KR100366208B1 - Plate Type Fuel Based - Low Power Medical Reactor for Boron Neutron Capture Therapy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저출력 원자로로부터 나오는 중성자의 사용을 극대화하면서 넓은 면적과 비교적 얇은 두께를 가지는 판형핵연료를 사용하여 원자로심내 핵분열을 통해 나오는 대부분의 중성자가 바로 치료를 위해 쓰임으로써 높은 열외중성자를 얻고 최소한의 노심크기를 유지할 수 있는 원자로를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention uses a plate fuel having a large area and a relatively thin thickness while maximizing the use of neutrons from a low power reactor, and most of the neutrons coming out of nuclear reactor fission are used for the treatment to obtain high heat neutrons and to minimize cores. The goal is to provide a reactor that can maintain size.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 환자의 종양부위에 조사하여 그 종양세포만을 선별적이고 국부적으로 그리고 안전하게 제거할 수 있는 중성자를 방출하는 원자로에 있어서, 핵분열을 일으키면서 중성자를 만들어내도록 판형 집합체 12개가 3 x 4 형태로 배열되어 있고, 중앙에 위치하는 2개의 판형 집합체에는 원자로 정지시에 필요한 제어판이 들어가는 원자로 노심과; 상기 원자로 노심에서 생성된 고속중성자를 열외중성자로 감속시켜 환자의 종양부위에 조사할 수 있도록 원자로의 중앙에서 동서남북 방향 4곳으로 형성되어 있고, 중앙에 위치하는 상기 판형 집합체의 안쪽에서 바깥쪽으로 알루미늄 플로라이드층, 알루미늄층, 타이타늄층, 카드뮴 박판 및 개구부분이 형성된 비스무쓰층으로 구성된 빔 콜리메이터를 포함하는 원자로가 제공된다.According to the present invention for achieving the above object, in a nuclear reactor that emits neutrons that can selectively and locally remove only the tumor cells by irradiating the tumor site of the patient, plate-like to generate neutrons while causing nuclear fission Twelve aggregates are arranged in the form of 3 x 4, and the central two plate aggregates include a nuclear reactor core containing a control panel for stopping the reactor; The high speed neutrons generated in the reactor core are decelerated by thermo neutrons and are formed in four locations from the center of the reactor in the east-west-south north direction to irradiate the tumor site of the patient, and the aluminum flows outward from the inside of the plate-shaped assembly located at the center. A reactor is provided that includes a beam collimator consisting of a ride layer, an aluminum layer, a titanium layer, a cadmium sheet, and a bismuth layer formed with openings.
Description
본 발명은 보론 중성자포획 암치료용 원자로에 관한 것이며, 특히, 판형 핵연료를 이용함으로써 매우 작은 노심으로부터 높은 열외중성자를 효율적으로 제공할 수 있는 암치료 전용 원자로에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nuclear reactor for treating boron neutron capture cancer, and in particular, to a nuclear reactor for cancer treatment that can efficiently provide high thermo-neutrons from a very small core by using plate fuel.
보론 중성자포획 암치료의 주대상이 되어온 신경교종은 신경교세포가 암세포로 변하여 생기는 것이다. 신경교종은 뇌 이외의 다른 장기로는 거의 전이하지 않으며 전체 악성 암의 약 80%를 차지하고도 아직도 효과적인 치료법이 없기 때문에 보론 중성자포획 암치료는 주로 뇌암에만 적용되어 왔다. 신경교종의 경우 암세포에 특히 보론화합물이 잘 모이는 성질때문에 머리뼈를 절개하지 않고도 미리 투입된 보론화합물이 뇌세포 주위에만 모이면 그 부분에 중성자빔을 쪼여서 중성자와 보론의 핵반응으로부터 생성된 알파선과 리튬원자 등의 에너지로 인해 암세포만 없앨 수 있는 효과적인 방법이다.Gliomas, which have been the main targets for treatment of neutron capture cancer, are caused by the transformation of glial cells into cancer cells. Because glioma rarely metastasizes to organs other than the brain and accounts for about 80% of all malignant cancers and still no effective treatment, boron neutron capture cancer treatment has been applied mainly to brain cancer. In the case of glioma, especially the boron compound is well collected in cancer cells. If the pre-injected boron compound gathers only around the brain cells without cutting the head bone, the neutron beam is split into the area, and alpha rays and lithium are generated from the nuclear reaction between neutrons and boron. It is an effective way to kill only cancer cells due to the energy of atoms.
이를 위해 원자력발전소에서 나오는 중성자와는 달리 암치료를 위해 특성화된 중성자를 얻는 것이 필요한 데, 특성화된 중성자란 정상적인 세포에 영향을 미치지 않는 한도에서 다른 감마선이나 고속중성자에 의한 오염이 없는 열외중성자를 말한다. 충분한 열외중성자를 얻는 것은 단시간에 암세포에 조사하기 때문에 고정된 상태로 있어야 하는 환자의 심리적, 경제적 부담을 줄일 수 있음은 물론이고 보론화합물이 정상세포로 퍼지는 시간을 줄일 수 있어 치료 효과를 높일 수 있다. 그러나, 무엇보다도 뇌암과 같이 깊숙이 존재하거나 종양의 크기가 클 경우에 머리뼈를 충분히 통과할 수 있도록 높은 열외중성자를 안전하게 얻을 수 있는 방법이 가장 중요하다고 할 수 있다.To do this, unlike neutrons from nuclear power plants, it is necessary to obtain specialized neutrons for cancer treatment. Specialized neutrons are extraneous neutrons that are free from contamination by other gamma rays or high-speed neutrons as long as they do not affect normal cells. . Obtaining sufficient heat neutrons can shorten the psychological and economic burden of patients who need to be fixed because they are irradiated to cancer cells in a short time, as well as reduce the time to spread boron compounds to normal cells, thereby increasing the therapeutic effect. . However, most of all, it is the most important way to safely obtain high thermoneutral neutrons to be able to penetrate the head bones deeply, such as brain cancer or large tumor size.
주요 중성자 발생장치로는 원자로, 가속기, 액티나이드 원소 등이 있으나, 현재까지 그 중 원자로만이 전 세계적으로 임상실험 등을 통해 실제 환자의 치료에 적용가능한 것이 입증되었으며, 미국, 유럽 및 일본 등지에서는 실제로 원자로를 이용한 치료가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 이들 나라의 암치료는 주로 기존의 원자로를 개조해서 이루어지고 있기 때문에 센 중성자를 얻기가 어려울 뿐만 아니라 병원과 연계해서 치료가 이루어질 수가 없어 그 한계가 있고, 치료가 더욱 보편화 될 경우에는 그 수요를 충족시키지 못할 우려가 있으며, 특히 연구용 원자로조차 없는 개발도상국에서는 치료전용 원자로가 불가피한 실정이다.Major neutron generators include nuclear reactors, accelerators, and actinide elements, but to date, only nuclear reactors have been proved to be applicable to the treatment of actual patients through clinical trials. Indeed, treatment with reactors is actively underway. However, cancer treatment in these countries is mainly made by modifying existing reactors, so it is difficult to obtain strong neutrons, and there is a limit because treatment cannot be performed in connection with hospitals. Therapeutic reactors are inevitable, especially in developing countries without research reactors.
또한, 종래에 암치료 전용으로 설계된 보론 중성자포획 암치료용 다각형 원자로에 대한 기술이 대한민국 특허 제241231호에 기재되어 있으나, 노심 중앙에 중수를 배치한 것과 노심내 지나치게 많은 봉타입 핵연료 1056개의 설치는 이 원자로가 인구가 많은 밀집지역의 병원근처에 설립된다는 점을 감안할 때, 원자로 건설 및 가동시 안전관리 및 운영에 적지않은 부담을 안겨주는 단점이 있다. 그리고,무엇보다도 전용원자로를 설치하는 주 이유인 수분내에 단 한번의 중성자조사로 치료시에 필요한 1.0x1010nep/㎠·sec의 열외중성자를 얻을 수 없다는 것이다.In addition, although the technology for the polygonal reactor for the treatment of boron neutron capture cancer conventionally designed for cancer treatment is described in Korean Patent No. 241231, the installation of heavy water in the center of the core and the installation of 1056 rod-type nuclear fuels in the core Given the fact that the reactors are established near hospitals in densely populated areas, there are significant disadvantages in the safety management and operation of the reactor construction and operation. First and foremost, a single neutron irradiation within a few minutes, which is the main reason for installing a dedicated reactor, does not provide 1.0x10 10 n ep / cm 2 sec thermoneutral neutrons necessary for treatment.
따라서, 본 발명자는 이러한 점들을 개선하기 위하여 핵연료물질과 핵연료모양, 노심의 형태 및 빔 콜리메이터의 감속재, 중성자이용범위 등을 바꿈으로써, 가장 작은 크기의 원자로심을 만드는 한편, 깊숙이 존재하는 뇌암과 큰 종양을 전문적으로 치료하기 위해 센 열외중성자의 이용을 극대화한 원자로를 설계하게 되었다.Therefore, the present inventors change the fuel material and fuel shape, the shape of the core, the moderator of the beam collimator, the range of neutron use, etc. to improve these points, while making the nuclear reactor core of the smallest size, while deeply existing brain cancer and a large tumor In order to specialize in the treatment, the company has designed a reactor that maximizes the use of strong thermoneutrons.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저출력 원자로로부터 나오는 중성자의 사용을 극대화하면서 넓은 면적과 비교적 얇은 두께를 가지는 판형핵연료를 사용하여 원자로심내 핵분열을 통해 나오는 대부분의 중성자가 바로 치료를 위해 쓰임으로써 높은 열외중성자를 얻음은 물론 최소한의 노심크기를 유지할 수 있는 원자로를 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, while maximizing the use of neutrons coming from a low-power reactor while coming out through nuclear fission using nuclear fuel plate having a large area and relatively thin thickness Most of the neutrons are used for the purpose of treatment, and the purpose is to provide a reactor capable of maintaining high core neutrons as well as maintaining a minimum core size.
도 1은 종래의 판형 핵연료집합체의 평면도이고,1 is a plan view of a conventional plate-shaped fuel assembly,
도 2는 본 발명에 따른 정상운전시 6개 제어판의 위치를 알려주는 판형 제어판집합체의 평면도이고,Figure 2 is a plan view of a plate-shaped control panel assembly informing the position of the six control panels in normal operation according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 원자로 정지시 4개의 정지 제어판에 의해 구동되는 판형 제어판집합체의 평면도이고,3 is a plan view of a plate-shaped control panel assembly driven by four stop control panels when the reactor is stopped according to the present invention;
도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 슬랩형 원자로심(3 x 4 집합체) 및 빔셔터가 열렸을 때의 원자로의 평면도 및 측면도이고,4 and 5 are a plan view and a side view of the reactor when the slab reactor core (3 × 4 assembly) and the beam shutter are opened according to one embodiment of the present invention;
도 6은 도 5에 도시된 원자로의 세부측면도이고,FIG. 6 is a detailed side view of the reactor shown in FIG. 5;
도 7은 도 5에 도시된 원자로의 빔셔터가 닫혔을 때의 측면도이며,7 is a side view when the beam shutter of the reactor shown in FIG. 5 is closed,
도 8은 본 발명에 따른 네영역 모두 빔셔터를 닫았을 때의 원자로의 평면도.8 is a plan view of a nuclear reactor when the beam shutters are closed in all four areas according to the present invention.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
10 : 집합체 11, 14 : 경수10: aggregate 11, 14: hard water
12, 15, 16 : 핵연료판 13 : 카드늄 제어판12, 15, 16: nuclear fuel plate 13: cadmium control panel
20 : 빔콜리메이터 21 : 알루미늄 플로라이드층20 beam collimator 21 aluminum fluoride layer
22 : 알루미늄층 23 : 타이타늄층22: aluminum layer 23: titanium layer
24 : 카드늄 박판 25 : 비쓰무스층24: cadmium sheet 25: bismuth layer
26 : 개구부분 27 : 콘크리트 벽체26: opening portion 27: concrete wall
28 : 니켈격판 29 : 철제셔터28 nickel plate 29 iron shutter
30 : 납층30: lead layer
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 환자의 종양부위에 조사하여 그 종양세포만을 선별적이고 국부적으로 그리고 안전하게 제거할 수 있는 중성자를 방출하는 원자로에 있어서, 핵분열을 일으켜 중성자를 생성하는 다수의 판형 핵연료판과, 원자로를 정지시키거나 중성자의 출력량을 조절하는 다수의 판형 제어판이 삽입될 수 있도록 구성된 판형 집합체 12개를 3 x 4(가로 x 세로) 형태로 원자로의 높이방향으로 배열하여 구성한 원자로 노심과; 상기 원자로 노심에서 생성한 고속중성자를 열외중성자로 감속시켜 환자의 종양부위에 조사하는 빔 콜리메이터를 포함하며; 상기 12개의 판형 집합체 중에서 가로 및 세로의 외곽에 위치하는 10개의 판형 집합체는 핵분열을 일으켜 중성자를 생성하는 판형 핵연료판이 다수개 삽입되고, 상기 판형 핵연료판들의 사이 사이를 경수가 유동할 수 있도록 구성된 핵연료집합체이고; 상기 10개의 판형 집합체 이외 2개의 판형 집합체는 핵분열을 일으켜 중성자를 생성하는 다수개의 판형 핵연료판이 삽입되고, 원자로를 정지시키거나 열외중성자의 출력량을 조절하는 판형 제어판이 삽입될 다수개의 공간과 상기 판형 핵연료판들의 사이 사이를 경수가 유동할 수 있도록 구성된 제어판집합체인 것을 특징으로 하는 판형 핵연료를 이용한 저출력 보론 중성자포획 암치료용 원자로가 제공된다.According to the present invention for achieving the above object, in the nuclear reactor that emits neutrons that can selectively and locally remove only the tumor cells by irradiating the tumor site of the patient, a plurality of plate-like to generate neutrons by nuclear fission Nuclear reactor plate and 12 plate assemblies configured to insert a number of plate control panels to stop the reactor or control the output of neutrons are arranged in the height direction of the reactor in the form of 3 x 4 (horizontal x vertical) reactor core and; A beam collimator for irradiating the tumor site of the patient by decelerating the high speed neutron generated by the reactor core into an external neutron; Ten plate assemblies located in the horizontal and vertical outer periphery of the twelve plate assemblies include a plurality of plate fuel plates which generate nuclear fission to generate neutrons, and the fuel cells configured to allow hard water to flow between the plate fuel plates. It is an aggregate; In addition to the ten plate assemblies, two plate assemblies are inserted with a plurality of plate fuel plates that generate nuclear fission to generate neutrons, and a plurality of spaces into which plate control panels for stopping the reactor or controlling the output of extraneous neutrons are inserted. A reactor for treating low-power boron neutron capture cancer using plate fuel is provided, which is a control panel assembly configured to allow hard water to flow between the plates.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제어판집합체에는 상기 판형 핵연료판과 상기 판형 제어판이 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 삽입 배열될 18개의 공간이 형성되고, 상기 18개의 공간 중에서 중앙 6곳에는 상기 판형 제어판이 삽입되도록 경수가 채워져 있고 그 이외의 12곳에는 상기 판형 핵연료판이 각각 삽입되어 있는 것이 바람직하다.According to the present invention, the control panel assembly has 18 spaces in which the plate-shaped nuclear fuel plate and the plate-shaped control panel are arranged to be inserted in parallel with each other at predetermined intervals, and the plate-shaped control panel is formed at six centers of the 18 spaces. It is preferable that the hard water is filled so as to be inserted, and the plate-shaped nuclear fuel plates are inserted in 12 other places.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 핵연료집합체에는 18개의 판형 핵연료판이 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 삽입 배열되는 것이 바람직하다.According to the present invention, it is preferable that 18 nuclear fuel plates are inserted into the nuclear fuel assembly in parallel with each other at predetermined intervals.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 판형 핵연료판에 사용되는 핵연료는 저농축된 우라늄 실리카이드(U3Si2-Al 4.8g U/cc)인 것이 바람직하다.In addition, according to the present invention, the nuclear fuel used for the plate-like nuclear fuel plate is preferably low concentration uranium silicaide (U 3 Si 2 -Al 4.8g U / cc).
또한, 본 발명에 따르면, 상기 빔 콜리메이터는 상기 가로 또는 세로의 외곽에 위치하는 3개 또는 4개의 핵연료집합체와 각각 1:1로 대응하도록 4곳에 형성되고, 상기 핵연료집합체에서 바깥쪽으로 알루미늄 플로라이드층, 알루미늄층, 타이타늄층, 카드뮴 박판 및 개구부분이 형성된 비스무쓰층으로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, according to the present invention, the beam collimator is formed in four places to correspond to each of the three or four nuclear fuel assembly located in the horizontal or vertical outer periphery 1: 1, and the aluminum fluoride layer outward from the fuel assembly , An aluminum layer, a titanium layer, a cadmium thin plate, and a bismuth layer formed with an opening portion.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 빔 콜리메이터는 상기 열외중성자가 조사되는 내부 면적이 안쪽에서 바깥쪽으로 점점 작아지도록 형성되는 것이 바람직하다.In addition, according to the present invention, the beam collimator is preferably formed such that the inner area where the thermal neutron is irradiated becomes smaller from the inside out.
아래에서, 본 발명에 따른 원자로의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로하여 상세히 설명하겠다.In the following, a preferred embodiment of the reactor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도면에서, 도 2는 본 발명에 따른 정상운전시 6개 제어판의 위치를 알려주는 판형 제어판집합체의 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 원자로 정지시 4개의 정지 제어판에 의해 구동되는 판형 제어판집합체의 평면도이다. 그리고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 슬랩형 원자로심(3 x 4 집합체) 및 빔셔터가 열렸을 때의 원자로의 평면도 및 측면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 원자로의 세부측면도이다. 그리고, 도 7은 도 5에 도시된 원자로의 빔셔터가 닫혔을 때의 측면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 네영역 모두 빔셔터를 닫았을 때의 원자로의 평면도이다.Figure 2 is a plan view of a plate-shaped control panel assembly for indicating the position of the six control panels in normal operation according to the present invention, Figure 3 is a planar control panel assembly driven by the four stop control panel when the reactor stops according to the present invention Top view. 4 and 5 are a plan view and a side view of the reactor when the slab reactor core (3 × 4 assembly) and the beam shutter are opened according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view of the reactor shown in FIG. Detailed side view. 7 is a side view when the beam shutter of the reactor shown in FIG. 5 is closed, and FIG. 8 is a plan view of the reactor when the beam shutter is closed in all four regions according to the present invention.
본 발명에 따른 원자로는 전체 크기가 약 214cm(가로) x 214cm(세로) x 260cm(높이)이며, 이 직육면체의 중앙에 23.46cm(가로) x 31.28cm(세로) x 64.8cm(높이)의 원자로심이 위치한다. 즉, 본 발명의 원자로는 원자로 노심과, 노심방향의 직각방향으로 즉 도 4에 도시된 바와 같이 동서남북형의 빔 콜리메이터로 구성되어 있으며, 전체 원자로심내 나머지 부분은 콘크리트로 채워져 있다.The reactor according to the present invention has a total size of about 214 cm (W) x 214 cm (W) x 260 cm (H), and is 23.46 cm (W) x 31.28 cm (W) x 64.8 cm (H) in the center of the cuboid. The shim is located. In other words, the reactor of the present invention is composed of a reactor core and a beam collimator in the direction perpendicular to the core direction, that is, east-west-south-north-type as shown in FIG. 4, and the rest of the reactor core is filled with concrete.
그리고, 본 발명의 원자로는 원자로 노심의 아래쪽에서 위쪽으로 냉각수가 흐르도록 되어 있으며, 원자로의 노심은 핵분열을 일으키면서 중성자를 생성하도록 판형 집합체(10) 12개가 3(가로)×4(세로) 형태로 배열되어 있다. 이런 판형 집합체(10)에는 핵분열을 일으켜 중성자를 생성하는 다수의 판형 핵연료판과, 원자로를 정지시키거나 중성자의 출력량을 조절하는 다수의 판형 제어판이 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 삽입 배열될 18개의 공간이 형성되어 있다. 이렇게 구성되는 12개의 판형 집합체(10) 중에서 중앙에 위치하는 2개의 집합체는 원자로를 정지시키거나 중성자의 출력량을 조절하는 제어판이 들어가도록 경수로 채워져 있다. 즉, 정상 운전시 이런 2개의 집합체에는 도 2에 도시된 바와 같이 6곳에는 경수(11)를 채우고 12곳에는 핵연료판(12)을 삽입하고, 원자로 정지시에는 도 3에 도시된 바와 같이 4곳에는 카드뮴 제어판(13)을 삽입하고 2곳에는 경수(14)를 채우며 12곳에는 핵연료판(15)이 삽입된 제어판집합체를 삽입한다. 또한, 핵연료판 및 제어판 사이에는 경수가 흐르도록 되어 있다.In addition, the reactor of the present invention allows the cooling water to flow from the bottom of the reactor core to the top, and the core of the reactor forms 12 (horizontal) × 4 (vertical) shapes in which twelve plate assemblies 10 form neutrons while causing fission. Is arranged. The plate assembly 10 includes a plurality of plate fuel plates that generate nuclear fission to generate neutrons, and 18 plate panels arranged to be inserted in parallel with each other at predetermined intervals, and a plurality of plate control panels for stopping the reactor or controlling the output of the neutrons. The space is formed. Two of the twelve plate-shaped aggregates 10 constituted in this way are filled with hard water so as to enter a control panel for stopping the reactor or adjusting the output of the neutron. That is, in normal operation, these two aggregates are filled with hard water 11 in six places, nuclear fuel plate 12 is inserted in twelve places, and in reactor shutdown, four are shown in FIG. The cadmium control panel (13) is inserted in two places, the hard water (14) is filled in two places, and the control panel assembly in which the nuclear fuel plate (15) is inserted is inserted in twelve places. In addition, hard water flows between the fuel plate and the control panel.
그리고, 나머지 10개의 집합체는 가공이 가능한 것으로 증명되어 연구로 등에서 현재 사용하고 있는 판형핵연료를 사용한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 18개의 핵연료판(16)이 삽입된 핵연료집합체를 10개의 집합체에 각각 삽입한다. 앞서 설명한 바와 같이 구성된 집합체(10)에는 총 204개의 핵연료판이 삽입되어 있다.In addition, the remaining 10 assemblies have been proved to be capable of processing and use the plate fuels currently used in research furnaces. That is, as shown in FIG. 1, fuel assemblies including 18 nuclear fuel plates 16 are inserted into 10 aggregates. In the assembly 10 constructed as described above, a total of 204 nuclear fuel plates are inserted.
본 발명에 사용되는 핵연료판은 0.051cm(가로) x 6.1cm(세로) x 63.8cm(높이)의 핵연료와 이 핵연료를 감싸는 0.038cm두께의 알루미늄 피복재로 구성되며, 각 집합체내에서 동일하게 동-서 방향을 바라보도록 장전되어 있다. 이 핵연료는 저농축된 우라늄 실리카이드(U3Si2-Al 4.8g U/cc)이다.The nuclear fuel plate used in the present invention is composed of 0.051 cm (width) x 6.1 cm (length) x 63.8 cm (height) of nuclear fuel and a 0.038 cm thick aluminum cladding covering the nuclear fuel. It is loaded to look west. This fuel is low concentration of uranium silicaide (U 3 Si 2 -Al 4.8g U / cc).
그리고, 집합체(10)의 중앙에 위치하는 2개의 집합체에는 총 12개의 제어판 중 일부분이 삽입되어 원자로를 정지시키는 데, MCNP 전산코드를 사용하여 계산한 결과 총 12개의 제어판 중에서 8개(제어판집합체당 4개)만이 정상제어시에 삽입되며 나머지 4개는 비상제어시에 삽입되어 사용된다. 그리고, 각각의 제어판은 핵연료판과 같은 구조이고 다만 핵연료가 들어갈 위치에 카드뮴이 들어가도록 설계되어 있다.In addition, a part of a total of 12 control panels is inserted into two assemblies located at the center of the assembly 10 to shut down the reactor. As a result of calculating using the MCNP computer code, eight of the 12 control panels (per control panel assembly) Only four are inserted in normal control and the other four are inserted and used in emergency control. Each control panel is a nuclear fuel plate-like structure, but designed to contain cadmium at the location of the fuel.
그리고, 빔 콜리메이터(20)는 모두 센 열외중성자를 형성하도록 물질의 배열 및 전체구조가 만들어졌으며 그 구체적인 배열관계를 도 4 내지 도 8 및 표 1를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.In addition, the beam collimator 20 is made of an arrangement and an entire structure of the material so as to form a strong thermo neutron, and a detailed arrangement relationship thereof will be described with reference to FIGS. 4 to 8 and Table 1 as follows.
표 1은 원자로 중심으로부터 동쪽과 북쪽방향으로 각각의 빔이 나가는 방향에서의 거리에 따른 매질을 표시한 것이다.Table 1 shows the media according to the distance from the direction of each beam from the center of the reactor toward the east and north.
즉, 빔 콜리메이터(20)는 원자로의 중앙에서 동서남북 방향 4곳(원자로의 가로 또는 세로의 외곽에 위치하는 3개 또는 4개의 핵연료집합체와 각각 1:1로 대응하는 4곳)으로 형성되어 있는 데, 중앙에 위치하는 집합체(10)의 안쪽에서 바깥쪽으로 알루미늄 플로라이드층(21 ; 37.5cm), 알루미늄층(22 ; 37.5cm), 타이타늄층(23 ; 1.5cm), 카드뮴 박판(24 ; 0.05cm) 및 개구부분(26)이 형성된 비스무쓰층(25 ; 7.5cm)이 순차적으로 형성되어 있다. 이 때, 상기 구성요소들은 열외중성자가 조사되는 내부 면적이 핵연료판으로부터 순차적으로 그 크기가 줄어들어 환자의 머리에 직접 쏘여지는 개구부분(26)이 20cm x 20cm의 정사각형이 되도록 구성되어 있다. 그리고, 알루미늄 플로라이드층(21)의 측면, 즉 콘크리트 벽체(27)와 접하는 부위에는 니켈격판(28)이 형성되어 있다.That is, the beam collimator 20 is formed of four locations in the east-west-south-north direction (four locations corresponding to three or four nuclear fuel assemblies located on the horizontal or vertical outer periphery of the reactor, respectively, 1: 1) at the center of the nuclear reactor. , From inside to outside of the centrally located assembly 10, an aluminum fluoride layer (21; 37.5 cm), an aluminum layer (22; 37.5 cm), a titanium layer (23; 1.5 cm), a cadmium sheet (24; 0.05 cm) ) And the bismuth layer 25 (7.5 cm) in which the opening portion 26 is formed are sequentially formed. At this time, the components are configured such that the inner area irradiated with the thermal neutron is sequentially reduced in size from the nuclear fuel plate so that the opening portion 26 directly shot on the patient's head becomes a 20 cm x 20 cm square. And the nickel plate 28 is formed in the side surface of the aluminum fluoride layer 21, ie, the site | part which contacts the concrete wall 27. As shown in FIG.
상기 알루미늄 플로라이드층(21)과 알루미늄층(22) 및 타이타늄층(23)은 핵분열시 나오는 중성자 중에서 고에너지의 고속중성자를 차폐하고(반사, 필터, 감속), 카드뮴 박판(24)은 비교적 낮은 에너지를 가진 열중성자를 차폐한다. 그리고, 비스무쓰층(26)은 핵분열시 발생한 감마선을 차폐하고, 콘크리트 벽체(27)는 방사능 유출을 방지하기 위해 사용된다. 따라서, 핵분열시 발생한 중성자 중에서 열외중성자만 선택적으로 개구부분(26)으로 방사된다. 이 때, 개구부분(26)으로 방사된 열외중성자는 에너지가 0.4eV＜E＜10KeV로서 환자의 체내에 존재하는 종양세포의 치료에 적합하다.The aluminum fluoride layer 21, the aluminum layer 22, and the titanium layer 23 shield high-speed high-energy neutrons from neutrons released during nuclear fission (reflection, filter, and deceleration), and the cadmium thin plate 24 is relatively low. Shields thermal neutrons with energy In addition, the bismuth layer 26 shields gamma rays generated during nuclear fission, and the concrete wall 27 is used to prevent radiation leakage. Therefore, only the neutrons out of the neutrons generated during nuclear fission are selectively radiated to the opening portion 26. At this time, the extraneous neutron radiated to the opening portion 26 is suitable for the treatment of tumor cells existing in the body of the patient with an energy of 0.4 eV < E < 10 KeV.
도면에서, 미설명부호 29는 보론화합물을 내장한 철제셔터이고, 30은 방사능 유출을 방지하는 데 사용되는 납층이다. 여기서, 철제셔터(29)는 실험 중이거나 또는 환자의 치료시에는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 위쪽으로 들어 올려져 빔 콜리메이터(20)의 개구부분(26)으로 필요한 열외중성자가 방사되도록 하지만, 실험준비, 환자의 치료대기 또는 원자로의 비정상 가동시에는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 아래로 내려놓음으로써 열외중성자가 외부로 방사되는 것을 막아준다.In the figure, reference numeral 29 denotes an iron shutter containing boron compound, and 30 denotes a lead layer used to prevent radiation leakage. Here, the iron shutter 29 is lifted upwards as shown in FIGS. 5 and 6 during the experiment or treatment of the patient so that the required external neutrons are radiated to the opening portion 26 of the beam collimator 20. However, during the preparation of the experiment, treatment of the patient or abnormal operation of the reactor, as shown in Figures 7 and 8 to lower down to prevent the external neutron radiated to the outside.
하기의 표 2는 본 발명자가 종래의 원자로와 본 발명에 따른 원자로에 대하여 열외중성자의 방사성능을 서로 비교평가한 비교표이다.Table 2 below is a comparison table in which the inventors compared and evaluated the radioactivity of the thermal neutrons with respect to the conventional reactor and the reactor according to the present invention.
즉, 표 2에서는 BMRR(Brookhaven Medical Research Reactor - 미국), MITR(Massachusetts Institute of Technology's Research Reactor - 미국), Petten(Petten High Flux Reactor - 네덜란드), Musashi(Musashi Institute of Technology's Reactor - 일본), 종래예(대한민국 특허 제241231호) 등의 종래의 원자로와 앞서 설명한 바와 같은 사양을 갖는 본 발명의 원자로를 비교평가 하였다.That is, Table 2 shows Brookhaven Medical Research Reactor (BMRR), Massachusetts Institute of Technology's Research Reactor (USA), Petten (Petten High Flux Reactor (Netherlands)), Musashi (Musashi Institute of Technology's Reactor (Japan)), and conventional examples. A conventional reactor such as Korean Patent No. 241231 and the reactor of the present invention having the specifications as described above were compared and evaluated.
그리고, 하기의 표 2에 있어서, 각각의 항목에 제시된 수치는 몬테칼로 샘플링을 이용한 확률론적 계산법에 의한 결과로서, 종래의 원자로와 대략적인 비교를 하기 위하여 제시한 수치이므로, 표 2의 수치는 원자로 노심과 빔 콜리메이터의 크기 변경으로 더 나은 결과를 제시할 수 있다.And, in Table 2 below, the numerical values given in each item is a result of the probabilistic calculation method using the Monte Carlo sampling, and the numerical values in Table 2 is a nuclear reactor because it is presented for a rough comparison with conventional reactors. Resizing the core and beam collimator can give better results.
상기 표 2에 있어서, φepi는 열외중성자 플럭스를 나타내고, Dn/nepi는 열외중성자의 방출량에 대한 고속중성자의 방출량을 나타내며, Dγ/nepi는 열외중성자의 방출량에 대한 γ선의 방출량을 나타내며, J / φ는 핵분열입자의 방향성 내지 그의 집속도를 나타내며, 마지막으로 Power 는 원자로 노심의 발열량 내지 그의 소요동력을 나타낸다. 그리고, 표 2에서 a는 오차한계 1%, b는 오차한계 7%, c는 오차한계 8%, d는 오차한계 0.8%, e는 오차한계 5%, f는 오차한계 7% 를 각각 나타낸다. 그리고, 여기에서 중성자의 플럭스 및 방출량은 빔 콜리메이터의 끝, 즉 환부에 직접 조사되는 중성자빔에 대해서 계산한 것이다.In Table 2, φ epi denotes a thermo neutron flux, D n / n epi denotes a fast neutron emission amount with respect to the thermal neutron emission amount, and D γ / n epi denotes the emission amount of γ-rays to the emission amount of the thermal neutron. Where J / φ represents the orientation of nuclear fission particles or their collecting speed, and finally Power represents the calorific value of the reactor core or its required power. In Table 2, a represents an error limit of 1%, b represents an error limit of 7%, c represents an error limit of 8%, d represents an error limit of 0.8%, e represents an error limit of 5%, and f represents an error limit of 7%, respectively. Here, the flux and emission amount of the neutron are calculated for the neutron beam irradiated directly to the end of the beam collimator, that is, the affected part.
즉, 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 열외중성자 플럭스는 기존의 설계된원자로보다 최고 5배이상 더 많이 발생하였으므로(φ/Power 참조), 같은 열외중성자를 얻는데 기존의 원자로에 비해 1/5 정도의 동력으로서도 충분히 가동할 수 있게 된다(Power 참조).That is, as can be seen in Table 2, since the extraneous neutron flux of the present invention was generated up to 5 times more than the conventional designed reactor (see φ / Power), the same extraneous neutron was obtained to obtain about 1/5 of the conventional reactor. It can be operated sufficiently as a power source (see Power).
그리고, 표 3에는 표 2의 평가대상인 본 발명의 원자로의 임계 가능성을 핵연료판의 개수와 제어판의 유무 및 철제셔터의 개폐에 따라 MCNP 전산코드를 사용하여 검증한 결과가 기재되어 있다.Table 3 shows the results of verifying the critical probability of the reactor of the present invention, which is the evaluation target of Table 2, using the MCNP computer code according to the number of fuel plates, the presence or absence of the control panel, and the opening and closing of the steel shutter.
표 3에 알 수 있듯이, 본 발명에서와 같이 원자로를 구성할 경우에 정상운전시나 정지시에도 안정성이 확보됨을 알 수 있다.As can be seen in Table 3, when the reactor is configured as in the present invention, it can be seen that stability is ensured even during normal operation or stop.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 원자로는 낮은 출력에 비해 출력에 대한 열외중성자의 비가 매우 높아(표 2 참조), 수분내에 암치료가 가능할 뿐만 아니라 시간을 줄일 수 있어 환자의 치료 및 치료비에 대한 부담을 줄일 수 있다.As described in detail above, the reactor of the present invention has a very high ratio of the extraneous neutrons to the output compared to the low output (see Table 2). Can be reduced.
또한, 본 발명은 비상정지용 안정 제어판 총 4개를 추가로 설계함으로써 4개에 해당하는 정지 여유도를 획득할 수가 있다(표 3 참조).In addition, according to the present invention, four additional safety control panels for emergency stop can be obtained to obtain four stop margins (see Table 3).
또한, 본 발명은 슬랩형 노심의 4면에서 모두 높은 열외중성자를 획득할 수 있어, 동시에 4명의 환자를 치료할 수 있으며, 암의 종류에 따라 빔의 세기 및 방향 등을 조절할 여유도가 있다.In addition, the present invention can obtain a high external neutron on all four sides of the slab core, can treat four patients at the same time, there is a room to adjust the intensity and direction of the beam according to the type of cancer.
또한, 본 발명은 3 x 4 집합체를 설계함으로써 안정성을 확보하고 원자로의 노심의 크기를 최소화함은 물론 4면 모두로부터 높은 열외중성자를 안정적으로 얻어 사용도를 극대화 할 수 있다.In addition, the present invention by designing the 3 x 4 aggregates to ensure stability and to minimize the size of the core of the reactor, as well as to obtain a high thermal neutron from all four sides to maximize the use.
또한, 본 발명은 그 크기가 가로 세로 길이가 약 2m정도 이기 때문에(표 1 참조) 부지 선정에 있어서나 건설비용 및 건물 유지비용 등을 줄일 수 있다.In addition, in the present invention, since the size thereof is about 2m in length and width (see Table 1), it is possible to reduce construction costs, building maintenance costs, etc. in selecting a site.
이상에서 본 발명의 원자로에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.In the above description of the technical details of the reactor of the present invention with reference to the accompanying drawings, which illustrate the best embodiment of the present invention by way of example and not limit the present invention.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
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