CN116705373A - 一种用于生产同位素的辐照靶件及同位素生产反应堆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于生产同位素的辐照靶件及同位素生产反应堆，该辐照靶件包括外包壳，外包壳为筒体结构，筒体结构包括多条交汇于一点的翼道；多条翼道以交汇点为中心等间隔设置，沿外包壳的轴线方向，多条翼道内等间距的设置有若干层靶件层；靶件层包括沿外包壳的横截面方向，等间距设置在每条翼道内的多个辐照小球。基于该辐照靶件，本申请还提供一种反应堆，反应堆在燃料组件之间加入该辐照靶件，辐照靶件里面装有若干个辐照小球，相比传统技术，本申请通过辐照小球增加了辐照靶件中铀燃料的存储量，更有效的利用了热中子，提升了同位素生产量，解决一般研究堆或实验堆中同位素产量低的问题。

Description

一种用于生产同位素的辐照靶件及同位素生产反应堆

技术领域

本申请涉及医用同位素生产反应堆技术领域，尤其涉及一种用于生产同位素的辐照靶件及设置有该辐照靶件的同位素生产反应堆。

背景技术

近年来，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。医用同位素的生产主要来自于反应堆和加速器。通过反应堆生产同位素主要是在反应堆的辐照孔道内对靶件进行中子辐照。反应堆生产同位素相较于加速器生产同位素具有产量大、比活度高等优点。

利用反应堆内辐照靶件生产同位素主要有两种方法。一种是通过中子引发易裂变核素(核燃料)的裂变，从裂变碎片中获得目标同位素。另外一种是通过先导核素的中子俘获，使得先导核素活化得到目标同位素。这两种方法均是利用了反应堆内极高的中子通量。相对而言，裂变法的同位素产量和比活度相对较高，更具有医用价值。

虽然常规的核燃料也可以通过裂变产生目标同位素，但是因为目标同位素的半衰期普遍较短(一般为几个小时至几十个小时)，因而靶件辐照周期也较短。在如此短的辐照周期内，燃料所达到的燃耗深度浅，如果使用常规核燃料将造成燃料的浪费。此外，核燃料中心区域具有较高的快中子通量，不利于裂变产生同位素。常规燃料产生的大量裂变热也对反应堆的安全运行带来挑战。因此用于生产同位素的靶件通常需要进行有针对性的特殊设计。

目前世界范围内可用于同位素生产的研究堆或实验堆大多主要服务于材料辐照和中子束流引出等任务，可供同位素生产的预留孔道不多(或为单孔道设计)，导致同位素产量有限。

中国专利CN202111491938.4公开了一种中子医院反应堆，该中子医院反应堆针对医疗应用进行了专门设计，该反应堆包括置于水罐中的堆芯，水罐设置在水池内，水罐内外均为轻水冷却剂，堆芯包括燃料组件和控制棒，堆芯由石墨反射层包围，在水罐顶部设有操作桥，在操作桥上设有靶件/燃料组件取送机构，靶件/燃料组件取送机构通过靶件取送导管与堆芯连接，在堆芯的四角分别设置靶件辐照栅格，同位素生产靶件设置在靶件辐照栅格内；靶件辐照栅格的尺寸与堆芯燃料组件的尺寸一致，每个靶件辐照栅格被均分为四部分，截面呈田字形，栅格内设置四个同位素生产靶件；燃料组件为方柱形燃料组件，燃料组件中插有板状燃料元件。

上述专利文献公开的中子医院反应堆中共计可设置16个可供同位素生产的靶件，虽然在一定程度上也提升了靶件在反应堆中的设置数量，但其使用的同位素生产靶件仍为传统的圆柱状靶件，且靶件装载在堆芯外围四角，对于裂变中子的整体利用率不高，整体的同位素生产量依然有待提升。

因此，传统的可用于同位素生产的研究堆或实验堆中可供同位素生产的预留孔道不多，中子利用率不高，导致同位素产量有限，亟需设计一种专门服务于同位素生产的堆芯设计，以提高同位素的产率，满足医疗卫生领域的同位素需求。

发明内容

本申请提供一种用于生产同位素的辐照靶件及同位素生产反应堆，用以解决现有技术中反应堆同位素生产量不高的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供一种用于生产同位素的辐照靶件，包括外包壳，所述外包壳为上下贯通的筒体结构，所述筒体结构包括多条交汇于一点的翼道；多条所述翼道以交汇点为中心等间隔设置；沿所述外包壳的轴线方向，多条所述翼道内等间距的设置有若干层靶件层；所述靶件层包括沿所述外包壳的横截面方向，等间距设置在每条所述翼道内的多个辐照小球；相邻两个所述辐照小球之间，以及辐照小球和外包壳之间的空隙中填充有氦气；

多条所述翼道交汇后，以交汇点为中心形成若干个短边翼，相邻两个短边翼之间形成用以设置燃料组件的区域；一个所述短边翼的长度小于燃料组件的径向直径。

上述技术方案中进一步的，所述筒体结构包括两条交汇于一点的翼道；两条所述翼道相互垂直，构成横截面为十字形的筒体结构，沿所述外包壳的轴线方向，两条所述翼道内等间距的设置有若干层靶件层；所述靶件层包括沿所述外包壳的横截面方向，等间距设置在两条所述翼道内的多个辐照小球；两条所述翼道交汇后，以交汇点为中心形成四个所述短边翼，相邻两个短边翼之间设置有燃料组件。

进一步的，一层所述靶件层包括在一个所述翼道中单排等间隔排列的多个辐照小球，以及在另一个所述翼道中单排等间隔排列的多个辐照小球；每个翼道中相邻两个辐照小球的间隔相等。

进一步的，相邻的两层所述靶件层之间的间隔与每个翼道中相邻的两个辐照小球的间隔相等。

进一步的，所述外包壳为钢制外包壳；沿外包壳的横截面方向，任意两个所述短边翼的长度相同。

进一步的，所述辐照小球的材质为氧化铀；所述辐照小球含有核燃料，所述核燃料为浓度≤20％的U-235。

另一方面，基于上述提供的一种用于生产同位素的辐照靶件，本申请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，以及绕设在所述中央燃料组件外围的多个所述辐照靶件和多个燃料组件。

上述技术方案中进一步的，多个所述辐照靶件以所述中央燃料组件为中心等间隔的均匀设置有多圈，所述辐照靶件与所述燃料组件间隔布置。

进一步的，两条所述翼道交汇后形成四个夹角为90°的扇形区域，每个所述扇形区域中设置有一个所述燃料组件。

进一步的，两条所述翼道交汇后，以交汇点为中心形成四个短边翼，一个所述短边翼的长度小于燃料组件的径向直径。

进一步的，所述辐照靶件的轴向高度较堆芯活性区域的高度高。

进一步的，所述堆芯置于反应堆水池中，所述反应堆水池中填充有冷却剂，所述反应堆水池的上方设置有靶件驱动机构，所述靶件驱动机构用以实现对辐照靶件的上下移动，使得辐照靶件被插入或拔出堆芯。

进一步的，一个所述辐照靶件与一个所述靶件驱动机构相对应。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

1、本申请提供一种用于生产同位素的辐照靶件，该辐照靶件包括外包壳，外包壳为筒体结构，筒体结构包括至少两条交汇于一点的翼道；两条翼道相互垂直，构成横截面为十字形的筒体结构，沿外包壳的轴线方向，两条翼道内等间距的设置有若干层靶件层；靶件层包括沿外包壳的横截面方向，等间距设置在两条翼道内的多个辐照小球；相邻两个辐照小球之间，以及辐照小球和外包壳之间的空隙填充有氦气。因此，本申请提供的辐照靶件中设置有多个辐照小球，通过多个辐照小球提升了辐照靶件中核燃料的存储总量，更有效的利用了热中子，提升了同位素生产量。

2、基于本申请提供的一种用于生产同位素的辐照靶件，本申请还提供一种同位素生产反应堆，该反应堆包括堆芯，堆芯包括中央燃料组件，以及绕设在中央燃料组件外围的多个辐照靶件和多个燃料组件，辐照靶件与燃料组件间隔布置，任意相邻的两个辐照靶件之间的间距一致。本申请在通用研究堆堆芯布置的基础上增加了燃料组件之间的间隙，并在燃料组件之间布置了横截面为十字形的辐照靶件，燃料组件之间的间距较使用同类组件的传统低功率研究堆增大，从而引入了更多的慢化剂，增强了组件间隙中的中子慢化，更软的中子能谱有利于提高医用同位素产量。

3、本申请提供的反应堆中，横截面为十字形的辐照靶件布置在燃料组件之间，可提供正反应性，将辐照靶件提出堆芯后，可降低堆芯反应性，可与控制棒一同参与堆芯反应性控制，即多了一种反应性控制保护。

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为一种实施例中本申请提供的用于生产同位素的辐照靶件的平面结构示意图，该图还示出了辐照靶件与设置在其周围的燃料组件的位置关系；

图2为一种实施例中本申请提供的反应堆堆芯的局部结构的平面结构示意图；

图3为一种实施例中本申请提供的辐照靶件中多层靶件层在水平面上的排布状态示意图；

图4为一种实施例中本申请提供的辐照靶件中多层靶件层在竖直平面上上下相邻排布的示意图。

附图标记说明：

1、外包壳；2、辐照小球；3、燃料组件；4、辐照靶件；5、慢化剂流道；6、靶件层；7、翼道；8、中央燃料组件。

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

现有辐照堆主要用于材料辐照，用于材料辐照的反应堆中辐照靶件在堆芯中的布置数量有限，另外由于辐照孔道内，靶件为金属箔片，金属铀装量低，导致同位素产量低。

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供一种用于生产同位素的辐照靶件及同位素生产反应堆，反应堆中的辐照孔道内插设辐照靶件，辐照靶件利用反应堆内的高中子通量场引发靶材料的核裂变反应，进而从裂变产物中分离提取目标同位素。本申请提供的反应堆的堆芯靶件容量更大，可以提高同位素产量，提高经济性。

下面对本实施例提供的一种用于生产同位素的辐照靶件的结构进行详细说明：

本实施例提供一种用于生产同位素的辐照靶件，参见图1，包括外包壳1，外包壳1为上下贯通的筒体结构，筒体结构包括两条交汇于一点的翼道7；两条翼道7相互垂直，构成横截面为十字形的筒体结构，沿外包壳1的轴线方向，两条翼道7内等间距的设置有若干层靶件层6；靶件层6包括沿外包壳1的横截面方向，等间距设置在两条翼道7内的多个辐照小球2；相邻两个辐照小球2之间，以及辐照小球2和外包壳1之间的空隙构成慢化剂流道5，慢化剂流道5中填充氦气。即，外包壳与辐照小球之间留有微量间隙，该微量间隙可用以包覆裂变气体等裂变产物，同时为靶材料的辐照膨胀留有裕量。该微量间隙由氦气填充，氦气可起到增强小球与内包壳之间传热的作用。

上述的辐照靶件中，以交汇点为中心，两条翼道形成四个夹角为90°的扇形区域，扇形区域用以安装燃料组件。参见图3、4，一层靶件层包括在一个翼道中单排等间隔排列的多个辐照小球，以及在另一个翼道中单排等间隔排列的多个辐照小球。每个翼道中相邻两个辐照小球的间隔相等。进一步的，相邻的两层靶件层之间的间隔与每个翼道中相邻的两个辐照小球的间隔相等。这样的排布规律主要是为了在空间内，上下相邻、或左右相邻、或前后相邻的两个辐照小球之间的间距均保持一致，可避免在辐照过程中产生局部热点。

本实施例提供的辐照靶件的外包壳为钢制外包壳。上述的辐照小球的材质可以是氧化铀。辐照小球含有核燃料，核燃料为浓度≤20％的U-235。

在一种具体的排布实例中，可在上述的横截面为十字形的靶件外包壳中排列多个辐照小球，具体的，沿外包壳的横截面方向(即水平面上)可排布9个辐照小球，沿外包壳的轴向(即竖直方向)上共排布45层靶件层，该外包壳中共装载9×45＝405个辐照小球。

本申请提供的横截面为十字形的靶件外包壳中装有若干个用于同位素生产的辐照小球，这种外包壳好比一个装有若干小球的提篮，辐照小球数量多自然靶件中核燃料的存储总量多，反应中可更有效的利用热中子，提升同位素产量，如此便解决一般研究堆或实验堆中同位素产量低的问题。

实施例二

基于实施例一提供的用于生产同位素的辐照靶件，本实施例提供一种同位素生产反应堆，该反应堆包括堆芯及环绕在堆芯外围的堆芯反射层；参见图2，堆芯包括中央燃料组件8，以及绕设在中央燃料组件8外围的多个辐照靶件4和多个燃料组件3。辐照靶件的轴向高度较堆芯活性区域的高度高。堆芯置于反应堆水池中，反应堆水池中填充有冷却剂，反应堆水池的上方设置有靶件驱动机构，靶件驱动机构用以实现对辐照靶件的上下移动，使得辐照靶件被插入或拔出堆芯。更换靶件时，可以通过靶件驱动机构向上提出辐照靶件完成。一个辐照靶件与一个靶件驱动机构相对应，给每个辐照靶件都配有独立的驱动装置可以做到独立调节或更换。

将实施例一提供的辐照靶件安装在堆芯中，多个辐照靶件以中央燃料组件为中心等间隔的均匀设置有多圈，辐照靶件与燃料组件间隔布置，任意相邻的两个辐照靶件之间的间距一致；两条翼道交汇后形成四个夹角为90°的扇形区域，每个扇形区域中设置有一个燃料组件；两条翼道交汇后，以交汇点为中心形成四个短边翼，一个短边翼的长度小于燃料组件的径向直径，以防辐照靶件移动时发生卡顿。

参见图2，图示的反应堆堆芯中设置12个辐照靶件4。

本申请提供的反应堆中的燃料组件与低功率研究堆通用燃料组件相同，堆芯固有组件仍选用方形燃料组件，方形燃料组件由燃料板构成，但本申请在通用研究堆堆芯布置的基础上增加了燃料组件之间的间隙，并在燃料组件之间布置了实施例一提供的横截面为十字形的辐照靶件。本申请提供的反应堆中，燃料组件间距较使用同类组件的传统低功率研究堆增大，从而引入了更多的慢化剂，增强了组件间隙中的中子慢化。更软的中子能谱有利于提高医用同位素产量。

横截面为十字形的辐照靶件可在堆芯内多处分散布置。横截面为十字形的辐照靶件中装有极小的辐照小球，辐照小球含有低浓铀(U-235浓度≤20％)。主要的医用同位素，如Mo-99和I-131，依靠反应堆中子辐照U-235诱发其发生裂变反应而获得。横截面为十字形的辐照靶件可在靶件驱动机构的带动下提出或插入堆芯，从而实现靶件的灵活更换，或在紧急状态下对反应堆反应性进行控制。

本申请在燃料组件之间加入横截面为十字形的辐照靶件，辐照靶件里面装有同位素生产小球(即辐照小球)，可以增加靶件中铀燃料的存储量，解决一般研究堆或实验堆中同位素产量低的问题。

本申请提供的反应堆中，横截面为十字形的辐照靶件布置在燃料组件之间，可提供正反应性，将辐照靶件提出堆芯后，可降低堆芯反应性，可与控制棒一同参与堆芯反应性控制，即多了一种反应性控制保护。

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 (8)

1.一种用于生产同位素的辐照靶件，其特征在于，包括外包壳，所述外包壳为上下贯通的筒体结构，所述筒体结构包括多条交汇于一点的翼道；多条所述翼道以交汇点为中心等间隔设置；沿所述外包壳的轴线方向，多条所述翼道内等间距的设置有若干层靶件层；所述靶件层包括沿所述外包壳的横截面方向，等间距设置在每条所述翼道内的多个辐照小球；相邻两个所述辐照小球之间，以及辐照小球和外包壳之间的空隙中填充有氦气；

多条所述翼道交汇后，以交汇点为中心形成若干个短边翼，相邻两个短边翼之间形成用以设置燃料组件的区域；一个所述短边翼的长度小于燃料组件的径向直径。

2.根据权利要求1所述的用于生产同位素的辐照靶件，其特征在于，所述筒体结构包括两条交汇于一点的翼道；两条所述翼道相互垂直，构成横截面为十字形的筒体结构，沿所述外包壳的轴线方向，两条所述翼道内等间距的设置有若干层靶件层；所述靶件层包括沿所述外包壳的横截面方向，等间距设置在两条所述翼道内的多个辐照小球；

两条所述翼道交汇后，以交汇点为中心形成四个所述短边翼，相邻两个短边翼之间设置有燃料组件。

3.根据权利要求1所述的用于生产同位素的辐照靶件，其特征在于，一层所述靶件层包括在一个所述翼道中单排等间隔排列的多个辐照小球，以及在另一个所述翼道中单排等间隔排列的多个辐照小球；每个翼道中相邻两个辐照小球的间隔相等；

相邻的两层所述靶件层之间的间隔与每个翼道中相邻的两个辐照小球的间隔相等。

4.根据权利要求1所述的用于生产同位素的辐照靶件，其特征在于，所述外包壳为钢制外包壳；沿外包壳的横截面方向，任意两个所述短边翼的长度相同。

5.根据权利要求1所述的用于生产同位素的辐照靶件，其特征在于，所述辐照小球的材质为氧化铀；

所述辐照小球含有核燃料，所述核燃料为浓度≤20％的U-235。

6.一种同位素生产反应堆，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的用于生产同位素的辐照靶件；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，以及绕设在所述中央燃料组件外围的多个所述辐照靶件和多个燃料组件。

7.根据权利要求6所述的同位素生产反应堆，其特征在于，多个所述辐照靶件以所述中央燃料组件为中心等间隔的均匀设置有多圈，所述辐照靶件与所述燃料组件间隔布置；

两条所述翼道交汇后形成四个夹角为90°的扇形区域，每个所述扇形区域中设置有一个所述燃料组件；

两条所述翼道交汇后，以交汇点为中心形成四个短边翼，一个所述短边翼的长度小于燃料组件的径向直径；

所述辐照靶件的轴向高度较堆芯活性区域的高度高。

8.根据权利要求7所述的同位素生产反应堆，其特征在于，所述堆芯置于反应堆水池中，所述反应堆水池中填充有冷却剂，所述反应堆水池的上方设置有靶件驱动机构，所述靶件驱动机构用以实现对辐照靶件的上下移动，使得辐照靶件被插入或拔出堆芯；

一个所述辐照靶件与一个所述靶件驱动机构相对应。