研究堆輻照生產Pu?238用含Np?237輻照靶件制造技術

本發明專利技術公開了研究堆輻照生產Pu?238用含Np?237輻照靶件，包括靶件筒和設置在靶件筒兩端的上端頭和下端頭，所述靶件筒內設有冷卻性能高的待輻照靶體，其冷卻效果佳，適用于利用研究堆輻照生產Pu?238。利用本發明專利技術的輻照靶件能夠輻照出Pu?238，并且轉換率高、安全性好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于放射性同位素輻照生產領域，具體涉及到利用研究堆輻照生產Pu-238用的含Np-237輻照靶件。
技術介紹
放射性同位素電池(核電池)具有體積小、能量密度大、壽命長、可靠性高、不受環境影響等特點，可為宇宙飛船、微小衛星、心臟起搏器等提供能源。Pu-238是首個被發現的人工合成钚同位素，具有半衰期適中、功率密度高、輻射屏蔽輕等特點，是一種理想的放射性同位素熱源材料。Pu-238的大規模制備依靠在反應堆內對靶件進行輻照，再通過溶劑萃取和離子交換方法純化得到。目前，兩條主要的生產途徑為：從乏燃料中回收Np-237再輻照；直接堆照Am-241靶件。美、俄等國主要采取輻照Np-237靶件的途徑進行生產。我國目前尚不能進行Pu-238輻照生產，需要依靠從國外進口，對Pu-238輻照生產的研究也處于起步階段。輻照靶件類型與反應堆結構、所生產的同位素種類及其特性有關，應當便于在反應堆內進行布置、具有較大的轉換率，同時應便于進行同位素分離提純、并滿足熱工安全要求。Np-237輻照過程中吸收中子生成Np-238，Np-238衰變為Pu-238，而Np-238具有很大的裂變截面，損耗率大；Pu-238本身是一種裂變核素，靶件中有很強的裂變發熱，給靶件的冷卻提出了嚴格的要求；此外，Pu-238生產中伴隨Pu-236的生成，它衰變時產生強γ輻射子體，嚴重影響Pu-238的品質，輻照中應嚴格控制其含量。從乏燃料中提取Np-237成本高昂，為獲得較好的經濟效益，要求所設計的靶件具有較高的Pu-238轉換率，從而對Np-237輻照靶件設計提出了很嚴格的要求。
技術實現思路
為了解決上述問題，本專利技術公開了研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，利用本專利技術的輻照靶件能夠輻照出Pu-238，并且轉換率高、安全性好。本專利技術通過下述技術方案實現：研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，包括靶件筒和設置在靶件筒兩端的上端頭和下端頭，所述靶件筒內設有冷卻性能高的待輻照靶體。所述冷卻性能高的待輻照靶體包括內套管，所述內套管設于靶件筒中央且其軸線與靶件筒軸線重合，靶件筒與內套管間設有數個軸線與靶件筒軸線重合的環形靶體。目前國外從乏燃料中回收Np-237再輻照的方式主要為，Np-237在輻照過程中吸收中子生成Np-238，Np-238衰變為Pu-238。而Np-238具有很大的裂變截面，損耗率大；Pu-238本身是一種裂變核素，靶件中有很強的裂變發熱，給靶件的冷卻提出了嚴格的要求。目前國內現有的靶件多采用單個圓環形靶件，其靶件內側無冷卻通道，因此冷卻液只能從靶件的外側流過，靶件內的芯體的冷卻效率不高，若用于Np-237的輻照，安全隱患非常大，難以滿足Pu-238的輻照生產。本專利技術的內套管能夠在靶件筒內形成冷卻劑內外流道，在內套管外設有數個環形靶體，在環形靶體與內套管間、環形靶體與環形靶體間、環形靶體與靶件筒間形成多個冷卻流道，冷卻劑能夠從環形靶體的內外兩側流過，增大了環形靶體與冷卻液的接觸面積，大大提高了冷卻效率。所述環形靶體包括圓筒型的外包殼和內包殼，外包殼和內包殼間填充有芯體，在外包殼和內包殼兩端設有環形的密封端塞。所述環形靶體為一個或兩個，環形靶體與環形靶體間、環形靶體與靶件筒及內套管間有間距，形成冷卻流道。由于Pu-238生產中伴隨Pu-236的生成，它衰變時產生強γ輻射子體，嚴重影響Pu-238的品質，輻照中應嚴格控制其含量。從乏燃料中提取Np-237成本高昂，為獲得較好的經濟效益，要求所設計的靶件具有較高的Pu-238轉換率，從而對Np-237輻照靶件設計提出了很嚴格的要求。利用研究堆輻照生產Pu-238是一個過程較為復雜的工藝，涉及到輻照反應的多個部件和多個操作方式的改進，而對于Np-237輻照靶件而言，提高Pu-238轉換率，則要求Np-237輻照靶件具備更高的冷卻效率。本專利技術在環形靶體的內側和外側均設有冷卻流道，并且輻照芯體填充于環形筒狀的外包殼和內包殼內，大大增加了冷卻液與環型靶體的接觸面，顯著提高了靶件的冷卻效果，經專利技術人反復試驗，利用本專利技術的輻照靶件能夠輻照生產Pu-238，并且具有很高的轉化率。得到了品質較高的Pu-238，具有良好的經濟效益。進一步地，所述芯體為(Np-237)-HNO3溶液或鋁基彌散(Np-237)O2芯塊，所述靶件筒為LT24鋁合金材質，所述外包殼和內包殼為305鋁合金材質，它具有成本低廉、核性能優良和強度適當的優點，在研究堆中有著較好的應用。其中，鋁基彌散(Np-237)O2芯塊采用無壓燒結真空工藝制備，該芯塊具有導熱性能好、包容裂變產物能力強、后處理方便等優點。本專利技術中，外包殼和內包殼與密封端塞可以通過焊接方式相連，并采用特殊工藝進行密封，從而構成一個密封的輻照罐結構，因而該輻照罐內可以盛裝(Np-237)-HNO3溶液。本專利技術的冷卻性能高的待輻照靶體還可以采用另一種結構，其包括數根均勻分布的靶件棒，靶件棒間、靶件棒與靶件筒間有間距，形成冷卻流道。所述靶件棒外部為圓筒形外殼，外殼內填充有靶心體，所述外殼兩端設有密封塞。目前，國內外存在一些具有單個獨立的靶件棒的輻照靶件，獨個靶件棒固定于靶件中央，其外側有冷卻液流過，由于其冷卻效率欠佳，因此一直無法應用于Pu-238的輻照生產。本專利技術采用數根靶件棒同時被輻照的結構，多個靶件棒中單個靶件棒相比于現有的獨個靶件棒而言，明顯具有更小的橫截面，因而其與冷卻液接觸的表面積與體積的比值顯著增大，更加利于熱交換，大大提高了靶件的冷卻效率，同時由于本專利技術的靶件棒為數根，數根靶件棒的總體積與現有獨個靶件棒的總體積相同或者更大，相同時間內能夠輻照相同量或者更多地靶心體原料，因而本專利技術能夠在保證靶心體的輻照效率不變或者增大的情況下顯著提高靶件的散熱效率，并能夠將其應用于Pu-238的輻照生產。所述靶件棒為7根，在靶件筒中央設有1根靶件棒，其余6根靶件棒均勻環布于中央靶件棒外周。其余的6根靶件棒間連線構成一個正六邊形，這種結構有著優秀的幾何力學性能，能夠增強整個輻照靶件的機械強度，防止其在運輸或使用過程中發生破損或斷裂，引起不必要的原料泄漏，避免造成經濟損失或人員傷亡，有效提高本專利技術用于Pu-238輻照生產的安全性和可行性，適于輻照靶件領域廣泛推廣。所述靶件棒還可以為19根，在靶件筒中央設有1根靶件棒，在中央的靶件棒外周均勻環布有6根靶件棒，其余12根靶件棒均勻環布于6根靶件棒構成的圓環的外周。靶件棒為19根時，由于其內部的正六邊形排列結構，使其不僅具有較高的力學性能和機械強度，同時，其單根靶件棒的橫截面更小，其熱交換效果更佳，并且一次性被輻照的Np-237量更多，有效提高生產效率，減小能源耗損，在一定程度上降低了原本高昂的Pu-238輻照生產成本。進一步地，所述靶芯體為鋁基(Np-237)O2芯塊或(Np-237)-HNO3溶液，所述靶件筒為LT24鋁合金材質，所述外殼為305鋁合金材質，它具有成本低廉、核性能優良和強度適當的優點，在研究堆中有著較好的應用。其中，鋁基彌散(Np-237)O2芯塊采用無壓燒結真空工藝制備，該芯塊具有導熱性能好、包容裂變產物能力強、后處理方便等優點。本專利技術中，外殼與密封塞可以通過焊接方式相連，并采用特殊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
研究堆輻照生產Pu?238用含Np?237輻照靶件，包括靶件筒和設置在靶件筒兩端的上端頭和下端頭，其特征在于，所述靶件筒內設有冷卻性能高的待輻照靶體。

【技術特征摘要】
1.研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，包括靶件筒和設置在靶件筒兩端的上端頭和下端頭，其特征在于，所述靶件筒內設有冷卻性能高的待輻照靶體。2.根據權利要求1所述的研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，其特征在于，所述冷卻性能高的待輻照靶體包括內套管，所述內套管設于靶件筒中央且其軸線與靶件筒軸線重合，靶件筒與內套管間設有數個軸線與靶件筒軸線重合的環形靶體。3.根據權利要求2所述的研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，其特征在于，所述環形靶體包括圓筒型的外包殼和內包殼，外包殼和內包殼間填充有芯體，在外包殼和內包殼兩端設有環形的密封端塞。4.根據權利要求2或3所述的研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，其特征在于，所述環形靶體為一個或兩個，環形靶體與環形靶體間、環形靶體與靶件筒及內套管間有間距，形成冷卻流道。5.根據權利要求3所述的研究堆輻照生產Pu-238用含Np-237輻照靶件，其特征在于，所述芯體為(Np-237)-HNO3溶液或鋁基彌散(Np-237)O2芯塊，所述靶件筒為LT24鋁合金材質，所述外包殼和內包殼為305...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫壽華，李健，朱磊，
申請(專利權)人：中國核動力研究設計院，
類型：發明
國別省市：四川;51