KR20150127295A - 동위원소 생성 타겟 - Google Patents

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KR20150127295A
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Abstract

동위원소 생성 타겟은 외경 벽 및 내경 벽을 포함할 수 있다. 동위원소 공급원은 내경 벽과 외경 벽의 사이에 위치할 수 있고, 또한, 동위원소 공급원은 하나 이상의 비워진 영역 사이에 산재되어 있는 핵분열성 물질을 포함할 수 있다. 중심 영역이 내경 벽 안에 위치할 수 있고, 또한, 중심 영역은 열중성자화 체적을 수용하도록 형성될 수 있다.

Description

동위원소 생성 타겟 {Isotope production target}
방사성 몰리브덴(99Mo)은 테크네튬(99 mTc)을 제조하는데 사용된다. 테크네튬(99 mTc)은 보건의료산업에서 사용되는 광범위한 방사성 의약품용 원료이다. 미국에서만 하루에 거의 50,000회 이루어지는 진단 절차를 포함하는 전세계적으로 이루어지는 모든 핵의학 절차의 대략 80%가 테크네튬 동위원소의 연속적인 공급을 필요로 한다. 세계 인구의 노령화에 따라, 그 수요는 계속 증가하고 있다.
종래에는 몰리브덴의 제조가 고출력 원자로에서 이루어졌다. 예를 들어, 10 메가와트를 초과하는 열에너지를 생산하는 핵 원자로가 사용되고 있다. 현재 규제되고 있는 바에 따라, 몰리브덴과 같은 동위원소의 발생을 위하여 고농축 우라늄(highly-enriched uranium : HEU)을 사용하는 고출력 원자로는 그 사용이 한정적 또는 제한적으로 허용된다. 그러나, HEU의 확산에 대한 우려로 인하여 강화된 감시 감독 때문에, 몰리브덴 및 기타 방사성 동위원소를 제조하는 데, 이러한 물질을 사용하는 것이 극도로 제한되거나 금지될 수도 있다.
미국과 같은 국가들은 미래에 몰리브덴 제조가 원활하지 못한 상황에 처해질 수도 있다. 북미지역에서 몰리브덴의 유일한 공급원은 현재 캐나다에 위치하고 있는데, 이 공급원으로부터 몰리브덴을 계속 입수하는 것이 가까운 장래에 끝나게 될지도 모른다는 우려가 증가하고 있다. 비록 유럽 쪽에 다른 공급원이 있긴 하지만, 몰리브덴의 반감기가 너무 짧기 때문에(2.75 일임), 세계를 돌아서 운송하는 것은 해결책으로 성립하기가 어렵다. 따라서, 많은 국가의 경우, 자기 지역에서 몰리브덴을 제조하는 것이 유일하게 실행가능한 장기적 해결책이다.
도 1은 동위원소 타겟의 일 구현예를 도시한다.
도 2는 도 1의 동위원소 타겟의 구현예의 단면도를 보여준다.
도 3은 동위원소 생성 타겟의 일 구현예를 도시한다.
도 4는 타겟의 일 구현예 및 타겟 코어를 도시한다.
도 5는 도 4의 구현예의 타겟의 단면도를 보여준다.
도 6은 일 실시예에 따른 동위원소 제조 속도를 보여주는 표를 도시한다.
도 7은 타겟 어셈블리의 일 구현예를 도시한다.
도 8은 도 7의 구현예의 타겟 어셈블리의 단면도를 보여준다.
도 9는 동위원소 제조 어셈블리의 분해조립도를 보여준다.
도 10은 도 7의 구현예의 타겟 어셈블리의 추가적인 단면도를 보여준다.
도 11은 진공 챔버를 구비한 타겟을 도시한다.
도 12는 격자 구성의 일 예를 도시한다.
도 13은 여러가지 타겟들 간의 비교결과를 보여주는 표를 도시한다.
도 14는 타겟의 일 예와 다층 공급원 구조체를 도시한다.
도 15는 동위원소 제조 공정의 일 구현예를 도시한다.
도 1은 동위원소 타겟(10)의 일 실시예를 도시한다. 이 동위원소 타겟(10)은 몰리브덴(99Mo)과 같은 방사성 동위원소를 생산하는데 사용될 수 있다. 이 동위원소 타겟(10)은 그 형상에 있어서 원통형으로 도시되는데, 외경 벽(3) 및 내경 벽(9)을 갖는다. 그러나, 여기서는, 육각형의 단면 및 다른 기하학적 구조를 포함하는, 다른 형태의 타겟도 고려될 수 있다.
외경 벽(3)은 제1 직경과 결부될 수 있으며, 내경 벽(9)은 제2 직경과 결부될 수 있다. 제1 직경은 제2 직경보다 크다. 동위원소 타겟(10)은 중심 영역(15)을 포함할 수 있으며, 중심 영역(15)은 동위원소 타겟(10)의 제1 단부(12)로부터 동위원소 타겟(10)의 제2 단부(14)로 연장되어 있다. 중심 영역(15)은 중공 부분(hollow portion), 채널(channel), 공동(cavity), 관통공(through-hole), 튜브(tube), 또는 기타 유사한 것을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 동위원소 타겟(10) 실시예의 단면(20)을 도시한다. 동위원소 타겟(10)은 제1 튜브(2) 및 제2 튜브(4)를 포함할 수 있다. 제2 튜브(4)는 제1 튜브(2)로 겹쳐 둘러싸여 타겟 챔버(1)를 형성한다. 제1 튜브(2)는 동위원소 타겟(10)의 외경 벽(3) 및 내부 벽(5)을 포함한다. 제2 튜브(4)는 동위원소 타겟(10)의 내경 벽(9) 및 외부 벽(7)을 포함할 수 있다. 타겟 챔버(1)는 제1 튜브(2)의 내부 벽(5)과 제2 튜브(4)의 외부 벽(7) 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 타겟 챔버(1)는 실질적으로 동위원소 타겟(10)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다. 타겟 챔버(1)는 동위원소 타겟(10)의 제1 단부(12)(도 1) 및 제2 단부(14)(도 1)에서 밀봉될 수 있다. 부가적으로, 우라늄, 예를 들어, 235U와 같은, 동위원소 공급원 또는 다른 방사성 및/또는 핵분열성 물질을 포함하는 타겟 물질이 타겟 챔버(1) 내에 위치할 수 있다. 타겟 물질은 내경 벽(9) 및 외경 벽(3)의 사이에 위치할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 타겟 물질은 하나 이상의 비워진 영역 사이에서 산재될 수 있다.
중심 영역(15)은 내경 벽(9) 내에 위치할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 중심 영역(15)은 열중성자화 체적을 수용하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 열중성자화 체적은 물, 중수(heavy water), 그래파이트, 지르코늄, 플라스틱, 왁스, 파라핀, 함수소 물질(hydrogenous materials), 다른 유형의 중성자 감속제(neutron moderators), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 중심 영역(15)은 물이 동위원소 타겟(10)을 통해 흐르도록 허용하는 물 채널을 형성할 수 있다. 예를 들어, 물은 제1 단부(12)(도 1)를 통해 중심 영역(15)으로 들어올 수 있고 제2 단부(14)(도 1)에서 중심 영역(15)을 빠져나갈 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 중심 영역(15)은 열중성자화 체적을 수용하기 위해 형성된, 완전히 폐쇄된 챔버를 포함할 수 있다.
중심 영역(15)은, 타겟 챔버(1) 내에 위치한 타겟 물질에서 발생되어 타겟 물질로 재진입하기 전에 열중성자화 체적에 의해 열중성자화되는 중성자를 발생시키도록, 형성될 수 있다. 열중성자화 체적(예를 들어, 물 또는 1차 냉매)은, 또한, 핵분열 이벤트 동안 및/또는 동위원소 제조 공정 동안, 동위원소 타겟(10)으로부터 열을 제거하거나 및/또는 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 타겟 물질은 다양한 기하학적 구조를 갖는 타겟 챔버(1) 내에 위치할 수 있다.
도 3은 동위원소 생성 타겟(30)의 일 실시예를 도시하는데, 이때, 동위원소 타겟의 단면도가 예시적으로 나타나 있다. 도 3의 동위원소 생성 타겟(30)은 도 1에 도시된 동위원소 타겟(10)과 유사하다. 동위원소 생성 타겟(30)은 외부 클래딩(cladding)(32) 및 내부 클래딩(34)을 포함할 수 있다. 타겟 물질(31)은 외부 클래딩(32)과 내부 클래딩(34) 사이에 위치할 수 있다. 타겟 물질(31)은 핵분열성 물질(36) 및 하나 이상의 비워진 영역(38)을 포함할 수 있다.
하나 이상의 비워진 영역(38)은 핵분열 물질(36)로부터 생성된 핵분열 생성 가스를 포획하도록 형성될 수 있다. 하나 이상의 비워진 영역(38) 내에서 핵분열 생성 가스를 포획하는 것은 간극 내의 핵분열 생성 가스의 양을 감소시킨다. 간극 내에 퍼지는 핵분열 생성 가스는, 감소되지 않으면, 핵분열성 물질과 클래딩 사이에 어떠한 공극도 포함하지 않는 타겟에 있어서는, 주변 클래딩의 구조적 열화를 야기시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 핵분열성 물질(36)은 핵분열성 공급원 펠렛을 포함할 수 있고, 하나 이상의 비워진 영역(38)은 이 펠렛들 사이의 간격 또는 갭을 포함할 수 있다. 핵분열성 물질(36)은 복수의 개별 공급원 물체를 포함하거나, 분말 형태로 저장되거나, 또는 공(ball), 절편(fragments), 입자, 시트, 봉, 포일, 다른 기하학적 구조체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다른 물리적 형태를 취할 수 있다.
하나 이상의 비워진 영역(38)은 핵분열성 기체가 동위원소 생성 타겟(30)으로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(31)은, 외부 클래딩(32), 내부 클래딩(34), 및 도 1에서 도시된 동위원소 타겟(10)의 제1 단부(12) 및 제2 단부(14)와 같은, 동위원소 생성 타겟(30)의 단부 사이에 위치한 밀봉된 챔버 안에 들어 있을 수 있다. 비워진 영역(38)은, 예를 들어, 임의의 핵분열 생성 가스를 포획하기 전에, 1종 이상의 가스, 진공, 또는 부분 진공을 포함할 수 있다.
동위원소 생성 타겟(30)의 중심 영역(35)은 열중성자화 체적 또는 중성자 감속제를 포함할 수 있다. 열중성자화 체적은 물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 동위원소 생성 타겟(3)은 원자로 노심 내에 설치되도록 형성될 수 있고, 열중성자화 체적이 원자로 노심과 결부된 1차 냉매를 포함할 수 있다. 원자로 노심은 열 출력 10 메가와트 미만의 저 출력 원자로와 결부될 수 있다. 예를 들어, "Training", "Research", "Isotopes", "General Atomics", 또는 "TRIGA®" 원자로와 같은 저 출력 원자로는 몰리브덴과 같은, 특정한 동위원소를 생성하는데 사용될 수 있다.
동위원소 생성은 일련의 조작 또는 일반화된 단계를 통해 완수될 수 있다. 제1 조작에서, 적합한 동위원소 생성 타겟이 제조될 수 있다. 동위원소 생성 타겟(30)과 같은, 동위원소 생성 타겟의 제조는, 우라늄과 같은 타겟 물질을 동위원소 생성 타겟 내의 특정한 기하학적 구조 내에 위치시키는 것을 포함할 수 있다.
제2 조작에서, 동위원소 생성 타겟이 중성자 공급원에 의해 조사(irradiate)될 수 있다. 예를 들어, 동위원소 생성 타겟이 핵원자로(nuclear reactor) 내에 배치될 수 있다. 조사되는 동안, 타겟 물질 내의 핵분열 반응이 일어나 몰리브덴과 같은, 하나 이상의 동위원소를 생성할 수 있다. 핵분열 가스 또는 부생성물이 또한 전형적으로 핵분열 반응 동안 생성된다. 일 실시예에 있어서, 핵분열 가스 및/또는 부생성물은 포획되거나 타겟 물질 사이에 산재된 비워진 영역 내에 저장될 수 있다.
제3 조작에서, 동위원소 생성 타겟이 원격 조작을 위한 방사성 물질 취급시설(hot cell facility)로 운반될 수 있다. 방사성 물질 취급시설 내부에서, 조사된 타겟 물질이 클래딩으로부터 제거될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도 1에서 도시된 제1 단부(12)와 같은, 동위원소 생성 타겟의 단부가 타겟 물질을 추출하기 위해 잘려지거나 또는 제거될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 핵분열성 물질(36)을 챔버(1)(도 2) 내에 느슨하게 놓아둠으로써 제거가 용이하도록 할 수 있으며, 제거는, 예를 들면, 제1 단부(12)가 제거된 동위원소 타겟(10)을 뒤집음(invert)으로써 이루어질 수 있다. 타겟 물질에 대한 일련의 화학적 분리를 수행함으로써, 순수 몰리브덴과 같은 원하는 최종 제품을 생성하거나 추출할 수 있다.
제4 조작에서, 최종 제품이 유통 시설, 병원, 클리닉, 실험실, 시험 설비, 연구 시설, 사업장, 정부 시설, 또는 그와 유사한 곳과 같은 최종 목적지로 운반될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 예를 들어, 몰리브덴 같은 최종 제품으로부터 얻어지는 테크네튬(99 mTc)이, 최종 목적지에서 의료용으로 사용될 수 있다.
도 4는 예시적인 타겟(40) 및 중심 영역(45)을 도시한다. 타겟(40)은 제1 단부(42) 및 제2 단부(44)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 단부(42) 및 제2 단부(44) 중 하나 또는 이들 모두는, 예를 들어, 타겟(40)이 조사된 후에, 제거될 수 있다.
타겟은 약 1.43 인치(3.63 센티미터)의 외부 직경 및 약 22 인치(171.63 센티미터)의 높이를 갖도록 형성될 수 있다. 타겟(40)은 TRIGA® 원자로, 또는 다른 유형의 원자로를 위한 핵연료 요소의 전체 치수(overall dimensions)에 가깝도록 형성될 수 있다.
도 5는, 제1 단부(42)에서 또는 그 근처에서 얻어진 도 4의 실시예 타겟(40)의 단면(50)을 도시한다. 타겟(40)은 외부 클래딩(52), 내부 클래딩(54), 및 그 사이에서 형성된 타겟 챔버(51)를 포함할 수 있다. 핵분열성 물질은 챔버(51) 내에 위치할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 핵분열성 물질은, 제1 층(53) 및 제2 층(56)를 포함하는, 두 층의 핵분열성 물질을 포함할 수 있다. 비워진 영역(58)은 제1 층(53) 및 제2 층(56) 사이에 위치할 수 있다. 비워진 영역(58)은 원환 공간을 포함하거나, 또는 형태에 있어서 환형일 수 있다.
비워진 영역(58)은 가스, 또는 가스들로 채워지거나, 또는 진공, 또는 부분 진공으로서 형성될 수 있다. 비워진 영역(58)은 핵분열 생성 가스들 및/또는 부생성물들을 수집하기 위한 저장 공간 또는 체적으로서 작동하도록 형성될 수 있다. 초기에 비워진 영역(58)을 진공, 또는 부분 진공으로 제공함으로써, 핵분열성 물질의 조사 동안 생성되는 핵분열 생성 가스를 더 많이 수집할 수 있게 되고, 이를 통하여, 동위 원소 제조 공정 동안 비워진 영역(58) 내의 총압력을 더 줄일 수 있게 된다.
외부 클래딩(52) 및 내부 클래딩(54)은 두 개의 내포된(nested) 및/또는 밀봉된 튜브들을 포함할 수 있다. 내포된 튜브의 상단 및 하단은 밀봉될 수 있어, 조사 동안 생성된 핵분열 가스가 비워진 영역(58) 안에 갇혀 있을 수 있다. 외부 클래딩(52) 및/또는 내부 클래딩(54)은 스테인레스 스틸, 알루미늄, 및/또는 다른 물질들로 만들어질 수 있으며, 또한 0.020 인치(0.06 센티미터)의 공칭 두께로 제작될 수 있다. 핵분열성 물질 및 클래딩의 정확한 두께는 여러 설계 고려사항에 따라 변할 수 있는데, 예를 들어, 이용가능한 중성자 선속(neutron flux), 생산 수율 요구치, 물질 특성, 원자로 노심의 기하학적 구조, 또는 이들의 임의의 조합 등에 따라 변할 수 있다.
내부 클래딩(54)은 중성자 감속제(55)의 채널 또는 용기로서 형성될 수 있다. 중성자 감속제(55)는 내부 클래딩(54) 내에 위치할 수 있으며 핵분열성 물질, 예를 들어, 제1 층(53) 및/또는 제2 층(56)에서 생성되는 중성자를 핵분열성 물질로 재진입하기 전에 중성자 감속제(55)에 의해 열중성자화되도록 형성될 수 있다. 열중성자화된 중성자는 제1 층(53) 및/또는 제2 층(56)에서 추가적인 핵분열 이벤트를 생성하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 중성자 감속제(55)로는 그래파이트, 지르코늄, 플라스틱, 왁스, 파라핀, 함수소 물질, 다른 유형의 중성자 감속제, 또는 이들의 임의의 조합이 포함될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 중성자 감속제(55)는 경수 또는 중수와 같은, 물을 포함할 수 있는데, 이것은 동위원소 제조 공정 동안 내부 클래딩(54) 내에 형성된 채널을 통과하여 흐르도록 허용된다. 중성자 감속제(55)는 원자로로부터 나온 1차 냉매를 포함할 수 있다. 외부 클래딩(52) 및/또는 내부 클래딩(54)은 제1 층(53) 및 제2 층(56)이 임의의 물 또는 1차 냉매와 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 구멍이 타겟(40)의 측면에서 개방될 수 있으며(예를 들어, 펀칭될 수 있으며), 핵분열 가스 및/또는 부생성물이 비워진 영역(58)으로부터 추출되어 수집 및/또는 저장될 수 있다. 타겟(40)의 한쪽 또는 양쪽 단부, 예를 들어, 제1 단부(42) 및/또는 제2 단부(44)(도 4)가 제거되거나 절단될 수 있다. 최종 제품, 예를 들어, 몰리브덴이 제1 층(53) 및/또는 제2 층(56)으로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 최종 제품은 조사된 물질로부터 화학적으로 분리될 수 있다.
동위원소 생성 타겟에 있어 핵분열 반응의 속도는 다음의 식으로 표시될 수 있다:
R = ΦσΝ,
여기서
R = 핵분열의 반응 속도 밀도 [fissions cm-3 s-1]
Φ = 원자로로부터의 중성자 플럭스[neutrons cm-2 s-1]
σ = 핵분열에 대한 미시적 단면적[cm-2]
N = 타겟 원자의 원자 밀도[atoms cm-3]
중성자 및 핵분열 파편이 핵분열 이벤트로부터 직접적으로 생성될 수 있다. 시간의 약 6.5% 지점에서, 동위원소 몰리브덴이, 열중성자로 조사된 235U 타겟의 핵분열 파편으로서 생성될 수 있다. 위의 방정식은 핵분열성 물질 에서의 핵분열 속도 밀도를 설명할 수 있다. 핵분열 속도 밀도를 최대화하기 위해서, 방정식의 플럭스 값 및 원자 밀도는 변화할 수 있다; 미시적 단면적은 고정된 파라미터이다. 많은 유형의 연구용 원자로 및 저 출력 원자로는 1 열출력 메가와트(MWt)의 명목 전력과 결부될 수 있으며, 약 1013 neutrons cm-2s-1 규모의 중성자 플럭스를 가질 수 있다.
여러 실시예를 참조하면, 고정된 단면적에서, 타겟의 기하학적 구조 및/또는 물질을 본 명세서에서 설명한 바와 같이 형성함으로써, 원자 밀도 N 및/또는 중성자 플럭스 Φ가 증가될 수 있다. 원자로 노심으로부터의 중성자 방사 플럭스가 일부 실시예에 있어서 고정된 값일 수 있지만, 타겟의 기하학적 구조가 타겟 자체 내에서의 중성자 플럭스를 증가시키는데 사용될 수 있다.
중성자 플럭스 Φ는 원자로 노심 및 타겟 둘 다로부터의 중성자, 예를 들어, 타겟 내에서 생성된 중성자의 플럭스를 포함할 수 있다. 타겟에서 핵분열 이벤트로부터 생겨난 중성자는 예를 들어, 물과 같은, 타겟 내에 위치한 중성자 감속제 내에서 열중성자화할 기회를 가질 수 있으며, 이 열중성자는 타겟에서 계속해서 더 많은 핵분열 반응을 일으킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 실질적으로 모든 핵분열성 물질, 예를 들어, 우라늄이 하나의 층 위에(예를 들어, 외부 클래딩(52)의 내부 표면 위에) 위치할 수 있다. 그러나, 두 층의 핵분열성 물질, 예를 들어, 제1 층(53) 및 제2 층(56)을 갖는 것은, 핵분열 반응으로부터의 열 제거를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 타겟(40)으로부터 제거된 열의 양은, 중성자 감속제(55), 예를 들어, 물과 직접 접촉하는 클래딩의 표면적 양에 대응할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 외부 클래딩(52)의 외부 벽 및 내부 클래딩(54)의 내부 벽 둘 모두가 물에 노출될 수 있으며, 이를 통하여, 타겟(4)의 표면(들)을 냉각할 수 있다.
타겟 물질, 예를 들어, 우라늄의 원자 밀도(N)를 증가시키기 위하여, 타겟(40)은 약 18 g cm-3의 밀도 또는 산화 우라늄(U02)의 거의 4배의 밀도를 갖는 우라늄 금속으로 형성될 수 있다. 밀도가 높을수록 원자 밀도 N도 높아진다. 일 실시예에 있어서, 타겟 물질은 약 19.75%로 농축된, 저농축 우라늄(LEU)을 포함할 수 있다. 20% 이상으로 농축된 핵분열성 물질은 HEU로 불리거나 정의될 수 있으며, 20% 미만으로 농축된 핵분열성 물질은 LEU로 불리거나 정의될 수 있다.
제1 층(53) 및/또는 제2 층(56)의 두께는 타겟 물질의 바람직한 질량에 따라 변하도록 허용될 수 있다. 질량이 커질수록, N 값은 커지며, 그리하여 몰리브덴의 생성 속도도 커진다. 일 실시예에 있어서, 제1 층(53) 및/또는 제2 층(56)이 각각, 외부 벽(52) 및 내부 벽(54) 위에 "스퍼터링"되거나, 그렇지 않으면 외부 벽(52) 및 내부 벽(54) 위에 부착될 수 있다. 제1 층(53)은 제2 층(56)에 비해 다른 질량을 가질 수 있는데, 이것은 그들의 방사상의 위치, 예를 들어, 원통형의 기하학적 구조, 및/또는 두께의 차이에 기인한다.
일 실시예에 있어서, 제1 층(53) 및/또는 제2 층(56)이 타겟 챔버(51) 내에 느슨하게 고정될 수 있는데, 예를 들어, 각각, 내부 벽(54)이나 외부 벽(56)에 부착되지 않는다. 따라서, 제1 층(53) 및 제2 층(56)이 어떠한 화학적 또는 열적 처리를 수행하지 않고 타겟(40)으로부터 물리적으로 제거될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 클래딩으로부터의 제거를 위해, 핵분열성 물질이 조사된 후에 비워진 영역(58) 속으로 화학 물질이 삽입되거나 주입되어, 제1 층(53) 및 제2 층(56)을 용해시킬 수 있다.
도 6은 예시적인 동위원소 생성 속도를 보여주는 표 60을 도시하고 있다. 표 60은 몰리브덴의 생산량을 타겟 질량, 예를 들어, 우라늄 질량의 함수로서 설명하고 있다. 동위원소 생성의 상대적인 변화는 타겟 내에 있는 핵분열성 물질의 질량의 함수로서 측정될 수 있다.
타겟은 대략 200 g 과 400 g 사이에서 선택된 질량의 핵분열성 물질을 포함할 수 있다(물론, 다른 질량의 핵분열성 물질이 사용될 수도 있다). 일 실시예(62)에 있어서, 200 g 질량의 우라늄을 함유하는 타겟은 약 300 큐리(Ci)의 몰리브덴(99Mo)을 생성할 수 있으며, 다른 실시예(64)에 있어서, 400 g 질량의 우라늄을 함유하는 타겟은 약 450 큐리(Ci)의 몰리브덴을 생성할 수 있다.
핵분열성 물질의 질량이 증가함에 따라, 예를 들어, 몰리브덴 같은, 최종 제품의 양이 또한 증가될 수 있다. 하지만 중성자가 핵분열성 물질을 관통할 때 중성자 플럭스가 줄어들기 때문에, 최종 제품의 양의 증가는 선형이 아닐 수 있다. 이 현상은 자기 차폐(self-shielding)로 지칭되거나 알려져 있을 수 있다. 그 결과, 도 6에 도시된 실시예의 동위원소 생성 곡선은 핵분열성 물질의 질량에 따라 선형으로 계속 증가하는 대신에, 최대값에 가까워지거나 다다를 수 있다. 핵분열성 물질의 질량은 변할 수 있는데, 핵분열성 물질과 관련된 직경, 두께, 길이, 너비, 높이, 조성, 또는 이들의 임의의 조합의 증가 또는 감소에 의해, 변할 수 있다.
도 7은 동위원소 생성 타겟(76)을 포함하는 타겟 어셈블리(70)의 실시예를 도시한다. 일 실시예에 있어서, 동위원소 생성 타겟(76)은 원자로 노심의 연료 요소와 대략 같은 크기를 가질 수 있다. 장착 구조체(77)는 동위원소 생성 타겟(76)과 결합될 수 있으며, 동위원소 생성 타겟(76)을 원자로 노심으로 삽입되도록 형성될 수 있다. 장착 구조체(77)의 제1 부분(71)은 제1 단부(72)에서 동위원소 생성 타겟(76)에 결합될 수 있고, 장착 구조체(77)의 제2 부분(73)은 제2 단부(74)에서 동위원소 생성 타겟(76)에 결합될 수 있다.
장착 구조체(77)는 하나 이상의 구멍들(75)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구멍들(75)(이후 "구멍들")은 물 또는 1차 냉매를 타겟 어셈블리(70) 속으로 또는 타겟 어셈블리를 통과하도록 유도하도록 형성될 수 있다. 구멍들(75)은 제1 부분(71) 및 제2 부분(73) 중 하나 또는 둘 다의 원주 둘레에 위치될 수 있다. 구멍들(75)은 물 또는 1차 냉매가 타겟 어셈블리(70) 속으로 진입하거나, 또는 타겟 어셈블리(70)로부터 빠져나오기 위한 통로를 제공하도록 형성될 수 있다.
도 8은 도 7의 타겟 어셈블리(70)의 실시예의 단면도(80)를 도시한다. 동위원소 생성 타겟(76)은 외부 벽(82) 및 내부 벽(84)을 포함할 수 있다. 동위원소 생성 타겟(76)은 외부 벽(82)과 내부 벽(84) 사이에 위치한 동위원소 생성 챔버 내에 핵분열성 물질을 함유하도록 형성될 수 있다. 추가적으로, 동위원소 생성 타겟(76)은 내부 벽(84) 내에 위치한 중심 영역(85)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 동위원소 생성 타겟(76) 내에 포함된 핵분열성 물질의 길이(86)는 대략 20 인치일 수 있다.
장착 구조체(77)는 원자로 노심과 관련된 1차 냉매를 중심 영역(85)을 통과하게 유도하도록 형성될 수 있다. 구멍들(75)에 부가하여, 또는 이를 대신하여, 장착 구조체(77)가 제1 부분(71) 내에 또는 근처에 위치한 제1 개구(87)를, 그리고 제2 부분(73) 내에 또는 근처에 위치한 제2 개구(88)를 포함할 수 있다. 제1 개구(87) 및 제2 개구(88) 중 하나 또는 둘 다가, 물 또는 1차 냉매가 중심 영역(85) 속으로 통과해 들어가거나 또는 중심 영역으로부터 빠져나올 수 있게 형성될 수 있다. 중심 영역(85)은, 동위원소 생성 타겟(76)이 원자로 노심 속으로 삽입될 때 핵분열성 물질에 의해 생성된 중성자를 열중성자화하도록 형성될 수 있다.
장착 구조체(77)는 연결 장치(89)를 포함할 수 있다. 연결 장치(89)는 장착 구조체(77)를 동위원소 생성 타겟(76)에 결합하도록 형성될 수 있다. 장착 구조체의 제1 부분(71) 및 제2 부분(73) 각각은, 예를 들어, 연결 장치(89)와 같은, 연결 장치에 의해, 동위원소 생성 타겟(76)에 결합될 수 있다.
도 9는, 동위원소 타겟 구조체(95), 제1 장착 구조체(92), 및 제2 장착 구조체(94)를 포함하는, 동위원소 생성 어셈블리(90)의 분해 조립도를 도시한다. 제1 장착 구조체(92)는, 냉매가 동위원소 타겟 구조체(95)의 속으로 및/또는 밖으로 흐를 수 있도록 형성된, 하나 이상의 개구(97)를 포함할 수 있다. 제2 장착 구조체(94)는 또한 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 제1 장착 구조체(92) 및 제2 장착 구조체(94)는 각각 타겟 삽입체(96)를 포함할 수 있다. 이 타겟 삽입체(96)는 연결 장치(93)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 연결 장치(93)는 타겟 삽입체(96)를 제1 장착 구조체(92) 및/또는 동위원소 타겟 구조체(95)에 연결하도록 형성될 수 있다.
도 10은 도 7의 타겟 어셈블리(70) 실시예에 대한 추가의 단면도(100)를 도시한다. 장착 구조체(77)는 연결 장치(89)에 의해 동위원소 생성 타겟(76)에 연결될 수 있다. 연결 장치(89)는 하나 이상의 지지 팔, 플루트(flutes), 띠(webbing), 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 지지 팔은 장착 구조체(77)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 뻗어나갈 수 있어 동위원소 생성 타겟(76)에 연결된다.
예를 들어, 개구(105)와 같은, 하나 이상의 개구가 연결 장치(89) 사이에 또는 연결 장치를 통과해 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 장착 구조체(77)는 물 또는 1차 냉매가 개구(105)를 통과해서 동위원소 생성 타겟(76) 속으로 유도되도록 형성될 수 있다. 동위원소 생성 타겟(76)을 통과한 물 또는 1차 냉매는 개구(105)를 빠져나갈 수 있다.
동위원소 생성 챔버(101)는 외부 벽(82)과 내부 벽(84) 사이에 위치할 수 있으며, 핵분열성 물질을 수용하도록 형성될 수 있다. 핵분열성 물질 내에서 생성된 중성자는, 동위원소 생성 챔버(101)에 재진입되기 전에 동위원소 생성 타겟(76)에 진입 및/또는 진출하는 물 또는 1차 냉매에 의해 열중성자화되거나 또는 감속될 수 있다. 핵분열성 물질에 재진입되는 중성자는 추가적인 핵분열 이벤트를 야기할 수 있는데, 동위원소 생성 타겟(76)의 중심 영역 안에서, 이 추가적인 핵분열 이벤트는 중성자를 더 생성할 수 있으며, 이 중성자는 이후에 1차 냉매에 의해 열중성자화될 수 있다.
도 11은 진공 챔버(115)를 포함하는 타겟(110)을 도시한다. 타겟(110)은, 안쪽이 우라늄 산화물(UO2)(114)로 코팅된, 얇은 벽의 단일 스테인리스 스틸 튜브(112)를 포함할 수 있다. 우라늄 산화물(114)은 약 93% 로 농축된 HEU를 포함할 수 있는데, 그 밀도는 약 4.8 g cm- 3 이다. 도시된 타겟(110)은, 고출력 원자로를 사용하는 이른바 "Centichem" 공정에서 사용된 타겟과 유사할 수 있다.
우라늄 산화물(114) 내의 핵분열로부터 생성된 어떠한 중성자도 중성자가 타겟(110) 내에 머무르는 동안은 진공 챔버(115) 내에서 열중성자화될 기회를 가질 수 없을 수 있다. 따라서, 이들 고 에너지 중성자들이 우라늄 산화물(114)의 또 다른 핵분열 이벤트를 생성할 기회는 극히 낮을 수 있다. 핵분열 이벤트로부터 생성된 압도적인 대부분의 중성자들은 그냥 타겟으로부터 새어 빠져나갈 수 있다. 그 대신에, 타겟(110)은, 예를 들어, 멀리 떨어진 중성자 공급원으로부터 생성된 중성자같은, 타겟(110)의 바깥쪽으로부터 스테인리스 스틸 튜브(112)로 진입하는 중성자에 의지해야만 할 수 있다. 따라서, 타겟(110)과 결부된 중성자 플럭스는, 예를 들어, 도 1의 동위원소 타겟(10)과 결부된 중성자 플럭스보다 작을 수 있으며, 이것은 열중성자화 체적을 수용하도록 형성된 중심 영역을 포함한다.
스테인리스 스틸 튜브(112)의 안쪽을 우라늄 산화물로 코팅하는 것은 화학조(chemical bath)에서 재료를 처리하는 공정을 필요로 할 수 있다. 화학조는 우라늄 산화물(114)과 스테인리스 스틸 튜브(112)를 모두 용해하는데 사용될 수 있는데, 이것은 원하는 동위원소의 분리 및 처리 공정을 복잡하게 할 수 있다. 우라늄 산화물(114)과 스테인리스 스틸 튜브(112) 사이에 공간 또는 간극이 없을 수 있다.
도 12는 격자 구성(120)의 실시예를 도시한다. 격자 구성(120)은 복수의 연료 봉 및 하나 이상의 타겟을 포함하는 원자로 노심 어셈블리를 위한 격자 판(grid plate)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 격자 구성(120)은 다수의 동심 고리의 연료봉을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 외부 고리(122), 즉 "G-ring"은 36가지 위치를 차지할 수 있고; "F-ring"(124)은 30가지 위치를 차지할 수 있으며; "E-ring"(126)은 24가지 위치를 차지할 수 있고; "D-ring"(128)은 18가지 위치를 차지할 수 있는 등, 여러가지 경우가 있을 수 있다. 중심 위치, 또는 "A-ring"은 하나의 위치를 차지할 수 있다.
하나 이상의 타겟이 격자 구성(120)의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 타겟이 외부 고리(122)와 결부된 위치에 위치될 수 있어, 예를 들어, 타겟의 설치 및/또는 회수와 같은 접근이 용이하게 된다. 타겟의 위치는 또한 타겟이 받는 중성자 플럭스 및/또는 타겟에 의해 발생된 열을 제어하는데 사용될 수 있다. 전력 밀도 및/또는 중성자 플럭스를 증가시키기 위해서, 타겟이 격자 구성(120)의 중심에 더 가깝게 이동될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 추가된 세 개의 타겟 마다에 대해 대략 두 개의 연료봉이 격자 구성(120)으로부터 제거될 수 있다. 원자로의 전체 설계 특성, 예를 들어, 원자로의 보증 및 운전 기준을 유지하면서, 하나 이상의 타겟이 격자 구성(120)에 추가될 수 있다. 타겟이 동위원소 제조 공정 동안, 수 시간 또는 수 일간, 예를 들어, 6 일간 원자로 노심 내에 위치될 수 있다.
도 13은 물을 감속제로 사용하는 실시예의 여러 타겟 사이의 비교를 보여주는 표(130)를 도시한다. 도시된 표(130)는, 도 12의 격자 구성(120)의 외부 고리(122) 내에 위치한 타겟의 위치, 또는 요소 수(element number)의 함수로서, 몰리브덴의 생성 속도를 비교하고 있다. 예를 들어, 도 1의 중심 영역(15)과 같은, 열중성자화 체적 또는 중성자 감속제로서 물을 포함하는 중심 영역 및 베릴륨 클래딩을 포함하는 제1 타겟(132)에 대한 몰리브덴 생성 속도는, 대략 280 큐리(Ci)와 405 큐리 사이에서 변하는 것으로 도시된다.
열중성자화 체적 또는 중성자 감속제로서 물을 포함하는 중심 영역 및 스테인리스 스틸 클래딩을 포함하는 제2 타겟(134)의 경우 몰리브덴 생성 속도는 대략 230 큐리와 300 큐리 사이에서 변하는 것으로 도시되고 있다. 제1 타겟(132) 및 제2 타겟(134) 둘 다 본 발명의 예시 및 비교를 위해, 핵분열성 물질 200 그램을 포함할 수 있다.
도 11의 진공 챔버(115)와 같은, 진공 챔버 및 200 g의 핵분열성 물질을 포함하는 제3 타겟(136)의 몰리브덴 생성 속도는 대략 160 큐리 및 230 큐리 사이에서 변하는 것으로 도시된다. 100 g의 핵분열성 물질 및 진공 챔버를 포함하는 제4 타겟(138)의 몰리브덴 생성 속도는 대략 105 큐리 및 150 큐리 사이에서 변하는 것으로 도시된다.
제1 타겟(132) 및 제2 타겟(134)은 일반적으로 제3 타겟(136)이나 제4 타겟(138)보다 더 높은 동위원소 생성 속도를 제공하는 것으로 이해될 수 있다. 열중성자화 체적 또는 중성자 감속제를 포함하는 중심 영역을 포함함으로써, 타겟 내의 열 중성자의 수를 효율적으로 증가시킴으로써, 그리고 이어서 핵분열성 물질의 핵분열 속도를 증가시킴으로써, 제1 타겟(132) 및 제2 타겟(134)은 더 효율적으로, 이용가능한 중성자, 즉 중성자 플럭스를 사용할 수 있다.
타겟 내에 중심 열중성자화 체적을 포함하는 것은, 몰리브덴 및 다른 동위원소, 예를 들어, 플루토늄과 같은 동위원소의 생성에 대해 개선된 그리고 더 비용 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 동일한 중성자 플럭스의 경우, 중심 열중성자화 체적을 포함하는 타겟의 일부 실시예는, 진공 챔버를 포함하는 타겟에 비교해, 저 출력 원자로 내에서의 몰리브덴 양의 거의 3배를 생산할 수 있다. 지르코늄, 지르코늄-합금, 알루미늄, 세라믹, 다른 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다른 유형의 클래딩이 다양한 실시예 타겟에서 사용될 수 있다.
도 14는 타겟(140) 실시예 및 다층 공급원 구조체를 도시한다. 타겟(140)이 제1 클래딩 어셈블리(142) 및 제2 클래딩 어셈블리(144)를 포함하는 것으로 도시되고 있다. 제2 클래딩 어셈블리(144)는 제1 클래딩 어셈블리(142) 내에 내포되어 있을 수 있다. 제1 클래딩 어셈블리(142)는 핵분열성 물질의 제1 공급원(141)을 포함할 수 있고, 제2 클래딩 어셈블리(144)는 핵분열성 물질의 제2 공급원(143)을 포함할 수 있다. 다층 공급원 구조체의 기하학적 구조는, 예를 들어, 단층의 핵분열성 물질을 포함하는 타겟에 비교해서, 핵분열성 물질의 질량을 증가시키는데 이용될 수 있다.
타겟(140)의 중심 영역(145)은 제2 클래딩 어셈블리(144)의 내부 벽(148) 내에 위치될 수 있다. 중심 영역(145)은, 열중성자화 체적 또는 중성자 감속제를 포함할 수 있는데, 중성자 감속제로는, 예를 들어, 물 또는 1차 냉매와 같은 것이 포함된다. 추가적으로, 중간 영역(intermediate region)(147)은 열중성자화 체적 또는 중성자 감속제를 포함할 수 있는데, 중성자 감속제로는, 예를 들어, 물 또는 1차 냉매와 같은 것이 포함된다. 중간 영역(147)은 제2 클래딩 어셈블리(144)의 외부 벽(149)의 바깥 쪽에 위치될 수 있는데, 예를 들어, 제1 클래딩 어셈블리(142)와 제2 클래딩 어셈블리(144)의 사이에 위치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 물 또는 다른 유형의 1차 냉매가 중심 영역(145) 및/또는 중간 영역(147)을 통과해 흐를 수 있도록 되어 있어, 타겟(140)을 통과해 흐르는 두 개 이상의 물 채널이 있을 수 있게 된다. 게다가, 핵분열성 물질의 제1 공급원(141)과 핵분열성 물질의 제2 공급원(143) 사이에 중간 영역(147)을 포함하는 것은, 타겟(140) 내에 있는 핵분열성 물질의 증가된 질량에 기인한 자체 차폐의 효과를 감소시킬 수 있다. 열중성자화 속도 및/또는 동위원소 생성 속도는, 핵분열성 물질의 양을 변화시키거나 및/또는 타겟(14)을 통과하는 물의 체적 및/또는 유속을 조절하도록 타겟(140)을 형성함으로써 제어될 수 있다.
조작 모드 실시예
도 15는 동위원소 생성 공정(150)의 일 실시예를 도시하고 있다. 조작(151) 중에, 동위원소 생성 타겟의 외부 벽과 내부 벽 상이에 위치한 핵분열성 물질이 저장될 수 있다. 핵분열성 물질 하우징은 외부 벽 및 내부 벽을 포함할 수 있다. 핵분열성 물질은 외부 벽과 내부 벽 사이에 위치한 타겟 챔버 내에 저장될 수 있다.
조작(152) 중에, 예를 들어, 물과 같은, 1차 냉매가 동위원소 생성 타겟을 통과하도록 유도될 수 있다. 1차 냉매는 동위원소 생성 타겟의 중심영역 또는 채널을 통과하도록 유도될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 1차 냉매는 동위원소 생성 타겟의 일 단부 또는 양 단부에 위치한 장착 장치에 의해 동위원소 생성 타겟을 통과하도록 유도될 수 있다.
조작(153) 중에, 핵분열성 물질의 핵분열 이벤트 동안 생성된 중성자는 동위원소 생성 타겟의 중심 영역 내에서 열중성자화될 수 있다. 중성자 공급원으로 핵분열성 물질을 조사하는 것에 응답하여 중성자가 생성될 수 있다. 중심 영역은 중성자 열중성자화 체적 또는 중성자 감속제를 포함할 수 있는데, 그 예로서는 경수, 중수, 그래파이트, 지르코늄, 플라스틱, 왁스, 파라핀, 함수소 물질, 다른 유형의 중성자 감속제, 또는 이들의 임의의 조합이 포함된다. 일 실시예에 있어서, 중심 영역은 원자로 노심과 결부된 1차 냉매를 포함할 수 있다.
중심 영역은 핵분열 이벤트 동안 생성된 중성자를 열중성자화하는 물을 포함할 수 있으며, 열중성자화된 중성자는 조사된 물질의 추가적인 핵분열 이벤트를 야기할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 타겟의 바깥쪽에 위치한 중성자 공급원으로부터 생겨난 중성자로만 조사되는 타겟에 비하여, 핵분열 이벤트의 수는 거의 두 배가 될 수 있는데, 이것은 타겟보다는 열중성자화된 중성자에 기인하는 것이다.
조작(154) 중에, 조사된 물질의 핵분열 이벤트 동안 생성된 핵분열 부-생성물은, 핵분열성 물질 사이에 산재된, 하나 이상의 비워진 영역 안에서 포획될 수 있다. 하나 이상의 비워진 영역이 동위원소 생성 타겟의 외부 벽과 내부 벽 사이에 위치할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 비워진 영역이, 핵분열성 물질을 포함하는, 예를 들어, 공 또는 펠릿의 형태의, 복수의 물체 사이에 산재될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 핵분열성 부생성물은 핵분열성 물질의 두 층 또는 시트 사이에 위치한 환형공간 내에 저장될 수 있다.
조작(155) 중에, 조사된 물질은 동위원소 생성 타겟으로부터 제거될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 동위원소 생성 타겟의 하나 이상의 단부가, 조사된 물질을 제거하는 데에 앞서, 예를 들어, 절단되어, 제거될 수 있다. 복수의 물체로서 저장된 핵분열성 물질은 동위원소 생성 타겟 내에 느슨하게 저장될 수 있으며, 조사된 물질은 어떠한 화학적 또는 열적 처리 없이 동위원소 생성 타겟으로부터 물리적으로 제거될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 핵분열성 물질은, 타겟 챔버 내에 하나 이상의 시트, 호일, 튜브, 또는 이와 유사한 형태로 저장될 수 있다. 핵분열성 물질은 타겟 챔버의 내부 벽 및/또는 외부 벽 위에, 예를 들어 스퍼터링되어, 부착될 수 있다.
조작(156) 중에, 조사된 물질은 동위원소, 예를 들어, 몰리브덴 동위원소를 분리하기 위해 화학적으로 처리될 수 있다. 조사된 물질은 화학조 또는 예를 들어, 산성조(acid bath)에서 처리될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 조사된 물질은, 동위원소 생성 타겟으로부터 제거된 후에 화학적으로 처리될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 조사된 물질은 동위원소 생성 타겟 내에 머무르면서 화학적으로 처리될 수 있다.
편의상, 상기 조작들은 다양한 상호연결된 기능성 블록 또는 다이아그램으로서 기술될 수 있다. 그러나 이것은 필수적인 것은 아니며, 이들 기능성 블록 또는 다이아그램이 불명확한 경계를 갖는 하나의 조작으로 동등하게 조합되어지는 경우가 있을 수 있고, 및/또는 하나 이상의 조작이 공정으로부터 생략되어질 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, TRIGA® 원자로와 같은, 저 출력 원자로에서 타겟을 사용하여 기술된 반면에, 당해분야의 숙련자라면 타겟이, 예를 들어, 10 메가와트 열 출력 보다 큰 출력 용량을 갖는, 고 출력 원자로 또는 평판 연료형 연구용 원자로에서도 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다양한 실시예가 LEU를 포함하는 타겟으로 기술될 수 있는 반면에, 다른 실시예들은 HEU, 우라늄 산화물 UO2, 플루토늄, 233U, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
다양한 실시예의 원리를 상술하고 도시하였으므로, 이들 실시예들은 이러한 원리들로부터 벗어나지 않고 배열 및 세부 사항이 수정될 수 있다는 것이 명백하다. 다음의 청구항의 기술적 사상 및 범위 내에 들어오는 모든 개조 및 변형을 본 발명의 권리범위로서 청구한다.

Claims (14)

  1. 외경 벽;
    내경 벽;
    상기 내경 벽과 상기 외경 벽 사이에 위치하는 동위원소 공급원으로서, 상기 동위원소 공급원은 서로 접촉하고 있는 핵분열성 물질의 입자들을 포함하고, 상기 입자들의 각각의 주변에는 복수의 비워진 영역들(voided regions)이 산재(interspersed)되어 있는, 동위원소 공급원; 및
    상기 내경 벽 안에 위치하는 중심 영역으로서, 열중성자화 체적(neutron thermalization volume)을 수용하도록 형성된 중심 영역;을 포함하는
    동위원소 생성 타겟.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 비워진 영역들이 상기 핵분열성 물질의 입자들로부터 생성된 핵분열 가스를 포획하도록 구성되어 있고, 또한, 상기 복수의 비워진 영역들은 상기 동위원소 생성 타겟의 작동 동안에도 존속하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질의 입자들이 실질적으로 공(ball) 형태이고, 상기 복수의 비워진 영역들은 인접하는 공 형태의 입자들의 접촉점들의 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질의 입자들은 분말을 포함하고, 상기 복수의 비워진 영역들은 상기 분말의 인접하는 입자들의 접촉점들의 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 비워진 영역을 밀봉하여 상기 핵분열 가스가 상기 동위원소 생성 타겟을 빠져나가는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열중성자화 체적이 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 동위원소 생성 타겟이 원자로 노심에 장착되도록 형성되어 있고, 상기 물이 상기 원자로 노심과 결부된 1차 냉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 원자로 노심은 열출력 20 메가와트 미만의 원자로와 결부되어 있고, 상기 동위원소 공급원은 20 퍼센트 우라늄 미만의 저농축 핵분열성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질의 입자들에서 발생한 중성자가 상기 핵분열성 물질의 입자들에 재진입하기 전에 상기 열중성자화 체적에 의하여 열중성자화되도록, 상기 중심 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동위원소 생성 타겟.
  10. 핵분열성 물질의 입자들을 포함하는 동위원소 공급원;
    상기 핵분열성 물질의 입자들을 수용하기 위한 하우징 수단으로서, 상기 하우징 수단은 외벽 및 내벽을 포함하고, 상기 하우징 수단의 둘레에 위치하며 측방향으로(laterally) 서로 인접하는 상기 핵분열성 물질의 입자들의 접촉점들 주위에는 복수의 비워진 영역들이 산재하고 있는, 하우징 수단; 및
    상기 하우징 수단의 상기 내벽 안에 위치하는 중성자를 열중성자화하기 위한 열중성자화 수단;을 포함하는
    동위원소 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 열중성자화 수단은 원자로 노심과 결부된 1차 냉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 제조 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 1차 냉매가 상기 동위원소 제조 장치를 통과하도록 유도하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 제조 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질의 입자들이 실질적으로 둥근 공 형태의 핵분열성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 제조 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질의 입자들이 상기 하우징 수단 내에 분말 형태로 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 동위원소 제조 장치.
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Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL2599087T3 (pl) 2010-07-29 2019-03-29 The State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Tarcza do produkcji izotopu
US9196390B2 (en) * 2011-09-23 2015-11-24 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Irradiation target encapsulation assembly and method of assembly
US10332646B2 (en) * 2011-12-05 2019-06-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Apparatus and method for generating medical isotopes
KR101218774B1 (ko) * 2011-12-23 2013-01-09 한국원자력연구원 고속로용 핵연료봉
US9997267B2 (en) * 2013-02-13 2018-06-12 Battelle Memorial Institute Nuclear reactor target assemblies, nuclear reactor configurations, and methods for producing isotopes, modifying materials within target material, and/or characterizing material within a target material
FR3016726B1 (fr) * 2014-01-22 2016-03-04 Commissariat Energie Atomique Dispositif pour l'irradiation d'echantillons dans le cœur ou en peripherie du cœur d'un reacteur
BE1023217B1 (fr) * 2014-07-10 2016-12-22 Pac Sprl Conteneur, son procede d'obtention, et ensemble de cible pour la production de radio-isotopes utilisant un tel conteneur
CN105244069A (zh) * 2015-08-31 2016-01-13 中科华核电技术研究院有限公司 高比活度放射源芯靶、放射性棒及新型阻流塞组件
JP6752590B2 (ja) * 2016-02-29 2020-09-09 日本メジフィジックス株式会社 ターゲット装置および放射性核種製造装置
CN106875999B (zh) * 2017-01-03 2019-01-29 中国原子能科学研究院 一种用于辐照生产裂变99Mo的低浓铀铀箔靶件
US11286172B2 (en) 2017-02-24 2022-03-29 BWXT Isotope Technology Group, Inc. Metal-molybdate and method for making the same
US11363709B2 (en) 2017-02-24 2022-06-14 BWXT Isotope Technology Group, Inc. Irradiation targets for the production of radioisotopes
CN111066095A (zh) 2017-08-02 2020-04-24 Bwxt同位素技术集团有限公司 全操作功率时的燃料通道同位素辐照
US10109383B1 (en) * 2017-08-15 2018-10-23 General Electric Company Target assembly and nuclide production system
JP6947933B2 (ja) * 2017-12-15 2021-10-13 南京中硼▲聯▼康医▲療▼科技有限公司Ｎｅｕｂｏｒｏｎ Ｍｅｄｔｅｃｈ Ｌｔｄ． 中性子捕捉療法システム
CN109147965A (zh) * 2018-08-20 2019-01-04 中国原子能科学研究院 一种多单片状自由组合式低浓铀铀箔靶件
TWI769552B (zh) * 2019-10-14 2022-07-01 美商西屋電器公司 模組化放射線同位素生產囊室及其相關方法
PL3985686T3 (pl) 2020-10-14 2023-01-16 Narodowe Centrum Badań Jądrowych Sposób wytwarzania tarczy uranowej do produkcji molibdenu, proces produkcji molibdenu oraz tarcza uranowa do produkcji molibdenu
RU2760492C1 (ru) * 2020-12-31 2021-11-25 Акционерное общество «Научно-технический центр «Диапром» Тепловыделяющий элемент ядерного реактора
CN112967829A (zh) * 2021-02-02 2021-06-15 上海核工程研究设计院有限公司 一种在重水堆中生产钼-99同位素的辐照靶件
CN112951472B (zh) * 2021-02-02 2024-01-19 上海核工程研究设计院股份有限公司 在重水堆中生产钼-99同位素的含支撑棒的辐照靶件
CN115472316A (zh) * 2022-09-16 2022-12-13 中国核动力研究设计院 一种燃料棒、棒束组件及倒料方法
CN116978495B (zh) * 2023-07-25 2024-03-12 上海交通大学 基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4017583A (en) * 1974-02-07 1977-04-12 Japan Atomic Energy Research Institute Volitilization process for separation of molybdenum-99 from irradiated uranium
US5615238A (en) * 1993-10-01 1997-03-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method for fabricating 99 Mo production targets using low enriched uranium, 99 Mo production targets comprising low enriched uranium
US20070258556A1 (en) * 2006-03-15 2007-11-08 Korea Atomic Energy Research Institute Annular nuclear fuel rod controllable in heat fluxes of inner and outer tubes
JP5547887B2 (ja) * 2007-11-28 2014-07-16 ジーイー−ヒタチ・ニュークリア・エナジー・アメリカズ・エルエルシー 同位体生成ターゲット棒

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3928132A (en) 1971-04-29 1975-12-23 Commissariat Energie Atomique Annular fuel element for high-temperature reactors
SE380000B (ko) * 1971-08-31 1975-10-27 Atomic Energy Of Australia
CA1068832A (en) * 1976-06-23 1979-12-25 Her Majesty In Right Of Canada As Represented By Atomic Energy Of Canada Limited Target for production of molybdenum-99
US4372817A (en) 1976-09-27 1983-02-08 General Electric Company Nuclear fuel element
JPS60117179A (ja) * 1983-11-30 1985-06-24 株式会社日立製作所 核燃料要素
CS255601B1 (en) * 1984-05-18 1988-03-15 Kristian Svoboda 99 mtc elution unit-built generator and method of its production
CA2134263A1 (en) 1994-10-25 1995-10-13 William T. Hancox Target for use in the production of molybdenum-99
JP2000505554A (ja) 1996-02-27 2000-05-09 ユーリ・バシリエビッチ・ドロビシェフスキー 核分裂を制御するプロセス中でエネルギーを発生させるための方法および反応機
CA2174983A1 (en) 1996-04-25 1997-10-26 Ardeshir R. Dastur Low coolant void reactivity fuel bundle
RU2120669C1 (ru) * 1997-05-27 1998-10-20 Государственный научный центр РФ Контейнер для облучения делящихся материалов
US5887044A (en) * 1997-09-02 1999-03-23 The United States Of America As Respresented By The United States Department Of Energy Fuel element design for the enhanced destruction of plutonium in a nuclear reactor
CN101019193A (zh) * 2004-06-07 2007-08-15 西屋电气有限责任公司 在核和化石发电厂中用于燃料安全壳屏蔽和其它应用的多层陶瓷管
US8953731B2 (en) * 2004-12-03 2015-02-10 General Electric Company Method of producing isotopes in power nuclear reactors
US20070133733A1 (en) 2005-12-07 2007-06-14 Liviu Popa-Simil Method for developing nuclear fuel and its application
WO2008063693A2 (en) * 2006-04-14 2008-05-29 Thorenco, Llc Compound isotope target assembly for production of medical and commercial isotopes by means of spectrum shaping alloys
JP4618732B2 (ja) * 2006-10-20 2011-01-26 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 放射性モリブデンの製造方法と装置
US20090238322A1 (en) 2008-03-24 2009-09-24 Jin Liu Fuel rod and assembly containing an internal hydrogen/tritium getter structure
US20100215137A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Yasuki Nagai Method and apparatus for producing radioisotope
GB0919067D0 (en) * 2009-10-30 2009-12-16 Sck Cen Coated nuclear reactor fuel particles
US8450629B2 (en) 2010-05-10 2013-05-28 Los Alamos National Security, Llc Method of producing molybdenum-99
PL2599087T3 (pl) 2010-07-29 2019-03-29 The State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Tarcza do produkcji izotopu

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4017583A (en) * 1974-02-07 1977-04-12 Japan Atomic Energy Research Institute Volitilization process for separation of molybdenum-99 from irradiated uranium
US5615238A (en) * 1993-10-01 1997-03-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method for fabricating 99 Mo production targets using low enriched uranium, 99 Mo production targets comprising low enriched uranium
US20070258556A1 (en) * 2006-03-15 2007-11-08 Korea Atomic Energy Research Institute Annular nuclear fuel rod controllable in heat fluxes of inner and outer tubes
JP5547887B2 (ja) * 2007-11-28 2014-07-16 ジーイー−ヒタチ・ニュークリア・エナジー・アメリカズ・エルエルシー 同位体生成ターゲット棒

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