CN116031009A - 一种热中子阱及设置有该热中子阱的同位素生产反应堆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种热中子阱及设置有该热中子阱的同位素生产反应堆，该热中子阱结构设置在核反应堆的堆芯燃料阵列中，堆芯燃料阵列包括若干个燃料组件，将一个燃料组件自堆芯燃料阵列中抽出后形成一个中子辐照孔道，热中子阱结构适配安装在中子辐照孔道内；热中子阱结构包括设置在中子辐照孔道内壁上的热中子反射层，热中子反射层的内部形成慢化区，慢化区填充有慢化剂；设置在中子辐照孔道外围的燃料组件，以及设置在中子辐照孔道内的热中子反射层和慢化区共同形成热中子阱结构。本申请提供的热中子阱结构可用于医用同位素的生产，降低热中子逃逸损失，提高阱内热中子通量，提高医用同位素生产过程中反应堆内中子利用率。

Description

一种热中子阱及设置有该热中子阱的同位素生产反应堆

技术领域

本申请涉及医用同位素生产装置技术领域，尤其涉及一种热中子阱及设置有该热中子阱的同位素生产反应堆的堆芯布置方案。

背景技术

随着人们生活水平的显著提高，核医疗迅速普及，核医疗就诊次数逐年大幅递增，作为核医疗核心物质基础的医用同位素的供应面临着愈发紧张的局面。利用反应堆内的中子对靶件进行辐照，是目前生产医用同位素的主要手段。在八种主要医用同位素(在Mo-99、I-124、I-131、C-14、Lu-177、F-18、Sr-90、Sr-89)当中，有六种是直接通过反应堆生产，另有一种是间接通过反应堆生产。

目前，堆产同位素主要由世界上少数几个研究堆提供，它们的功率从几兆瓦到几十兆瓦不等。现有的功率等级和体积决定了当前堆型不适合就近患者和医疗中心部署，进而导致了同位素运输途中的衰变损失。此类研究堆主要服务于科研或其他生产任务，并没有在反应堆中子学上对医用同位素生产进行优化。而且一旦与主要任务冲突则可能导致同位素供应不稳定，致使患者不能得到及时诊疗。

现有反应堆内的靶件辐照，主要是通过在非燃料区域设置辐照孔道或在燃料区内用靶件替代部分燃料组件的方式进行，但是并没有对辐照孔道进行特殊设计。这样的方案对堆芯基础设计改动小，对多种辐照任务的兼容性强，但是对堆内中子的利用率并不是很高，因而并不是针对同位素生产的最佳方案。而国际上一些高通量堆型，虽然在堆芯中心区域形成了局部的超高中子通量，但其辐照体积有限，无法进行同位素的大批量生产。因此，针对医用同位素生产，亟需一种可提高堆内中子、尤其是热中子利用率的设计方案。

发明内容

本申请提供一种热中子阱及设置有该热中子阱的同位素生产反应堆，具体的说是一种同位素生产反应堆的堆芯布局方案，用以解决现有技术中医用同位素生产过程中反应堆内中子利用率低的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一方面，本申请提供一种热中子阱结构，设置在核反应堆的堆芯燃料阵列中，所述堆芯燃料阵列包括若干个燃料组件，将一个所述燃料组件自所述堆芯燃料阵列中抽出后形成一个中子辐照孔道，所述热中子阱结构适配安装在所述中子辐照孔道内；

所述热中子阱结构包括设置在中子辐照孔道内壁上的热中子反射层，所述热中子反射层为空心筒状，所述热中子反射层的内部形成慢化区，所述慢化区填充有慢化剂；设置在中子辐照孔道外围的燃料组件，以及设置在中子辐照孔道内的热中子反射层和慢化区共同形成所述热中子阱结构。

上述技术方案进一步的，所述热中子反射层具有较小的快中子反应截面，使得燃料裂变产生的快中子穿过所述热中子反射层进入所述慢化区。

进一步的，所述热中子反射层用以实现对热中子的反射，所述热中子反射层具有较大的热中子散射截面，得以将慢化区产生的热中子反射回热中子阱结构中。

进一步的，所述热中子反射层的材质包括金属铍。

进一步的，所述慢化剂包括重水。

进一步的，所述慢化剂包括轻水；当反应堆慢化剂为轻水时，热中子阱慢化区内设置有重水流道，所述重水流道用以将重水与周围的轻水慢化剂隔离。

进一步的，所述热中子阱结构的轴向高度与反应堆的燃料组件的高度相同。

进一步的，所述热中子阱结构中设置有辐照靶件，所述辐照靶件在热中子阱结构产生的高热中子通量的辐照下生成同位素；所述辐照靶件设置在慢化区中。

另一方面，基于上述提供的热中子阱结构，本申请还提供一种同位素生产反应堆，所述同位素生产反应堆包括堆芯及环绕在堆芯外围的堆芯反射层；所述堆芯包括中央燃料组件以及环绕在中央燃料组件外围的多个燃料组件和多个控制组件；将所述堆芯中的一个或多个燃料组件抽出形成一个或多个中子辐照孔道，所述中子辐照孔道中设置有热中子反射层和慢化区；多个所述热中子阱结构在所述堆芯中分散设置，所述热中子阱结构远离所述控制组件。

上述技术方案进一步的，多个所述控制组件分散设置，一个所述控制组件的周围设置有至少一圈燃料组件。

进一步的，若所述堆芯中设置一个所述热中子阱结构，则所述中央燃料组件被抽出后形成中子辐照孔道。

进一步的，若所述堆芯中设置多个所述热中子阱结构，则自多个燃料组件中抽出与热中子阱结构的数量相对应的燃料组件，形成与多个热中子阱结构一一对应的中子辐照孔道，多个中子辐照孔道分散设置。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

1、本申请提供一种热中子阱结构，该热中子阱结构设置在核反应堆的堆芯燃料阵列中，将堆芯燃料阵列中的一个燃料组件自堆芯燃料阵列中抽出后形成一个用以安装热中子阱结构的中子辐照孔道，热中子阱结构包括设置在中子辐照孔道内壁上的热中子反射层，热中子反射层为空心筒状，热中子反射层的内部形成慢化区，慢化区填充有慢化剂。本申请提供的热中子阱结构可用于医用同位素的生产，热中子反射层能够被燃料裂变产生的快中子顺利穿过并进入慢化区，快中子在穿过热中子反射层时即使反射材料发生反应也不会损失太多能量被慢化，同时热中子反射层可以将慢化区(阱内)产生的热中子尽可能多地反射回阱内，降低热中子逃逸损失，提高阱内热中子通量，提高医用同位素生产过程中反应堆内中子利用率。

2、本申请提供的在同位素生产堆中实现的热中子阱结构，可以有效提高阱内热中子通量，提高靶件中目标同位素的浓度，提高同位素产量，降低同位素分离等靶件后处理环节的成本。

3、本申请提供的热中子阱结构可在堆芯内多处分散布置，在多个热中子阱中实现靶件的批量辐照，提高同位素产量。同时，分散的热中子阱设计相较于传统高通量堆的中心唯一热中子阱设计可有效降低堆芯总体的功率非均匀系数，降低对堆芯材料的耐高温和耐辐照要求，降低反应堆建造成本。

4、在同位素产率不变的前提下，本申请提供的热中子阱可有效降低反应堆热功率，从而减少核燃料消耗、延长换料周期同时降低排热需求。这些都有助于进一步降低反应堆及其配套系统的设计成本、建造成本和运行成本。同时，反应堆功率的降低可以使得其就近诊疗中心、就近患者部署成为可能，从而大幅减少运输成本以及同位素在运输过程中的衰变损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。

图1为一种实施例中多个中子辐照孔道在堆芯中分散布置的示意图。

附图标记说明：

1、燃料组件；2、控制组件；3、堆芯反射层；4、热中子反射层；5、慢化剂；6、辐照靶件；7、热中子阱结构。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。

在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。

本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。

实施例一

为了解决现有技术存在的问题，本申请提供一种设置在同位素生产堆中的热中子阱结构，该热中子阱结构的使用可使得堆芯核燃料裂变产生的快中子在热中子阱内有效慢化，形成较高的热中子通量；利用其产生的高热中子通量，可在阱内通过靶件辐照高效生产(医用)同位素。该热中子阱可在堆芯内部多处分散布置，实现同位素靶件的批量辐照，提升生产效率。

本实施例提供的热中子阱结构设置在核反应堆的堆芯燃料阵列中。参见图1，堆芯燃料阵列包括若干个燃料组件1，将一个燃料组件1自堆芯燃料阵列中抽出后形成一个中子辐照孔道，热中子阱结构7适配安装在中子辐照孔道内。热中子阱结构7包括设置在中子辐照孔道内壁上的热中子反射层4，热中子反射层4为空心筒状，热中子反射层4的内部形成慢化区，慢化区填充有慢化剂5；设置在中子辐照孔道外围的燃料组件1，以及设置在中子辐照孔道内的热中子反射层4和慢化区5共同形成热中子阱结构7。热中子阱结构7中设置有辐照靶件6，辐照靶件6在热中子阱结构7产生的高热中子通量的辐照下生成同位素；辐照靶件6设置在慢化区中。

本申请提供的热中子阱结构主要面向医用同位素生产的应用，需要在中子辐照孔道内产生大量热中子以引发辐照靶件中的核燃料裂变进而产生目标同位素。为了进一步提升中子辐照孔道内的热中子通量，本申请采用了热中子反射层嵌套慢化剂的热中子阱设计方案。

本申请提供的热中子阱结构的热中子反射层与快中子反应截面较小，使得燃料裂变产生的快中子穿过热中子反射层进入慢化区。进一步的，热中子反射层还用以实现对热中子的反射，热中子反射层具有较大的热中子散射截面，得以将慢化区产生的热中子反射回热中子阱结构中。

具体的，在生产制造过程中，热中子反射层4需要选用对快中子尽量透明，对慢中子有较强的反射能力，且慢化能力较弱的材料。对快中子透明是为了让燃料裂变产生的快中子能顺利穿过反射层进入慢化区，慢化能力较弱是为了让快中子在穿过反射层时即使反射材料发生反应也不会损失太多能量被慢化，变成热中子。对慢中子有较强的反射能力是指反射材料具有较大的热中子散射截面，可以将慢化区(阱内)产生的热中子尽可能多地反射回阱内，降低热中子逃逸损失，提高阱内热中子通量。

在一些实施例中，金属铍(Be-9)基本满足热中子反射层4所需的材料特性，可以选择金属铍作为热中子反射层4的制作材料。

在生产制造过程中，热中子阱结构7内慢化区的慢化剂5需要选用慢化比高、慢化距离短的材料。慢化比高是为了尽量降低中子在慢化过程中的俘获损失。慢化距离短是为了使中子在从阱内逃逸之前尽量多地被慢化，增加中子与反射层的散射几率，减小逃逸几率。常用的慢化剂材料中，重水比较符合以上材料特性。在一些实施例中，可以选择重水作为慢化剂材料，如果堆芯由重水慢化，则无需对慢化区进行特殊设计处理，重水可自然渗入填充慢化区。如果堆芯由轻水或其他慢化剂慢化，则需要在慢化区设置重水流道，使重水与周围慢化剂隔离，避免重水的损失以及对周围燃料功率的影响。

在一种实施例中，热中子阱结构7的轴向高度与堆芯活性区域高度相同。即：热中子反射层4(铍反射层)的轴向高度与燃料组件1的高度相同。

实施例二

基于上述实施例一提供的热中子阱结构，本申请提供一种同位素生产反应堆，主要是一种同位素生产反应堆的堆芯布局。同位素生产反应堆包括堆芯及环绕在堆芯外围的堆芯反射层3。可参见图1，堆芯包括中央燃料组件以及环绕在中央燃料组件外围的多个燃料组件1和多个控制组件2；将堆芯中的一个或多个燃料组件1抽出形成一个或多个中子辐照孔道，中子辐照孔道中设置有热中子反射层4和慢化区；多个热中子阱结构7在堆芯中分散设置，热中子阱结构7远离控制组件2。

在一种实施例中，多个控制组件2分散设置，一个控制组件2的周围设置有至少一圈燃料组件1，即可将多个燃料组件绕设在控制组件的外围。

在一种实施例中，若堆芯中设置一个热中子阱结构7，则中央燃料组件被抽出后形成中子辐照孔道。

在一种实施例中，若堆芯中设置多个热中子阱结构7，则自多个燃料组件1中抽出与热中子阱结构7的数量相对应的燃料组件，形成与多个热中子阱结构一一对应的中子辐照孔道，多个中子辐照孔道分散设置，多个中子辐照孔道的位置选择应满足下述两个条件：

1、任意两个中子辐照孔道之间保持一定间隔以免互相形成中子干扰或造成堆芯局部功率较大的扰动；

2、中子辐照孔道需尽量避开控制组件，以免因控制组件的存在而降低了中子通量。图1给出了在一种可能的制作实例中多个中子辐照孔道的布置示意图。

在一种实施例中，可以以低浓铀游泳池式反应堆为平台，通过在反应堆堆芯中心以及燃料区域外围抽出一个或若干个燃料组件形成中子辐照孔道。沿中子辐照孔道内壁设置一定厚度的热中子反射层。热中子反射层材料与周围燃料裂变过程中产生的快中子反应截面很小，快中子较容易穿透热中子反射层进入辐照孔道内部区域。内部区域由慢化剂填充。中子在与慢化剂碰撞过程中被充分慢化，且吸收损失较小。热中子反射层具有很高的热中子散射截面，对热中子有很强的反射作用，故经过慢化区慢化得到的热中子大部分被限制在中子辐照孔道内很难逃逸。燃料、热中子反射层以及慢化区共同形成了热中子阱。在阱内布置辐照靶件，可利用阱内的高热中子通量辐照生产所需同位素。慢化剂在孔道内循环流动，同时作为冷却剂将靶件裂变热量带出，保证靶件安全。

本申请提供的热中子阱结构的反射层与慢化剂的材料选择并不唯一。具有高热中子散射截面和低快中子反应截面，且中子慢化剂能力不强的材料均可作为反射层材料，比如金属铍。具有高慢化、低慢化距离的材料均可作为慢化剂材料，比如重水。

与现有技术相比，本申请提供的在同位素生产堆中实现的热中子阱结构，可以有效提高阱内热中子通量，提高靶件中目标同位素的浓度，提高同位素产量，降低同位素分离等靶件后处理环节的成本。

进一步的，本申请提供的热中子阱结构可在堆芯内多处分散布置，在多个热中子阱中实现靶件的批量辐照，提高同位素产量。同时，分散的热中子阱设计相较于传统高通量堆的中心唯一热中子阱设计可有效降低堆芯总体的功率非均匀系数，降低对堆芯材料的耐高温和耐辐照要求，降低反应堆建造成本。

进一步的，在同位素产率不变的前提下，本申请提供的热中子阱可有效降低反应堆热功率，从而减少核燃料消耗、延长换料周期同时降低排热需求。这些都有助于进一步降低反应堆及其配套系统的设计成本、建造成本和运行成本。同时，反应堆功率的降低可以使得其就近诊疗中心、就近患者部署成为可能，从而大幅减少运输成本以及同位素在运输过程中的衰变损耗。

综上所述，本申请提供的在同位素生产堆中实现的热中子阱可在堆芯局部区域产生高热中子通量，通过在反应堆内分散布置多个热中子阱，并在阱中放置同位素靶件，可实现靶件的高效辐照，进而提高同位素生产的产量和经济性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。

上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种热中子阱结构，其特征在于，设置在核反应堆的堆芯燃料阵列中，所述堆芯燃料阵列包括若干个燃料组件，将一个所述燃料组件自所述堆芯燃料阵列中抽出后形成一个中子辐照孔道，所述热中子阱结构适配安装在所述中子辐照孔道内；

所述热中子阱结构包括设置在中子辐照孔道内壁上的热中子反射层，所述热中子反射层为空心筒状，所述热中子反射层的内部形成慢化区，所述慢化区填充有慢化剂；设置在中子辐照孔道外围的燃料组件，以及设置在中子辐照孔道内的热中子反射层和慢化区共同形成所述热中子阱结构。

2.根据权利要求1所述的热中子阱结构，其特征在于，所述热中子反射层具有较小的快中子反应截面，使得燃料裂变产生的快中子穿过所述热中子反射层进入所述慢化区；

所述热中子反射层用以实现对热中子的反射，所述热中子反射层具有较大的热中子散射截面，得以将慢化区产生的热中子反射回热中子阱结构中。

3.根据权利要求1所述的热中子阱结构，其特征在于，所述热中子反射层的材质包括金属铍；

所述慢化剂包括重水。

4.根据权利要求3所述的热中子阱结构，其特征在于，所述慢化剂包括轻水；当反应堆慢化剂为轻水时，热中子阱慢化区内设置有重水流道，所述重水流道用以将重水与周围的轻水隔离。

5.根据权利要求1所述的热中子阱结构，其特征在于，所述热中子阱结构的轴向高度与反应堆的燃料组件的高度相同。

6.根据权利要求1所述的热中子阱结构，其特征在于，所述热中子阱结构中设置有辐照靶件，所述辐照靶件在热中子阱结构产生的高热中子通量的辐照下生成同位素；

所述辐照靶件设置在慢化区中。

7.一种同位素生产反应堆，其特征在于，包括权利要求1～6任一所述的热中子阱结构，所述同位素生产反应堆包括堆芯及环绕在堆芯外围的堆芯反射层；所述堆芯包括中央燃料组件以及环绕在中央燃料组件外围的多个燃料组件和多个控制组件；将所述堆芯中的一个或多个燃料组件抽出形成一个或多个中子辐照孔道，所述中子辐照孔道中设置有热中子反射层和慢化区；多个所述热中子阱结构在所述堆芯中分散设置，所述热中子阱结构远离所述控制组件。

8.根据权利要求7所述的同位素生产反应堆，其特征在于，多个所述控制组件分散设置，一个所述控制组件的周围设置有至少一圈燃料组件。

9.根据权利要求7所述的同位素生产反应堆，其特征在于，若所述堆芯中设置一个所述热中子阱结构，则所述中央燃料组件被抽出后形成中子辐照孔道；

若所述堆芯中设置多个所述热中子阱结构，则自多个燃料组件中抽出与热中子阱结构的数量相对应的燃料组件，形成与多个热中子阱结构一一对应的中子辐照孔道，多个中子辐照孔道分散设置。

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