JP2022553924A

JP2022553924A - モジュール式放射性同位体生成カプセルおよび関連方法

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Publication number: JP2022553924A
Application number: JP2022522331A
Authority: JP
Inventors: ディ．ヘイベルマイケル
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2040-10-14
Also published as: EP4535371A2; KR20220076477A; CN114556491A; TW202129659A; US20240105354A1; WO2021076673A1; CA3154972A1; JP7626762B2; EP4046172A1; EP4046172B1; EP4535371A3; TWI769552B

Abstract

放射性同位体生成カプセルが説明される。各カプセルは、概して、標的材料および中性子減速材のいずれか一方を収容するための内側容器と、内側容器によって収容されない標的材料および中性子減速材のいずれか一方を収容するための、内側容器を取り囲む外側容器と、中性子減速材から標的材料を隔離するためのクラッディングと、を含む。１つ以上のモジュール式カプセルは、複数のプラグフィンガの各々に配置される。１つ以上のカプセルが装填された各単一のプラグフィンガは、燃料アセンブリ内のガイドシンブルのアレイのうちのガイドシンブルに挿入される。
【選択図】図２Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１０月１４日出願の「ＭＯＤＵＬＡＲＲＡＤＩＯＩＳＯＴＯＰＥＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮＣＡＰＳＵＬＥＳ」と題された米国特許仮出願第６２／９１４，６６１号の利益を主張する。その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

１．技術分野
本開示は、放射性同位体に関し、より具体的には、原子力発電中の放射性同位体を捕獲するためのデバイスに関する。

２．背景技術の説明
放射性同位元素、または放射性同位体は、放射性元素によって放射されるガンマ線が腫瘍を検出するために使用される医学などの様々な産業、特定の細菌を殺すためにガンマ線への曝露によって食品が時々照射される食品産業、農業、害虫制御、および放射性炭素年代測定が炭素１４を使用して炭素含有物の年代を測定する考古学において、商業的に使用される。放射性同位体は、非常に不安定で崩壊し易く、アルファ線、ベータ線、およびガンマ線の形態の放射線を放射する。放射性同位体のクラスは、典型的な原子力発電所の運転の副産物として生成される。

Ｃｏ－６０、Ａｃ－２２５、およびＷ－１８８などの商業的に価値のある放射性同位体の生成は、原子炉コア内に配置された標的材料による少なくとも１つの中性子の捕獲を必要とする。Ｃｏｂａｌｔ－６０（Ｃｏ－６０）は、例えば、放射線療法、機器の滅菌、および食品照射に使用され得る、高エネルギーガンマ線を生成する。Ｃｏ－６０は、原子炉で人工的に生成されるコバルトの合成放射性同位体である。意図的な工業的生成は、モノアイソトピックおよび単核種コバルト同位体Ｃｏ－５９のバルク試料の中性子活性化に依存する。アクチニウム－２２５（Ａｃ－２２５）は、トリウム－２２９の崩壊によって生成される。Ａｃ－２２５は、悪性腫瘍の治療のための核医学で使用され得る。タングステン－１８８（Ｗ－１８８）は、熱および高エネルギー中性子による酸化タングステンの照射によって、原子炉で生成される。Ｗ－１８８は、核医学、腫瘍学、放射線学、および心臓学における様々な治療用途に有用性を示した、高エネルギーのβ放出放射性同位体である、レニウム－１８８（Ｒｅ－１８８）を生成するために使用される。

所望の放射性同位体の生成速度は、標的材料（例えば、Ｃｏ－５９、トリウム－２２９など）を取り囲む中性子の数およびエネルギースペクトル、ならびに標的材料がエネルギー範囲内で中性子を捕獲する確率に依存する。この現象の例は、中性子エネルギーの関数として図１に示される、Ｃｏ－５９に対する中性子「捕獲断面」測定によって、明らかにされる。中性子捕獲断面は、０．０２５ｅＶで約５０ｂａｒｎ（ｂ）であるように示されている。中性子捕獲断面は、約１０７ｅＶの中性子エネルギーに存在する捕獲共鳴で劇的に増加し、それは、約７０００ｂまで増加する。Ｕ－２３５核分裂において、最も可能性の高い中性子エネルギーは、０．７３ＭｅＶである。理想的には、Ｃｏ－６０が生成される速度を最大化するために、１０４ｅＶ以下の中性子の数が最大化されることを必要とする。これは、発生する核分裂の数を単純に増加させることによって行われ得る。これは、燃料中に存在するＵ－２３５の量を増加させることによって達成され得る。しかしながら、そのアプローチの経済的コストは、生産される放射性同位体のコストを顕著に増加させる。

別の方法は、核分裂速度を増加させることを必要とせずに、標的材料を取り囲む１０７ｅＶの中性子の量を増加させることである。これは、標的材料を、高い中性子不活性を有する最適な量の中性子エネルギー減速材料で取り囲み、標的のエリアから拡散する前に、Ｃｏ－５９標的によって通常捕獲されないであろう、より高いエネルギーを有するより多くの中性子を減速させることによって達成され得る。これは、所望のエネルギー範囲内にある核分裂中性子の数を効果的に増加させて、標的材料における中性子捕獲を最大化する。Ｃｏ－６０標的を取り囲む水の量および分布を最適化することは、標的の周囲の平均中性子エネルギースペクトルが、Ｃｏ－６０産生速度を最大化するために制御されることを可能にすることになる。同じアプローチが、他の所望の放射性同位体の産生速度を増加させるために使用され得る。

照射標的の周囲の核分裂中性子エネルギースペクトルの所望のシフトを達成する１つのやり方は、水などの中性子エネルギー減速材、または低中性子捕獲断面および高中性子散乱断面を有する他の材料の量を、標的と核分裂によって生成される中性子との間で変化させることである。水減速材の水素は、高エネルギーの中性子を減速させるのに非常に効果的であるが、照射標的材料と全く相互作用することができないため、それらを捕獲しない。照射標的を取り囲む水の量を調整することは、照射標的の幾何学的形状を制御することによって、水冷却および減速された原子炉コア内で達成され得る。小さい中性子捕獲断面を有する低原子数金属物質（例えば、ジルコニウム、ニッケル、グラファイト）などの水以外の材料もまた、標的材料中の中性子捕獲を増加させるために使用され得る。

Ｃｏ－６０の生成のためのＣｏ－５９のロッド形状スラグを含有する、シンブルフロープラグまたは熱硬化性吸収体ロッドと同様の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）燃料アセンブリインサートの使用が、商業的に価値のある量のＣｏ－６０を生成するために使用され得ることが、当業者によって実施された計算によって示されている。しかしながら、所望の照射期間の終了時に照射された材料におけるＣｏ－６０の現在の照射標的形状のＣｉ／ｃｍ^３および単位長さ当たりのＣｉにおける予測される比活性（ＳＡ）は、現在の適用実践に有用な経済的に有利な生成を支援するために必要とされるよりも少ない。

以下の概要は、開示された実施形態に特有の革新的な特徴の一部の理解を容易にするために提供され、完全な説明であることを意図していない。実施形態の様々な態様の完全な理解は、明細書、特許請求の範囲、要約および図面の全てを、全体としてとらえることによって得ることができる。

本明細書では、放射性同位体生成の経済性に利益をもたらすことを意図して、ＰＷＲ燃料アセンブリなどの従来の原子炉に存在するガイドシンブル内に収まるように設計された照射標的から最大量の所望の放射性同位体を生成するためのデバイスおよび方法が説明される。

この目的のために使用される放射性同位体生成カプセルは、標的材料および中性子減速材のいずれか一方収容するための内側容器と、内側容器によって収容されない標的材料および中性子減速材のいずれか一方を収容するための、内側容器を取り囲む外側容器と、中性子減速材から標的材料を隔離するためのクラッディングと、を含み得る。中性子減速材は、様々な態様では、水などの冷却剤であり得る。

様々な態様では、内側容器は、クラッディング材料の内壁によって画定されている。様々な態様では、外側容器は、クラッディング材料の外壁とクラッディング材料の内壁との間に画定されている。カプセルはまた、原子炉の燃料アセンブリの挿入コンポーネント内に隣接するカプセルを軸方向に接合するための係止部材を含み得る。係止部材は、様々な態様では、外側容器上に装着され得る。特定の態様では、係止部材は、クイックディスコネクト係止部材であり得る。

カプセルはまた、内側容器を外側容器内の所望の位置に保持するための支持部材を含み得る。支持部材は、外側容器を形成するクラッディング材料の外壁から、内側容器を画定するクラッディング材料の内壁まで延在する支柱であり得る。支柱は、好ましくは、原子炉内の温度で膨張して、外側容器の外壁と内側容器の内壁との間の支柱に対して圧入を提供する材料であって、原子炉内の温度より低い温度まで冷却されるときに収縮する、材料から作製されている。

内側容器は、様々な態様では、円筒体であり、外側容器は、内側容器の軸と同心の環状円筒体である。特定の態様では、内側円筒体は、中性子減速材を保持し、環状円筒体は、照射のための標的材料を保持する。内側円筒体は、照射用の標的材料を保持し、環状円筒体は、中性子減速材を保持する。

所望の放射性同位体を生成するための方法が本明細書に説明されている。方法は、少なくとも１つのカプセルを提供することであって、各カプセルは、内側容器と、内側容器を取り囲む外側容器と、内側容器を外側容器から隔離するクラッディング材料と、を有する、提供することと、照射時に所望の放射性同位体を生成する標的材料を、内側容器または外側容器のいずれか一方に挿入することと、標的材料をクラッディング材料で取り囲んで、カプセル内の標的材料を隔離することと、標的材料が挿入されていない残りの内側容器または外側容器のいずれか一方に中性子減速材を挿入することと、標的材料および中性子減速材が充填された内側容器および外側容器を有する少なくとも１つのカプセルを、核燃料アセンブリの挿入コンポーネントに挿入することと、標的材料から放射性同位体を形成するために標的材料を照射することと、挿入コンポーネントからカプセルを取り外すことと、を含む。

本明細書に説明されるモジュール式放射性同位体生成カプセルは、中性子エネルギースペクトルが、モジュール外包に含まれる全活性を調整する能力を伴って、標的捕獲断面および最小原子炉燃料アセンブリ反応性低減のために最適化されることを可能にする。

本開示の特徴および利点は、添付図面を参照することによってより理解することができる。

中性子エネルギーの関数としてのＣｏ－５９の中性子捕獲断面のグラフ（ＢＮＬ－３２５）の画像である。例示的なガイドシンブルのグループを示す（Ａ）。ガイドシンブルが燃料アセンブリ内に位置決めされたときのガイドシンブルの上面断面概略図を示す（Ｂ）。（Ｃ）ガイドシンブルにおける挿入のためのシンブルプラグフィンガおよび放射性同位体生成カプセルの概略的例示を例示する。外側環状標的材料配置を有する例示的なモジュール式放射性同位体生成カプセルの概略的な上面断面図である。外側環状標的材料配置を有する例示的なモジュール式放射性同位体生成カプセルの概略的な側面断面図である。中央に配置された標的材料を有する例示的なモジュール式放射性同位体生成カプセルの概略的な上面断面図である。中央に配置された標的材料を有する例示的なモジュール式放射性同位体生成カプセルの概略的な側面断面図である。図３のカプセルの減速材が充填されたコアに挿入されている、図４に示されるカプセルの標的材料の概略的例示である。

本明細書で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数形の参照を含む。

例えば、限定されないが、最上部、最下部、左、右、下方、上方、前、後、およびそれらの変形など、本明細書で使用される方向表現は、添付図面に示される要素の配向に関連し、別段の明示的な記載がない限り、特許請求の範囲を限定するものではない。

特許請求の範囲を含む本出願では、別段の記載がない限り、量、値、または特性を表す全ての数字は、全ての場合において、用語「約」によって修正されていると理解されるべきである。したがって、数字は、用語「約」が数字と共に明示的に表示されていなくても、単語「約」が前に付いているかのように読み取ることができる。したがって、反対に示されない限り、以下の説明に記載される任意の数値パラメータは、本開示による組成物および方法で取得しようとする所望の特性に応じて変化し得る。少なくとも、均等論の適用を特許請求の範囲に限定する試みとしてではなく、本説明に記載される各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効桁数に照らして、かつ通常の丸め技法を適用することによって、解釈されるべきである。

本明細書に列挙される任意の数値範囲は、その中に包含される全てのサブ範囲を含むことが意図される。例えば、「１～１０」の範囲は、列挙された最小値１と、列挙された最大値１０との間（ならびに最小値１および最大値１０を含む）の全てのサブ範囲、すなわち、最小値が１以上、および最大値が１０以下の全てのサブ範囲を含むことが意図されている。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、核燃料アセンブリ４６は、一般に、複数の燃料ロッド４８（明確化のために、少数のロッドのみが外周の周囲に示されているが、使用時には、ロッドが燃料アセンブリ空間の大部分を占めることになる）、およびガイドシンブル管３０のセットを含む。ガイドシンブル３０は、制御ロッドまたは原子炉（図示せず）内で使用される炉内計装を保持するために提供された空の管である。示されるように、各ガイドシンブル３０は、ネック３８、中間区分３２および先細端３４を含む。いくつかのガイドシンブル３０は、それ自体が燃料アセンブリ４６の上部コアプレート４２からの押さえばね４４によって懸架される、プレート４０から懸架される。図２Ｂに示される例示では、各燃料アセンブリ４６には、２５個のガイドシンブル３０が存在する。数は、原子炉のサイズなどの因子に応じて変動し得る。

図２Ｃは、ガイドシンブル３０内に収まるように寸法決めされた例示的なシンブルプラグフィンガ２６の断面図を例示する。プラグフィンガ２６は、外側シース３６、フィンガ２６の開放端を閉じるためのキャップ２８、および先細閉鎖端２４を含む。プラグフィンガ２６は、ガイドシンブル３０の内部に収まるように意図されており、そのため、フィンガ２６の外側寸法は、ガイドシンブル中間区分３０の内径以下になる。中間区分３２と先端３４との間の接合部、または中間区分３２およびネック部３８のいずれかが、プラグフィンガ２６の挿入のために開放され得る。

例示的な放射性同位体生成カプセル１００（図４参照）が、プラグフィンガ２６内に位置決めされて示されている。原子炉の運転中に燃料アセンブリガイドシンブル３０に挿入されたプラグフィンガ２６が存在しない場合、ガイドシンブル管は、中性子減速材、および中性子減速材を超える流量を伴う、水などの、ＰＷＲ内で使用される冷却剤で充填されることになり、冷却剤は、燃料アセンブリ４６内に含まれる燃料ロッド４８を通って流れる。プラグフィンガ２６は、この流れを遮断し、結果として燃料ロッド４８間の中性子減速材および冷却剤の流れを増加させる。プラグフィンガ２６内に照射標的材料を含めることは、プラグフィンガ２６が、それらの意図された機能を果たすこと、および所望の放射性同位体を生成することの両方を行うことを可能にする。

当業者は、プラグフィンガ２６および放射性同位体生成カプセル１０、１００の様々な異なる幾何学的形状が使用され得ることを理解することになるが、従来の燃料アセンブリガイドシンブル３０と同じ幾何学的形状を使用することは、燃料アセンブリの機械的設計にいかなる修正を行う必要性も回避する。このアプローチは、商業用軽水炉（ＬＷＲ）設計において放射性同位体生成を実装することと関連付けられたコストを大幅に低減する。

図３Ａおよび図３Ｂは、プラグフィンガ２６内の挿入のためのモジュール式放射性同位体カプセル１０の例示的な実施形態を例示する。示される各カプセル１０は、内側クラッディング１６によって画定される内側円筒体５２などの内側容器を含む。内側円筒体は、この実施形態では、中性子減速材１４、および様々な態様では、水である、冷却剤を収容する。内側円筒体５２を取り囲むものは、内側クラッディング１６と外側クラッディング１８との間に画定される外側環状円筒体５４などの外側容器である。様々な態様では、内側円筒体５２は、その軸が外側環状円筒体５４の軸と同心であるように位置決めされる。環状円筒体５４は、この実施形態では、原子力発電サイクル中に照射される標的材料１２を保持する。標的材料１２は、生成される所望の放射性同位体に応じて変動することになり、所望の放射性同位体の生成のための適切な標的材料が選択され得る。標的材料１２は、限定されるものではないが、固体ブロック、粉末、ペレット、球、または液体を含む、任意の好適な形態であり得る。中性子減速材および冷却剤を保持する、この実施形態の内側容器の上および下端は、開放端２２によって、図３によって示されるように、プラグフィンガ内部に開放されている。標的材料を保持する外側容器の上および底端は、外側クラッディング１８の上部および底部の延在部によって閉鎖されて、中性子減速材および冷却剤から標的材料を隔離する。様々な態様では、２つ以上のモジュール式カプセル１０は、プラグフィンガ２６内に軸方向に積層され得、係止リングもしくはペグ２０または隣接するカプセル１０を接合するための同様の機構によって互いに接続され得る。

図４Ａおよび図４Ｂは、放射性同位体生成カプセル１００の代替的な実施形態を例示する。カプセル１００は、標的材料１２０を保持する内側円筒体１５２などの内側容器と、ＰＷＲ内の中性子減速材１４０および冷却剤を保持する外側環状円筒体１５４などの外側容器と、を含む。内側クラッディング１６０は、標的材料の上部、底部、および側部を取り囲み、内側円筒体を環状円筒体から分離する。外側クラッディング１８０は、環状円筒体の側部を取り囲む。照射された標的材料が固体である場合、クラッディングは、標的材料上に単純に堆積され得る。標的材料が粉末、ペレット、球、または液体である場合、クラッディングは、標的材料のための容器の壁を形成して、中性子減速材および冷却剤から標的材料を隔離する。

支持部材２１０は、環状円筒体１５４内の定位置に内側円筒体１５２を支持する。支持部材は、環状円筒体１５４内の内側円筒体１５２を中心とする、および堅固に機械的に支持する、いずれかまたは両方に好適な任意のデバイスであり得る。例えば、支持部材２１０は、内側クラッディング１６０から半径方向外側に延在するか、または外側クラッディング１８０から半径方向内側に延在して、反対側のクラッディング表面上の係合表面と接続する、フィンガまたは支柱様構造であり得る。あるいは、支持部材２１０は、原子炉の典型的な温度下で熱膨張を受けて、圧入を生じさせるが、周囲の温度が低下すると、内部円筒体１５２が環状円筒体１５４から取り外されることを可能にするほど十分に収縮する材料で作製され得る。

様々な態様では、２つ以上のモジュール式カプセル１００は、プラグフィンガ２６内に軸方向に積層され得、係止リングもしくはペグ２００または隣接するカプセル１００を接合するための同様の機構によって互いに接続され得る。

Ｃｏ－６０などの放射性同位体の生成のための本明細書に説明されるカプセル１０または１００の設計は、変換速度を最大化することによってガンマ放射線放射強度を最大化する。例えば、内側円筒体５２または環状円筒体１５４内の水であり得る中性子減速材冷却剤は、プラグフィンガ２６の上部および下部で、それぞれ、フィンガ２６の外側シース３６および先端２４を貫通する小さな孔５０を通して、プラグフィンガ２６の外側シース３６に出入りする。（図２Ｃ参照）上記に説明されるように、減速材および冷却剤を収容するカプセル１０／１００の部分は、キャップされず、そのため、この部分のカプセルの上部および底部は、ＰＷＲシンブルプラグフィンガ２６の内側の液体減速材および冷却剤環境に開放されている。

クラッディング１６および１８、ならびにクラッディング１６０および１８０は、Ｃｏ－６０などの標的材料１２／１２０が、中性子減速材を保持する円筒体内に標的材料を保持している円筒体から浸出することを防止する材料から作製される。

最も好適な材料は、標的材料および生成される所望の放射性同位体に依存することになる。Ｃｏ－６０の例示的な材料は、ＮｉおよびＺｒを含む。Ａｃ－２２５およびＷ－１８８の例示的な材料は、Ｚｒおよびステンレス鋼を含む。クラッディングのための材料は、標的材料の照射に対する標的材料の耐食性、およびクラッディング中に穿孔を引き起こす化学反応を回避する必要性などの因子に依存することになる。

環状円筒体５４／１５４の厚さと内側円筒体５２／１５２の直径との比率は、所望の放射性同位体の生産速度を最大化するために必要な寸法を計算するために当業者によって理解される、炉心分析用のａｄｖａｎｃｅｄｎｏｄａｌｃｏｄｅ（ＡＮＣ（商標））を利用するソフトウェアパッケージ、またはｍａｒｋＰＡＬＡＤＩＮ（登録商標）の下で販売される同様のパッケージなどの、市販の核設計ツールを使用して調整され得る。

Ｄｍとして図３および図４に示される、カプセル１０または１００の外径の最大値は、図２Ｃに示される、プラグフィンガ２６の内径（ＩＤ）に等しい。プラグフィンガ２６のＩＤの例は、６．１ｍｍである。カプセル１０／１００に収容される照射標的材料１２／１２０の長さは、寸法Ｌｔとして図３および４に示される。この長さは、放射性同位体のエンドユーザの必要性によって決定される。例えば、特定の用途に必要とされる選択された放射性同位体の照射活性は、カプセル１０／１００内の標的材料の単位長さ毎に計算され得る。以下により詳細に説明される理由に関して、図４に示されるように、内側円筒体１５２の理想的な直径（Ｄｓ）、または内側円筒体１５２内に保持される標的材料１２０は、図３に示されるように、内側円筒体５２の直径（Ｄｃ）以下である。

１つ以上のカプセル１０および１００は、プラグフィンガ２６の内部に縦列に装填され得る。図３および図４は、それぞれ、プラグフィンガ２６の内部空洞内で、互いに離間され得るか、または互いに積層され得る、例示的なモジュール式カプセル１０および１００を示す。様々な態様では、係止リング２０または２００などの、隣接するカプセルモジュール１０または隣接するカプセルモジュール１００を一緒に機械的に接合するための手段が、任意選択的に、例えば、プラグフィンガの外側シースの故障を引き起こすモジュールの機械的振動の潜在性を最小化するために提供され得る。接続方法のタイプの例は、１／４回転のクイック接続解除設計の使用である。クイック接続解除設計の多数の例は、当技術分野で公知である。モジュール１０または１００は、全長および全活性がエンドユーザの必要性を満たすまで接合され得る。

接続されたか、または積層されたモジュールは、互いに離間され、かつフィンガ２６内で分離されて、照射後に回収されるモジュールカプセル１０または１００が、照射された材料を生成原子炉から最終処理施設まで輸送するために使用される運送容器の内側に適切に収まることを可能にし得る。カプセルを側部から保持し、外側容器リム上または接合機構２０／２００（例えば、リム上のクイック接続解除部材）上に装着して、プラグフィンガ２６内で隣接するモジュールを軸方向に分離する支持部材２１０、または当業者に既知の同様の機械的アタッチメントなどの、任意の好適な手段が、モジュール式カプセルを互いに分離するために使用され得る。アタッチメントまたは懸架支持体の好適な設計は、カプセル１０／１００および標的材料１２／１２０が、低温で容易に引き出されることを可能にして、照射された材料処理施設におけるカプセル１０／１００からの標的材料の取り外しを容易にすることになる。

実際には、１つ以上のカプセル１０のモジュールは、複数のプラグフィンガ２６の各々に配置されることになる。１つ以上のカプセル１０が装填された各単一のプラグフィンガ２６は、ガイドシンブル３０の中間区分３２に挿入されることになる。図２Ｂに示されるように、ガイドシンブルのアレイ内の個々のガイドシンブル３０の各々は、それ自体が１つ以上のカプセル１０を装填されているプラグフィンガ２６を受容し得る。様々な態様では、ガイドシンブルのアレイ内のガイドシンブル３０のうちの１つまたは少数のみが、プラグフィンガ２６およびカプセル１０を収容するために使用される必要がある。したがって、多数のカプセル１０は、複数のプラグフィンガ２６を介して、１つまたは複数のガイドシンブル３０に挿入され、原子炉内の放射線に曝露されて、所望の放射性同位体を生成し得る。

あるいは、１つ以上のカプセル１００のモジュールは、複数のプラグフィンガ２６の各々に配置されることになる。１つ以上のカプセル１００が装填された各単一のプラグフィンガ２６は、ガイドシンブル３０の中間区分３２に挿入されることになる。図２Ｂに示されるように、ガイドシンブルのアレイ内の個々のガイドシンブル３０の各々は、それ自体が１つ以上のカプセル１００を装填されているプラグフィンガ２６を受容し得る。様々な態様では、ガイドシンブルのアレイ内のガイドシンブル３０のうちの１つまたは少数のみが、プラグフィンガ２６およびカプセル１００を収容するために使用される必要がある。したがって、多数のカプセル１００は、複数のプラグフィンガ２６を介して、１つまたは複数のガイドシンブル３０に挿入され、原子炉内の放射線に曝露されて、所望の放射性同位体を生成し得る。

第３の代替的アプローチでは、１つ以上のカプセル１０のモジュールは、１つ以上の単一のプラグフィンガ２６内に配置され、１つ以上のカプセル１００のモジュールは、１つ以上の異なる単一のプラグフィンガ２６内に配置される。１つ以上のカプセル１０が装填されたプラグフィンガ２６、および１つ以上のカプセル１００が装填されたプラグフィンガ２６は、異なるガイドシンブル３０の中間区分３２に挿入されることになる。図２Ｂに示されるように、ガイドシンブルのアレイ内の個々のガイドシンブル３０の各々は、それ自体が１つ以上のカプセル１０または１つ以上のカプセル１００を装填されているプラグフィンガ２６を受容し得る。様々な態様では、ガイドシンブルのアレイ内のガイドシンブル３０のうちの１つまたは少数のみが、カプセル１０または１００と共にプラグフィンガ２６を収容するために使用される必要がある。

照射後、カプセル１０／１００およびプラグフィンガ２６は、ガイドシンブル３０から取り外されなければならない。ガイドシンブルは、既知の手段によって燃料アセンブリ４６から引き出されることになる。引き出されたガイドシンブル３０の中間区分３４は、例えば、先端３４およびネック部３８のいずれかまたは両方を取り外すことによって、開放され得る。プラグフィンガまたはフィンガ２６は、ガイドシンブル３０から取り外されることになり、カプセル１０および１００は、プラグフィンガ２６から取り外され、放射性同位体生成施設に輸送される。一態様では、カプセル１０／１００は、フィンガ２６を輸送容器に収まる適切な長さに切断することによって、プラグフィンガ２６から回収され得る。生成施設に到着すると、照射された標的材料は、カプセルから取り外されることになり、所望の放射性同位体は、既知の技術によって、照射された材料から分離されることになる。

図５は、図３に示されるモジュール内に収容される活性を増加させるために使用され得る例示的な方法を例示する。方法は、図３および図４に示されるようなモジュールを、同じ原子炉または異なる炉心内で照射する（例えば、同時にまたは順次に）ことを伴う。一旦、所望の放射性同位体のレベルが所望の活性レベルに到達し、処理施設に運送されると、リンクされたカプセル１０または１００のモジュールは、個々のモジュールを生成するために連結解除され得る。円筒体１５２の内容物、例えば、図４に示されるモジュール内に収容されるカプセル１００の内容物は、モジュールの中心から押し出されて、図３に示されるカプセル１０のモジュールの円筒体５２内に入る。この手順における内側円筒体１５２の直径は、内側円筒体５２の直径よりも小さいことになる。円筒体５２内に受容される材料は、円筒体５２の底部の周囲のリムおよび係止リング２０によって、円筒体５２の底部を完全に通過することを防止されることになる。これは、環状円筒体５４の照射カプセル１０のモジュールの単位長さ当たりの正味活性および活性を、カプセル１０および１００の両方の活性の本質的に総和まで増加させることになる。このアプローチは、エンドユーザの所望の放射線量分布を最大化するために必要とされ得る、ユーザ定義された軸方向源強度分布を有する管状照射源を構築するために使用され得る。

カプセル１０および１００は、内側円筒体および環状外側円筒体を有すると説明されているが、他の形状が使用されてもよい。所望の放射性同位体を生成するために原子炉からの放射線が標的材料によって吸収され得るように、核燃料アセンブリのための挿入構成要素に挿入され得るカプセル内に両方収容される、円筒体は、既存の燃料アセンブリ挿入構成要素に最良に収まるが、中性子減速材の容器に隣接する（例えば、容器によって取り囲まれるか、またはその中に位置決めされるかのいずれか）照射のための標的材料を収容する容器の説明された概念は、円筒体に限定されず、原子炉構成要素の幾何学的形状に応じて変動し得る。

モジュール式カプセル１０／１００の設計および関連方法は、燃料アセンブリ出力分布における最小限の中断、および最小限の有害な燃料アセンブリの濃縮の影響を伴う、最大量の所望の放射線同位体生成を可能にする。本明細書に説明される方法およびカプセル設計は、所望の放射性同位体が、既存のガイドシンブル挿入設計を使用して、既存の燃料アセンブリ内で生成されることを可能にする。

本明細書に説明されるモジュール式放射性同位体生成カプセル１０／１００は、中性子エネルギースペクトルが、モジュール外包に含まれる全活性を調整する能力を伴って、標的捕獲断面および最小原子炉燃料アセンブリ反応性低減のために最適化されることを可能にする。

モジュール式カプセル１０／１００は、ガイドシンブル３０に挿入されていると説明されているが、それらは、追加的に、または代替的に、湿式環状燃焼可能吸収体アセンブリなどの、他の既存の燃料アセンブリ挿入体に設置されてもよい。モジュール式カプセルの１０／１００設計は、放射性同位体製品サプライヤに、照射源活性レベルおよび照射源アセンブリ内の活性レベルの分布に関して、製品の柔軟性の顕著な増加を提供する。

本明細書に説明される主題の様々な態様が、以下の実施例に記載される。

実施例１－放射性同位体生成カプセルであって、標的材料および中性子減速材のいずれか一方を収容するための内側容器と、内側容器によって収容されない標的材料および中性子減速材のいずれか一方を収容するための、内側容器を取り囲む外側容器と、中性子減速材から標的材料を隔離するためのクラッディングと、を備える、放射性同位体生成カプセル。

実施例２－内側容器は、クラッディング材料の内壁によって画定されている、実施例１に記載のカプセル。

実施例３－外側容器は、クラッディング材料の外壁と前記クラッディング材料の前記内壁との間に画定されている、実施例１または２に記載のカプセル。

実施例４－隣接するカプセルを軸方向に接合するための係止部材をさらに備える、実施例１～３のいずれかに記載のカプセル。

実施例５－係止部材は、外側容器上に装着されている、実施例４に記載のカプセル。

実施例６－係止部材は、クイックディスコネクト係止部材である、実施例４または５に記載のカプセル。

実施例７－内側容器を外側容器内の所望の位置に保持するための支持部材をさらに備える、実施例１～６のいずれかに記載のカプセル。

実施例８－支持部材は、外側容器を形成するクラッディング材料の外壁から、内側容器を画定するクラッディング材料の内壁まで延在する支柱である、実施例７に記載のカプセル。

実施例９－支柱は、原子炉内の温度で膨張して、外側容器の外壁と内側容器の内壁との間の支柱に対して圧入を提供する材料であって、原子炉内の温度より低い温度まで冷却されるときに収縮する、材料から作製されている、実施例７または８に記載のカプセル。

実施例１０－内側容器の所望の位置は、外側容器内で軸方向に中心に位置する、実施例７～９のいずれかに記載のカプセル。

実施例１１－内側容器は円筒体であり、外側容器は内側容器の軸と同心の環状円筒体である、実施例１～１０のいずれかに記載のカプセル。

実施例１２－内側円筒体は中性子減速材を保持し、環状円筒体は照射のための標的材料を保持する、実施例１１に記載のカプセル。

実施例１３－内側円筒体は照射用の標的材料を保持し、環状円筒体は中性子減速材を保持する、実施例１１に記載のカプセル。

実施例１４－所望の放射性同位体を生成するための方法であって、少なくとも１つのカプセルを提供することであって、各カプセルは、内側容器と、内側容器を取り囲む外側容器と、内側容器を外側容器から隔離するクラッディング材料と、を有する、提供することと、照射時に所望の放射性同位体を生成する標的材料を、内側容器または外側容器のいずれか一方に挿入することと、標的材料をクラッディング材料で取り囲んで、カプセル内の標的材料を隔離することと、標的材料が挿入されていない残りの内側容器または外側容器のいずれか一方に中性子減速材を挿入することと、標的材料および中性子減速材が充填された内側容器および外側容器を有する少なくとも１つのカプセルを、核燃料アセンブリの挿入コンポーネントに挿入することと、標的材料に対して放射性同位体を形成するために標的材料を照射することと、挿入コンポーネントからカプセルを取り外すことと、を含む、方法。

実施例１５－照射された標的材料をカプセルから取り外すことと、所望の放射性同位体を照射された材料から分離することと、をさらに含む、実施例１４に記載の方法。

本明細書で言及した全ての特許、特許出願、刊行物、またはその他の開示資料は、個々の参考文献がそれぞれ参照により明示的に組み込まれるように、その文献全体が参照により本明細書に組み込まれる。参照により本明細書に組み込まれると言及された全ての文献、および任意の資料、またはそれらの一部は、組み込まれた資料が、本開示に記載された既存の定義、記述、またはその他の開示材料と矛盾しない限り、本明細書に組み込まれる。したがって、本明細書に記載の開示は、必要な範囲において、参照により本明細書に組み込まれた任意の矛盾する資料に優先し、本出願に明示的に記載される開示が優先する。

本発明は、様々な例示的なおよび実例的な実施形態を参照して説明されてきた。本明細書に記載の実施形態は、開示された発明の様々な実施形態の様々な詳細の実例的な特徴を提供するものとして理解される。したがって、特段の指示がない限り、可能な範囲において、開示した実施形態の１つまたは複数の特徴、要素、コンポーネント、成分、材料、構造物、モジュールおよび／または態様は、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態の１つまたは複数の他の特徴、要素、コンポーネント、成分、材料、構造物、モジュールおよび／または態様に対して、組み合わされ、分離され、交換されおよび／または再配置され得ることが理解されるべきである。したがって、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態のいずれにおいても様々な置換、改変、または組み合わせが可能であることを認識するであろう。さらに、当業者は、本明細書を検討すれば、本明細書に記載された本発明の様々な実施形態に対する多くの等価物を認識するか、または単に日常的な実験を使用して確認することができる。したがって、本発明は、様々な実施形態の説明によってではなく、特許請求の範囲によって限定される。

Claims

放射性同位体生成カプセルであって、
標的材料および中性子減速材のいずれか一方を収容するための内側容器と、
前記内側容器によって収容されない前記標的材料および前記中性子減速材のいずれか一方を収容するための、前記内側容器を取り囲む外側容器と、
前記中性子減速材から前記標的材料を隔離するためのクラッディングと、
を備える、放射性同位体生成カプセル。
前記内側容器は、クラッディング材料の内壁によって画定されている、請求項１に記載のカプセル。
前記外側容器は、前記クラッディング材料の外壁と前記クラッディング材料の前記内壁との間に画定されている、請求項２に記載のカプセル。
隣接するカプセルを軸方向に接合するための係止部材をさらに備える、請求項１に記載のカプセル。
前記係止部材は、前記外側容器上に装着されている、請求項４に記載のカプセル。
前記係止部材は、クイックディスコネクト係止部材である、請求項４に記載のカプセル。
前記内側容器を前記外側容器内の所望の位置に保持するための支持部材をさらに備える、請求項１に記載のカプセル。
前記支持部材は、前記外側容器を形成する前記クラッディング材料の外壁から、前記内側容器を画定するクラッディング材料の内壁まで延在する支柱である、請求項７に記載のカプセル。
前記支柱は、原子炉内の温度で膨張して、前記外側容器の前記外壁と前記内側容器の前記内壁との間の前記支柱に対して圧入を提供する材料であって、原子炉内の前記温度より低い温度まで冷却されるときに収縮する前記材料から作製されている、請求項８に記載のカプセル。
前記内側容器の前記所望の位置は、前記外側容器内で軸方向に中心に位置する、請求項７に記載のカプセル。
前記内側容器は円筒体であり、前記外側容器は前記内側容器の軸と同心の環状円筒体である、請求項１に記載のカプセル。
前記内側円筒体は前記中性子減速材を保持し、前記環状円筒体は照射のための前記標的材料を保持する、請求項１１に記載のカプセル。
前記内側円筒体は照射用の前記標的材料を保持し、前記環状円筒体は前記中性子減速材を保持する、請求項１１に記載のカプセル。
所望の放射性同位体を生成するための方法であって、
少なくとも１つのカプセルを提供することであって、各カプセルは、内側容器と、前記内側容器を取り囲む外側容器と、前記内側容器を前記外側容器から隔離するクラッディング材料と、を有する、提供することと、
照射時に前記所望の放射性同位体を生成する標的材料を、前記内側容器または前記外側容器のいずれか一方に挿入することと、
前記標的材料を前記クラッディング材料で取り囲んで、前記カプセル内の前記標的材料を隔離することと、
前記標的材料が挿入されていない残りの内側容器または外側容器のいずれか一方に中性子減速材を挿入することと、
標的材料および中性子減速材が充填された内側容器および外側容器を有する少なくとも１つのカプセルを、核燃料アセンブリの挿入コンポーネントに挿入することと、
標的材料に対して前記放射性同位体を形成するために前記標的材料を照射することと、
前記挿入コンポーネントから前記カプセルを取り外すことと、
を含む、方法。
前記照射された標的材料を前記カプセルから取り外すことと、前記所望の放射性同位体を前記照射された材料から分離することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。