JP2009133854A - 断面積を低減した同位体システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電用原子炉炉心のための同位体生成ターゲット棒を提供すること。
【解決手段】発電用原子炉炉心（１０）のための同位体生成ターゲット棒（２０）が提供される。同位体生成ターゲット棒（２０）は、内部キャビティ（６６）を画成する外胴（６５）と、内部キャビティ（６６）内に複数の照射ターゲット（７０）とを含む、少なくとも１つの棒の中心体（４０）を含み得る。照射ターゲット（７０）は、空間的な配置を維持するように、核断面積の小さい分離媒体（７４）を使用して空間的な配置に位置決めされ得る。
【選択図】図５

Description

本開示は、概ね軽水型動力炉における同位体生成に関する。

多数の様々な放射性同位元素が、医療、工業、研究、および商業的応用に使用されている。一般に放射性同位元素はターゲット同位体材料を原子核粒子で照射することにより生産される。ターゲット原子は直接所望の同位体に核変換されるか、または後で所望の放射性生成物を生成する連鎖的な吸収と崩壊を通して、放射性同位元素が生産される。

放射性同位元素生産のための放射線源を実現するために、２つの異なる技術が使用されており、それらは、中性子束を発生する原子炉、および荷電粒子、通常は陽子であるがしばしば電子または他の粒子、を発生する粒子加速器またはサイクロトロンである。例えば、医療用、および工業用放射性同位元素は、１９５７年以来、カナダ国オンタリオ州のカナダ原子力公社（ＡＥＣＬ’ｓ）チョークリバー研究所のカナダ国立研究ユニバーサル（ＮＲＵ）（“Ｃａｎａｄａ’ｓ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ （ＮＲＵ）”）原子炉で生産されている。ＮＲＵは、医療診断に使用される重要な同位体であるモリブデン−９９を含む世界の医療用および工業用放射性同位元素を、高い割合で生産している。医療、工業、研究、および商業的応用に使用される他の放射性同位元素の例としては、心臓の医療用画像に使用されるタリウム２０１、骨成長研究に使用されるカルシウム−４４、構造物その他の材料の非破壊検査に使用されるイリジウム−１９２、がん細胞の破壊、手術用器具および薬剤の消毒、ならびに備蓄食糧の殺菌のために使用されるコバルト−６０、白血病、リンパ腫治療のための携帯血液の照射、および電源のために使用されるタリウム−１７０、骨粗しょう症の検知およびＳＰＥＣＴ画像に使用されるガドリニウム−１５３、長寿命電池の製造に使用可能なニッケル−６３、煙検知器に使用されるアメリシウム−２４１、が含まれる。

一般にターゲット同位体を収納している試料棒は、核医薬および／または工業的応用に使用するために所望の比放射能の同位体を生産するように、連続処理でペネトレーションを通してＮＲＵに挿入され、その中で照射されることになる。次いでターゲット同位体は、発電用原子炉の運転の間照射される。照射後、放射性同位元素はターゲット同位体から回収されて、核医学処置のための様々な放射性医薬品を調整するために使用される。
米国特許出願第１１／００２，６８０号 米国特許出願第１１／００２，６７７号

種々の態様に従って、発電用原子炉のための同位体生成ターゲット棒が提供される。種々の実施形態において、同位体生成ターゲット棒は内部キャビティを画成する外胴を含む、少なくとも１つの棒の中心体を含む。同位体生成ターゲット棒は、内部キャビティ内に複数の照射ターゲットを追加して含むことが可能である。種々の実施態様において、照射ターゲットは、核断面積の小さい分離媒体を使用して１つの空間的な配置に位置決めされて、その空間的配置を維持する。

種々の他の実施形態において、同位体生成ターゲット棒は、内部キャビティを画成する外胴を含む少なくとも１つの棒の中心体と、各それぞれの棒の中心体の内部キャビティ内の照射ターゲットキャニスタとを、含むことができる。同位体生成ターゲット棒は、空間的配置を維持するように、核断面積の小さい分離媒体を使用して各それぞれの照射ターゲットキャニスタ内の空間的な配置に位置決めされた、複数の照射ターゲットを追加して含む。

さらに別の実施形態において、同位体生成ターゲット棒は、内部キャビティを画成する外胴を含む少なくとも１つの棒の中心体と、各それぞれの棒の中心体の内部キャビティ内の照射ターゲットキャニスタと、各それぞれの照射ターゲットキャニスタ内の少なくとも１つの照射ターゲットレセプタクルと、を含むことが可能である。種々の実施態様において、各照射ターゲットレセプタクルは、各照射ターゲットレセプタクルの外面の少なくとも一部分内に、１つのパターンで複数のターゲットリザーバを含むことが可能である。

別の態様に従って、動力用原子炉の燃料バンドルが提供される。種々の実施形態において燃料バンドルは、複数の燃料棒、および少なくとも１つの同位体生成ターゲット棒を含み得る。各同位元素生産ターゲット棒は、内部キャビティを画成する外胴を含む少なくとも１つの棒の中心体、および内部キャビティ内の複数の照射ターゲットを含み得る。照射ターゲットは、核断面積の小さい分離媒体を使用して空間的な配置に位置決めされ、その空間的配置を維持する。

さらに別の態様に従って、動力用原子炉内で同位体を生産する方法が提供される。種々の実施形態において、この方法は、照射ターゲットキャニスタ内に複数の照射ターゲットを封止することを含み得る。より詳細には、照射ターゲットは核断面積の小さい物質を使用してキャニスタ内で空間的な配置に位置決めされ、照射ターゲットをその空間的配置に維持する。この方法は、照射ターゲットキャニスタを同位体生成ターゲット棒の内部キャビティ内に封止すること、および同位体生成ターゲット棒を動力用原子炉の燃料バンドル内に含むこと、をさらに含み得る。

本開示のさらに別の分野の用途は、以下に示される詳細な説明で明らかになるであろう。詳細な説明と具体的な実施例とは、本開示の種々の実施形態を示しているが、例示することのみを目的としており、本開示の範囲を限定することは意図していない、ことが理解されるべきである。さらに、本開示の特徴、機能、および利点は、本開示の種々の実施形態で独立に達成されることが可能であり、またはさらに別の実施形態に組み合わされることも可能である。

本開示は、詳細な説明と添付する図面により、さらに十分に理解されるようになるであろう。

図面のいくつかの図を通して、対応する参照番号は対応する部品を示す。

種々の例示的実施形態についての以下の説明は、本質的に単に例示するものであり、その開示、その応用および使用を、少しでも限定することを意図するものではない。さらに、以下に説明するような種々の実施形態によって提供される利点は、本質的に例示的なものであり、全ての実施形態が同様の利点、または同程度の利点を提供するものではない。

図１を参照すると、発電用原子炉炉心１０の一部分の例、例えば沸騰水型原子炉炉心の一部分、の斜視断面図が示される。発電用原子炉炉心１０の一部分の例は、４体の燃料バンドル集合体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄを含んでおり、燃料バンドル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄが装荷され原子炉が運転されているとき、それらの中を通って、およびそれらの周りを、液体減速材、すなわち冷却材が流れる。簡潔にするため、燃料バンドル集合体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄは、本明細書では単に燃料バンドル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄと称することにする。各燃料バンドル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄ内の原子核反応が熱を発生して冷却材を蒸気に変換し、それが電力を発生するために使用される。各燃料バンドル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄは、実質的に構造、形、機能が同じである。したがって、簡潔かつ明確にするため、ここでは燃料バンドル１４Ａのみを説明する。

図２も参照すると、燃料バンドル１４Ａは、通常、上部タイプレート２６および下部タイプレート３０を囲繞する外側チャンネル２２を含む。複数の燃料棒１８は、燃料バンドル１４Ａ内で配列に配置されて、燃料バンドル１４Ａの長さに沿って、縦方向にまたは軸方向に、お互いに離隔された複数のスペーサグリッド３４を貫通する。燃料棒１８、および典型的には１つまたは複数のウオータロッド３８は、スペーサグリッド３４によって燃料バンドル１４Ａ内で互いに離隔された関係、すなわち配列に保持され、それによって燃料棒１８の間を原子炉冷却材が流れるための通路を画成する。概して燃料バンドルは、燃料バンドル１４Ａの軸方向全長に沿って離隔され、燃料棒１８を所望の配列に保持するために必要な任意の数のスペーサグリッド３４を、例えば３個から８個のスペーサグリッド３４を、含むことができる。

種々の実施形態において、燃料バンドル１４Ａは１つ、または複数の同位体生成ターゲット棒２０を含むことが可能である。一般に、燃料棒１８は、中性子束を発生する例えばウランの核燃料を含み、一方同位体生成ターゲット棒２０は、中性子束で照射されて所望の放射性同位元素を生産する照射ターゲットを含む。照射ターゲットは、カドミウム、コバルト、イリジウム、ニッケル、タリウム等のような任意の所望の同位体で製作され得る。燃料棒１８および同位体生成ターゲット棒２０は、燃料棒１８が核燃料を含み、同位体生成ターゲット棒２０が照射ターゲットを含む点を除いて、実質的に同じ構造を有することできる。しかし、同位体生成ターゲット棒２０の構造、機能、構成機器、構成要素、集合体、特徴、特性等についてのみ、以下でさらに説明する。

ここで図３を参照して、種々の実施形態において同位体生成ターゲット棒２０は、全長棒、部分長棒、複数セグメントの棒、またはそれらの任意の組合せであってよい。例えば、燃料バンドル１４Ａは、１つまたは複数の全長同位体生成ターゲット棒２０Ａ、１つまたは複数の部分長同位体生成ターゲット棒２０Ｂ、１つまたは複数の複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃ、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。各同位体生成ターゲット棒２０、例えば同位体生成ターゲット棒２０Ａ、２０Ｂ、および２０Ｃは、通常上端部で上部エンドキャップ４２に結合され、および／または下端部で下部エンドキャップ４６に結合された、少なくとも１つの中心体４０を含む。上部および下部エンドキャップ４２および４６は、それぞれ上部および下部タイプレート２６および３０と嵌合して、各同位体生成ターゲット棒２０、例えばチャンネル２２内の２０Ａ、２０Ｂ、および／または２０Ｃの端部を安定化する。

より詳細には、各全長同位体生成ターゲット棒２０Ａは、ほぼ燃料バンドル１４Ａの長さに延在する軸方向長さを有し、上端部および下端部で上部および下部エンドキャップ４２および４６に結合された、中心体４０を含む。各部分長同位体生成ターゲット棒２０Ｂは、燃料バンドル１４Ａの概略長さより短い軸方向長さを有する、中心体４０を含む。例えば、各部分長同位体生成ターゲット棒２０Ｂの中心体４０は、燃料バンドル１４Ａの概略長さの３／４、１／２、１／４、等であってよい。各部分長同位体生成ターゲット棒２０Ｂの中心体４０は、下端部で下部エンドピース４６に結合される。下部エンドピース４６は、チャンネル２２内でそれぞれのタイプレート３０に嵌合して、各同位体生成ターゲット棒２０の端部を安定化する。

ここで図３および４を参照すると、各複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃは、複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃが、実質的に燃料バンドル１４Ａの長さ、または任意の漸増する短い長さ、例えば部分長同位体生成ターゲット棒２０Ｂと等しい軸方向長さ、を有することが可能なように相互結合された複数の棒セグメント５０を含む。各同位体生成ターゲット棒セグメント５０は中心体４０を含み、それによって統合された同位体生成ターゲット棒２０Ｃが複数の中心体４０を備えるようにする。種々の実施形態において、各棒セグメント５０は第１の端部に結合された雄コネクタ５８と、反対側の第２の端部に結合された内部孔６４を有する雌レセプタクル６２とを含む。雄コネクタ５８と雌レセプタクル６２とは、それぞれの棒セグメント５０に相互結合するように嵌合可能である。さらに、棒セグメント５０の最上部および最下部の遠位端５４は、上部および下部エンドキャップ４２および４６にそれぞれ結合される。

図４を参照すると、上述のように、各複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃは、複数の相互結合された棒セグメント５０を含む。種々の棒セグメント５０は、異なる軸方向または縦方向の長さと異なる外径とを有することが可能であり、本開示の範囲内にあり得ることが理解されるべきである。したがって、各複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃは、種々の長さと直径の棒セグメント５０を相互結合することにより、統合された同位体生成ターゲット棒２０Ｃの長さに沿って、所望の長さと１つまたは複数の外径を有するように、組み合わせることが可能である。したがって、図４は同位体生成ターゲット棒セグメント５０の実施例を示すものであり、各それぞれの棒セグメント５０の長さおよび／または直径に関わらず、ここに付加する説明は各複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃの各棒セグメント５０に関するものであることが理解されるべきである。

ここで図５を参照すると、図３に示す各同位元素生産ターゲット棒２０内に含まれる、本開示の種々の実施形態に従った１つまたは複数の中心体４０の実施例が示される。より詳細には、図５に示す中心体４０およびそれに付加する説明は、各全長同位体生成ターゲット棒２０Ａの各中心体４０、各部分長同位体生成ターゲット棒２０Ｂ、および各複数セグメント同位体生成ターゲット棒２０Ｃの各棒セグメント５０に関する。

各同位体生成ターゲット棒２０の各中心体４０は、複数の照射ターゲット７０を保持するための内部キャビティ６６を画成する外胴６５を備える。キャビティ６６は、上部および下部エンドキャップ４２および４６（図３に示す）、ならびに／またはそれぞれの中心体４０の両側の端部に結合されている雄コネクタ５８、および／あるいは雌レセプタクル６２（図４に示す）に先立って使用可能である。以下で説明する種々の実施形態において、照射ターゲット７０は、核断面積の小さい分離媒体７４を使用して特定の空間的配置で、キャビティ６６内に位置決めされ、保持される。より具体的には、実験データおよび／または数学的モデル化、および／または他の適切な検査手段を使って、発電用原子炉の炉心１０内の燃料バンドル１４で発生された中性子の、照射ターゲット７０による吸収が最適化されるように、照射ターゲットの空間的配置を設計することが可能である。

さらに種々の実施態様において、分離媒体７４は、核断面積の小さい材料、物質、気体、等で構築され、製作され、またはそれらを含み、それらは実質的に中性子に対し不可視、すなわち非常に小さいか、または実質的に無視できる中性子の吸収率を有する。例えば分離媒体は、核断面積の小さいジルコニウム、アルミニウム、または任意の他の適切な材料、物質、気体、等で製作されてよい。したがって、中性子は吸収されずに分離媒体７４を貫通して、発電用原子炉の炉心１０内の中性子束は抑制されず、それぞれの原子炉の発電効率は低下されない。より具体的には、照射ターゲット７０の特定の空間的配置、および核断面積の小さい分離媒体７４によって、同位体生成ターゲット棒２０が発電用原子炉の炉心１０のエネルギー発生に及ぼす影響は最小化され、一方、比放射能すなわち照射ターゲット７０の中性子吸収は最大化される。

図６は、本開示の種々の実施形態に従った、中心体４０の実施例の断面図を示し、それぞれの中心体４０のキャビティ６６内に配置された複数の照射ターゲットディスク７８、および分離媒体スペーサ８２を例示する。種々の実施形態において、照射ターゲット７０は、所望の同位体、例えばコバルトで製作されたディスクまたはウェハ７８を含むことが可能であり、分離媒体７４は、隣接する各照射ターゲットディスク７８の間に配置された複数の分離媒体スペーサ８２を備えることが可能である。各スペーサ８２は、照射ターゲットディスク７８による最適な中性子吸収を実現するために、照射ターゲットディスク７８を所定の空間的配置に位置決めするように選択された厚さＴを有する。例えば種々の実施態様において、各照射ターゲットディスク７８が、隣接する全ての照射ターゲットディスク７８から等しく離隔されるように、すなわち照射ターゲットディスク７８の直上および直下の各それぞれの照射ターゲットディスク７８から等しく離隔されるように、スペーサ８２は同じ厚さＴを有することが可能である。さらに上述のように、分離媒体７４、すなわちスペーサ８２は、ジルコニウムまたはアルミニウムなどの核断面積の小さい材料で製作可能である。したがって、スペーサ８２は、同位体生成ターゲット棒２０の発電用原子炉の炉心１０へのエネルギーの影響を最小限にして、照射ターゲットディスク７８の中性子吸収を最大限にするように設計された、核断面積の小さい分離媒体と照射ターゲットディスク７８の離隔とを実現する。

種々の実施態様において、照射ターゲットディスク７８およびスペーサ８２は、キャビティ６６の内壁と照射ターゲットディスク７８およびスペーサ８２との間に、間隙空間８６が存在し得るように寸法が決められる。間隙空間８６によって、照射ターゲットディスク７８およびスペーサ８２の熱膨張が可能となる。種々の実施態様において、間隙空間８６、およびターゲットディスク７８とスペーサ８２との間に存在する任意の空間は、ヘリウムなどの実質的に核断面積が零で高い熱伝導率の気体で充填され得る。したがって、実質的に核断面積が零で高い熱伝導率の気体は、発電用原子炉の炉心１０の中性子束に実質的に何ら妨害を与えず、一方高い熱伝導率を実現して各中心体４０の照射ターゲットディスク７８およびスペーサ８２から熱を除去する。図６は基本的に、照射ターゲットディスク７８およびスペーサ８２で充満されたキャビティ６６の全体を例示しているが、キャビティ６６の全体より少ない部分が照射ターゲットディスク７８およびスペーサ８２で充満されことが可能であり、本開示の範囲内にあることが理解されるべきである。

図７は、中心体４０の実施例の断面図を示し、本開示の種々の実施形態に従って、キャビティ６６内に位置決めされたターゲットレセプタクル９８内の複数のリザーバ９４に保持された複数の照射ターゲットペレット９０を例示している。種々の実施形態において、照射ターゲット７０は所望の同位体、例えばコバルト、で製作されたターゲットペレット９０を備えることが可能であり、分離媒体７４は、ターゲットレセプタクル９８の外面の少なくとも一部分に沿って戦略的に位置決めされたリザーバ９４を備えるターゲットレセプタクル９８を有することが可能である。

より詳細には、リザーバ９４はターゲットレセプタクル９８の外面に沿って戦略的に配置されて、照射ターゲットペレット９０による中性子の最適な吸収を実現するように予め決められた空間的配置内に、照射ターゲットペレット９０を位置決めする。例えば種々の実施態様において、ターゲットリザーバ９４は、軸方向の両側の端部１０２の間で、ターゲットレセプタクル９８の外面周りに等しく離隔され、各ターゲットリザーバ９４が隣接する各ターゲットリザーバ９４から実質的に等しい距離、例えば１ｍｍ、２ｍｍ、または３ｍｍにあるようにする。上述したように、分離媒体７４、すなわちターゲットレセプタクル９８は、ジルコニウムまたはアルミニウムなどの核断面積の小さい材料で製作可能である。したがって、核断面積の小さいターゲットレセプタクル９８、およびターゲットレセプタクル９８の離隔は、同位元素生産ターゲット棒２０の発電用原子炉の炉心１０へのエネルギーの影響を最小化し、一方、照射ターゲットペレット９０の中性子吸収を最大化するように設計される。

種々の実施形態において、キャビティ６６の内壁とターゲットレセプタクル９８との間に間隙空間１０６が存在するように、ターゲットレセプタクル９８の寸法が決められる。間隙空間１０６によって、照射ターゲットペレット９０およびターゲットレセプタクル９８の熱膨張が可能となる。種々の実施態様において、間隙空間１０６、およびターゲットペレット９０とリザーバ９４との間に存在する任意の空間は、ヘリウムなどの実質的に核断面積が零で高い熱伝導率の気体で充填され得る。したがって、実質的に核断面積が零で高い熱伝導率の気体は、発電用原子炉の炉心１０の中性子束に実質的に何ら妨害を与えずに、高い熱伝導率を実現して照射ターゲットペレット９０およびターゲットレセプタクル９８から熱を除去する。

照射ターゲットペレット９０は概して円柱状の形で示されるが、照射ターゲットペレット９０はターゲットリザーバ９４内に嵌合するように適した任意の形を取り得ると想定されるべきである。例えば種々の実施形態において、ターゲットペレット９０は球状、楕円状、ピラミッド状、立方体状、矩形状、等であってよい。

ここで図８および９を参照すると、種々の実施形態において、各ターゲットレセプタクル９８のターゲットリザーバ９４は、単一の照射ターゲットペレット９０を保持するように寸法が決められる。より詳細には種々の実施態様において、ターゲットリザーバ９４は、各照射ターゲットペレット９０を特定の方向に保持するように（図８）寸法が決められ得る、一方、別の実施態様では、ターゲットリザーバ９４は、各照射ターゲットペレット９０をランダムな方向に保持するように（図９）寸法が決められ得る。例えば、図８に例示されるように、各照射ターゲットペレット９０は、円柱状、楕円状、立方体状、等、または各それぞれのターゲットペレット９０の外径ｄよりも大きい軸方向長さＬを有する任意の形を取り得る。さらに、各照射ターゲットペレット９０の外径ｄは、ターゲットリザーバ９４の内径Ｄよりわずかに小さく、照射ターゲットペレット９０の長さＬより小さい。したがって各照射ターゲットペレット９０は、それぞれのターゲットリザーバ９４の軸方向中心線と同軸に配列された各照射ターゲットペレット９０の軸方向中心線を有する、各それぞれのターゲットリザーバ９４内にのみ嵌め合う。

しかし、他の実施形態において、図９に例示するように、各ターゲットリザーバ９４は、一般に任意の形を取り得る照射ターゲットペレット９０の軸方向長さＬと外径ｄの長い方より、わずかに大きい内径Ｄを有する。したがって、単一の照射ターゲットペレット９０のみが各ターゲットリザーバ９４内に保持され得るが、照射ターゲットペレット９０は、それぞれのターゲットリザーバ９４内でランダムな方向に保持され得る。例えば種々の実施態様において、照射ターゲットペレット９０は、各照射ターゲットペレット９０の軸方向長さＬが各照射ペレット９０の直径ｄの約１．２５倍であり、ターゲットリザーバ９４の直径Ｄが各照射ペレット９０の直径ｄの約１．５倍である、円柱形状であってよい。したがって、円柱状の照射ターゲットペレット９０は、それぞれのターゲットリザーバ９４内で任意の方向に保持され得、各ターゲットリザーバ９４は、単一の照射ペレット９０を保持するためのみに十分な大きさである。

各ターゲットレセプタクル９８は、実質的に同じ寸法、すなわち同じ深さＸ（図９に示す）、および直径Ｄを有する各ターゲットリザーバ９４を実現する、任意の適切な形に製作され得る。例えば図１０に例示するように、種々の実施形態において、各照射ターゲットレセプタクル９８は中実体を有するように製作され得る。ターゲットリザーバ９４は、実質的に同じ深さＸおよび直径Ｄ（図８および９に示す）を有するように、中実体１１０の外表面の少なくとも一部分に沿った所定のパターンで、中実体１１０を削り、穴を開け、または穿孔してよい。代替として、図１１に例示するように別の実施形態において、各照射ターゲットレセプタクル９８は、その中を貫通する縦方向の中心キャビティ１１６を有する管状体１１４を備えるように製作され得る。ターゲットリザーバ９４は、管状体１１４の外表面の少なくとも一部分に沿った所定のパターンで、実質的に同じ深さＸおよび直径Ｄ（図８および９に示す）を有するように、管状体１１４を削り、穴を開け、または穿孔してよい。縦方向の中心キャビティ１１６は、ターゲットレセプタクル９８の質量、すなわち材料を減少し、それによって核断面積を減少する。さらに上述のように、縦方向の中心キャビティ１１６は、間隙空間１０６に沿ってヘリウムなどの実質的に核断面積が零で高い熱伝導率の気体で充填されることが可能であり、それによって高い熱伝導率を実現して照射ターゲットペレット９０およびターゲットレセプタクル９８から熱を除去する。

または、さらに別の実施形態において図１２に例示するように、各照射ターゲットレセプタクル９８は、穿孔された管状スリーブ１１８および管状スリーブ１１８内に嵌合された中実コア１２０を含むように製作され得る。管状スリーブ１１８は、実質的に一定の厚さＹを有し、そこに所定のパターンで複数の孔１２２を含むように製作され、各孔１２２は実質的に同じ直径Ｄ（図９に示す）を有する。したがって、中実コア１２０が穿孔された管状スリーブ１１８に嵌合されたとき、ターゲットリザーバ９４は、管状スリーブの厚さＹと等しい実質的に同じ深さＸ、および直径Ｄ（図９に示す）を有するように形成される。

ここで図１３を参照すると、種々の実施形態において、各照射ターゲットレセプタクル９８の両側の端部１０２のうちの少なくとも１つは、軸方向のねじ付き孔１２６を含む。ねじ付き孔は、照射ターゲットペレット９０をターゲットリザーバ９４内へ装荷し、および／またはターゲットリザーバ９４から取外す間に、それぞれの照射ターゲットレセプタクル９８を、ターゲットペレットを装荷し、および／または取外しする装置（図示せず）に連結する手段を提供する。図１１に示すような実施形態において、照射ターゲットレセプタクルは管状体１１４および縦方向の中心キャビティ１１６を有するように製作され、縦方向の中心キャビティ１１６の少なくとも１つの端部の少なくとも一部分は、それぞれの照射ターゲットレセプタクル９８をペレット装荷および／または取外し装置に連結するためのねじを含み得る。

ここで図１３Ａを参照すると種々の実施形態において、１つまたは複数の照射ターゲットレセプタクル９８は、ターゲットリザーバ９４が２個またはそれより多くの照射ターゲットペレット９０を保持するために適した深さＸを有するように、製作され得る。より詳細には、各ターゲットリザーバ９４は、各それぞれのターゲットリザーバ９４が２個またはそれより多くの照射ターゲットペレット９０を保持するが、任意の隣接する半径方向または周方向に配列されたターゲットリザーバ９４を交差または貫通しないような、深さＸを有する。上記で説明した実施形態と同様に図８から１３に関して、各ターゲットリザーバ９４は、それぞれ２個またはより多くの照射ターゲットペレット９０を、例えば各それぞれのターゲットリザーバ９４（図８）の中心軸と同じ軸に配列された特定の方向に、保持する寸法にすることができ、またはターゲットリザーバ９４は、それぞれ２個、またはより多くの照射ターゲットペレット９０をランダムな方向（図９）に保持する寸法にすることができる。さらに、ターゲットレセプタクル９８は、図１１および１２に関して上記で説明したと同様の形で、各ターゲットリザーバ９４の深さＸが２個、またはより多くの照射ターゲットペレット９０を保持するために十分であるように製作され得る。さらに種々の実施形態において、ターゲットレセプタクル９８は、図１１に示し説明したように、ねじ付きの中心孔１２６を含み、２個、またはより多くの照射ターゲットペレット９０を保持するために十分であるような深さＸを有するターゲットリザーバ９４も含むように製作され得る。

ここで図１３Ｂを参照すると種々の実施形態において、１つまたは複数の照射ターゲットレセプタクル９８は、孔が照射ターゲットレセプタクル９８の直径Ｐを貫通して延びるようにターゲットリザーバ９４が形成されるように、製作され得る。したがって、各半径方向または周方向に配列されたターゲットリザーバ９４の孔は、それぞれの照射ターゲットレセプタクル９８の軸方向中心で交差することになる。したがって各ターゲットリザーバ９４の孔は、複数の、例えば２個またはより多くの照射ターゲットペレット９０を保持するために適している。図８から１３に関して上述した実施形態と同様に、各ターゲットリザーバ９４は、それぞれの複数の照射ターゲットペレット９０を特定の方向に、例えば各それぞれのターゲットリザーバ９４の孔（図８）の中心軸と同じ軸に配列された方向に、保持するように、寸法を決めることができ、またはターゲットリザーバ９４は、２個またはより多くのそれぞれの照射ターゲットペレット９０をランダムな方向（図９）に保持するように、寸法を決めることができる。

ここで図１４Ａおよび１４Ｂを参照すると、図１４Ａは種々の実施形態に従った照射ターゲットレセプタクル９８を例示し、図１４Ｂは本開示の種々の実施形態に従って、図１４Ａに示す複数の照射ターゲットレセプタクル９８を含む、中心体４０の実施例の断面図を示す。種々の実施態様において、照射ターゲットレセプタクル９８は、内部キャビティ６６の軸方向長さＭより段階的に短い軸方向長さＺを有することが可能であり、それによって複数のターゲットレセプタクル９８がキャビティ６６内に位置決めされ得る。このような実施形態において、図７、８、および９を参照して示し説明したように、各ターゲットレセプタクル９８は、それぞれのターゲットレセプタクル９８の外面に沿って戦略的に位置決めされた、照射ターゲットリザーバ９０を含み得る。または代替の実施態様において図１４Ｂに示すように、ターゲットリザーバ９４はそれぞれのターゲットレセプタクル９８の軸方向の両端部１３０の少なくとも１つに戦略的に位置決めされ得る。軸方向の両端部１３０の少なくとも１つに形成されたターゲットリザーバ９４は、それぞれの照射ターゲットペレット９０を特定の方向に、例えば各それぞれのターゲットリザーバ９４の中心軸と同じ軸に配列された方向に、保持するように寸法を決め得る。または、軸方向の両端部１３０の少なくとも１つの内に形成されたターゲットリザーバ９４は、それぞれの照射ターゲットペレット９０をランダムな方向に保持するように寸法を決めることができる。別の実施態様において、ターゲットレセプタクル９８は、軸方向の両端部１３０の少なくとも１つに、およびそれぞれのターゲットレセプタクル９８の外面に沿って、戦略的に位置決めされたターゲットリザーバ９４を含むことができる。

各照射ターゲットレセプタクル９８の軸方向長さＺは、１つまたは複数の照射ターゲット９０（図示せず）を保持するような寸法とされた照射ターゲットリザーバ９４を含むために十分な、任意の適切な長さであってよい。例えばターゲットレセプタクル９８は、約１／１６インチ、２／１６インチ、またはそれより大きい軸方向長さＺを有することができる。さらに種々の実施形態において、核断面積の小さいスペーサ１５０が、隣接するターゲットレセプタクル９８に間に配置され得る。各スペーサ１５０は、照射ターゲットペレット９０（図示せず）による最適な中性子吸収を実現するように、予め決められた所望の空間的配置にターゲットレセプタクル９８を位置決めするように選択された厚さＱを有する。

したがって、図１４Ｂに示す中心体４０の実施例内の複数のターゲットレセプタクル９８は、軸方向の両端部１３０の少なくとも１つに戦略的に位置決めされたターゲットリザーバ９４を有する、１つまたは複数のターゲットレセプタクル９８（図１４Ａ）と、それぞれのターゲットレセプタクル９８の外面に沿って戦略的に位置決めされたターゲットリザーバ９４を有する、１つまたは複数のターゲットレセプタクル９８と、軸方向の両端部１３０の少なくとも１つに、およびそれぞれのターゲットレセプタクル９８の外面に沿って、戦略的に位置決めされたターゲットリザーバ９４を有する、１つまたは複数のターゲットレセプタクル９８と、またはそれらの任意の組合せと、を備えることが想定される。

ここで、図１５Ａおよび１５Ｂを参照すると種々の実施形態において、１つまたは複数の同位体生成ターゲット棒２０の１つまたは複数の中心体４０は、二重収納容器構造を有することが可能であり、それによって原子炉運転中に中心体４０におけるフレッティングまたは磨耗により、中心体４０の健全性を破ることになる、溶接不良からの放射線漏洩に対する追加レベルの防護を実現する。より詳細には種々の実施形態において、１つまたは複数の同位体生成ターゲット棒２０内の１つまたは複数の中心体４０は、内部キャビティ６６内で同じ軸に位置決めされた照射ターゲットキャニスタ１３４を含み得る。照射ターゲットキャニスタ１３４は、照射ターゲット７０、例えばディスク７８、および／またはペレット９０と、分離媒体７４、例えばスペーサ８２、および／またはターゲットレセプタクル９８とを、図５から１４に関して上記で説明したものと同じ形で保持するための、内部キャビティ１４２を画成する外胴１３８を含む。

すなわち、照射ターゲット７０は、図５から１４までに例示した中心体４０の内部キャビティ６６に関する種々の実施形態において、上記で説明したものと同じ形で核断面積の小さい分離媒体７４を使用し、それと同じ構造、物質、および材料を使用して、照射ターゲットキャニスタ１３４の内部キャビティ１４２内に特定の空間的配置で位置決めされ得、保持され得る。

種々の実施形態において、間隙空間１４６はキャビティ６６の内壁と照射ターゲットキャニスタ１３４との間に存在し得る。間隙空間１４６は、照射ターゲットキャニスタ１３４が熱膨張できるようにする。種々の実施態様において、間隙空間１４６はヘリウムなどの実質的に核断面積が零で高い熱伝導率の気体で充填されることが可能であり、高い熱伝導率を実現して照射ターゲットキャニスタ１３４から熱を除去するが、発電用原子炉の炉心１０の中性子束には実質的に何ら妨害を与えない。さらに種々の実施態様において、照射ターゲットキャニスタ外胴１３８は、ジルコニウム、アルミニウム、または任意の他の適切な核断面積の小さい材料または物質、などの核断面積の小さい材料で製作することができる。

照射ターゲットディスク７８、分離媒体スペーサ８２、照射ターゲットペレット９０、ターゲットレセプタクル９８、および照射ターゲットキャニスタ１３４について、円柱状の形、すなわち丸いまたは円形の断面形状を有するものとして、本明細書で概ね説明し例示してきたが、各照射ターゲットディスク７８、分離媒体スペーサ８２、照射ターゲットペレット９０、ターゲットレセプタクル９８、および照射ターゲットキャニスタ１３４は、円柱の円形ではない断面形状を有することが可能であり、かつ本開示の範囲内にあることが理解されるべきである。例えば、各照射ターゲットディスク７８、分離媒体スペーサ８２、照射ターゲットペレット９０、ターゲットレセプタクル９８、および照射ターゲットキャニスタ１３４は、正方形、三角形、矩形、六角形、八角形、台形の断面形状、または任意の他の適切な断面形状を有することが可能であり、かつ本開示の範囲内にある、と想定される。より詳細には、照射ターゲットディスク７８、分離媒体スペーサ８２、照射ターゲットペレット９０、ターゲットレセプタクル９８、および照射ターゲットキャニスタ１３４の、一部または全ての断面形状が、照射ターゲットディスク７８、分離媒体スペーサ８２、照射ターゲットペレット９０、ターゲットレセプタクル９８、および照射ターゲットキャニスタ１３４のそれぞれの、一部または全ての断面形状とは異なってよいことが理解されるべきである。例えば同位体生成ターゲット棒２０は、矩形の断面、または任意の他の可能な断面形状の組合せを有する照射ターゲットキャニスタ１３４内に収容された、三角形の断面を有する照射ターゲットレセプタクル９８のリザーバ９４内に保持された、六角形の断面の照射ターゲットを有するように構築され得る。

第１、第２、第３、等の用語が、種々の要素、構成機器、領域、および／または部分を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素、構成機器、領域、および／または部分はこれらの用語によって限定されるべきでないことが理解されるべきである。これらの用語は、１つの要素、構成機器、領域、または部分を、他の要素、構成機器、領域、または部分から区別するためにのみ使用され得る。

さらに空間的に相対的な用語、「の下方（"beneath"）」、「の下（"below"）」、「下部（"lower"）」、「の上（"above"）」、「上方（"upper"）」などは、図に例示された、１つの要素または特徴の、他の要素または特徴に対する関係を説明する記述を易しくするために、本明細書で使用され得る。空間的に相対的な用語は、図で示された方向に加えて、使用または運転されている装置の異なる方向を含むように意図され得ることが理解されるべきである。例えば、他の要素または特徴「の下（"below"）」または、「の下方（"beneath"）」と表現された要素は、図の中の装置が回転されられると、他の要素または特徴「の上（"above"）」と方向付けられるであろう。このように、例にした用語「の下（"below"）」は、上と下（"above and below"）の両方の方向を含み得る。装置は別の方向に（９０度、または他の方向に回転）されることがあり、本明細書で使用された空間的に相対的な表現は、それに従って解釈される。

さらに本明細書で使用された用語は、特定の実施形態例を説明する目的のためにのみ使用され、限定することを意図していない。本明細書で使用されるように、単数形の"a"、"an"、および"the"は、文脈によって明確にそうでないことが示されない限り、複数形も含むことが意図され得る。用語「備える（"comprises"）」および／または「備えている（"comprising"）」が本明細書で使用されるとき、記述した特徴、全体、ステップ、操作、構成要素、構成機器、等が存在することを規定するが、それらの１つまたは複数の他の特徴、全体、ステップ、操作、構成要素、構成機器、群、等の存在または追加を排除するものではない、ということがさらに理解されるべきである。

当業者はこれまでの説明から、ここで、本開示の広範な教示が種々の形で実施可能であることを認識できる。したがって、この開示はその特定の例に関連して説明されてきたが、図面、明細書、および請求項を研究することにより当業者には他の変形が明らかになるであろうから、開示の真の範囲はそれに限定されるべきでない。

本開示の種々の実施形態に従った、燃料棒、同位体生成ターゲット棒、タイプレート、スペーサグリッド、およびチャンネルを含む、複数の燃料バンドル集合体を例示する原子炉炉心の部分の斜視断面図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図１に示す原子炉炉心の部分に含まれる、例示的な燃料バンドル集合体の部分的分解断面図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図２に示す燃料バンドル集合体内に含まれ得る種々の同位体生成ターゲット棒を例示する図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図２に示す燃料バンドル集合体の複数セグメント同位体生成ターゲット棒内に含まれる同位体生成ターゲット棒セグメントの実施例を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図４に示す各同位体生成ターゲット棒内に含まれる中心体の実施例を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、核断面積の小さい媒体作られた所定の空間配置内の中心体のキャビティ内に位置決めされた複数の照射ターゲットを例示する、図５に示す中心体の実施例の縦方向断面図である。 本開示の種々の他の実施形態に従った、核断面積の小さい媒体で作られた所定の空間配置内の中心体のキャビティ内に位置決めされた複数の照射ターゲットを例示する、図５に示す中心体の実施例の縦方向断面図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図７に示す照射ターゲットレセプタクルの実施例を示す図である。 本開示の種々の他の実施形態に従った、図７に示す照射ターゲットレセプタクルの実施例を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図８および９に示す照射ターゲットレセプタクルの製作を示す図である。 本開示の種々の他の実施形態に従った、図８および９に示す照射ターゲットレセプタクルの製作を示す図である。 本開示のさらに他の実施形態に従った、図８および９に示す照射ターゲットレセプタクルの製作を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、少なくとも１つの端部に内部ねじ付き孔を有する、図８から１２に示す照射ターゲットレセプタクルの断面の実施例を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、２つまたはそれより多くの照射ターゲットペレットを保持するための十分な深さを有するように形成された照射ターゲットレセプタクルを含む、図８から１２に示す照射ターゲットレセプタクルの実施例を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、複数の照射ターゲットペレットを保持するために適した、それぞれのターゲットレセプタクルを貫通して延在する直径方向の孔を形成された照射ターゲットレセプタクルを含む、図８および９に示す照射ターゲットレセプタクルの実施例を示す図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図７に示す照射ターゲットレセプタクルの実施例を示す図である。 本開示の種々の他の実施形態に従った、図１４Ａに示す複数の照射ターゲットレセプタクルを含む、図５に示す中心体の実施例の縦方向の断面図である。 本開示の種々の実施形態に従った、二重収納構造を有する図５に示す中心体の実施例の縦方向の断面図である。 本開示の種々の実施形態に従った、図１５Ａに示す中心体の実施例の半径方向の断面図である。

符号の説明

１０ 原子炉炉心
１４Ａ 燃料バンドル
１４Ｂ 燃料バンドル
１４Ｃ 燃料バンドル
１４Ｄ 燃料バンドル
１８ 燃料棒
２０ 同位体生成ターゲット棒
２０Ａ 同位体生成ターゲット棒
２０Ｂ 同位体生成ターゲット棒
２０Ｃ 同位体生成ターゲット棒
２２ チャンネル
２６ 上部タイプレート
３０ 下部タイプレート
３４ スペーサグリッド
３８ ウオータロッド
４０ 中心体
４２ 上部エンドキャップ
４６ 下部エンドキャップ
５０ 同位体生成ターゲット棒セグメント
５４ 遠位端
５８ 雄コネクタ
６２ 雌レセプタクル
６４ 雌レセプタクル内部孔
６５ 中心体外胴
６６ 中心体の内部キャビティ
７０ 照射ターゲット
７４ 分離媒体
７８ 照射ターゲットディスク
８２ 分離媒体スペーサ
８６ 間隙空間
９０ 照射ターゲットペレット
９４ リザーバ
９８ ターゲットレセプタクル
１０２ ターゲットレセプタクルの終端部
１０６ 間隙空間
１１０ ターゲットレセプタクル中実体
１１４ ターゲットレセプタクル管状体
１１６ 縦方向中心キャビティ
１１８ ターゲットレセプタクル管状スリーブ
１２０ 中実コア
１２２ 穴
１２６ ねじ付き孔
１３０ 軸方向端部
１３４ 照射ターゲットキャニスタ
１３８ ターゲットキャニスタ外胴
１４２ ターゲットキャニスタ内部キャビティ
１４６ 間隙空間
１５０ スペーサ

Claims (10)

1. 発電用原子炉炉心（１０）のための同位体生成ターゲット棒（２０）であって、
   内部キャビティ（６６）を画成する外胴（６５）を含む少なくとも１つの棒の中心体（４０）と、
   前記内部キャビティ（６６）内の複数の照射ターゲット（７０）であって、核断面積の小さい分離媒体（７４）を使用して１つの空間的な配置に位置決めされ、前記空間的配置を維持する照射ターゲット（７０）と、
   を備える同位体生成ターゲット棒（２０）。
2. 各それぞれの棒の中心体（４０）の前記内部キャビティ（６６）内の前記照射ターゲットキャニスタ（１３４）をさらに備え、
   前記照射ターゲット（７０）がそれぞれの前記照射ターゲットキャニスタ（１３４）内で前記空間的な配置に位置決めされたことを特徴とする請求項１記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
3. 照射ターゲット（７８）を前記空間的な配置に位置決めするように、前記分離媒体が隣接する各前記照射ターゲット（７８）の間に位置決めされた複数の照射ターゲットスペーサ（８２）を備えることを特徴とする請求項１記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
4. 前記照射ターゲットスペーサ（８２）が、ジルコニウムおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つで製作されたことを特徴とする請求項３記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
5. 前記分離媒体（７４）が、各それぞれの棒の中心体（４０）の前記内部キャビティ（６６）内に少なくとも１つの照射ターゲットレセプタクル（９８）を備え、
   各照射ターゲットレセプタクル（９８）が、各照射ターゲットレセプタクル（９８）の外面の少なくとも一部分内に、１つのパターンで複数のターゲットリザーバ（９４）を含んでいることを特徴とする請求項１記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
6. 各ターゲットリザーバ（９４）が単一の照射ターゲット（９０）を保持するような寸法とされたことを特徴とする請求項５記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
7. 各照射ターゲットレセプタクル（９８）が、ジルコニウムおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つで製作されたことを特徴とする請求項５記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
8. 各照射ターゲットレセプタクル（９８）が中実体（１１０）を備え、
   各ターゲットリザーバ（９４）が隣接する各ターゲットリザーバ（９４）から実質的に等しい距離にあるように、前記中実体（１１０）外面の軸方向の両側の端部の間で、前記ターゲットリザーバ（９４）が前記中実体（１１０）の外面周りに等しく離隔されたことを特徴とする請求項５の同位体生成ターゲット棒（２０）。
9. 各照射ターゲットレセプタクル（９８）が、前記パターンで管状体（１１４）の外面周りに等しく離隔された前記ターゲットリザーバ（９４）を有する前記管状体（１１４）を備えることを特徴とする請求項５記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。
10. 各照射ターゲットレセプタクル（９８）が、
    前記パターンで中に複数の孔（１２２）を有する穿孔された管状スリーブ（１１８）と、
    前記スリーブ（１１８）内に嵌合された中実コア（１２０）とを備えることを特徴とする請求項５記載の同位体生成ターゲット棒（２０）。

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