中子医院反应堆制造技术

本发明专利技术涉及一种中子医院反应堆，包括置于水罐中的堆芯，所述水罐设置在水池内，所述水罐内外均为轻水冷却剂，所述堆芯包括燃料组件和控制棒，堆芯由石墨反射层包围，其中，在水罐顶部设有操作桥，在操作桥上设有靶件/燃料组件取送机构，所述靶件/燃料组件取送机构通过靶件取送导管与堆芯连接，在所述堆芯的四角分别设置靶件辐照栅格，同位素生产靶件设置在所述靶件辐照栅格内，堆芯外侧还包括沿堆芯侧面切线方向设置的中子束流管道。本发明专利技术具有同位素和中子束流联产的功能，较低的功率水平可以有效降低反应堆的安全系统复杂度和建造成本，从而可以被允许布置在人口稠密地区附近。从而可以被允许布置在人口稠密地区附近。从而可以被允许布置在人口稠密地区附近。

【技术实现步骤摘要】
中子医院反应堆


[0001]本专利技术涉及反应堆
，具体涉及一种医用小型裂变反应堆，可同时用于医用同位素的生产(如Mo
‑
99、I
‑
131)以及为中子治疗提供中子束流，实现硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)。

技术介绍

[0002]核医疗技术是通过人造放射性来对患者体内病灶进行诊断或治疗的一项技术。人造放射性主要通过两种途径引入病人体内。一种途径是将具有放射性的同位素制剂(核药)注射到患者体内，通过放射性同位素在病灶区的衰变对病灶进行成像，进而实现诊断或者直接进行治疗，如Mo
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99/Tc
‑
99m,可用于心、脑、肾、肺等人体器官的显像，又如Lu
‑
177可以用于神经内分泌肿瘤与前列腺癌的靶向治疗。另一种途径是利用放射源直接从外部对人体进行照射，通过合理的调制射线在体内的能量沉积，达到杀死病灶细胞且尽可能保留健康细胞的目的，如伽马刀(γ射线)、质子治疗(质子)、硼中子俘获治疗(中子)等。核医学技术的原理相对成熟，在诊疗药物和手段不断取得进步的同时，如何稳定和及时地为病患提供医用同位素或者治疗用放射源却是一直没有解决的问题，该问题也在很大程度上限制了核医疗的发展和应用。
[0003]医用同位素的生产主要来自于反应堆和加速器。目前，堆产同位素主要由世界上少数几个研究堆提供，它们的功率从几兆瓦到几十兆瓦不等。现有的功率等级和体积决定了当前堆型不适合就近患者和医疗中心布置，进而导致了同位素运输途中的衰变损失。而且这种单堆集中生产的模式容易因为计划内/外停堆或者科研任务冲突因素导致供应不稳定，导致患者不能及时诊疗。加速器产同位素相对反应堆来说产量低几个数量级，且由于物理性质，难以大批量生产丰中子同位素，不能满足迅速增长的医用同位素市场的需求。同理，放射源也可以来自反应堆或者加速器。反应堆作为放射源，除了之前提及的难于就近人群布置的问题，其每次出束前后启堆停堆都有比较大的时间和操作成本，而且，由于“碘坑”的物理限制，两次启停之间的时间间隔可能会长达20至30小时。加速器作为放射源虽然可以随用随开，但只能引出质子或者重离子束流，且每一套加速器装置只能引出一束束流，设备利用效率较低。
[0004]综上所述，反应堆由于其运行时产生的高中子通量(10
12
～10
14
n/cm2s)，非常适合丰中子同位素生产(如Mo
‑
99)和中子治疗(BNCT)。但是现有反应堆从未实现对以医疗应用的专门设计，功率水平、结构体积等决定了其不能就近人群布置、未对可能的医用用途进行优化，或功率过小仅能提供有限的中子束流通道、不能兼顾同位素生产且需要根据治疗需求频繁启堆停堆。这些不足都限制了反应堆技术在医学诊断和治疗中的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种小型医用反应堆系统，使之具有同位素和中子束流联产的功能，较低的功率水平可以有效降低反应堆的安全系统复杂度和
建造成本，从而可以被允许布置在人口稠密地区附近。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种中子医院反应堆，包括置于水罐中的堆芯，所述水罐设置在水池内，所述水罐内外均为轻水冷却剂，所述堆芯包括燃料组件和控制棒，堆芯由石墨反射层包围，其中，在水罐顶部设有操作桥(bridge)，在操作桥上设有靶件/燃料组件取送机构，所述靶件/燃料组件取送机构通过靶件取送导管与堆芯连接，在所述堆芯的四角分别设置靶件辐照栅格，同位素生产靶件设置在所述靶件辐照栅格内。
[0007]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述堆芯外侧还包括沿堆芯侧面切线方向设置的中子束流管道；所述中子束流管道设在水池内水罐外部，中子束流管道的终端出口直通BNCT治疗室。
[0008]更进一步，所述中子束流管道包括热中子束流管道和超热中子束流管道，在设置超热中子束流管道的堆芯侧面，石墨反射层的最外围石墨块替换为铝块。
[0009]更进一步，在所述热中子束流管道末端设置有热中子过滤与能谱调制结构，在所述超热中子束流管道末端设置有超热中子过滤与能谱调制结构。
[0010]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述靶件辐照栅格的尺寸与堆芯燃料组件的尺寸一致，每个所述靶件辐照栅格被均分为四部分，截面呈田字形，栅格内设置四个同位素生产靶件。
[0011]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述燃料组件为方柱形燃料组件，燃料组件中插有板状燃料元件。
[0012]更进一步，所述燃料元件为U
‑
235富集度不高于20w％的低浓铀燃料。
[0013]所述低浓铀燃料的制造材料可以为U3Si2或金属铀，其中，用金属铀制造的燃料能进一步满足U
‑
235富集度不高于5w％的要求。
[0014]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述同位素生产靶件的材料可以选用U3Si2或金属铀，靶件中U
‑
235的装载量小于燃料元件中U
‑
235的装载量。
[0015]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，在水罐内堆芯冷却剂上方构建热水层，从而减少堆芯冷却剂与上方空气的接触。
[0016]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述堆芯包括紧急停堆棒。所述紧急停堆棒在反应堆正常运行时由紧急落棒装置控制悬停于堆芯之上，在断电情况下紧急落棒装置松开，紧急停堆棒依靠重力自动插入堆芯，确保堆芯处于深度次临界状态。
[0017]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述堆芯还包括精细调节棒。精细调节棒的单位长度反应性价值较普通控制棒小，用于靶件更换、中子束流孔道开闭时所引起的反应性微扰的补偿。
[0018]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述控制棒和精细调节棒由安装在操作桥上的控制棒驱动机构进行控制。
[0019]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述水池外部为混凝土屏蔽结构，混凝土屏蔽结构内侧设置能够防腐防锈且实现中子反射作用的里衬。
[0020]进一步，如上所述的中子医院反应堆，其中，所述反应堆稳定运行功率为30kW～2.5MW，优选稳定运行功率为1MW；中子通量水平为6
×
10
11
～5
×
10
13
n/cm2s，优选中子通量水平为2
×
10
13
n/cm2s。
[0021]本专利技术的有益效果如下：
[0022]1)根据《研究堆安全分类(试行)》的有关规定，对于低功率反应堆，“不需要考虑或者尽可能简化第五层防御乃至第四层防御”，通过对源项、安全特性和放射性释放后果的初步计算，并考虑游泳池式设计，所提供的功率等级为1兆瓦的“中子医院反应堆”符合国家核安全监管部门对III类研究堆的分类准则，具有较高的固有安全特性，可不要求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中子医院反应堆，包括置于水罐(5)中的堆芯(9)，所述水罐(5)设置在水池(4)内，所述水罐内外均为轻水冷却剂，所述堆芯(9)包括燃料组件(20)和控制棒(23)，堆芯(9)由石墨反射层(19)包围，其特征在于，在水罐(5)顶部设有操作桥(2)，在操作桥(2)上设有靶件/燃料组件取送机构(1)，所述靶件/燃料组件取送机构(1)通过靶件取送导管(6)与堆芯(9)连接，在所述堆芯(9)的四角分别设置靶件辐照栅格，同位素生产靶件(22)设置在所述靶件辐照栅格内。2.如权利要求1所述的中子医院反应堆，其特征在于，所述堆芯(9)外侧还包括沿堆芯侧面切线方向设置的中子束流管道，所述中子束流管道设在水池(4)内水罐(5)外部，中子束流管道的终端出口直通BNCT治疗室。3.如权利要求2所述的中子医院反应堆，其特征在于，所述中子束流管道包括热中子束流管道(10、11)和超热中子束流管道(12、13)，在设置超热中子束流管道(12、13)的堆芯侧面，石墨反射层的最外围石墨块替换为铝块(18)。4.如权利要求3所述的中子医院反应堆，其特征在于，在所述热中子束流管道(10、11)末端设置有热中子过滤与能谱调制结构(14、15)，在所述超热中子束流管道(12、13)末端设置有超热中子过滤与能谱调制结构(16、17)。5.如权利要求1所述的中子医院反应堆，其特征在于，所述靶件辐照栅格的尺寸与堆芯燃料组件的尺寸一致，每个所述靶件辐照栅格被均分为四部分，截面呈田字形，栅格内设置四个同位素生产靶件。6.如权利要求1或5所述的中子医院反应堆，其特征在于，所述燃料组件(20)为方柱形燃料组件，燃料组件中插有板状燃料元件。7.如权利要求6所述的中子医院反应堆，其特征在于，所述燃料元件为U
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235富集度不高于20w％的低浓铀燃料。8.如权利要求7所述的中子医院反应堆，其特征在于，所述低浓铀燃料的制造材料可以为U3Si2或金属铀，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：北京中子探索科技有限公司，
类型：发明
国别省市：