同位素靶的冷却水系统

本发明涉及医用同位素靶系统工程，尤其涉及一种同位素靶的冷却水系统。

背景技术：

1、随着核医学临床应用与基础研究的不断深入，医用同位素药物在肿瘤治疗、功能影像诊断等领域的价值日益凸显，基于强流质子加速器的医用同位素生产技术是当前医用同位素供给体系的重要发展方向。

2、基于百千瓦强流质子超导直线加速器医用同位素药物研发平台，其同位素靶系统在辐照时会由于束流能量沉积产生大量体积热，该热量一般随着束流总功率提高而增大，同时该沉积热也是靶系统失效的最主要的原因之一，因此高性能冷却系统是保障靶系统乃至整个加速器装置安全、稳定运行的关键。针对加速器同位素靶系统的冷却需求，相关技术多围绕靶体本身的换热需求设计冷却水循环回路，通过强制对流换热带走束流沉积产生的体积热，以维持靶件在合理的工作温度区间内运行。

3、然而实际研究中发现，现有冷却系统仍存在诸多亟待解决的缺陷：现有冷却回路普遍以热量输送为主要目的，架构较为简单，一旦发生泄漏，放射性介质容易扩散并污染外界环境；同时，在束流辐照靶系统的过程中，通过质子束辐照目标靶系统中，束流在通过靶组件的同时，会对系统冷却水进行辐照，高能质子束穿过水时，通过电离和激发作用损失能量，导致水分子在辐照过程中会不可避免的发生辐射分解，分解产生的氢原子、水合电子等活性粒子进一步发生相互反应或与水中的质子反应，最终会生成氢气，随着辐照时间增加，这些氢气会逐步聚集在水系统中，形成系统性风险；此外，靶系统冷却水中的放射性主要来自水分子和水中杂质的感生放射性，放射性元素衰变时会释放γ射线、β射线等，若冷却水泄漏或被接触，人员可能受到外照射或内照射，且对于靶系统设备来讲，辐照会加剧应力腐蚀开裂、沉积堵塞，系统整体运行的可靠性与使用寿命难以保证。

4、需要指出的是，以上所述旨在方便理解本发明的总体背景，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种同位素靶的冷却水系统，能够有效防止放射性介质外泄，并降低因氢气聚集以及辐照副产物导致的安全风险，提高靶系统整体运行的可靠性与使用寿命。

2、根据本发明实施例的一种同位素靶的冷却水系统，包括：

3、冷却循环子系统，包括多级循环回路，其中，一级循环回路配置为与靶系统冷却负载进行换热，末级循环回路配置为与外界环境进行换热，相邻两级循环回路之间通过换热器耦合进行隔离换热；

4、排氢子系统，与所述一级循环回路连接，用于将所述一级循环回路中因辐照产生的氢气排出；

5、净化子系统，与所述一级循环回路连接，用于去除所述一级循环回路中的放射性杂质；

6、所述排氢子系统包括：

7、除雾过滤器，入口端与所述一级循环回路的排氢口连接，用于分离所述排氢口排出的氢气和水；

8、压空喷射器，工作流入口用于和氮气源连接，引射流入口与所述除雾过滤器的气体出口连接，混合流出口用于和通风系统连接。

9、根据本发明的一个实施例，所述循环回路设有四级，分别为所述一级循环回路、二级循环回路、三级循环回路和所述末级循环回路；

10、所述一级循环回路与所述二级循环回路通过第一换热器耦合，所述二级循环回路与所述三级循环回路通过第二换热器耦合，所述三级循环回路与所述末级循环回路通过第三换热器耦合。

11、根据本发明的一个实施例，所述一级循环回路包括：

12、第一水箱，进水端与所述靶系统冷却负载的出水端连接；

13、第一循环泵，进水端与所述第一水箱的出水端连接，出水端与所述第一换热器的热水进口连接；所述第一换热器的冷水出口与所述靶系统冷却负载的进水端连接；

14、所述排氢子系统与所述第一水箱的所述排氢口连接；所述净化子系统的进水端与所述第一水箱的出水端连接，出水端与所述第一水箱的回水端连接。

15、根据本发明的一个实施例，所述二级循环回路包括：

16、第二水箱，进水端与所述第二换热器的冷水出口连接；

17、第二循环泵，进水端与所述第二水箱的出水端连接，出水端与所述第一换热器的冷水进口连接；

18、所述第一换热器的热水出口与所述第二换热器的热水进口连接。

19、根据本发明的一个实施例，所述三级循环回路包括：

20、第三水箱，进水端与所述第二换热器的热水出口连接；

21、第三循环泵，进水端与所述第三水箱的出水端连接，出水端与所述第三换热器的热水进口连接；

22、所述第三换热器的冷水出口与所述第二换热器的冷水进口连接。

23、根据本发明的一个实施例，

24、所述一级循环回路上连接有流量采集模块、压力采集模块和温度采集模块；所述流量采集模块和所述压力采集模块连接于所述靶系统冷却负载的进水端，所述温度采集模块连接于所述靶系统冷却负载的出水端；和/或

25、所述一级循环回路上连接有第一辐射监测仪，所述第一辐射监测仪位于所述第一换热器与所述靶系统冷却负载之间；和/或

26、所述二级循环回路上连接有第二辐射监测仪，所述第二辐射监测仪位于所述第一换热器与所述第二换热器之间；和/或

27、所述三级循环回路上连接有分流式三通阀；所述分流式三通阀的入口与所述第三循环泵的出口连接，其中一个出口与所述第三换热器的热水进口连接，另一个出口与所述第三换热器的冷水出口汇流后连接至所述第二换热器的冷水进口。

28、根据本发明的一个实施例，所述末级循环回路包括：

29、冷却塔，进水端与所述第三换热器的热水出口连接；

30、第四水箱，进水端与所述冷却塔的出水端连接；

31、第四循环泵，进水端与所述第四水箱的出水端连接，出水端与所述第三换热器的冷水进口连接。

32、根据本发明的一个实施例，所述冷却循环子系统和所述净化子系统中设有多个采样节点，所述同位素靶的冷却水系统还包括取样手套箱，所述取样手套箱的入口连接有取样主管，所述取样主管通过多根取样支管分别与各个所述采样节点连接。

33、根据本发明的一个实施例，所述净化子系统包括：

34、净化循环泵，入口端与所述一级循环回路连接；

35、第一机械过滤器，入口端与所述净化循环泵的出口端连接；

36、混床除盐模块，入口端与所述第一机械过滤器的出口端连接；

37、第二机械过滤器，入口端与所述混床除盐模块的出口端连接，出口端与所述第一水箱的回水端连接。

38、根据本发明的一个实施例，所述混床除盐模块包括第一混床除盐器和第二混床除盐器；

39、所述第一机械过滤器的出口端连接有第一主管，所述第一主管通过第一支路连接至所述第一混床除盐器的入口端，通过第二支路连接至所述第二混床除盐器的入口端，所述第一支路上连接有第九阀，所述第二支路上连接有第十阀。

40、所述第一混床除盐器的出口端和所述第二混床除盐器的出口端通过第二主管并联后连接至所述第二机械过滤器的入口端，所述第一混床除盐器的出口端连接有十一阀，所述第二混床除盐器的出口端连接有十二阀；

41、所述第二主管与所述第二混床除盐器的入口端之间连接有第三支路；所述第三支路的一端与所述第二主管连接，另一端连接至所述第二混床除盐器的入口端，所述第三支路上连接有十三阀，所述第二主管连接有十四阀和十五阀，所述十四阀位于所述第三支路和所述第二混床除盐器的出口端之间，所述十五阀位于所述第二混床除盐器的出口端和所述第二机械过滤器之间。

42、根据本发明的一个实施例，所述靶系统冷却负载的出口连接有第一氢气监测仪，所述压空喷射器的出口连接有第二氢气监测仪；

43、所述排氢子系统还包括第一压力采集单元；所述第一压力采集单元的两个测压端分别与所述除雾过滤器的入口端和气体出口连接，依据压差变化判断所述除雾过滤器的堵塞状态。

44、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

45、本发明实施例提供的同位素靶的冷却水系统，通过多级循环回路实现热量逐级传递与介质隔离防护，一级循环回路直接与靶系统冷却负载换热，吸收质子束流沉积产生的体积热，再通过换热器将热量依次传递至各级中间循环回路，最终由末级循环回路将热量释放至外界环境，相邻两级循环回路通过换热器完成热量交换，两侧回路介质相互独立，互不接触；同时，排氢子系统接入一级循环回路，将一级循环回路内冷却水受辐照分解生成的氢气从水体中析出并排出，净化子系统则对一级循环回路的冷却水进行循环净化处理，去除水中颗粒态与离子态放射性杂质，维持一级循环回路水质稳定。

46、相较于相关技术，通过多级隔离式循环换热结构，可构建多重放射性安全屏障，即使一级循环回路出现泄漏，放射性介质也被封闭在内部换热链路内，有效避免放射性物质外泄污染外界环境，提高辐射安全等级；同时，配套的排氢子系统能够将一级循环回路内因水体辐照产生的氢气及时排出，避免氢气聚集导致的系统风险；此外，净化子系统能减少一级循环回路内冷却水中的颗粒态与离子态放射性杂质，降低人员辐照风险以及因水质劣化引发的设备应力腐蚀与沉积堵塞等问题，提高靶系统整体运行的可靠性与使用寿命。

47、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。