辐照靶保持系统、具有该系统的燃料组件以及其使用方法.pdf

本发明涉及辐照靶保持系统、具有该系统的燃料组件以及其使用方法，具体而言，范例实施例和方法针对可插入到常规核燃料棒和组件内的辐照靶保持装置。范例实施例装置可保持若干辐照靶，用于在包含具有范例实施例辐照靶保持装置的组件和燃料棒的核芯的运行期间进行辐照。辐照靶可在暴露于运行的核芯中的中子通量时基本上转变成有用的放射性同位素，且可在运行之后从燃料棒移除并采集。

1.  一种辐照靶保持系统，包括：
至少一个辐照靶保持装置，
其尺寸设置成装配于核燃料棒内，
具有平行于所述核燃料棒的纵向轴线的纵向轴线，
由配置成当暴露于运行的核反应堆中的中子通量时基本上维持其物理和中子性质的材料制成；以及
包括平行于所述辐照靶保持装置的纵向轴线的至少一个孔；以及
包含于所述至少一个孔内的至少一个辐照靶，所述辐照靶配置成当暴露于运行的核反应堆中的中子通量时基本上转变成放射性同位素。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个辐照靶保持装置包括帽，所述帽构造成附连到具有至少一个孔的辐照靶保持装置的端部上，所述帽和所述装置的附连构造成以便将所述辐照靶保持于所述至少一个孔内。

3.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辐照靶为铱-191和钴-59中的至少一种。

4.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个孔中的每一个孔均置于距所述辐照靶保持装置的中心轴线相等的径向距离处。

5.  根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述至少一个辐照靶保持装置包括穿过所述辐照靶保持装置的至少一个孔，所述孔位于距所述中心轴线相等的径向距离处。

6.  一种核燃料组件，包括：
上垫板；
下垫板；以及
在所述上垫板与下垫板之间延伸的多个燃料棒，至少一个燃料棒包括至少一个辐照靶保持装置，所述辐照靶保持装置包括：
包含在由所述辐照靶保持装置所限定的孔内的至少一个辐照靶，所述辐照靶配置成当暴露于运行的核反应堆中的中子通量时基本上转变成放射性同位素，
所述辐照靶保持装置的尺寸设置成装配于所述至少一个燃料棒内；以及
所述辐照靶保持装置由配置成当暴露于运行的所述操作核反应堆中的中子通量时基本上维持其物理和中子性质的材料制成。

7.  根据权利要求6所述的核燃料组件，其特征在于，所述辐照靶为铱-191和钴-59中的至少一种。

8.  根据权利要求6所述的核燃料组件，其特征在于，所述至少一个燃料棒包括轴向地堆叠于所述至少一个燃料棒内的多个辐照靶保持装置。

9.  根据权利要求8所述的核燃料组件，其特征在于，所述至少一个燃料棒还包括弹簧，所述弹簧配置成通过作用力将轴向地堆叠的多个辐照靶压缩在所述至少一个燃料棒内，使得所述辐照靶密封于所述至少一个孔中。

10.  根据权利要求8所述的核燃料组件，其特征在于，所述至少一个孔中的每一个孔均置于距所述辐照靶保持装置的中心轴线相等的径向距离处。

辐照靶保持系统、具有该系统的燃料组件以及其使用方法
技术领域
本发明一般地涉及核电站中的燃料结构和在该燃料结构中所产生的放射性同位素。
背景技术
总体而言，核电站包括反应堆芯，在反应堆芯中布置燃料以通过核裂变来产生电力。在美国核电站中常用的设计为将燃料布置成放置于反应堆芯内的结合在一起作为燃料组件的多个燃料棒，或燃料组件。这些燃料棒典型地包括在整个组件中在各个轴向位置处将燃料棒接合到组件构件上的若干元件。
如图1中所示，诸如BWR的核反应堆的常规燃料组件10可包括环绕上垫板14和下垫板16的外通道12。多个全长度燃料棒18和/或部分长度燃料棒19以矩阵布置于燃料组件10内并穿过多个隔板20。燃料棒18和19通常始于上垫板14且止于下垫板16，在燃料组件10的长度上连续地延伸，但部分长度棒19除外，该部分长度棒19全都止于全长度棒18的较低的竖直位置处。
如图2中所示，燃料单元25可成形为芯块状并放置于燃料棒18或19内。这些燃料单元25可连续地“堆叠”于燃料棒内以穿过燃料棒18或19的长度提供燃料。燃料单元25的堆叠可在反应堆芯的运行周期期间允许燃料单元25的膨胀或其它变形。另外，在单元25与燃料棒18或19的内壁23之间的间隙21可容纳在反应堆运行期间从燃料单元25产生的气态裂变产物。在燃料棒中燃料单元堆叠的端部，典型地至少在上端可存在弹簧24以进一步允许裂变产物积聚和燃料单元25变形。
发明内容
范例实施例和方法针对可插入到常规核燃料棒和组件内的辐照靶保持装置和系统。范例实施例装置可保持若干辐照靶，以在包含具有范例实施例的辐照靶保持装置的组件和燃料棒的核芯(nuclear core)的运行期间进行辐照。辐照靶在暴露于运行的核芯中的中子通量时可基本上转变成有用的放射性同位素且可在运行之后从燃料棒18/19移除和采集。
范例实施例辐照靶保持装置可包括一个或多个辐照靶，在运行期间，辐照靶可插入并保持于该装置中的固定孔中。孔可由帽或由其它保持装置密封以向辐照靶和辐照靶内所产生的放射性同位素提供多级封闭(containment)。在其它范例实施例中，可通过使装置内的退出空间对准并从退出空间移除辐照靶而从范例实施例保持装置移除辐照靶。
附图说明
通过详细地描述附图，范例实施例将会变得显而易见，在附图中相似的元件用相似的附图标记来表示，这些附图仅以举例说明的方式给出，因而并不限制本文的范例实施例。
图1是相关技术燃料组件的图解。
图2是具有堆叠的燃料单元的相关技术燃料棒的图解。
图3A和图3B是一个范例实施例辐照靶保持装置的图解和细节。
图4是包括一个范例实施例辐照靶保持装置的一个范例实施例燃料棒的图解。
图5是另一范例实施例辐照靶保持装置的图解。
图6是范例实施例辐照靶保持装置的堆叠的图解。
图7是另一范例实施例辐照靶保持装置的图解。
图8是范例实施例辐照靶保持装置的堆叠的图解。
图9是被定位成用于靶移除的范例实施例辐照靶保持装置的堆叠的图解。
具体实施方式
在本文中公开了范例实施例的详细说明性实施例。但在本文中所公开的具体结构和功能细节只是代表性的，出于描述范例实施例的目的。但示例实施例可体现为许多替代形式且不应被认为仅限于本文所陈述的示例实施例。
应了解，尽管在本文中可使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应受到这些术语限制。这些术语仅可用于将一个元件与另一个元件区分开。举例而言，在不偏离范例实施例的范畴的情况下，第一元件可被称作第二元件，且同样，第二元件可被称作第一元件。如本文所用的术语“和/或”包括一或多个相关联的列出项目的任何和所有组合。
应了解，当一个元件被称作被“连接”、“联接”、“配合”、“附连”或“安装”到另一元件上时，其可直接连接到或联接到其它元件上或可存在中间元件。相反，当一个元件被称作被“直接连接”或“直接联接”到另一元件上时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其它词语也应以类似方式来理解(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“邻近”与“直接邻近”等)。
本文所用的术语只是出于描述特定实施例的目的且并无限制范例实施例的意图。除非字面明确地表示为其它情况，否则如本文所用的单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”意在也包括其复数形式。还应了解术语“包括”和/或“包含”当在本文中使用时规定所陈述的特点、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但是并不排除一个或多个其它特点、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其群组的存在或添加。
还应当指出的是，在某些替代实施例中，所指出的功能/行为可不按照附图中所指出的次序发生。举例而言，取决于所涉及的功能/行为，连续示出的两个图可实际上基本上同时执行或有时可以相反的顺序来执行。
图3A图解了可构成辐照靶保持系统的范例实施例辐照靶保持装置125。辐照靶保持装置125具有使其能够插入到常规燃料组件中所用的常规燃料棒(包层管)内的尺寸。举例而言，辐照靶保持装置125可具有一英寸或更小的最大宽度和若干英尺的最大长度。尽管辐照靶保持装置125被示出为圆柱形，但多种适当尺寸的形状，包括六面体、锥体和/或棱形可用于辐照靶保持装置125。
范例实施例辐照靶保持装置125包括一个或多个轴向孔130，轴向孔130从顶端/顶面128沿轴向方向部分地向下延伸到装置125内。只要保留了范例实施例辐照靶保持装置的结构完整性，轴向孔130可以任何图案和数目布置。轴向孔130可具有多种尺寸和形状。举例而言，轴向孔130可随着距顶面128的距离而渐缩和/或可具有倒圆的底和边缘。
辐照靶140可以任何所希望的数目和/或图案插入到一个或多个轴向孔130中。辐照靶140可呈多种形状和物理形式。举例而言，辐照靶140可为小锉屑(filing)、圆形芯块、线、液体和/或气体。辐照靶140的尺寸设置成适于装配于轴向孔130内，和/或轴向孔130的形状和尺寸设置成包含辐照靶140。
辐照靶140可由多种材料制成，该材料在暴露于范例实施例辐照靶保持装置125中所遇到的中子通量时基本上转变成放射性同位素。举例而言，辐照靶140可包括铱-191和/或钴-59等，铱-191在暴露于运行的核反应堆中遇到的中子通量时转变成铱-192，钴-59在暴露于运行的核反应堆中遇到的中子通量时转变成钴-60。辐照靶140还可为密封的容器，该容器由被设计成当暴露于运行的反应堆内的中子通量时基本上维持物理和中子性质的材料制成。该容器可包含固态、液态和/或气态辐照靶和/或所产生的放射性同位素以提供辐照靶140内的第三层封闭(其它封闭在下文中讨论)。
帽138可附连到顶端/面128上并将辐照靶140密封到轴向孔130内。帽138可以若干已知方式附连到顶端128上。举例而言，帽138可直接焊接到顶面128上。或者，例如，如图3B中所示，帽138可经由范例保持装置125和帽138上的螺纹129拧到顶端128上。或者，例如，帽138可经由帽138和装置125上的锁和钥匙机构附连到顶端128上。以任何这些附连，帽138可将辐照靶140保持于轴向孔130内并允许容易地移除帽138以采集辐照过的辐照靶140。帽138还可具有平坦面，该平坦面座靠顶面128上的每个轴向孔130，以防止辐照靶140或由辐照靶140所产生的固态、液态或气态放射性同位素与其它辐照靶140混合和/或从轴向孔130逸出。
范例实施例辐照靶保持装置125由被设计成当暴露于运行的核反应堆中所遇到的中子通量时基本上保持其中子和物理性质的材料制成。因此，范例实施例辐照靶保持装置125基本上可不干扰中子通量到达辐照靶140，且可不与辐照靶140或由辐照靶140所产生的放射性同位素起化学反应。范例实施例辐照靶保持装置可由例如锆合金、不锈钢、铝、镍合金、铬镍铁合金(Inconel)等制成。
如图4所示，范例实施例辐照保持装置125可插入常规核燃料棒18和/或19(图1和图2)内并密封于其内，其插入方式与常规燃料芯块插入燃料棒18/19内的方式相同。范例实施例辐照保持装置125可基本上填充核燃料棒18/19，或替代地，可不基本上填充燃料棒18/19并允许未占用空间和/或核燃料芯块填充核燃料棒18/19的剩余空间。弹簧24可与范例实施例辐照保持装置125一起轴向地定位，以维持装置125的恒定位置，同时许可由于在运行的核反应堆中所遇到的变化的条件所造成的微小膨胀和/或移位。
核反应堆包括具有范例实施例辐照靶保持装置125的燃料棒的燃料组件，该核反应堆可运行于正常运行功率，使得范例实施例的辐照靶保持装置125和其中的辐照靶140由存在于运行的反应堆中的中子通量辐照。由于反应堆中的中子水平是已知的，且孔130(在图3中示出)的深度和其内辐照靶140的放置和组成可以是已知的，因此本领域技术人员能计算由照射靶140所产生的放射性同位素的比放射性(specific activity)。反之，已知操作通量水平和辐照靶140构成，本领域技术人员可计算孔130深度以实现最佳的放射性同位素生产。
在辐照后且基本上转变成有用的放射性同位素后，可例如在反应堆关闭期间从核反应堆移除辐照靶140和范例实施例辐照靶保持装置125。可从辐照过的燃料组件和燃料棒18/19移除范例实施例辐照保持装置125，并通过移除帽138来拆卸范例实施例辐照保持装置125以采集其内辐照过的辐照靶140。
被盖住并密封的棒18/19和范例实施例装置125提供用于辐照靶140的至少双层封闭。如果包含范例实施例辐照靶保持装置125的燃料棒18/19的包层发生微振磨损，这提供了防止辐照靶逸出的保障。取决于轴向孔140的放置，可由范例实施例辐照靶保持装置125的径向厚度来提供额外的封闭。
如图5中所示，备选的范例实施例辐照靶保持装置225可呈燃料单元形状/圆柱形芯块型构造，但其它形状也可用于范例实施例。范例实施例装置225的尺寸可进行设置以装配在常规核燃料棒18/19内，具有最大长度使得若干范例实施例辐照靶保持装置225可装配于燃料棒18/19内。举例而言，辐照靶保持装置可具有数厘米的或更小的长度。
范例实施例辐照靶保持装置225可另外共享先前所讨论的范例实施例的若干特征，省略了其冗余部分。范例实施例装置225限定一个或多个孔230，该一个或多个孔230延伸到范例实施例装置225内但并不穿过该范例实施例装置225。孔230可填充有所希望的辐照靶240，该辐照靶240在暴露于穿过范例实施例装置225的中子通量时基本上转变成放射性同位素。锭型范例实施例装置还可包括如上文关于先前范例实施例所描述的帽，以在其中的孔中包含辐照靶240。
备选地，如图6中所示，作为具有帽来将辐照靶240保持于孔230内的替代，范例实施例辐照靶保持装置225可由空的装置225和/或短棒226密封和/或包含。实例靶保持装置225可在常规核燃料棒18/19内与其它实例靶保持装置225紧密地堆叠在一起。在实例装置225/短棒226与燃料棒18/19的壁23之间也可存在间隙21。弹簧24或其它保持装置可向范例实施例装置225的堆叠施加阻压力，以在燃料棒18/19中将它们保持成基本上齐平地靠在彼此上。由于孔230可不完全穿过实例装置225，每个装置的底表面可大部分为平坦的，以便于对紧接着堆叠于下方的另一实例装置225的包含密封。
短棒226可放置于弹簧24或另一预加载装置与范例实施例辐射保持装置225的堆叠之间，以提供用于堆叠中最顶部装置225的相同密封结构。短棒226可基本上类似于范例实施例装置225，除了其并不包含任何辐照靶，从而不会将靶泄露到弹簧24上或棒18/19内的任何其它张紧装置上。
范例实施例辐照靶保持装置225可允许若干不同类型和相(phase)的辐照靶240放置于每个装置225和其每个孔230中。由于若干实例装置225可放置于燃料棒18/19内精确的轴向高度处，可能在燃料棒18/19内特定的轴向高度处提供更精确量/类型的辐照靶240。由于在运行的反应堆中轴向通量分布可能是已知的，因此能提供放置于范例实施例辐照靶保持装置225内的辐照靶240中有用的放射性同位素的更精确的产生和测量。
如图7中所示，又一范例实施例辐照靶保持装置325可基本上类似于锭型范例实施例保持装置225。但是，范例实施例装置325可具有共享绕范例实施例装置325的中心轴线380的径向位置的一个或多个孔330。范例实施例装置325还在该共享径向位置中包括孔385，与孔330不同，孔385完全穿过范例实施例辐照靶保持装置325。辐照靶可不放置于孔385中。
范例实施例辐照靶保持装置还可包括定位于中心轴线380处的键接狭缝(keyed slit)395或其它孔口。键接狭缝395可成形为允许相对应形状的轴杆穿过范例实施例装置395并绕中心轴线380旋转范例实施例装置395。在每个范例实施例辐照靶保持装置325中，键接狭缝395可关于孔385在相同位置定向。
如图8中所示，由于在范例实施例辐照靶保持装置325中，孔330和孔385可共享绕中心轴线380的相同径向位置，如果实例装置325在燃料棒18/19中沿着轴线380堆叠，那么所有孔385可在单个角度位置对准，以形成穿过范例实施例装置325的堆叠的退出轴杆390。另外，如果实例装置325堆叠，由于键接狭缝395也可对准并共享与孔385共同的方位，具有对应于狭缝形状395的键接端部的工具可进入并穿过辐照靶保持装置325的堆叠。
如图9中所示，为了在运行的核芯中辐照范例实施例辐照靶保持装置325之后采集由范例实施例辐照靶保持装置325所产生的放射性同位素，范例实施例装置325的堆叠可定向为孔330朝下，使得辐照靶340可仅通过重力作用而从孔330落出。堆叠于燃料棒18/19内的选定的范例实施例装置325然后可绕中心轴线380旋转，直到所有孔385以及因此退出轴杆390与堆叠内不旋转的装置325的所希望的孔330对准。辐照靶340和存在于其内的放射性同位素可通过退出轴杆390从孔330落出以采集。
可通过移动到键接狭缝395内所希望的轴向距离处的键接工具(keyed tool)396来旋转堆叠的范例实施例装置325。因此，可通过键接工具396移动到键接狭缝395内的轴向距离来通过退出轴杆390排空特定辐照靶保持装置。由于所有键接狭缝395关于孔395可同样地定向，因此退出轴杆390可一致地旋转到将要被排空的孔330。另外，最底部(在向下转动堆叠之后)的实例辐照靶保持装置325可不具有任何辐照靶340，使得在排空范例实施例装置325的堆叠时辐照靶340将不从最底部的装置325落出。
范例实施例辐照靶保持装置可通过其它机构来旋转且不具有中心键接狭缝395。举例而言，外套筒可将堆叠中的个别保持装置325旋转到所希望的角度位置，以从退出轴杆385排出辐照过的辐照靶。同样，在范例实施例保持装置325的堆叠中，孔385无需同时对准；辐照靶可落入到未对准的孔385内，该未对准的孔385稍后与下部孔385对准，使得辐照靶340将递增地下落穿过范例实施例的堆叠直到被采集。
尽管在范例实施例中，范例实施例保持装置可插入到BWR型燃料棒和燃料组件内，但应了解其它类型的燃料和电站可与范例实施例保持装置一起使用。举例而言，PWR、CANDU、RBMK、ESBWR等类型的反应堆可包括可容纳范例实施例保持装置的燃料棒以辐照其内的辐照靶。
尽管如此描述了范例实施例，但本领域技术人员应了解可通过通常的实验且无需其它的创造性活动来改变范例实施例。举例而言，词语“组件”通篇用于表示范例实施例中的燃料棒的集合，但如“束”的术语也可互换地使用，且范例实施例可与不具有通常见于成品燃料组件中的所有构件的燃料束一起使用。或者，例如，其它燃料类型、形状和构造可结合范例实施例辐照靶系统使用。不应将变型视为偏离示范性实施例的精神和范畴，且如对本领域技术人员显而易见的所有这些修改意在包括于所附权利要求书的范畴内。