同位素生成靶的制作方法

專利名稱:同位素生成靶的制作方法
同位素生成靶
背景技術：
放射性鑰(99Mo)用來生成锝(99mTc),锝是醫護行業中所使用的多種放射性藥劑中的一種成分。在全球所有的核醫療操作中，大約80%需要锝同位素的持續供應，僅在美國，每天進行的診斷操作就有將近50，000例。隨著世界人口老齡化，此項需求會持續增長。
常規的鑰的生成在高功率反應堆(例如能夠生成超過十兆瓦熱能的核反應堆)中進行。當前法規對于利用高濃縮鈾(HEU)產生諸如鑰的同位素的高功率反應堆允許有限的或受約束的使用。然而，由于對!EU擴散的擔憂，日益加強的詳細審查可能最終會限制或禁止此材料用于鑰和其他放射性同位素的生成。
各個國家(諸如美國)可能會在未來的鑰生成問題上達成妥協。當前，北美唯一的鑰源位于加拿大，而且人們日益擔憂，來自此鑰源的持續鑰供應會在不久的將來終結。盡管在歐洲存在其他鑰源，但是鑰的半衰期很短(2. 75天)，使得環球運輸的解決方案無法實現。因此，對于許多國家來說，鑰的本地生成是唯一可行的長期選擇。


圖1所示為示例性的同位素靶。
圖2所示為圖1的示例性的同位素靶的截面。
圖3所示為示例性的同位素生成靶。
圖4所示為示例性的靶和靶芯。
圖5所示為圖4的示例性的祀的截面。
圖6所示為顯示示例性的同位素生成率的圖表。
圖7所示為示例性的靶組件。
圖8所示為圖7的示例性的靶組件的截面。
圖9所示為同位素生成組件的分解圖。
圖10所示為圖7的示例性的靶組件的另一個截面。
圖11所示為含真空腔室的靶。
圖12所示為示例性的格型構造。
圖13所示為顯示在各種靶之間的比較的圖表。
圖14所示為示例性的靶和多層源結構。
圖15所示為同位素生成的示例性的過程。
具體實施方式
圖1所示為示例性的同位素靶10。同位素靶10可用來生成諸如鑰("Mo)的放射性同位素。同位素靶10示出為圓柱體形狀，具有外徑壁3和內徑壁9。但是，本發明也涵蓋具有其他形狀的靶，包括六邊形截面和其他幾何形狀。
外徑壁3可與第一直徑相關，內徑壁9可與第二直徑相關。第一直徑大于第二直徑。同位素靶10可包含中央區域15，中央區域15從同位素靶10的第一末端12延伸到同位素靶10的第二末端14。中央區域15可包含中空部分、通道、空腔、通孔、管等。
圖2所示為圖1的示例性的同位素靶10的截面20。同位素靶10可包含第一管2和第二管4。第二管4可嵌套于第一管2中以形成靶腔室I。第一管2可包含同位素靶10的外徑壁3和內壁5。第二管4可包含同位素靶10的內徑壁9和外壁7。靶腔室I可位于第一管2的內壁5與第二管4的外壁I之間。
在一個實例中，靶腔室I基本上可延伸至同位素靶10的整個長度。靶腔室I可在同位素靶10的第一末端12 (圖1)和第二末端14 (圖1)處密封。另外，包括同位素源或其他放射性和/或裂變材料，諸如鈾(例如235U)的靶材料，可位于靶腔室I中。該靶材料可位于內徑壁9與外徑壁3之間。在一個實例中，該靶材料可散布有一個或多個空隙區域。
中央區域15可位于內徑壁9內。在一個實例中，中央區域15可構造為容納中子熱化體(neutron thermalization volume)。例如，該中子熱化體可包含水、重水、石墨、錯、塑料、蠟狀物、石蠟、含氫材料、其他類型的中子減速劑，或其任何組合。中央區域15可以形成水道，該水道構造為允許水流動通過同位素靶10。例如，水可通過第一末端12 (圖1)進入中央區域15，并在第二末端14(圖1)處離開中央區域15。在另一個實例中，中央區域15可包含完全封閉的腔室，該腔室構造為容納中子熱化體。
中央區域15可構造為使得由位于靶腔室I中的靶材料中產生的中子在再次進入靶材料之前由中子熱化體熱化。在裂變事件期間和/或同位素生成過程期間，還可使用中子熱化體(例如水或一次冷卻劑)從同位素靶10上除熱和/或冷卻同位素靶10。該靶材料可以各種不同的幾何形狀位于靶腔室I內。
圖3所示為示例性的同位素生成靶30，其圖以示例方式示出同位素靶的截面圖，與圖1中示出的同位素靶10相似。同位素生成靶30可包含外包層32和內包層34。靶材料31可位于外包層32與內包層34之間。靶材料31可包含裂變材料36和一個或多個空隙區域38。
該一個或多個空隙區域38可構造為俘獲從裂變材料36生成的裂變產物氣體。通過在該一個或多個空隙區域38中俘獲裂變產物氣體,可減少形成間隙(interstitial)的裂變產物氣體的量，否則它可能導致在裂變材料與包層之間不具有任何空隙的靶中的環繞包層結構惡化。
在一個實例中，裂變材料36可包含裂變源球粒(pellet)，并且該一個或多個空隙區域38可包含在這些球粒之間的間隔或間隙。該裂變材料36可包含多個單個的源物體，可以粉末形態存儲，或呈現出其他物理形態，諸如球體、片段、顆粒、薄片、桿、箔、其他幾何形狀或其任何組合。
可將該一個或多個空隙區域38密封以防止裂變氣體從同位素生成靶30中離開。例如，該靶材料31可包容在密封腔室中，該密封腔室處于外包層32、內包層34與同位素生成靶30的末端(諸如圖1中所示的同位素靶10的第一末端12和第二末端14)之間。空隙區域38可包含一種或多種氣體、真空或部分真空，例如在俘獲到任何裂變產物氣體之前。
同位素生成靶30的中央區域35可包含中子熱化體或中子減速劑。該中子熱化體可包含水。在一個實例中，同位素生成靶30可構造為安裝在反應堆芯中，并且該中子熱化體可包含與該反應堆芯相關的一次冷卻劑。該反應堆芯可與輸出小于十兆瓦熱的低功率反應堆相關。例如，可使用低功率反應堆(諸如訓練，研究，同位素，通用原子反應堆，Training, Research, Isotopes, General A tomics,即 TRIGA 反應堆)來生成某些同位
素，諸如鑰。
該同位素生成可通過一系列操作或一般步驟來完成。在第一步操作中，可以制造出適宜的同位素生成靶。同位素生成靶(諸如同位素生成靶30)的制造過程可以包含將特定幾何形狀的靶材料(諸如鈾)放置在同位素生成靶內。
在第二步操作中，該同位素生成靶可由中子源輻照。例如，可將該同位素生成靶放置在核反應堆中。在輻照期間，在該靶材料中的裂變反應可以生成一種或多種同位素，諸如鑰。在裂變反應期間，通常還會產生裂變氣體或副產物。在一個實例中，裂變氣體和/或副產物可被俘獲或存儲在散布有靶材料的空隙區域中。
在第三步操作中，可將該同位素生成靶運輸到熱室設施中用于遠程處理。在該熱室內部，可將輻照過的靶材料從包層上移除。在一個實例中，可將該同位素生成靶的一個末端(諸如圖1所示的第一末端12)切除或以其他方式移除來提取該靶材料。例如，可將圖3中所示的裂變材料36松散地放置在腔室I (圖2)內以便于移除，例如，通過翻轉已移除第一末端12的同位素靶10。可對該靶材料執行一系列化學分離來生成或提取所期望的最終產物，諸如純鑰。
在第四步操作中，可將該最終產物運輸到目的地，諸如分銷機構、醫院、診所、實驗室、檢測機構、研究機構、企業、政府機構等等。在一個實例中，從最終產物(例如,鑰)中獲取的锝(99mTc)在目的地處可用于醫療操作。
圖4所示為示例性的靶40和中央區域45。靶40可包含第一末端42和第二末端44。在一個實例中，可將第一末端42和第二末端44中的一者或兩者移除，例如在將靶40輻照過之后。
該靶可構造為具有約1. 43英寸(3. 63厘米)的外徑以及約22英寸(171. 63厘米)的高度。該靶40可構造為用于接近TR1GA 反應堆或其他類型的反應器的燃料元件的總體尺寸。
圖5所示為圖4中示例性的靶40的截面50，其在第一末端42處或附近處截取。該靶40可包含外包層52、內包層54以及在內外包層之間所形成的靶腔室51。裂變材料可位于腔室51內。在一個實例中，該裂變材料可包含兩層裂變材料，包括第一層53和第二層56。空隙區域58可位于第一層53與第二層56之間。空隙區域58可包含環形腔，或在形狀上為環形。
空隙區域58可由一種或多種氣體填充，并且可構造為真空或部分真空。空隙區域58可構造為用作用于收集裂變產物氣體和/或副產物的儲器或體(volume)。在開始時將空隙區域58設為真空或部分真空，可便于收集在裂變材料輻照期間所產生的較大量裂變產物氣體，以利于進一步減少在同位素生成操作期間在空隙區域58內的總體壓力。
外包層52和內包層54可包含兩個嵌套和/或密封的管。可將這些嵌套管的頂部和底部密封以使得在輻照期間所生成的裂變氣體可以儲集于空隙區域58中。外包層52和/或內包層54可由不銹鋼、鋁和/或其他材料制成，且可制造為具有標稱0. 020英寸(0. 06厘米)的厚度。該裂變材料和包層的精確厚度可能會隨著各種設計考慮因素而變化，諸如可用的中子通量、產品產量要求、材料特性、反應堆芯幾何形狀或其任何組合。
內包層54可構造為用于中子減速劑55的通道或容器。中子減速劑55可位于內包層54內，并且可構造為使得在裂變材料(例如，第一層53和/或第二層56)中產生的中子在再次進入裂變材料之前被中子減速劑55熱化。經熱化的中子可用來在第一層53和/或第二層56中生成額外的裂變事件。
在一個實例中，該中子減速劑55可包含石墨、鋯、塑料、蠟狀物、石蠟、含氫材料、其他類型的中子減速劑，或其任何組合。在另一實例中，中子減速劑55可包含水，諸如輕水或重水，在同位素生成操作期間該水能夠流動通過在內包層54內形成的通道。中子減速劑55可包含來自反應堆的一次冷卻劑。外包層52和/或內包層54可防止第一層53和第二層56接觸任何水或一次冷卻劑。
在一個實例中，可在靶40的側面上開出孔(例如打孔)，并且裂變氣體和/或副產物可從空隙區域58中提取以收集和/或存儲。可將靶40的一個或兩個末端(例如，第一末端42和/或第二末端44 (圖4))移除或切除。可從第一層53和/或第二層56中提取最終產物(例如，鑰)。例如，該最終產物可以化學方法從輻照過的材料分離。
在同位素生成祀中的裂變反應率(rate of fision reactions)可用如下方程式來描述
R=O 0 N，
其中，
R=裂變的反應率密度(fissions cnT3s'即每秒每立方厘米的裂變數)，
O=來自反應堆的中子通量(neutrons cnT2s4,即每秒每平方厘米的中子數)，
0 =裂變的微觀截面積(cm_2，即每平方厘米)，
N=祀原子的原子密度(atoms cm_3,即每立方厘米的原子數)
中子和裂變碎片可從裂變事件中直接生成。約6. 5%的時間中，同位素鑰可生成為經熱中子輻照過的235U靶的裂變碎片。以上方程式可以描述在裂變材料中的裂變率密度。為使裂變率密度最大化，可以改變方程式中的通量和原子密度的值；微觀截面積為固定參數。許多類型的研究用反應堆和低功率反應堆可與一兆瓦熱(MWt)的標稱功率相關，而且可具有數量級為1E13 neutrons CnT2S4的中子通量。
由于截面積是固定的，所以原子密度N和/或中子通量O可通過根據本文所述參考各個實例構造靶的幾何形狀和/或材料而增加。盡管在一些實例中，從反應堆芯射出的中子通量可與某一固定值相關，但是仍可利用靶的幾何形狀來增加靶內的中子通量。
中子通量O可包含來自反應堆芯的中子通量和來自革巴的中子通量，例如，在革巴內產生的中子。在靶中因裂變事件而產生的中子可能會有機會在位于靶內的中子減速劑(諸如水)內熱化，并且這些熱中子可繼續在靶內導致更多的裂變反應。
在一個實例中，基本上所有的裂變材料(例如鈾)可位于一層上(例如，位于外包層52的內表面上)。但是，具有兩層裂變材料(例如第一層53和第二層56)可以改善對來自裂變反應的熱的移除。例如，從靶40上移除的熱量可對應于包層中與中子減速劑55(例如水)直接接觸的表面積的量。在一個實例中，外包層52的外壁和內包層54的內壁可對水暴露,這可以冷卻靶40的這些表面。
為增加靶材料(例如，鈾)的原子密度(N)，靶40可使用鈾金屬來構造，該鈾金屬具有大約18g cm—3的密度，幾乎四倍于鈾氧化物(UO2)的密度。較高的密度導致較高的原子密度N。在一個實例中，該靶材料可包含低濃縮鈾(LEU)，濃縮度大約19.75%。濃縮度為20%或20%以上的裂變材料可稱為或定義為HEU，而濃縮度低于20%的裂變材料可稱為或定義為LEU。
第一層53和/或第二層56的厚度可以根據靶材料的期望質量而變化。質量越大，N值越大，因此鑰的生成率也越大。在一個實例中，可將第一層53和/或第二層56分另IJ “濺鍍(sputter)”或以其他方式黏附到外壁52和內壁54上。由于其徑向位置(例如圓柱體幾何形狀和/或厚度)之間的不同，與第二層56相比，第一層53可具有不同的質量。
在一個實例中，第一層53和第二層56可松散地裝配于靶腔室51內，例如，分別既不黏附到內壁54，也不黏附到外壁56。因此，可使用物理方法從靶40上移除第一層53和第二層56，而無需進行任何化學或熱的處理。在另一實例中，在將該裂變材料輻照之后，可將化學品插入或注入到空隙區域58中，以溶解第一層53和第二層56，用于從包層移除。
圖6所示為說明示例性的同位素生成率的圖表60。圖表60所示為鑰的生成率隨靶質量(例如鈾)變化的情況。可根據靶內的裂變材料的質量變化來確定同位素生成率的相對變化。
該靶可包含從200克與400克之間選取的裂變材料質量，但是也可使用其他質量的裂變材料。在一個實例62中，包含質量為200克的鈾的靶可以生成大約300居里(Ci)的鑰("Mo)，而在另一實例64中，包含質量為400克的鈾的靶可以生成大約450居里的鑰。
隨著裂變材料質量增加，最終產物(諸如鑰)的量也會增加。但是，最終產物量的增加可能并非是線性的，因為在中子滲入裂變材料時中子通量可能減弱。此現象也被稱為或已知為自屏蔽(self-shielding)。因此，圖6中所示的示例性的同位素生成率曲線可能趨近或達到最大值，而非隨著裂變材料的質量繼續線性增加。可以通過增加或降低與裂變材料相關的直徑、厚度、長度、寬度、高度、組成或其任何組合來改變裂變材料的質量。
圖7所示為包含同位素生成靶76的示例性的靶組件70。在一個實例中，同位素生成靶76的尺寸可與反應堆芯的燃料元件的尺寸大致相當。支架結構77可耦接到同位素生成靶76，并且可構造為用于將同位素生成靶76插入到反應堆芯中。支架結構77的第一部分71可在第一末端72處耦接到同位素生成靶76，而支架結構77的第二部分73可在第二末端74處耦接到同位素生成靶76。
支架結構77可包含一個或多個孔75。該一個或多個孔75(下文中稱為“這些孔”)可構造為引導水或一次冷卻劑進入或通過靶組件70。這些孔75可定位為圍繞第一部分71和第二部分73中一者或兩者的外圓周。這些孔75可構造為為水或一次冷卻劑提供用于進入靶組件70或從靶組件70中離開的路徑。
圖8所示為圖7的示例性的靶組件70的截面80。同位素生成靶76可包含外壁82和內壁84。同位素生成靶76可構造為將裂變材料包容在位于外壁82與內壁84之間的同位素生成腔室中。此外，同位素生成靶76可包含位于內壁84內的中央區域85。在一個實例中，在同位素生成靶76中所包括的裂變材料的長度86可為大約20英寸。
支架結構77可構造為引導與反應堆芯相關的一次冷卻劑通過中央區域85。關于這些孔75，附加地或替換地，支架結構77可包含第一開口 87和第二開口 88，第一開口 87位于第一部分71中或附近處，第二開口 88位于第二部分73中或附近處。第一開口 87和第二開口 88中的一者或兩者可構造為允許水或一次冷卻劑進入中央區域85或從中央區域85中排出。中央區域85可構造為在同位素生成靶76插入到反應堆芯中時對由裂變材料所產生的中子進行熱化。
支架結構77可包含連接裝置89。連接裝置89可構造為將支架結構77耦接到同位素生成靶76。該支架結構的第一部分71和第二部分73中的每一者可通過連接裝置(諸如連接裝置89)耦接到同位素生成靶76。
圖9所示為同位素生成組件90的分解圖，包括同位素靶結構95、第一支架結構92以及第二支架結構94。第一支架結構92可包含一個或多個開口 97，該一個或多個開口 97可構造為允許冷卻劑流入同位素靶結構95或從同位素靶結構95中流出。第二支架結構94也可包含一個或多個開口。第一支架結構92和第二支架結構94各自可包含靶插入件96。靶插入件96可包含連接裝置93。在一個實例中，連接裝置93可構造為將靶插入件96連接到第一支架結構92，和/或連接到同位素靶結構95。
圖10所示為圖7的示例性的靶組件70的另一截面100。支架結構77可通過連接裝置89連接到同位素生成靶76。連接裝置89可包含一個或多個支撐臂、凹槽、網狀結構等等。這些支撐臂可從支架結構77起向外輻射延伸，以連接到同位素生成靶76。
一個或多個開口(諸如開口 105)可形成在連接裝置89之間或通過連接裝置89。在一個實例中，支架結構77可構造為弓I導水或一次冷卻劑通過開口 105進入到同位素生成靶76中。經過同位素生成靶76的水或一次冷卻劑進入之后可被允許從開口 105離開。
同位素生成腔室101可位于外壁82與內壁84之間，并且可構造為容納裂變材料。裂變材料中所產生的中子在再次進入同位素生成腔室101之前，可由進入同位素生成靶76和/或從同位素生成靶76離開的水或一次冷卻劑熱化或者減速。再次進入裂變材料中的中子可以導致額外的裂變事件，其可產生更多的中子，這些中子隨后可由在同位素生成靶76的中央區域中的一次冷卻劑熱化。
圖11所示為包含真空腔室115的靶110。靶110可包含單個薄壁不銹鋼管112，其與鈾氧化物(U02)114 —起涂布于管內側。鈾氧化物114可包含HEU，濃縮度為大約93%，密度為大約4. Sg cm_3。圖中所示的靶110可相似于在利用高功率反應堆的所謂“森迪凱姆(Centichem)”過程中所用的革巴。
從鈾氧化物114的裂變所生成的任何中子在中子保留在靶110中時可能不具有在真空腔室115中熱化的機會。因此,這些高能中子導致鈾氧化物114的又一輪裂變事件的可能性可能極低。從裂變事件生成的絕大多數中子會簡單地從靶泄露出去。替代地，靶110可能必須依賴于從靶110外部進入到不銹鋼管112中的中子，例如，遠端中子源所產生的中子。因此，與靶110相關的中子通量可能小于與諸如圖1中所示的同位素靶10的這類靶相關的中子通量，這類靶包括構造為容納中子熱化體的中央區域。
將鈾氧化物涂布于不銹鋼管112的內側上可能需要在化學浴中處理該材料。該化學浴可用來將鈾氧化物114和不銹鋼管112溶解，這樣可能會使所期望的同位素的分離和處理復雜化。在鈾氧化物114與不銹鋼管112之間可以不存在空間或空隙。
圖12所示為示例性的格型構造120。格型構造120可包含用于反應堆芯組件的網格板，其包含多個燃料棒及一個或多個靶。在一實例中，該格型構造120可包含燃料棒的多個同心環。在所示的實例中，外環122 (“G環”)可包含三十六個位置；“F環”124可包含三十個位置；“E環”126可包含二十四個位置；“D環”128可包含十八個位置等等。中央位置(“A環”)可包含一個位置。[0072]一個或多個靶可位于格型構造120的位置中的任何位置處。在一個實例中，靶可位于與外環122相關的位置中，以方便對靶的存取，例如安裝和/或取回(retrieval)。該靶的該位置還可用來控制由該靶接收的中子通量和/或由該靶產生的熱量。為了增加功率密度和/或中子通量，可將該靶移到更接近格型構造120的中心。
在一個實例中，每添加三個靶，可能需要從格型構造120中移除大約兩個燃料棒。在維持反應堆的總體設計特性(例如認證標準和操作標準)的同時，可將一個或多個靶添加到格型構造120。在同位素生成過程期間，可將該靶放置在反應堆芯中達數小時或數天，例如六天。
圖13所示為顯示在使用示例性的水減速劑的各個靶之間的比較的圖表130。圖中所示的圖表130將位于圖12的格型構造120中的外環122中的靶的鑰生成率與位置(即元件號)的關系進行了比較。第一靶132包含鈹包層和中央區域，該中央區域包含中子熱化體或中子減速劑水(諸如圖1中的中央區域15)，圖中所示第一靶132的鑰生成率在大約280居里(Ci)與405居里之間變化。
第二靶134包含不銹鋼包層和中央區域，該中央區域包含中子熱化體或中子減速劑水，圖中所示第二靶134的鑰生成率在大約230居里與300居里之間變化。為便于說明和比較，第一靶132和第二靶134可均包含200克的裂變材料。
第三靶136包含200克的裂變材料和真空腔室(諸如圖11的真空腔室115)，圖中所示第三靶136的鑰生成率在大約160居里與230居里之間變化。第四靶138包含100克裂變材料和真空腔室，圖中所示第四靶138的鑰生成率在大約105居里與150居里之間變化。
一般可以理解，第一靶132和第二靶134較之第三靶136或第四靶138，可提供較高的同位素生成率。通過包括具有中子熱化體或中子減速劑的中央區域，第一靶132和第二靶134可能能夠通過有效地增加靶中的熱中子的數目，進而增加裂變材料的裂變率，來有效率地利用可用的中子，例如中子通量。
在靶中包括中央中子熱化體可以提供生成鑰和其他同位素(諸如钚)的改進且更劃算的方法。在相同的中子通量下，與包含真空腔室的靶相比，在低功率反應堆中，包含中央中子熱化體的一些示例性的靶可生成數量大約為三倍的鑰。在各種示例性的靶中還可利用其他類型的包層，包括鋯、鋯合金、鋁、陶瓷、其他材料或其任何組合。
圖14所示為示例性的靶140和多層源結構。圖中所示靶140包含第一包層組件142和第二包層組件144。第二包層組件144可嵌套于第一包層組件142內。第一包層組件142可包含第一裂變材料源141，第二包層組件144可包含第二裂變材料源143。例如，與包含單層裂變材料的靶相比，該多層源結構的幾何形狀可用來增加裂變材料的質量。
靶140的中央區域145可位于第二包層組件144的內壁148內。中央區域145可包含中子熱化體或中子減速劑，諸如水或一次冷卻劑。此外，中間區域147可包含中子熱化體或中子減速劑，諸如水或一次冷卻劑。中間區域147可位于第二包層組件144的外壁149外部，例如，位于第一包層組件142與第二包層組件144之間。
在一個實例中，可允許水或其他類型的一次冷卻劑流動通過中央區域145和/或中間區域147，以使得可以存在兩個或兩個以上的通道來供水流動通過靶140。另外，在第一裂變材料源141與第二裂變材料源143之間包括中間區域147，可以減少由于靶140中的裂變材料的質量增加所導致的自屏蔽效應。可通過對靶140進行構造以改變裂變材料的量和/或調整通過靶140的水流的體積和/或流速，來控制中子熱化率和/或同位素生成率。
示例性的操作模式
圖15所示為同位素生成的示例性的過程150。在操作151中，可存儲位于同位素生成靶的外壁與內壁之間的裂變材料。裂變材料外殼可包含外壁和內壁。可將裂變材料存儲在位于外壁與內壁之間的靶腔室中。
在操作152中，可引導一次冷卻劑(諸如水)通過該同位素生成靶。可引導該一次冷卻劑通過該同位素生成靶的中央區域或通道。在一個實例中，可經由位于該同位素生成靶的一個或兩個末端處的支架裝置來引導該一次冷卻劑通過該同位素生成靶。
在操作153中，可在該同位素生成靶的中央區域中熱化在裂變材料的裂變事件期間產生的中子。中子響應于以中子源對該裂變材料的輻照而產生。該中央區域可包含中子熱化體或中子減速劑，諸如輕水、重水、石墨、鋯、塑料、蠟狀物、石蠟、含氫材料、其他類型的中子減速劑，或其任何組合。在一個實例中，該中央區域可包含與反應堆芯相關的一次冷卻劑。
該中央區域可包含水，水對在裂變事件期間所產生的中子進行熱化，而這些經熱化的中子可導致輻照過的材料的額外的裂變事件。在一個實例中，由于中子經過熱化，裂變事件的數量大約兩倍于僅用位于靶外部的中子源所產生的中子輻照過的靶。
在操作154中，可將在輻照過的材料的裂變事件期間所產生的裂變副產物俘獲在散布有裂變材料的一個或多個空隙區域中。該一個或多個空隙區域可位于該同位素生成革巴的外壁與內壁之間。在一個實例中，該一個或多個空隙區域可散布在包含裂變材料的多個物體(諸如球體或球粒之間)之間。在另一實例中，可將裂變副產物存儲在位于兩層或兩片裂變材料之間的環形腔中。
在操作155中，可將輻照過的材料從同位素生成靶中移除。在一個實例中，在移除該輻照過的材料之前，可移除(例如切除)該同位素生成靶的一個或多個末端。存儲為多個物體的裂變材料可松散地包容在該同位素生成靶中，并且可通過物理方法從該同位素生成靶中移除該輻照過的材料，而無需任何化學或熱處理。在一個實例中，該裂變材料可在該靶腔室內存儲為一個或多個片、箔、管等。可將該裂變材料黏附(例如濺鍍)到該靶腔室的內壁和/或外壁上。
在操作156中，可通過化學方法來處理該輻照過的材料，以分離同位素，例如鑰同位素。例如，可在化學浴或酸浴中處理該輻照過的材料。在一個實例中，可在將該輻照過的材料從該同位素生成靶中移除之后，用化學方法處理該輻照過的材料。在另一實例中，可在該輻照過的材料仍保留在該同位素生成靶中時用化學方法處理該輻照過的材料。
為方便起見，這些操作可以描述為各種互相連接的功能塊或圖。但這并非必需的，在一些情況下，可以將這些功能塊或圖等效地匯總到界限不清晰的單一操作中，并且/或者也可從過程中省略一個或多個操作。
盡管已使用在低功率反應堆(諸如TRIGA 反應堆)中的靶描述了某些實例，但是所屬技術領域：
的一般技術人員會了解，該靶也可用于板狀燃料式研究用反應堆或者是例如功率容量大于十兆瓦熱的高功率反應堆。盡管可使用包含LEU的靶來描述各個實例，但是其他實例也可包括HEU、鈾氧化物UO2、钚、233U,或其任何組合。[0092]盡管已描述和說明了各個實例的原理，但是，顯而易見，可在不偏離此類原理的情況下在布置和細節上對這些實例做出修改。發明人主張，所有修改和變型應落入以下權利要求
書的精神和范圍內。
權利要求
1.一種同位素生成靶,包含外徑壁；內徑壁；同位素源，其位于所述內徑壁與所述外徑壁之間，其中所述同位素源包含散布有一個或多個空隙區域的裂變材料；以及中央區域，其位于所述內徑壁內，其中所述中央區域構造為容納中子熱化體。
2.根據權利要求
1所述的同位素生成靶，其中所述一個或多個空隙區域構造為俘獲從所述裂變材料中生成的裂變氣體。
3.根據權利要求
2所述的同位素生成靶，其中所述裂變材料包含同位素源球粒，并且其中所述一個或多個空隙區域包含所述同位素源球粒之間的間隙。
4.根據權利要求
2所述的同位素生成靶，其中所述裂變材料包含兩層裂變材料，并且其中所述一個或多個空隙區域包含位于所述兩層之間的環形腔。
5.根據權利要求
2所述的同位素生成靶，其中所述一個或多個空隙區域經密封以防止所述裂變氣體離開所述同位素生成靶。
6.根據權利要求
1所述的同位素生成靶，其中所述中子熱化體包含水。
7.根據權利要求
6所述的同位素生成靶，其中所述同位素生成靶構造為安裝在反應堆芯中，并且其中所述水包含與所述反應堆芯相關的一次冷卻劑。
8.根據權利要求
7所述的同位素生成靶，其中所述反應堆芯與低于20兆瓦熱的反應堆相關，并且其中所述同位素源包含鈾低于20%的低濃縮裂變材料。
9.根據權利要求
1所述的同位素生成靶，其中所述中央區域構造為使得在所述裂變材料中產生的中子在再次進入所述裂變材料之前由所述中子熱化體熱化。
10.一種同位素生成組件,包含靶，所述靶的尺寸近似為反應堆芯的燃料元件的尺寸，其中所述靶包含外包層和內包層，其中所述靶構造為將裂變材料包容在同位素生成腔室中，所述同位素生成腔室位于所述外包層與所述內包層之間，并且其中所述靶包含位于所述內包層內的中央區域；以及耦接到所述靶的支架結構，其中所述支架結構構造為將所述靶插入到所述反應堆芯中，并且其中所述中央區域構造為在所述靶插入到所述反應堆芯中時熱化由所述裂變材料產生的中子。
11.根據權利要求
10所述的同位素生成組件，其中所述同位素生成腔室包含一個或多個空隙區域，所述一個或多個空隙區域構造為俘獲從所述裂變材料中產生的裂變氣體。
12.根據權利要求
11所述的同位素生成組件，其中所述裂變材料包含裂變球粒，并且其中所述一個或多個空隙區域包含在所述裂變球粒之間的空間。
13.根據權利要求
11所述的同位素生成組件，其中所述支架結構構造為引導與所述反應堆芯相關的一次冷卻劑通過所述中央區域。
14.根據權利要求
13所述的同位素生成組件，其中在所述中子再次進入所述裂變材料之前，所述中子由所述一次冷卻劑熱化。
15.根據權利要求
14所述的同位素生成組件，其中再次進入所述裂變材料的所述中子導致裂變事件，所述裂變事件產生更多中子，這些中子由所述中央區域中的所述一次冷卻劑熱化。
16.—種同位素生成設備,包含用于容納裂變材料的裝置，其中所述容納裝置包含外壁和內壁；用于熱化位于所述容納裝置的所述內壁內的中子的裝置；以及用于存儲在所述裂變材料的裂變事件期間產生的裂變副產物的裝置，其中所述存儲裝置位于所述外壁與所述內壁之間。
17.根據權利要求
16所述的同位素生成設備，其中所述熱化裝置包含與反應堆芯相關的一次冷卻劑。
18.根據權利要求
17所述的同位素生成設備，其進一步包含用于引導所述一次冷卻劑通過所述同位素生成設備的裝置。
19.根據權利要求
16所述的同位素生成設備，其中所述存儲裝置包含空隙區域，所述空隙區域散布于包含所述裂變材料的多個物體之間。
20.根據權利要求
16所述的同位素生成設備，其中所述存儲裝置包含環形腔，所述環形腔位于所述裂變材料的兩層之間。
21.—種生成同位素的方法,包含存儲裂變材料，所述裂變材料位于同位素生成靶的外壁與內壁之間；俘獲在所述裂變材料的裂變事件期間產生的裂變副產物，其中所述裂變產物被俘獲在一個或多個空隙區域中，所述一個或多個空隙區域散布有所述裂變材料；以及在所述同位素生成靶的中央區域中熱化在所述裂變事件期間產生的中子，其中所述中央區域位于所述內壁內。
22.根據權利要求
21所述的方法，其中所述中央區域包含水，所述水熱化所述中子，并且其中在所述水中被熱化的中子導致所述裂變材料的額外的裂變事件。
23.根據權利要求
21所述的方法，其進一步包含輻照所述裂變材料；從所述同位素生成靶移除所述輻照過的材料；以及對所述輻照過的材料進行化學處理，以分離所述同位素。
專利摘要
一種同位素生成靶，可包括外徑壁和內徑壁。同位素源可位于所述內徑壁與所述外徑壁之間，并且所述同位素源可包含裂變材料，所述裂變材料中散布有一個或多個空隙區域。中央區域可位于所述內徑壁內，并且所述中央區域可構造為容納中子熱化體。
文檔編號G21C3/00GKCN103038831SQ201180037251
公開日2013年4月10日 申請日期2011年7月27日
發明者S·R·里斯, T·S·帕爾默, S·T·凱勒, M·蒙克 申請人:由俄勒岡州高等教育管理委員會代表的俄勒岡州立大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan