在排管容器底部的结构示意图；

图中：1－牵引机构；2－生产通道；3－装料口；4－卸料口；5－密封阀；6－充排气口；7－小车；8－靶盒；9－反应性控制平台；10－屏蔽塞；11－屏蔽组件；12－排管容器；13－保护套管；14－搬运机构；15－料盒；16－自动运输通道；17－定位顶针。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

重水堆，重水堆是核电站的热源，是以重水作慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。

正如背景技术中所描述的，目前利用重水堆辐射靶盒进行同位素生产，而此种生产方法中靶盒处于高放射性的重水堆中，人员无法手动操作。依靠气动或者液压的方式实现靶盒进出重水堆的装置，其传动装置结构设计复杂、传送通道密封性能要求高、控制难度高。靶盒依靠气压或液压驱动时，其进出重水堆时速度不可控，容易出现靶盒相互撞击后破裂、靶盒在生产通道内卡住、对堆芯的正常运行造成扰动等系列事故，不利于同位素的安全生产。同时，由于传送通道需要实现气/液的进出，通道通常设计成套管结构，不利于靶盒在辐照过程中的充分散热，增加了维修难度。

因此以下实施例给出一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统和方法，可以实现⁹⁹Mo、¹⁷⁷Lu、⁸⁹Sr、¹³¹I等同位素的生产。该系统将封闭的生产通道从重水堆排管容器上方的贯穿孔洞插入至堆芯区域，隔绝排管容器中的重水后，靶盒在自重或者配重块的作用下沿生产通道进入堆芯区域，利用堆芯区域内的中子辐照将靶盒内的材料转换为放射性同位素，再利用牵引绳将靶盒沿生产通道移出重水堆外，最后靶盒利用自身重力离开生产通道进入自动运输通道。

实施例一：

本实施例以CANDU重水反应堆(坎杜型重水反应堆)为例说明。

如图1-4所示，一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，包括：

生产通道2，包括连接在一起的直管段、弯管段和斜管段，直管段底端靠近重水堆的排管容器12内侧底部，直管段顶端伸出至排管容器12上部空间并与弯管段的首端连接，弯管段的末端和斜管段的首端连接，斜管段的末端设有牵引机构1；

小车7，位于生产通道2内部用于承载靶盒8，一端连接配重块，另一端通过牵引绳连接牵引机构1；

自动运输单元，位于排管容器12上方空间，用于在反应堆堆顶区域运输靶盒8，一端连接生产通道2，另一端连接屏蔽运输容器，包括自动运输通道16、自动牵引设备和料盒15。

屏蔽运输容器，用于转运和屏蔽储存放射性靶盒8。

充排气单元，连通生产通道2和自动运输通道16，对封闭空间内进行气体和压力控制。

控制单元，用于控制牵引机构1、自动运输单元、充排气单元，以及其他的电控阀门。

系统设有屏蔽塞10，屏蔽塞10朝向反应性控制平台9的下方区域，位于排管容器12贯穿孔洞和生产通道2之间，屏蔽组件11朝向反应性控制平台9的上方区域，封闭包裹部分直管段和弯管段。

直管段通过排管容器上方的贯穿孔洞插入至堆芯区域，壳体封闭设计，作为排管容器压力边界的一部分。

直管段外侧同轴布置保护套管13，保护套管13底端通过定位顶针连接在排管容器12底部，中部径向支撑在排管容器12顶部。

保护套管13在管壁上设有流水孔，反应堆内的重水能通过流水孔进入其内部，从而带走辐照过程中产生的热量。

排管容器13上方空间设有反应性控制平台9，直管段顶端和弯管段首端的连接点位于反应性控制平台9外部。

运输通道16采用封闭式结构，设有充排气口经控制阀连接充排气单元，内部设置有料盒15和自动牵引设备。

料盒15，上方设有靶盒接收的开口，底部设有靶盒8卸出的开合闸门。料盒15内部设置斜坡，斜坡底部空间用于储存靶盒8。料盒15上部设有人工牵引的接口，当自动牵引设备失效时可以实现人工转运。

屏蔽运输容器顶盖能自动打开或者闭合，接收所述料盒中的靶盒8。

控制单元包含辐照剂量测量、位置测量、计数测量等自动检测装置，连锁控制牵引机构1、自动运输单元、充排气单元，以及其他的电控阀门。

本实施例中，直管段是垂直布置且一部分位于排管容器内部，弯管段和斜管段则处于排管容器外部用于装料、卸料以及充排气等生产环节，弯管段介于直管段和斜管段之间，使直管段和斜管段呈圆滑过渡，有利于小车的运行。

弯管段或斜管道上设有充排气口6、密封阀5、装料口3和卸料口4。装料口3为接收靶盒的开口，卸料口4为卸出靶盒的开口，充排气口6经控制阀连接充排气单元。

卸料口4设有导向通道，导向通道的出口朝向自动运输通道。

小车7顶部设有用于靶盒8装料的第一开口，底部设有用于靶盒8卸料的第二开口，小车7间通过类似铰链的结构首尾相连，相互之间可以自由转动，从而可以顺利通过生产通道2的弯管段。

靶盒8采用金属包壳密封，内部填充用于放射性同位素生产的填充料。

通过自动运输通道16将携带装有生产材料的靶盒8运输至生产通道2的斜管段，搬运机构14将靶盒3由自动运输通道16搬运至装料口3处，落入小车7的顶部开口内装载靶盒8。

装载靶盒8的小车7通过自重和配重块的作用，通过重力沿着生产通道2的轴线运动至直管段底部区域，直管段的下方区域处于排管容器12内部，接收重水堆堆芯区的辐照生产同位素，直管段处于排管容器12内部的区域被保护套管13保护；期间，排管容器12内部的重水慢化剂经保护套管13上的孔，流入到直管段外侧和保护套管13内侧之间的空间中，用于靶盒8的散热。

辐照完毕后，牵引机构1动作通过牵引绳拉动小车7，使小车沿生产通道2的轴线方向，朝向离开排管容器12的方向运动，运动至卸料口4位置时，靶盒8从小车7底部的开口掉落至与卸料口4连接的导向通道内，导向通道的出口朝向料盒15，使靶盒8经导向通道掉落至料盒15内。

料盒15预先放置在自动运输通道16上，由自动运输通道16运出生产区后，靶盒8通过料盒15底部开口掉入屏蔽容器中。自动关盖机构完成屏蔽容器的关盖动作。

同位素生产过程中，充排气单元将惰性气体注入生产通道2内，正压控制，从而避免环境空气进入生产通道内进行不必要的辐照。辐照后靶盒8在自动运输通道16内运输的过程中，充排气单元抽取自动运输通道16内的空气，负压控制，从而避免放射性气凝胶扩散至环境中。

生产通道2的数量不受限制，例如附图中，以两组生产通道2为例，相应的所匹配的牵引机构1也对应为两组。

生产通道2的斜管段相对于直管段的角度不小于90°，避免弯管段弯曲后的曲率过小导致小车难以利用自重运动。相应的，配重块位于小车7靠近堆芯区域的一端，有利于小车利用重力向堆芯区域运动。

牵引机构1的具体结构不做限制，可以为电机驱动的卷盘，卷盘上缠绕牵引绳。小车由排管容器内部离开时，电机正转带动卷盘转动收起牵引绳是其拉动小车从而提供动力；当小车通过自重向排管容器内部运动时，电机断电放出牵引绳，或电机反转带动卷盘反转放出牵引绳。牵引绳的存在能够确保小车朝向堆芯区域运动时的速度可控，约束靶盒和小车运动的速度，避免出现多个靶盒相互撞击的事故，对堆芯正常运行造成的影响小。

自动运输通道16不限制具体的结构，可以为传动带、传送链等任意能够实现靶盒8运输的设备。

搬运机构14不限制具体的结构，可以为机械臂、机械手或自动夹爪等任意设备，能够将靶盒8搬运至装料口3的设备即可。

例如，可以在自动运输通道16上预先放置料盒15，靶盒8放在料盒15内，料盒15上盖保持开启状态，搬运机构14将靶盒8取出搬运至装料口3，辐照完毕后，靶盒8在导向通道作用下落入料盒15内。

自动关盖机构不限制具体的结构，可以为电动或液压带动的推杆，推杆推动屏蔽容器顶盖实现关盖。

图1展示了装置在堆顶上的主要结构部件。自动运输通道16用于靶盒8的运输。搬运机构14用于将靶盒8从自动运输通道上16送至生产通道2的装料口3。生产通道2从重水堆反应性控制平台9上的孔道中插入堆芯区域。料盒15采用迷宫式的屏蔽结构(迷宫结构为已有结构，指料盒15的上部和盒体边缘之间具有许多曲折的小室使辐射剂量逐步减小至能够接受的范围，从而形成密封)；可以接收辐照后的靶盒8，由自动运输通道16运出生产区后，靶盒8通过料盒15底部开口掉入屏蔽容器中，自动关盖机构完成屏蔽容器的关盖动作，屏蔽容器可用于厂内运输。

图2展示了生产通道在堆顶区域的结构。小车7采用锆质材料，本实施例为上下开口结构，允许靶盒8掉入和卸出。小车的配重块采用锆质材料，为实心结构。装置可选择采用若干个靶盒8、小车7和配重块的组合，多个小车7采用销轴连接或铰链连接，相邻小车7之间自由转动。小车7一端连接配重块，另一端通过金属绳同牵引机构1连接。靶盒8向堆芯区域运动进行放射性同位素辐照生产时依靠配重块和小车自身的重力作为动力，靶盒8向堆顶区域运动时依靠牵引机构1作为动力。

生产通道2在反应堆内的部分是锆质材料，用于小车7和靶盒8的运送通道，作为排管容器12内重水的压力边界。生产通道2可以是一个或者多个运送通道，在反应堆内为直管，而在反应性控制平台9上方有一段弯管结构和斜管结构。屏蔽塞10和屏蔽组件11用于孔道的辐射屏蔽。

图3展示了生产通道2在堆顶区域的结构。生产通道2的斜管段上设有装料口3、卸料口4和充排气口6。靶盒8内的材料在进行同位素生产时通过充排气口6充装惰性气体，控制生产通道2内的环境压力为微正压。密封阀5用于密封生产通道2中的惰性气体。

图4展示了生产通道2在排管容器12底部的结构。保护套管13在反应堆内的部分是锆质材料，用于支撑生产通道2。保护套管13在反应堆内设置很多流水孔，重水慢化剂能流入保护套管13中，可以带走靶盒8在辐照生产中产生的热量。定位顶针17，用于保护套管13安装时的导向、定位与径向支撑。

实施例二：

本实施例给出利用实施例一的系统实现放射性同位素生产的方法，步骤如下：

a、人员在远端装填靶盒8；

b、通过自动运输通道16将靶盒8运送至反应性控制平台9区域；

c、搬运机构14将靶盒8从的自动运输通道16上运送至生产通道2的装料口3；

d、靶盒8装入小车7；

e、靶盒8靠自重和配重块从反应性控制平台9区域运送至反应堆内开始同位素的生产；

f、完成辐照生产后的靶盒8，由牵引机构1从反应堆内运送至生产通道2的卸料口4；

g、靶盒8靠自重从生产通道2的卸料口4掉入到的料盒15中；

h、通过自动运输通道16将料盒15运送至屏蔽容器上方；

i、靶盒8掉入屏蔽运输容器中；

j、自动关盖机构实现屏蔽容器关盖动作。

上述装置能实现靶盒运输、上料、放射性同位素生产、卸料、回收等全自动化操作，极大的降低了操作人员受辐照的可能性。

小车携带靶盒依靠配重块和自身重力，沿生产通道进入重水堆的堆芯区域内，靶盒内的材料接受堆芯区域辐照完成同位素生产后，通过牵引机构带动的牵引绳使小车和靶盒沿生产通道离开堆芯区域，机械传动结构简单，系统设计可靠性高。

小车内部承载靶盒，通过铰链结构首尾相连，避免出现靶盒相互撞击后破损的事故。

配合牵引机构的动作，牵引绳能够约束靶盒和小车在生产通道内的运动速度，对堆芯正常运行造成的扰动小。

生产通道为单管结构，靶盒及小车更靠近反应堆中的重水冷却剂，热阻小，散热条件好。

牵引机构布置在屏蔽组件外部、生产通道斜管道的后方，避免了直接布置在排管容器贯穿孔洞的正上方，大大降低了机电设备所受的辐照剂量。

生产通道提供了同位素生产的封闭空间，并且采用惰性气体保护，提升了同位素生产的安全性。

辐照后的靶盒在自动运输通道中进行的转运时，采用负压控制，避免放射性气凝胶扩散至环境中。

料盒采用迷宫式的屏蔽结构，有效降低辐射剂量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：

生产通道，包括连接在一起的直管段、弯管段和斜管段，直管段底端靠近重水堆排管容器内侧底部，直管段顶端伸出至排管容器上部空间并与弯管段的首端连接，弯管段的末端与斜管段的首端连接，斜管段的末端设有牵引机构；

小车，位于生产通道内部用于承载靶盒，一端连接配重块，另一端通过牵引绳连接牵引机构；

自动运输单元，位于排管容器上方空间，用于在反应堆堆顶区域运输靶盒。

2.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：还具有屏蔽塞和屏蔽组件，屏蔽塞朝向反应性控制平台的下方区域，位于排管容器贯穿孔和生产通道之间；屏蔽组件朝向反应性控制平台的上方区域，封闭包裹部分直管段和弯管段。

3.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述直管段通过排管容器顶部的贯穿孔插入至堆芯区域内。

4.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述直管段外侧同轴布置保护套管，保护套管底端通过定位顶针连接在排管容器底部，中部径向支撑在排管容器顶部。

5.如权利要求4所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述保护套管在管壁上设有流水孔。

6.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述自动运输单元包括自动运输通道、自动牵引设备和料盒。

7.如权利要求6所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述料盒和自动牵引设备位于自动运输通道内部。

8.如权利要求6所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述料盒上方设有接收靶盒的开口，底部设有卸出靶盒的开合闸门，料盒内部设置斜坡，斜坡底部空间用于储存靶盒，料盒上部设有人工牵引的接口。

9.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述弯管段或斜管道上均设有充排气口、密封阀、装料口和卸料口，装料口为接收靶盒的开口，充排气口经控制阀连接充排气单元。

10.如权利要求9所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述充排气单元连通生产通道和自动运输通道，对封闭空间内进行气体和压力控制。

11.如权利要求9所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述卸料口设有导向通道，导向通道的出口朝向自动运输通道。

12.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述小车顶部设有用于靶盒装料的第一开口，底部设有用于靶盒卸料的第二开口，相邻小车之间通过铰链首尾相连。

13.如权利要求1所述的一种利用重水堆核电站生产放射性同位素的系统，其特征在于：所述靶盒采用金属包壳密封，内部填充用于放射性同位素生产的填充料。

14.基于权利要求1-13任一项所述系统实现放射性同位素生产的方法，其特征在于，包括以下步骤：

靶盒装入自动运输通道；

自动牵引设备将靶盒通过自动运输通道送至生产通道的装料口，同时，充排气单元将惰性气体注入生产通道内并维持正压；

靶盒经生产通道的装料口进入小车，承载靶盒的小车在配重块和自身重力的牵引下送入反应堆内辐照；

完成辐照生产后牵引机构带动小车和靶盒送至生产通道的卸料口；

靶盒经生产通道的卸料口落入料盒，装载靶盒的料盒在自动运输通道内被运输至屏蔽运输容器处，将靶盒装入屏蔽运输容器运至指定区域。