TW200945368A - Radioisotope production structures, fuel assemblies having the same, and methods of using the same - Google Patents

Description

200945368 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 例示實施例大體而言係關於核能電廠中之燃料結構以 及其中所生產之放射性同位素。 【先前技術】 一般而言，核能電廠包括反應器核心，其中安置有燃 Φ 料以藉由核分裂產生能量。美國核能電廠的常見設計爲： 將燃料以複數個捆縛在一起成爲燃料總成之燃料棒的形式 或燃料總成之形式安置，置放於反應器核心中。該等燃料 棒通常包括若干個在整個總成之各個軸向方向上將燃料棒 接合至各總成組件的元件。 如圖1所示，核反應器之習知燃料總成10 (諸如 BWR)可包括外部通道12，其包圍上部繫板14及下部繫 板16。複數個全長燃料棒18及/或部分長度燃料棒19可 〇 聽㈣ 式安置於燃料總成10內，並穿過複數個間隔件 20。燃料棒18及19通常起始於上部繫板14處且終止於 下部繫板16處，連續通過燃料總成1〇的長度，但部分長 度棒19除外，其均終止於離全長棒18較低之垂直位置處 。上端塞15及/或下端塞17可將燃料棒18及19接合至 上部繫板14及下部繫板16，其中下端塞17僅在部分長度 棒19之情況下使用。繫桿28可爲置放於燃料總成1〇之 轉角位置處的全長棒，其牢固地接合至上部繫板14及下 部繫板16’並爲燃料總成10提供裝卸點。端塞15及17 -5- 200945368 可分別與上部繫板14及下部繫板16緊密配合，且在繫桿 28之情況下分別穿過上部繫板14及下部繫板16，並能將 燃料棒18或19軸向緊固於燃料總成中。 【發明內容】 例示實施例針對具有照射標靶的繫板附件，及使用例 示實施例繫板附件的燃料總成，以及使用例示實施例繫板 附件產生放射性同位素的方法。例示實施例繫板附件可包 括複數個保持孔’以使照射標靶能插入並圍阻於該等保持 孔中。可在包括該等燃料總成之正在運轉之核芯中對照射 標靶進行照射，產生有用的放射性同位素，其可藉由拆卸 例示實施例繫板附件而自用過的核燃料總成中收集得到。 例示實施例繫板附件可經由上部繫板、燃料棒及/或 包圍燃料總成之通道連接至燃料總成。例示實施例繫板可 固持於燃料總成內固定的軸向位置處，以便使其中之照射 標靶曝露至較低層面之恆定中子通量，藉此將相當大量之 照射標靶轉化成可用的放射性同位素。 【實施方式】 藉由詳細描述隨附圖式將更瞭解例示實施例，其中類 似元件係以類似參考數字表示，該等圖式僅出於說明之目 的提供，且因此不會限制本文中之例示實施例。 本文中揭示例示實施例之詳細說明性實施例。然而， 本文中所揭示之特定結構及功能細節僅出於描述例示實施 -6 - 200945368 例之目的提供。而該等例示實施例可以多種可選用之形式 具體實施，且不應將其視爲僅限於本文中所述之例示實施 例。 應瞭解，儘管可在本文中使用術語第一、第二等描述 各種元件，但該等元件不應受此等術語限制。該等術語僅 用於區別各個元件。舉例而言，在不偏離例示實施例之範 疇的情況下，第一元件可稱爲第二元件，且類似地，第二 Φ 元件可稱爲第一元件。如本文所使用，術語“及/或”包括一 或多個相關所列項之任何及所有組合。 應瞭解，當提及一個元件“連接”、“耦接”、“配合“、“ 附接”或“固定”至另一元件時，其可直接連接或耦接至該 另一元件，或可存在介入元件。相比之下，當提及一個元 件“直接連接”或“直接耦接”至另一元件時，則不存在介入 元件。用於描述各元件之間之關係的其他詞語應以類似方 式解釋（例如，“在…之間”與“直接在…之間”、“相鄰”與“ Φ 直接相鄰”等）。 本文中所用術語僅出於描述特定實施例的目的，且不 意欲限制例示實施例。除非另作具體指示，否則如本文所 使用’單數形式“一 ”及“該”亦意欲包括複數形式。還應瞭 解’術語“包含”、“包括”及/或其語法變化形式當用於本文 中時’規定所述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組 件之存在’但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操 作、元件、組件及/或其組合之存在或添加。 應注意’在一些替代性實施例中，所述功能/作用可 -7- 200945368 以不同於圖式中所述之次序出現。舉例而言’視所涉及之 功能性/作用而定，接連展示之兩個圖式實際上可實質上 同時執行，或有時可以相反次序執行。 圖2說明包括上部繫板Π4及例示實施例繫板附件 150之例示實施例燃料總成1〇〇’該上部繫板114及例示 實施例繫板附件1 5 0可個別地或一起充當放射性同位素（ radioisotopes)生產結構。例示實施例燃料總成1〇〇可類 似於習知燃料總成，但該例示實施例燃料總成1〇〇包括例 示實施例繫板附件150。儘管所示例示實施例燃料總成 100與習知BWR型燃料總成類似，但包括PWR型燃料總 成及粗加工燃料束之其他例示實施例亦可與根據本發明之 繫板附件一起使用。 例示實施例繫板附件150可大體上呈矩形且構成燃料 總成100中全長燃料棒118之框架。例示實施例繫板附件 150之外周長可延伸至大約由燃料棒118所形成之燃料總 成100之外周長，以致在例示實施例燃料總成100內形成 實質上均勻之軸向輪廓。 儘管例示實施例繫板附件150係大體上展示爲空心矩 形，但亦可能爲其他形狀。舉例而言，例示實施例繫板附 件可僅沿例示實施例燃料總成之一側或兩側而非全部四個 側面延伸。類似地，例示實施例繫板附件可具有不同厚度 或甚至延伸穿過例示實施例燃料總成之整個截面輪廓，且 具有允許冷卻劑流過的通道，而非空心。例示實施例繫板 附件亦可具有其他形狀以與例示實施例燃料總成及其中之 -8- .200945368 繫板相配，包括六邊形、三角形等形狀。 在圖2之例示實施例繫板中，附件150可沿例示實施 例燃料總成100之橫向截面具有等於單一列燃料棒118之 截面邊緣厚度。亦即，例示實施例繫板附件150可包圍例 示實施例總成100之外部燃料棒118，或可與例示實施例 總成100之外部燃料棒118共定位。以此方式，例示實施 例繫板附件150不會明顯減少或干擾流過總成100中之內 φ 部棒的冷卻劑，並且可置放於總成100內通常具有較少中 子通量（neutron flux )的位置處。 如圖2中所示，例示實施例繫板附件150可在軸向方 向上定位於上部繫板114下方。例示實施例繫板附件15〇 可以多種方式固持於上部繫板114下方。舉例而言，例示 實施例附件150可直接焊接至上部繫板114、煆接至上部 繫板114中或以其他方式與上部繫板114結構連續；可以 摩擦及/或鎖與鍵（lock-and-key )方式裝配至上部繫板 φ 114中；或可經由諸如螺釘或螺絲之緊固件接合至上部繫 板 1 1 4。 如圖2及3中所示，作爲另一附件選擇，例示實施例 繫板附件150可使一或多個燃料棒118及/或上端塞120 在軸向方向上經由孔洞155穿過附件150且進入上部繫板 1 1 4中。因此，燃料棒1 1 8可將例示實施例繫板附件1 5 0 固定於上部繫板114下方之橫向位置中。可藉由安放於孔 洞155中之燃料棒118或藉由使冷卻劑在軸向方向上流過 總成1 〇〇，及/或使例示實施例繫板附件1 50相抵上部繫板 200945368 114而固定，來將例示實施例繫板附件150固持於繫板 114下方之恆定軸向位置中。或者，舉例而言，燃料棒 118及/或上端塞120可擰入例示實施例繫板附件15〇中、 鎖入例示實施例繫板附件150中、焊接於例示實施例繫板 附件150上等，以便將附件150固持於上部繫板114下方 之恆定軸向位置中。 另外，例示實施例繫板附件150可藉由焊接及/或可 拆卸地裝配至包圍例示實施例燃料總成100之外部通道 1 1 2中而附接至外部通道1 1 2。側延伸（於下文論述）可 便利該外部通道1 1 2與例示實施例繫板附件1 5 0之接觸。 因此，在例示實施例燃料總成中，例示實施例繫板附 件可在軸向方向上固持於上部繫板附近或附接於上部繫板 下方。由於只有在拆卸上部繫板之情況下才能接近例示實 施例繫板附件，故此位置便利在總成拆除期間接近例示實 施例繫板附件。 圖3爲例示實施例繫板附件1 5 0之詳圖。儘管例示實 施例繫板附件1 5 0係展示爲與外部通道1 1 2之形狀相配的 中空矩形，但如上文所論述其他形狀及方位亦係可能的。 例示實施例繫板附件150係由在曝露於正在運轉之核芯之 條件時仍實質上維持其物理及中子（nentronic )特性的材 料製成，因此例示實施例繫板附件150不會干擾或影響正 在運轉之反應器中存在之中子通量。例示實施例繫板附件 可例如由不鏽鋼、英高鎳（Inconel )、鎳合金、锆合金、 鋁等製成。 -10- 200945368 如上文所論述，孔洞155可整個貫穿例示實施例繫板 附件150且使燃料棒118 (陰影中所示）及/或上端塞ι2〇 能穿過例不實施例繫板附件1 5 0及/或連接至例示實施例 繫板附件150。因此’孔洞155之內徑可充分地大於燃料 棒118及/或上端塞120之外徑。圖3之例示接合方法展 示例示實施例繫板附件150“座落於”燃料棒118與上端塞 120接頭之肩部117上。應瞭解’可使用上文及下文所論 0 述之若干其他接合方法，包括棒或端塞與例示實施例繫板 附件之間的摩擦接觸、鎖與匙、槽孔型或楔形接合、焊接 及/或各部件之間的連續連接。 例示實施例繫板附件1 5 0可包括一或多個便利相對通 道定位及/或與通道112連接之側延伸165。舉例而言 ，側延伸1 65可在例示實施例繫板附件1 50之每一側上連 接或鄰接通道112，以便將例示實施例繫板附件150居中 於例示實施例燃料總成100內，及/或緊固於例示實施例 © 燃料總成100內。側延伸165可進一步與上部繫板114之 延伸及/或形狀相配，以便在上部繫板114與例示實施例 繫板附件1 50之間提供一致之軸向輪廓。 如圖4(其爲圖3中區域A之放大圖）中所示，例示 實施例繫板附件150在其頂面包括複數個保持孔160，其 中置放並圍阻有一或多個照射標靶170。孔160不穿過例 示實施例繫板附件1 5 0，而是具有足以使照射標靶1 7 0裝 配至孔160內的深度。孔160可以幾何學方式置放於孔洞 155周圍或其間。或者，孔160可以非特定圖案散布於整 -11 - 200945368 個例示實施例繫板附件150上，只要孔160之位置及/或 數量不會破壞附件150之結構完整性即可。 照射標靶170可爲小“種子”形狀或短棒狀以便插入保 持孔160中。根據孔160之尺寸，照射標靶170可具有適 於裝配至孔160內之寬度及長度，且例如可爲毫米級。可 將若干潛在含有不同類型母核材料（包括固體、液體及/ 或氣體）之照射標靶170置放於單一保持孔160中。或者 ，各孔160可圍阻均質照射標靶170。 照射標靶170可由當曝露於在正在運轉之核反應器中 繫板114下方所遇到之中子通量時實質上轉化成放射性同 位素的多種材料構成。由於中子通量可低於例示實施例燃 料總成100(圖2)之軸端，故例示實施例繫板附件及其 中之照射標靶170亦可曝露於較少中子通量。因此，具有 高中子截面及較短半衰期之材料較佳可用作照射標靶170 ，例如包括銥-191，當其曝露於在正在運轉之核反應器中 所遇到的中子通量時會轉化成銥-1 92。類似地，可將例如 包括鈷-59、硒-74、緦-88及/或銥-191在內之其他同位素 用作照射標靶170。 保持孔160可藉由圖4中所示之頂蓋161密封或封閉 ，其覆蓋孔160並且接合至例示實施例繫板附件150。舉 例而言，可將頂蓋161焊接於附件150上，或當孔160爲 螺紋連接時，可將頂蓋161擰入孔160中。將頂蓋161牢 固附接於孔160上以便提供照射標靶170之圍阻的其他方 法可爲吾人所知，且可用於例示實施例中。由於頂蓋161 -12- 200945368 可提供對保持孔160之圍阻，故當照射標靶i7〇曝露於中 子通量時，其可含有或產生有用的氣態、液態及/或固態 放射性同位素，並且此等放射性同位素可藉由頂蓋161而 圍阻於照射孔160中，即使放射性同位素可能爲液體、氣 體或固體。 歸因於例示實施例繫板附件之較高軸向位置，以致其 中所圍阻之照射標靶可經較少量之中子通量照射一段較長 φ 的時間，從而可預測地且有效地自具有較高截面之照射標 靶產生具有較短半衰期之放射性同位素。另外，由於可置 放例示實施例繫板附件之上部繫板區域的磨損低，故例示 實施例繫板附件可提供對照射標靶之穩固圍阻。最後，可 在不破壞燃料棒或經照射燃料的情況下，容易地將上部繫 板自經照射之例示實施例燃料總成拆除，從而允許較爲容 易地收集例示實施例繫板附件及其中之有用放射性同位素 。例示實施例繫板附件可另外提供穩固圍阻以便保持並圍 〇 阻由例示實施例繫板附件中之照射標靶所生產的固態、液 態或氣態放射性同位素。 已對例示實施例進行描述，熟習此項技術者將瞭解， 可經由常規實驗且無需其他發明活動即可對例示實施例進 行修改。舉例而言，可將其他燃料類型、形狀及配置與例 示實施例燃料總成及繫板附件結合使用。修改不應視爲偏 離該等例示實施例之精神及範疇，且預期如熟習此項技術 者將顯而易見之所有此等變更均包括在以下申請專利範圍 之範疇內。 -13- 200945368 【圖式簡單說明】 圖1爲不具有繫板附件之相關技術燃料總成的圖。 圖2爲具有例示實施例繫板附件之例示實施例燃料總 成的圖。 圖3爲例示實施例繫板附件之詳圖。 圖4爲展示其中之照射標靶之例示實施例繫板之詳圖 〇 ❹ 【主要元件符號說明】 1 0 :核反應器燃料總成 12 :外部通道 14 :上部繫板 1 5 _上端塞 16 :下部繫板 17 :下端塞 q 1 8 :全長燃料棒 部分長度燃料棒 2〇 :間隔件 28 :繫桿 1 〇 0 :例不實施例燃料總成 112 :外部通道 114 :上部繫板 Π7 :肩部 -14- 200945368 1 18 :燃料棒 120 :上端塞 1 5 0 :例示實施例繫板附件 1 5 5 :孔洞 160 :保持孔 1 6 1 :頂蓋 165 :側延伸

170 :照射標靶

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Claims (1)

1. 200945368 七、申請專利範圍： 1·—種用於一核燃料總成中之放射性同位素生產結 構，該結構包含： 一繫板附件，其係成形爲在一軸向方向上裝配於該核 燃料總成之一繫板下方，該繫板附件包括至少一個保持孔 ’該繫板附件係由一當曝露於一正在運轉之核反應器中之 —中子通量時實質上維持其物理及中子特性的材料製成； 及 至少一個照射標靶，其係建構成當曝露於一正在運轉 之核反應器中之一中子通量時實質上轉化成一放射性同位 素’該至少一照射標靶係置放於該至少一保持孔中。 2.如申請專利範圍第1項之結構，其中該繫板附件 另外包括至少一個孔洞，其係成形且定位成允許該核燃料 總成之一燃料棒穿過該繫板附件且進入該繫板中。 3·如申請專利範圍第2項之結構，其中該至少一個 孔洞係成形爲與該燃料棒相抵安放，以便將該繫板附件與 該繫板相抵鎖緊。 4·如申請專利範圍第1項之結構，其中該繫板附件 另外包括至少一個孔洞，其係成形且定位成允許該核燃料 總成之一燃料棒之一端塞穿過該繫板附件且進入該繫板中 〇 5 .如申請專利範圍第4項之結構，其中該繫板附件 係藉由一處於該燃料棒與該端塞之接頭處之肩部而維持在 一軸向位置。 -16- 200945368 6. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該繫板附件 呈矩形，且具有一對應於該繫板之一外徑的外徑。 7. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該繫板附件 另外包括至少一個側延伸，其將該繫板附件連接至一包圍 該核燃料總成之通道，該至少一個側延伸係建構成將該繫 板附件固持於該燃料總成內之一恆定軸向位置。 8. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該繫板附件 φ 另外包括至少一個在該至少一個保持孔上方結合至該繫板 附件的頂蓋，該頂蓋係成形爲密封且圍阻該保持孔內之該 照射標靶。 % 9. 如申請專利範圍第8項之結構，其中該照射標靶 當曝露於該正在運轉之核反應器中之該中子通量時，實質 上轉化成一液態或氣態放射性同位素。 10·如申請專利範圍第8項之結構，其中該照射標靶 爲一液體及氣體中的至少一種。 φ η·如申請專利範圍第1項之結構，其中該照射標靶 爲銥-191、硒- 74、緦-88及鈷-59中的至少一種。 1 2 .如申請專利範圍第1項之結構，其中複數個照射 標靶係置放於該保持孔中，該複數個照射標靶中至少一第 一照射標靶爲一第一材料且該複數個照射標靶中至少一第 二照射標靶爲一第二材料。 13.—種核燃料總成，其包含： 一上部繫板； 一繫板附件’其係定位於該上部繫板下方之一軸向位 -17- 200945368 置； 該繫板附件包括至少一個照射標靶，其係建構成當曝 露於一正在運轉之核反應器中之一中子通量時實質上轉化 成一放射性同位素； 該繫板附件係由一當曝露於該正在運轉之核反應器中 之該中子通量時實質上維持其物理及中子特性的材料製成 :及 複數個燃料棒，其等延伸至該上部繫板中。 14. 如申請專利範圍第13項之核燃料總成，其中該 繫板附件係附接至該上部繫板。 譫 15. 如申請專利範圍第13項之核燃料總成，其中該 複數個燃料棒中至少一個延伸穿過該繫板附件，以便將該 繫板附件固持於一固定的軸向位置。 16. 如申請專利範圍第1 3項之核燃料總成，其另外 包含： 一通道，其包圍該複數個燃料棒，其中該繫板附件連 接至該通道，以便將該繫板附件固持於一固定的軸向位置 〇 1 7·如申請專利範圍第1 3項之核燃料總成，其中該 繫板附件呈矩形，且具有一對應於該繫板之一外徑的外徑 〇 1 8 ·如申請專利範圍第1 3項之核燃料總成，其中該 照射標靶爲銥-191、硒- 74、緦-88及鈷-59中的至少一種 -18- 200945368 1 9 .如申請專利範圍第1 3項之核燃料 繫板附件係由不鏽鋼、英高鎳（Inconel )、 鉻合金及鋁中的至少一種製成。 20. —種在一具有一放射性同位素生產 總成中產生放射性同位素的方法，該方法包 將至少一個照射標靶插入一繫板附件之 該至少一個照射標靶係建構成當曝露於一正 應器中之一中子通量時實質上轉化成一放射 繫板附件係成形爲在一軸向方向上裝配於該 之一繫板下方，該繫板附件係由一當曝露於 核反應器中之該中子通量時實質上維持其物 的材料製成； 將該繫板附件軸向定位於該核燃料總成 方； 將該核燃料總成裝載入一核動力反應器 起始該核動力反應器之動力運轉。 總成，其中該 一鎳合金、一 結構之核燃料 含： 一保持孔中， 在運轉之核反 性同位素，該 核燃料總成中 該正在運轉之 理及中子特性 中之該繫板下 中；及 -19-