JP2017519986A - 標的同位体製造装置 - Google Patents

Abstract

商用原子力発電施設の可動型炉内検出器を使用して、ユーザが指定した標的物質を所望の同位体に変換するシステムおよび方法。この変換プロセスを遠隔操作で行うことにより、さらなる処理のための搬出が可能な遮蔽された最終製品が得られる。【選択図】図３

Description

本発明は概して医療用およびその他の営利事業向けの放射性同位体の製造に関し、具体的には、商用原子力発電所の炉心を利用した標的同位体の製造に関する。

熱中性子による放射性同位体製造装置（ＲＴＧ）のような、医療用およびその他の営利事業向けの放射性同位体の商業生産は、商業規模の有用な同位体の生産に必要な中性子源基幹設備の開発コストが非常に高いという制約のあるプロセスである。このため、こうした放射性同位体の役に立つ用途への使用は非常に高いコストを伴い、ごく限られた数の利用可能な同位体製造施設に実際起こる一時的停止またはその恐れによる供給とコストの極端な変動の影響を受け易い。この状況に伴う人的コストとして、多くの人が、放射性同位体による多数の利用可能な診断・治療装置を用いた医療の恩恵を受けるための費用を賄えない、ということがある。

したがって、標的物質の所定含有量を有する同位体への変換に必要な中性子源として商用原子炉の炉心を利用することにより、医療用またはその他の営利事業用としてのユーザによる取扱いが可能な放射性同位体の製造およびパッケージ化を可能にする、より安価な装置およびプロセスが望まれる。上記の目的は、世界中の多くの人々の生活の質を高める上で必要な放射性同位体の製造能力を大幅に高めるものであり、それにより、医療用およびその他の商業的利用によって恩恵を受けられる人が増えるはずである。

上記およびその他の目的は、原子炉炉心内の温度または中性子束をマッピングするために従来より使用されている可動型炉内検出器システムを利用した標的同位体製造装置によって達成される。炉内検出器システムは、第１の複数通路直線移送装置の入力部に接続された検出器駆動アセンブリを有し、当該第１の複数通路直線移送装置は、命令を受けると検出器を受け取って第２の複数通路直線移送装置へ送り込む。当該第２の複数通路直線移送装置は、当該検出器を、選択された半径方向炉心位置へ所望の通路を通って移動させる。当該第２の複数通路直線移送装置は、命令を受けると、当該検出器を保管用導管を介して別の保管位置へ移動させるように代わる代わる動作可能である。本発明の標的同位体製造装置は、当該第１の複数通路直線移送装置の入力部に接続された標的物質容器駆動アセンブリを含む。当該炉内検出器システムに追加される第３の複数通路直線移送装置は、入力部が当該保管用導管に接続され、命令を受けると当該保管用導管を当該第３の複数通路直線移送装置の少なくとも２つの出口のうちの１つに接続するように動作可能である。当該２つの出口のうち第１の出口が当該別の保管位置に接続され、当該第３の複数通路直線移送装置の当該２つの出口のうち第２の出口には標的物質貯留容器が接続される。好ましくは、当該標的物質貯留容器は、当該第２の出口に接続するための急速着脱式連結部を有し、当該標的物質容器駆動アセンブリは、当該標的物質が取り付けられたケーブル駆動システムである。好ましい一実施態様において、当該標的物質容器駆動アセンブリは遠隔操作され、当該標的物質貯留容器は遮蔽されている。

本発明はまた、かかる可動型炉内検出器システムを有する原子炉で標的同位体を製造する方法を企図している。標的同位体を製造するこの方法は、当該標的同位体を得るために照射される標的物質を標的物質容器駆動アセンブリ内に挿入し、当該標的物質容器を、当該第１の複数通路直線移送装置および当該第２の複数通路直線移送装置を介して、当該炉心内の事前に選択された半径方向位置へ移動させる。当該標的物質容器は、当該炉心内の半径方向位置に所定時間保持された後、当該炉心から後退させられる。当該標的物質容器はその後第３の複数通路直線移送装置を介して貯留容器内へ駆動される。当該貯留容器は、適当な目的地に輸送するために当該標的物質容器駆動システムから切り離すことができる。

本発明はさらに、原子炉の可動型炉内検出器システムを、標的同位体を製造できるシステムに転換する方法を企図している。当該方法は、標的物質容器駆動アセンブリを第１の複数通路直線移送装置の入力部に接続するステップと、第３の複数通路直線移送装置を保管用導管に接続するステップとを含む。当該方法はさらに、当該第３の複数通路移送装置の出力部を、当該標的物質から変換された当該標的同位体を貯留するように構成された貯留容器の着脱式連結部に接続する。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明による標的同位体の製造が可能な基本的な中性子束マッピングシステムの部分断面概略立面図である。

典型的な可動型炉内検出器システムの重要な構成要素の概略図である。

典型的な可動型炉内検出器システムを標的物質を受け容れて当該物質から標的同位体が製造されるように切換えるために、本発明に基づいて５通路移送装置の入力部に施すことができる設計変更を示す概略図である。

本発明の一実施態様を実装するために、典型的な可動型炉内検出器の保管用通路の案内管に施すことができる設計変更を示す概略図である。

照射済標的物質を格納できる遮蔽貯留容器の一実施態様のそれぞれ側面図および正面図である。

稼働中の商用原子炉の多くは、原子炉運転中に定期的に可動型原子炉センサを炉心内部にアクセスさせることにより、炉心内の様々な軸方向および半径方向位置における中性子束および／または核分裂ガンマ線の線量分布を測定する設計上の特徴を備えている。これらの測定は、センサの原子炉への挿入および引き抜き操作を遠隔制御できるシステムを用いて行われる。センサは炉心内で操作されると高い放射能を帯びるので、当該システムを遠隔操作する必要がある。このようにセンサは高い放射能を帯びるため、当該システムは、使用の合間にセンサを保管できる場所を用意することにより、保守の際に当該システムの他の構成要素へのアクセスが制限されないようにする設計になっている。この既存の基幹設備は、炉心内のユーザが指定した位置で所定時間貯留されると所望濃度の放射性同位体に変換される標的物質のパッケージの挿入および取り出しに使用することができる。次に、当該システムを使用して標的放射性同位体のパッケージを取り出し、放射性パッケージの輸送に適した貯留装置に挿入し、輸送先の施設で当該パッケージから所望の同位体を抽出することができる。

そのような可動型炉内検出器システムは、米国特許第３，９３２，２１１号および第４，２５５，２３４号に記述されており、図１に略示されている。基本的な可動型炉内検出器システムは、プラントの大きさ（２、３または４ループ）に応じて４つ、５つまたは６つの検出器／駆動アセンブリから成り、それらのアセンブリは、炉内中性子束シンブルの様々な組み合わせにアクセスできる形式で相互接続されている。シンブルの相互接続が可能なように、各検出器は、５通路および１０通路の回転式機械移送装置と協働する。炉心マップは、検出器が内部で駆動される特定のシンブルを移送装置が選択することにより作成される。マッピング時間が最小になるよう、各検出器は、後退位置から炉心直下の位置まで高速（毎分７２フィート）で移動させることができる。検出器は、速度が後者の位置で毎分１２フィートに低下した後、炉心最上部へ移動し、そこで方向反転して、炉心最下部へ移動する。その後、検出器は速度を毎分７２フィートまで上昇させ、後退位置（保管位置）へ戻る。移送装置を回転させて新しい中性子束シンブルを選択し、上記の手順を繰り返すことにより、マッピングが行われる。

図１は、小型の可動型検出器を挿入するための基本的なシステムを示す。小型検出器１２が内部で駆動される引き抜き自在のシンブル１０は、概ね図示のような経路をとる。シンブルは、原子炉容器１６の底部からコンクリート遮蔽領域１８を通って上方へシンブルシール台２０まで延びる導管を介して、原子炉の炉心１４に挿入される。可動型検出器のシンブルは先端（原子炉側）が閉じているので、内部は乾燥している。シンブルは、原子炉の水圧（設計値２５００ｐｓｉｇ）と大気圧との間の圧力障壁として機能しなければならない。引き抜き自在のシンブルと導管との間のメカニカルシールが、シール台２０に設けられる。導管２２は本質的に原子炉容器１６の延長部であり、シンブルが小型の可動型炉内計装検出器の挿入を可能にする。シンブル１０は、運転中は不動状態にあり、引き抜きは燃料交換時または保全作業時の減圧条件下でのみ行われる。容器内部構造物について作業が必要な場合は、シンブルを原子炉容器の底部まで引き抜くことができる。小型検出器を挿入するための駆動装置は、図示のように基本的に、駆動装置２４と、リミットスイッチ集合体２６と、回転式５通路移送装置２８と、回転式１０通路移送装置３０と、隔離弁３２とを備える。

各駆動装置は、先端に小型検出器が取り付けられた中空の螺旋ラップ駆動ケーブルを炉心内へ押し込む。当該検出器の出力を伝達する小径同軸ケーブルが当該螺旋ラップ駆動ケーブルの後端まで当該駆動ケーブルの中空内部の中心を通っている。図２に示すのは、典型的な可動型炉内検出器システムのハードウェア３４の概略図である。螺旋ラップ駆動ケーブル３８を貯留する貯留ホイール３６は、駆動モータ４２によって順方向または逆方向に回転する駆動ホイール４０に当該ケーブルを送る。螺旋ラップ駆動ケーブル３８は、回転式５通路移送装置（直線移送装置）２８を貫通し、当該５通路移送装置に配管４４によりＹ字ユニット４６を介して相互接続された回転式１０通路移送装置３０を通って延びている。螺旋駆動ケーブル３８は、１０通路回転式移送装置３０から、隔離弁３２およびシール台２０上の高圧シール４８を介して、図１に示す選択された引き抜き自在シンブル１０へ延びている。各検出器につき個別の駆動装置２４が設けられている。回転式５通路移送装置２８および回転式１０通路移送装置３０の回転により、各検出器が、全て公知の態様で、炉心内の選択された引き抜き自在シンブルに差し向けられる。

標的物質のパッケージの挿入および取り出しが可能なこの既存の基幹設備３４を用いることにより、当該標的物質は、炉心内のユーザが指定した位置で所定時間が経過する間に、所望濃度の放射性同位体に変換される。その後、当該システムを用いて標的放射性同位体パッケージを取り出し、当該パッケージを放射性パッケージの輸送に適した貯留装置内に挿入することができ、輸送先の施設では当該パッケージから所望の同位体が抽出される。操作員が定めた標的物質が原子炉内の所与の位置で目標とする同位体濃度に到達するために必要な照射時間は、当業者であれば多数の様々な市販の計算コードの機能を用いて求めることが可能であり、そのようなコードの１つとして、ペンシルベニア州クランベリー郡区に所在のウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーＬＬＣが提供するアルファ・フェニックスＡＮＣ（ＡＰＡ）核設計コードパッケージがある。

商用原子炉内で標的物質の入った容器を所定時間照射するシステムの好ましい実施態様は、既存の可動型炉内検出器のシンブル内で当該容器の挿入および引き抜きを駆動ケーブルにより遠隔操作できるシステムにおいて実現可能である。照射済の標的物質は次に、当該システムの機能により遮蔽貯留空間内に挿入される。当該空間は、放射性同位体物質の安全な輸送に使用可能な容器としても機能し、当該物質は、輸送先の施設において当該容器から容易に取り出し、処理して所望の放射性同位体を抽出することができる。一部の同位体については、軸方向の中性子束が炉心の半径方向および軸方向にわたって変化することを利用して、標的物質を炉心内の軸方向または半径方向のそれぞれ異なる位置に２回以上挿入するのが望ましい場合がある。

当該システムの好ましい実施態様において、ケーブル駆動機構２４は、標的物質の容器を１つ以上の可動型炉内検出器駆動装置に対応する１つ以上の既存の５通路炉心位置選択装置２８およびその関連の１０通路炉心位置選択装置３０を介して遠隔制御により挿入できるようにするために、既存の可動型炉内検出器ケーブル駆動機構の近傍に恒久的または一時的に据え付けられる。図３は、追加の標的物質容器挿入および取り出し用導管５２がＹ字ユニット４６に接続された、既存の５通路移送装置２８の入力部に対する設計変更を示す。当該Ｙ字ユニットは、検出器用導管５０と、標的物質容器挿入および取り出し用導管５２とを５通路移送装置２８の入力部６０に接続する。位置選択装置５８は、遠隔制御により、標的物質容器用導管５２を１０通路移送装置３０へ送るための１０通路挿入／引き抜き用導管５４へ接続するか、または可動型炉内検出器保管／照射済標的物質容器挿入用導管５６へ接続する。

可動型炉内検出器システムの変更はさらに、既存のシンブルが生体遮蔽構造物に入るすぐ手前の関連する５通路保管位置案内シンブル５６の設計変更、すなわち、生体遮蔽構造物から、照射済標的物質の手作業による取り扱いおよび局所的な輸送を可能にする一時的に据え付けられた照射済標的物質貯留容器内までの通路の設計変更である。かかる容器の１つを、図５Ａおよび５Ｂを参照して後述する。この通路選択装置の好ましい実施態様は、図４に例示する、遠隔制御型回転式Ｓコネクタ管の形態をとる。このＳコネクタ管は、挿入された駆動ケーブルに取り付けられた装置を、可動型炉内検出器センサの通常の保管位置へ、または照射済標的物質貯留容器内へ移送する。この操作における通路選択装置６４は、５通路および１０通路移送装置（２８および３０）に類似し、回転式位置選択装置の制御部７０の制御下で、既存の保管位置案内導管５６を、従来の保管用案内通路６６または照射済標的物質容器挿入用導管６８に接続する。

図５Ａに示すように、駆動ケーブル３８と標的物質容器７２の接合部には螺合部があり、照射済物質が入った容器アセンブリ８０を駆動ケーブルから切り離す（ねじを外す）と駆動ケーブルの再利用が可能となる。雄ねじおよび雌ねじを、それぞれ参照符号７４および７６で表している。照射済標的物質容器７２を貯留するサンプル遮蔽容器７８は、標的物質容器ケーブルアセンブリ８０を駆動ケーブル３８から現場で手作業により切り離せるように構成されており、当該サンプル遮蔽容器の現場での取り扱いが可能であるため、照射済標的物質を照射済標的物質処理施設へ搬出するための、原子炉格納容器建屋の外に配置された別の容器に移すことができる。図５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、貯留容器７８の側面図および正面図である。

今日の放射性同位体市場において、標的物質は、建設費が優に４億ドル程度の研究炉で照射される。研究炉の数は限られており、米国にある研究炉はいずれも商用施設ではないため、それらの同位体は主に教育および研究の用途に供されている。照射済のサンプルは処理センターに送られ、そこで化学分離により同位体が医療用として患者に使用される最終的な形態に変えられる。研究炉は大学および／または政府が所有しているが、利用者は標的１つ当たり年間１０万ドル程度の特別料金を課される。本発明は、商用原子炉内での放射性同位体の製造を可能にするものである。原子力発電施設の原子炉内には多量の余剰中性子束およびガンマ線束があり、発電に悪影響を与えることなく放射性同位体の製造に利用できる。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (8)

1. 原子炉（１６）の炉心（１４）内の温度または中性子束マッピング用可動型炉内検出器システム（３４）を用いる標的同位体製造装置であって、当該炉内検出器システムは第１の複数通路直線移送装置（２８）を有し、当該第１の複数通路直線移送装置は、命令を受けると検出器（１２）を受け取って、第２の複数通路直線移送装置（３０）へ送り込み、当該第２の複数通路直線移送装置は、当該検出器を選択された半径方向炉心位置へ所望の通路を通って移動させ、命令を受けると当該検出器を保管用導管（５６）を介して別の保管位置（６６）へ移動させるよう代わる代わる動作可能であることを特徴とし、当該標的同位体製造装置は、
   当該第１の複数通路直線移送装置（２８）の入力部（６０）に接続された標的物質容器（７２）駆動アセンブリ（２４）と、
   入力部が当該保管用導管（５６）に接続された第３の複数通路直線移送装置（６４）であって、命令を受けると当該保管用導管を当該第３の複数通路直線移送装置の少なくとも２つの出口のうちの１つに接続するよう動作可能であり、当該２つの出口のうち第１の出口は当該別の保管位置（６６）および第２の出口（６８）に接続されていることを特徴とする第３の複数通路直線移送装置とから成り、
   当該第３の複数通路直線移送装置（６４）の当該２つの出口（６８）のうち第２の出口に標的物質貯留容器（７２）が接続されていること
   を特徴とする標的同位体製造装置。
2. 前記標的物質貯留容器（７２）が前記第２の出口に接続するための急速着脱式連結部（７４、７６）を有する、請求項１の標的同位体製造装置。
3. 前記標的物質容器駆動アセンブリ（２４）が、前記標的物質（７２）が取り付けられたケーブル駆動システムである、請求項１の標的同位体製造装置。
4. 前記標的物質容器駆動アセンブリ（２４）が遠隔操作可能である、請求項３の標的同位体製造装置。
5. 前記標的物質貯留容器（７２）が遮蔽されている、請求項１の標的同位体製造装置。
6. 炉心内の温度または中性子束マッピング用可動型炉内検出器システム（３４）を有する原子炉（１６）で標的同位体を製造する方法であって、当該炉内検出器システムは第１の複数通路直線移送装置（２８）を有し、当該第１の複数通路直線移送装置は、命令を受けると検出器（１２）を受け取って、第２の複数通路直線移送装置（３０）へ送り込み、当該第２の複数通路直線移送装置は、当該検出器を選択された半径方向炉心位置へ所望の通路を通って移動させ、命令を受けると当該検出器を保管用導管（５６）を介して別の保管位置（６６）へ移動させるよう代わる代わる動作可能であることを特徴とし、当該方法は、
   当該標的同位体を得るために照射される標的物質（７２）を標的物質容器駆動アセンブリ（２４）内に挿入し、
   当該標的物質容器（７２）を、当該第１の複数通路直線移送装置（２８）および当該第２の複数通路直線移送装置（３０）を介して、当該炉心（１４）内の事前に選択した半径方向位置へ駆動し、
   当該標的物質容器（７２）を当該炉心（１４）内の当該半径方向位置に所定時間の間保持し、
   当該所定時間が経過すると当該標的物質容器（７２）を当該炉心（１４）から後退させ、
   当該標的物質容器（７２）を第３の複数通路直線移送装置（６４）を介して貯留容器（７８）内へ駆動し、
   当該標的物質（７２）を当該標的物質容器駆動システム（２４）から切り離す
   ことから成る方法。
7. 請求項６の方法であって、前記標的物質容器（７２）を前記炉心（１４）内の前記半径方向位置に所定時間の間保持するステップの後に、前記標的物質容器を前記炉心から後退させ、前記標的物質容器を前記炉心内の異なる半径方向または軸方向位置に再挿入して第２の事前に選択した時間にわたり保持するステップを含む方法。
8. 原子炉（１６）の炉心内の温度または中性子束マッピング用可動型炉内検出器システム（３４）を標的同位体を製造できる装置に転換する方法であって、当該炉内検出器システムは第１の複数通路直線移送装置（２８）を有し、当該第１の複数通路直線移送装置は、命令を受けると検出器（１２）を受け取って、第２の複数通路直線移送装置（３０）へ送り込み、当該第２の複数通路直線移送装置は、当該検出器を選択された半径方向炉心位置へ所望の通路を通って移動させ、命令を受けると当該検出器を保管用導管（５６）を介して別の保管位置（６６）へ移動させるよう代わる代わる動作可能であることを特徴とし、当該方法は、
   当該第１の複数通路直線移送装置（２８）の入力部に標的物質容器駆動アセンブリ（２４）を接続し、
   当該保管用導管（５６）に第３の複数通路直線移送装置（６４）を接続し、
   当該第３の複数通路移送装置（６４）の出力部を、当該標的物質から変換された標的同位体を貯留するように構成された貯留容器（７８）の着脱式連結部（７４、７６）に接続する
   ことから成る方法。