产生放射性同位素的靶辐照系统的制作方法

优先权要求

本专利申请要求于2018年8月27日提交的美国临时专利申请62/723,328的优先权，该临时专利申请的公开内容通过引用结合在此。

当前公开的发明总体涉及用于辐照核反应堆中的放射性同位素靶的系统，更具体地说，涉及一种用于辐照重水慢化裂变型核反应堆中的放射性同位素靶的系统。

背景技术：

锝-99m(tc-99m)是核医学(例如医学诊断成像)中最常用的放射性同位素。tc-99m(m是亚稳定的)通常被注射到患者体内，并且在与某些设备一起使用时用于对患者的内部器官成像。但是，tc-99m的半衰期仅为六(6)小时。因此，易获得的tc-99m源至少在核医学领域中是特别令人感兴趣和/或需要的。

鉴于tc-99m的半衰期很短，tc-99m通常在需要的地点和/或时间(例如在药房、医院等)通过mo-99/tc-99m发生器获得。mo-99/tc-99m发生器是一种用于通过使盐水流过钼-99材料而从衰变的钼-99(mo-99)源提取锝的亚稳态同位素(即，tc-99m)的装置。mo-99不稳定，经过66小时的半衰期衰变为tc-99m。mo-99通常在高通量核反应堆中通过高浓缩铀靶(93％铀-235)的辐照产生，并经过随后的处理步骤之后被运送到mo-99/tc-99m发生器制造厂，以将mo-99还原为可用形式，例如钼酸钛-99(ti-mo99)。随后将mo-99/tc-99m发生器从这些集中地点分发到全国各地的医院和药店。由于mo-99具有很短的半衰期并且现有生产场所的数量有限，因此希望最大限度地减少将被辐照的mo-99材料还原为可用形式所需的时间，并增加可发生辐照过程的场所的数量。

因此，至少仍然需要一种用于及时地产生适合在tc-99m发生器中使用的钼酸钛-99材料的系统和工艺。

技术实现要素：

本公开的一个实施例提供了一种用于对裂变反应堆的容器贯穿结构中的放射性同位素靶进行辐照的靶辐照系统，该系统包括：靶输送组件，该靶输送组件包括限定中心孔的主体、可滑动地接收在主体的中心孔内的篮、以及通过线缆连接至所述篮的绞盘，所述靶输送组件附着到反应堆的容器贯穿结构上；以及与靶输送组件流体连通的靶通道，其中所述篮配置为经由靶通道在其中接收放射性同位素靶，并且在辐照放射性同位素靶时，所述篮被降到反应堆的容器贯穿结构中，所述靶输送系统在与反应堆流体连通时形成反应堆的压力边界的一部分。

本公开的另一个实施例提供了一种用于对裂变反应堆的容器贯穿结构中的放射性同位素靶进行辐照的靶辐照系统，该系统包括：靶输送组件，该靶输送组件包括外管和设置在其中的内管，从而在外管与内管之间形成环形空间；在外管的底端与内管的底端之间延伸的至少一个流动通道；以及可滑动地设置在内管内的提升活塞，该提升活塞包括向下流动并防止向上流动的单向止回阀。

结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施例，并与文字说明一起用于解释本发明的原理。

附图说明

现在将在下文中参照附图更全面地说明本发明，在附图中示出了本发明的一些实施例，但不是全部实施例。实际上，本发明可按许多不同的形式实施，并且不应理解为局限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。

图1是本公开的一个实施例的安装在candu(加拿大氘铀)反应堆上的靶辐照系统的透视图；

图2a和2b分别是图1所示的靶辐照系统的靶舱的透视图和横截面图；

图3包括图1所示的靶辐照系统的液压靶井的横截面图；

图4a和4b是图3所示的液压靶井的部分的横截面图；

图5a和5b分别是图3所示的液压靶井的提升活塞的透视图和横截面图；

图6a和6b是图3所示的液压靶井的横截面图；

图7a、7b和7c是图1所示的靶辐照系统的气闸站的透视图；

图8a和8b分别是液压靶井和气闸站附近的管道系统的示意图；

图9是图1所示的靶辐照系统的屏蔽容器装载器的横截面图；

图10是图1所示的靶辐照系统的靶舱的透视图；

图11是本发明的靶辐照系统的一个替代实施例；

图12是本发明的靶辐照系统的一个替代实施例；

图13a和13b是图11和12所示的靶辐照系统的靶篮的透视图；

图14a和14b是图11所示的靶辐照系统的透视图；

图15是图11所示的靶辐照系统安装在candu反应堆的反应性机械甲板上时的俯视图；

图16是图11和12所示的靶辐照系统的机械线缆驱动组件的透视图；

图17是播种抽屉和相应的一串靶舱的透视图；

图18是图11和12所示的靶辐照系统的管道系统的示意图；

图19是本发明的靶辐照系统的一个替代实施例的横截面图；

图20是图19所示的靶辐照系统的主体部分的横截面图；

图21是图19所示的靶辐照系统安装在candu反应堆的反应性机械甲板上时的俯视图；和

图22是图19所示的靶辐照系统安装在candu反应堆的反应性机械甲板上时的侧视图。

在本说明书和附图中重复使用的引用字符代表本公开的相同或相似的特性或元件。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地说明本发明，在附图中示出了本发明的一些实施例，但不是全部实施例。实际上，本发明可按许多不同的形式实施，并且不应理解为局限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。除非在上下文中另行明确规定，否则在本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。

本发明的靶辐照系统包括将暴露于反应堆(优选是candu(加拿大氘铀)反应堆)的核心内的反应堆中子流的元件、以及将附着于反应堆核心外的candu反应堆土建结构的元件。所述系统还包括设计为与其它系统元件接口的靶舱12(图2a和2b)。多个部件共同协作以构成系统，图1示出了安装在candu反应堆上的系统。

如图所示，核心内靶辐照系统包括液压靶井14(图4a和4b)、提升活塞16(图5a和5b)、分离装置18(图3)、以及悬浮(停留)站20(图3、6a和6b)。这些部件设计为在靶舱12处于中子通量中时支撑靶舱12。

作为将被插入candu核心中的系统的一部分，由锆合金-3和不锈钢组成的液压靶井(图3)被竖直地插入到反应堆的反应性管理平台(rmd)22(图1)上的现有贯穿结构中。当前预定安装所述系统的现有贯穿结构是停用调节吸收器(aa)端口。但是，该系统不限于安装在此位置，也可安装在符合安装规范的其它贯穿结构中。

如图2a和2b所示，靶舱12是运载器，在处于反应堆核心内时，它使得材料在为消除与腐蚀相关的劣化而设计的惰性环境中与环境介质(例如液压输送介质)隔离。靶舱12优选由第5商品级钛(由钛-铝-钒(ti-6ai-4v)组成)构成，带有焊接端盖13。靶舱12的形状能最大限度地提高输送管道23内的流通性能。图2a和2b示出了靶舱的设计，其中有由天然钼11组成的靶材料。为了确保靶舱12在反应堆15(图1)中使用之前是安全的，并且为了保持其完整性，在制造期间优选进行全面的泄漏测试和检验过程。端盖13的封闭设计针对胶囊可能经受的端部力包含余量(例如侧面凸起17)，以确保焊接接头不会因输送期间的冲击或力而劣化或失效。接头、端部和主体部分优选设计为使得它们不会因系统运行期间经受的压力而被拉长或卡住。

请参考图3，靶井14是从rmd22向下进入排管式堆容器19(图1)中的靶舱12的导引装置和外壳。靶舱12会被置于这个井内的底部一段限定的时间，以暴露于candu反应堆的中子通量。在操作期间，使用液压流将靶舱12沿该井向上输送至rmd22。这种设计所考虑的推进剂介质是独立供应的重水(d2o)，因为这种推进剂能最大限度地减少与暴露于candu反应堆的中子通量有关的健康和安全危险，并进一步最大限度地减少对反应堆运行的影响。此系统不限于使用重水作为推进剂。通过调节操作设定点，可允许使用其它推进剂介质来实现相同的液压流。

从图4a和4b能够最佳地看出，靶井14由内管24和外管26组成，内管24和外管26分别具有提升活塞16(图5a和5b)和限力装置25(位于内管24中)，以限制因靶舱12的正加速度超过操作速度而对其它反应堆系统造成的任何损害。图4a、4b、6a和6b示出了靶井14的详细部件，并示出了流动路径，如下文所更详细地论述。

如图6a和6b所示，在强制冷却过程中，重水流会沿着在外管26与内管24之间形成的环形空间28向下流动，然后从内管24的底部向上转到内管24中。该流动路径通过利用内管24和提升活塞16产生提升成串的靶12所需的流速。

如图5a和5b所示，提升活塞16包括允许单向流动的中央止回阀32。该特征支持提升成串的靶(图6a和6b)，同时仍然考虑到了使重水通过靶舱(图4a和4b)以消散由靶舱12内的靶材料的辐射产生的热量的潜在需求，如图4a和4b所示。类似地，通过被动地允许重水通过止回阀32排出，该特征允许靶舱12在重力作用下落到井底。放置在反应堆中并暴露在candu反应堆通量下的靶舱12会具有由短半衰期(1-2小时)同位素和中半衰期(4-6小时)同位素造成的显著辐射危害。由于这对candu反应堆站造成显著危害，因此靶井14设计有一个悬浮(停留)站20(图3、6a和6b)。

如图3、6a和6b所示，停留站20位于排管式堆容器19的外面，但在rmd22的下面，在candu反应堆的混凝土屏蔽结构29(图1)中。该特征的位置对其功能很重要，因为位于candu反应堆的通量区域之外提供了阻止成串的靶舱12并允许短半衰期同位素衰变的能力。这种阻止特征使得能够安全且经济地移除靶，同时消除了与靶材料和靶舱相关的一些辐射危害。该特征可定制为具有不同的阻止期持续时间，因为这取决于封装的材料和进行的辐射的持续时间。

预期用于该特征的控制系统将优选包括基于材料的操作设定点，该操作设定点会计入安全移除所需的延迟时间。该特征的实现可减少所需的屏蔽，由此减少rmd22上的重量负荷，从而有助于系统的核心外部分。这是可取的，因为rmd22具有与最大重量载荷相关的设计限制，并且是地震敏感区域。

从图6a和6b能够最佳地看出，停留站20的构造是内井管24的收缩部，提升活塞16嵌套在其中以形成密封，从而减少靶12上的流量，使它们返回嵌套的提升活塞16上的阻止位置。在内管24与布置在内管24中的中心管23之间的嵌套点上方设有侧通道34，以允许注入新鲜(未受辐射的)重水，从而减少受辐射的重水带来的辐射危险。在限定的停留时间之后，流速增加，从而允许将所述一串靶舱12输送至单分器18(图3)。在此操作阶段期间，升降机活塞16保持嵌套在内管收缩部35中，如图6b所示。

如图3所示，本系统的另一个特征是单分器18，该单分器18是附着到rmd22上的靶井顶部的一个自动化装置。单分器18利用实现简单运动的电磁阀37来交替地约束靶舱12，并将靶舱12释放到系统的核心外部分。电磁铁提供力而不穿透重水管，密封的套管包含电磁阀35的激活杆37a。在靶舱12被错误地注入靶井14中的情况下，该特征还作为一个屏障。此时，靶舱12会在进入反应堆并成为candu站的运行或安全危险之前停止。此外，在系统被过早激活导致靶舱12被过早取出的情况下，这将作为再次保护candu站人员和系统免受伤害、暴露或损害的一个屏障。

请继续参考图3，本系统的另一个特征是快速动作的气动隔离阀38。隔离阀38处于适当的位置，以在安全壳破裂或需要隔离系统的任何部分(即，用于维护)的情况下将系统的核心内和核心外部分彼此隔离开来。

请参考图1，系统的核心外部分由多个不同的元件组成，包括液压输送系统40、气动输送系统42、屏蔽容器装载站44和中途站气闸46(图7a至7c)。核心外部分的每个部件相互连接并相互接口，以完成它们的既定动作。

液压输送系统40是一个闭环液压系统，它以可变的流速将靶舱12输送到反应堆中和从反应堆输送出来。液压系统通过气闸与气动系统42相互作用(图7a至7c)。气闸使用气动介质或液压介质吹扫内部腔体43，以在两个系统之间移动靶12，同时确保介质不会彼此污染。这对于最大限度地减少两种推进剂介质混合时可能发生的危险非常重要。

系统的供应部分由推进剂罐、循环泵和过滤设备(未示出)组成。供应部分向靶井14提供推进剂流。分别使用一系列控制阀41和截止阀43将推进剂泵送至靶井14。这些阀门允许根据所执行的具体操作来操控流向。使用两条主推进剂管线实现流入和流出靶井14。一条管线用于使靶舱在靶气闸(在此系统内)与靶井之间流动。

控制阀41和截止阀43位于靶气闸处，在rmd22(如图1所示)外，处于candu控制站的可接近区域中。流向气闸46和井14的流体由也位于平台外的位置的集管分配。截止阀43也位于rmd22上的每个井的顶部。所述系统在靶舱行进管线中使用全端口球阀，这是因为这些阀门保持恒定的内径以允许靶舱通过。

请参考图8a和8b，系统的等级为核2级、3级或6级，这取决于系统内的位置。一般来说，所有安全壳边界管道、配管或部件的等级均为2级。构成靶舱行进管线的管道、配管和部件的等级为3级。并且，供应管道和部件的等级为6级。此外，此系统会具有抗震等级为设计基准事件(dbe)-a级的部分。

如图7a至7c所示，气闸中途站46用于从液压或气动输送系统取出/引入靶舱12，在将它们释放到液压或气动输送系统中之前对其进行浸没(图7a)或干燥(图7b)。气闸中途站46由两个主截止阀43和位于它们之间的间隙空腔43a组成，在该间隙空腔43a处靶舱12可与系统的其余部分隔离。

该系统的功能是使得靶舱12以湿状态从液压系统40到达或以干状态从气动系统42到达。该系统会执行一个或两个功能，即，使流体通过内部腔体43a以润湿靶舱12以便进入液压系统40，或者吹扫和干燥靶舱12以便进入气动系统42。具体操作取决于系统所执行的操作(注入或收获)。

靶舱的干燥(图7b)涉及首先将靶舱12隔离在间隙空腔43a中。在处于腔体43a内时，液压推进剂排出，并且发生腔体的吹扫。然后，在将靶舱释放至气动系统之前，用热空气干燥该腔体，以去除任何残留水分，这些残留水分可能含有氚等危险物质。这个特征消除了两种推进剂混合的可能性，并消除了在释放至气动系统之前留在腔体中的潮湿空气中存在空气传播危险时对工人和操作站的危险。在间隙空腔43a足够干燥时，使用位于气闸中途站46的排放管线中的湿度传感器发出信号。

新靶舱12的浸没利用了一个类似的过程。首先，将靶舱12隔离在间隙空腔43中。然后，将液压推进剂引入空腔43a，并打开排气阀50(图7b)，以使空腔43a内的空气在被液压推进剂置换后排出。最后，在靶被液压推进剂浸没时，将其释放到液压系统40和湿井14中。

气动系统42是连接中途站气闸46和屏蔽容器装载器44的连接系统。该系统由以下元件组成：压缩机组件，带有入口过滤器、后冷却器和去湿器；位于压缩机组件的下游和空气干燥器组件的上游的“湿态”接收器；空气干燥器组件，带有入口凝聚过滤器和出口过滤器；位于干燥器组件的下游的“干态”接收器；位于“干态”接收器下游的调节阀，用于控制和系统压力；位于减压阀的下游的加热元件；以及处于多个位置的控制阀，这些控制阀用于控制流动的方向和速度。

在气动系统42操作期间，压缩机用环境空气填充接收器，直到达到接收器压力开关上的高压点，此时压缩机关闭。随着系统从接收器抽取空气，接收器中的压力会降低，直到低压开关设定点被触发，导致压缩机再次开始运行。若接收器上的高压开关发生故障，则一个减压阀会通过液压推进剂储罐向candu站蒸汽回收系统排出多余的空气。

来自接收器的压缩空气被通过干燥剂型空气干燥器送入第二干燥接收器，干燥的空气在该第二干燥接收器中积聚，用于靶舱干燥操作。在靶舱干燥操作完成后，来自系统的空气被引入中途站，以将靶舱输送至屏蔽容器装载站44。

如图9所示，屏蔽容器装载站44利用托架54来放置输送屏蔽容器58。安装到线性驱动系统56上的托架54将屏蔽容器58输送到屏蔽柜60内(图1，屏蔽容器装载器的内部)，为了便于观察内部部件，该屏蔽柜60在图9中未示出。屏蔽门68被关闭，以防止放射性粒子的释放或发出任何辐射。在屏蔽容器装载器内的第一位置，使用气动缸将屏蔽容器的屏蔽塞61移除，以将通电的磁体63降低到屏蔽容器58的屏蔽塞61上。然后，移除了屏蔽塞的屏蔽容器58前进到下一个位置，并且靶舱盒59(图10)被从屏蔽容器提升。

使用带有锁定空心轴的竖直线性装置提升靶舱盒59。首先将所述轴降低到中心孔内的预定高度，然后使所述轴旋转经过计算的度数，并钩在所述盒59的十字销上。此时，所述轴上升，将所述盒呈送给气动系统57，以装载所述盒59。所述盒59被转位到位，以确保与气动系统对准。

如图10所示，在所述盒59就位时，靶舱通过自由下落被释放到该位置。盒59上的接收位置的底部配有由高强度材料构成的着陆垫，该着陆垫吸收震动，使得靶舱不会损坏。然后，将所述盒59转位到下一个位置，并重复该操作。在所述盒59被填满时，使其返回到屏蔽容器58处，并执行与相反的卸载过程。使用起重机52(图1)将屏蔽容器58移动到所需的运输区域。

如图11和12所示，本公开的靶辐照输送系统70的一个替代实施例包括机械线缆驱动组件72(图16)，以将靶舱12(图2a和2b)直接提升和降低到慢化剂中，从而消除了对于第一实施例(图1至10)中公开的液压系统的需求。在被提升和喷吹之后，靶舱12被气动地输送至屏蔽容器装载器44。

另外请参考图13a和13b，靶舱12被保持并降低到篮74内的核心中，所述篮74也作为气动输送操作的起点。篮74形成为使得其在靶舱经由向侧面弯曲的局部管被喷射到气动管道系统42时可被线缆驱动组件72的线缆76保持在中心，同时为靶舱提供气动出口路径78。篮74被拉入安装在现有调节器端口顶部的主体71的靶输送系统70中。线缆驱动组件72包括安装在主体71的靶输送系统70顶部的绞盘75(图16)，从而形成与现有的反应性机构驱动装置类似的反应堆安全壳边界的一部分。

从图15能够最佳地看出，当靶舱12被辐照时，由位于rmd22附近的两个球阀80a和80b(图14a和14b)之中的第一个球阀以及隔离氦气和空气系统的两个电磁阀82a和82b建立操作安全壳边界。在主安全壳阀门发生故障或出现按钮启动命令的情况下，冗余阀门会提供辅助安全壳边界。篮74和电缆76通过维护阀和下安全壳阀门84延伸到反应堆中，这两个阀门都是打开的，以便插入靶。在收获和播种操作期间，当靶篮被提升到靶输送系统70中时，通过靶输送系统70下方的下安全壳阀门84建立操作安全壳环境。

下安全壳阀门84和第一上安全壳球阀80a起到气闸的作用，并且两个阀门在任何时候都不打开。若下安全壳阀门(或系统的其余部分)需要维护，则位于下安全壳阀门下方的维护阀(未示出)作为检修阀，以将系统与安全壳隔离。优选用于靶辐照的现有aa端口的位置是有利的，因为它们不仅提供通向核心内的最高通量的通路，而且距离rmd22的外围部分仅18”(从图15能够最佳地看出)，在该处没有驱动装置。

靶篮74(图13和13b)被以所需的速度从核心中提升出来，并在屏蔽罐区域的一个位置停留最多一个小时的停留期，以在运输前衰减活性。预计靶舱12和篮74在经过停留期之后会在残留在靶舱12中的滴落物/余热的作用下比较干燥。

在停留期结束后，靶篮74被提升并接收到靶输送系统70的主体71中。在篮74进入机构时，螺旋槽77(图12和20)使篮74中的靶出口78与气动管道系统42对准。然后向系统注入氦气，以将mcg冲回到aa端口中，将空气携带的杂质(例如ar41)排出到安全壳中。

在用氦气吹扫靶输送系统70之后，关闭靶输送系统70底部的下安全壳阀门84，并且使用氦气对系统进行压力测试，以确保密封的完整性。在压力测试成功完成后，打开下空气吹扫电磁阀，并打开上排气电磁阀，从气动系统吹入空气，以将氦气吹出到受污染的排气部分。这种吹扫排出氦气，并且根据需要对靶舱12进行干燥。对排出的空气进行水分监测，以确保靶在离开靶输送机构之前是干燥的。

在干燥程序成功完成之后，打开上安全壳阀门80a，并关闭下排气电磁阀。然后将靶舱12作为一串靶舱整体地吹过飞行管，并直接吹到屏蔽容器装载站44(图1)，或者利用单分机构每次吹送一个靶舱。

现在请参考图1和17，操作员将新的靶舱12放入气动管道系统42中。推荐在每个靶舱管线上设置播种抽屉86或缺口，以最大限度地降低靶装载的复杂性。在一串新靶舱12装载完成时，向管道系统施加气动压力，并将所述一串靶舱直接吹入篮74中。优选在篮74的底部结合有减缓或阻止所述一串靶舱12的装置，以限制播种期间篮74和线缆76的冲击疲劳。

在所有的靶舱12均处于篮74中之后，关闭上安全壳阀门80a，打开下排气阀和上氦气阀，并清除腔室内的空气，替换为氦气。在清除空气后，关闭下排气阀，用氦气对腔体加压，以进行泄漏测试。关闭上氦气阀，并监测压力衰减。此测试确保所有安全壳阀门的完整性。然后打开下安全壳阀门84，将篮74和靶舱12降到排管式堆容器19(图1)中，开始下一个辐照循环。

现在请参考图19至22，其中示出了本公开的靶辐照输送系统90的另一个替代实施例。这个第三实施例基本上与前面论述的第二实施例70(如图11至18所示)相同，不同的是此实施例90在rmd22上方的总高度小于第二实施例70的总高度。与图11和14(第二实施例70)相比，这种高度差异在图19和22(此实施例90)中看得最清楚，并且这种高度差异是通过将此实施例的主体91向下延伸到aa端口中而不是使其从aa端口向上延伸来实现的。降低靶输送系统90的高度是优选的，因为这能降低在潜在地震事件期间过大震动的可能性。同样，降低高度可减少靶输送系统90被在rmd22周围移动的人员或设备意外接触的机会(例如在维护期间)。由于第二实施例70和第三实施例90的其它元件分别几乎相同，因此在此不再赘述。

在不脱离在所附权利要求中更具体地陈述的本发明的精神和范围的前提下，本领域普通技术人员能够对本发明做出这些以及其它修改和变化。另外，应理解，各个实施例的特征可全面或部分地互换。而且，本领域的普通技术人员能理解，上述说明仅是示例性的，不是为了限制本发明，本发明仅由所附权利要求限定。因此，所附权利要求的精神和范围不应局限于在此包含的版本的示例性说明。