一种压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件的制作方法

1.本发明属于燃料组件及相关组件技术领域，具体涉及一种在压水堆核电站生产碳-14核素辐照靶件。


背景技术：

2.碳-14(
14
c)是碳元素的一种放射性同位素，被广泛地应用于呼气检测、标记化合物等医疗和生物医药，以及生命科学等领域，具有一定的国内外市场前景。我国碳-14核素几乎依赖于进口，但由于近些年国际市场上碳-14核素供应量降低，出现了供应危机。基于当前碳-14核素的市场需求，拟利用商运压水堆辐照生产碳-14核素。商运压水堆要实现辐照生产碳-14核素，需要在其反应堆中装载一种安全、可靠、高效的辐照靶件，利用反应堆内裂变产生的中子与靶件内填充的靶料进行活化反应，最终生成具有碳-14核素的化合物，配合后期的分离及再制造过程，生产出满足市场要求的碳-14核素产品。
3.针对上述情况亟需涉及一种能在反应堆内接受安全、可靠、高效的辐照，结构强度好，能够确保在堆内运行期间不发生部件脱落或泄露靶料等异常事件的辐照靶件。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件的辐照靶件，该辐照靶件能够在反应堆内接受安全、可靠、高效的辐照，具备较好的结构强度，满足商运压水堆辐照生产碳-14核素的核心需求，同时不影响核电机组的安全运行。
5.实现本发明目的的技术方案：一种压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件，该辐照靶件包括星形架和顶部安装在星形架内的若干束靶棒，束靶棒用于装填aln靶料，星形架用于与燃料组件、堆内构件、吊具的装配配合；星形架由若干组三角形结构架组成，若干组三角形结构架沿星形架的周向均匀布置，每组三角形结构内均安装有若干束靶棒。
6.所述的星形架还包括位于若干组三角形结构架中心的支撑凸台、以及位于支撑凸台顶部内的吊装结构。
7.所述的星形架的每组三角形结构架均由三个圆管连接组成，吊装结构呈椭圆形、且能够相对支撑凸台旋转。
8.所述的靶棒为内外双层包壳结构，其外层为一体式外包壳管，其内层为若干位于外包壳管内、且装有aln靶料或者空心的内靶盒；外包壳管内部充有用于传热及防止变形的氦气。
9.所述的靶棒还进一步包括位于外包壳管上部的上端塞，位于上端塞上部的上端头，位于下端塞下部的下端头。
10.所述的靶棒与星形架的圆管的数量相同。
11.所述的每个靶棒的上端头分别插在星形架的每个圆管内。
12.所述的靶棒呈棒状结构。
13.所述的星形架外圈圆管的数量是内圈圆管数量的两倍，内圈圆管、外圈圆管均沿
星形架周向均匀间隔布置。
14.所述的支撑凸台的外圆周上均匀布置有若干个止动销，用于防止辐照靶件从控制棒导向隔板进入保护管组件。
15.本发明的有益技术效果在于：本提供发明的一种商运压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件，不但应具备较好的结构强度及稳定性，同时也与反应堆内的其他组件及堆内构件具有较好的相容性，不影响反应堆的安全、稳定运行。该辐照靶件采用内外双层结构，确保辐照期间aln粉末不会泄露到一回路冷却剂中；内靶盒设计采用e110合金制造，具有良好的机械性能及抗辐照性能；具有灵活的靶料装填容量控制方式，通过调整装有aln靶料的内靶盒数量和空心的内靶盒数量比，同时配合调整aln靶料的压实密度实现碳-14产额的调整；辐照靶件设计有止动销，防止辐照靶件从控制棒导向隔板进入保护管组件，从而确保靶件的安全使用。
附图说明
16.图1为本发明所提供的一种压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件的结构示意图；
17.图2为本发明所提供的一种辐照靶件的星形架的结构示意图；
18.图3为本发明所提供的一种辐照靶件的靶棒的剖面示意图。
19.图中：
20.1.星形架，101.圆管，102.支撑凸台，103.吊装结构，104.止动销104；
21.2.靶棒，201.上端头，202.上端塞，203.外包壳管，204.内靶盒，205.下端塞，206.下端头。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
23.如图1所示，本发明所提供的一种压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件，该辐照靶件包括星形架1、靶棒2；每个辐照靶件均由1个星形架和18束靶棒2装配而成。
24.星形架1结构图如图2所示，星形架1整体材料均采用不锈钢。，星形架1由圆管101、支撑凸台102和吊装结构103组成—。星形架1用于辐照靶件与燃料组件、堆内构件、吊具的装配配合，是辐照靶件的整体支撑和连接部件。
25.如图2所示，星形架1有18个中空的圆管101，每3个圆管101连接在一起，呈三角形架结构，内圈有6个圆管101，外圈有12个圆管101，如图1所示，圆管101用于与辐照靶件的靶棒2进行装配连接；
26.如图2所示，在星形架(连接柄1)中心是辐照靶件一体式的支撑凸台102和吊装结构103。，其中，支撑凸台102下表面与燃料组件的上表面接触，支撑凸台102的上表面与保护管组件的下表面接触，如此设计可以保证辐照靶件在反应堆内运行的稳定性，避免受到反应堆冷却剂的冲刷而上下浮动。此外支撑凸台102最外围焊接3个凸出的止动销104，用于防止辐照靶件从控制棒导向隔板进入保护管组件；
27.如图2所示，吊装结构103外形呈椭圆形，安装在支撑凸台102顶部凹槽内、且能够相对支撑凸台102旋转90
°
，在吊具进入吊装结构103后旋转90
°
即可进行辐照靶件的吊装等
操作。吊装结构103位于支撑凸台102顶部有的凹槽内，与支撑凸台102焊接成一体。
28.靶棒2的剖面图如图3所示，靶棒2总体为棒状结构，由上端头201、上端塞202、外包壳管203、内靶盒204、下端塞205和下端头206组成。靶棒2用于装填aln靶料，确保aln靶料在反应堆内活性区域接受安全的辐照，避免aln靶料与一回路冷却剂的直接接触。.
29.如图3所示，上端头201为不锈钢材质，用于靶棒2和星形架1的装配使用，上端头201的上部穿过星形架1的圆管10后采用螺母并焊接固定，上端头201的下部通过上端塞202与外包壳管203焊接。
30.如图3所示，上端塞202为e110合金，用于上端头201和外包壳管的203连接固定使用。
31.如图3所示，外包壳管203为e110合金，包覆在内靶盒204外，与上端塞202、下端塞205组成密封结构，防止冷却剂直接与内靶盒204接触，外包壳管203内部充有氦气，起到传热及防止外包壳管203变形的作用。
32.如图3所示，内靶盒204为e110合金，其内部填充有压实的aln靶料或者不填充靶料，每束靶棒2装有一定数量的内靶盒204，根据碳-14的产额需求调整aln靶料的密度和不同类型内靶盒204的数量比。例如，本实施例中内靶盒204的数量为7个。
33.如图3所示，下端塞205为e110合金，用于外包壳管203和下端头206的连接固定使用。
34.如图3所示，下端头206为e110合金，总体呈“弹头”状，起到固定靶棒2及引流的作用。
35.如图1、图2和图3所示，在反应堆中，辐照靶件的18束靶棒2分别插入燃料组件的18个导向管中，其星形架1的支撑凸台102坐落在燃料组件的上表面，从而对辐照靶件进行固定装配；靶棒2的下端头206位于燃料组件导向管下端部，确保靶棒2内安装的内靶盒204均在燃料组件的反应活性区域，从而接受到更大通量的中子辐照。
36.如图1、图2和图3所示，辐照靶件的移动操作通过吊装专用工具与星形架1的装配来实现。星形架1的吊装结构设计应稳定可靠，方便与吊装专用工具的装配，包括在水下进行的操作。
37.aln粉末由天然的铝和氮气反应产生，其中n-14、n-15、al的含量均为自然界中的丰度。
38.在辐照靶件装入、卸出反应堆期间，应对其进行必要的外观检查，判断其结构的完整性。
39.辐照靶件在反应堆内运行期间，一方面，应加强对堆芯参数进行定期评价，以判断辐照靶件对反应堆运行的影响；另一方面，应加强对反应堆一回路冷却剂的水质分析，特别是碳-14核素及aln粉末材质的监测，以判断辐照靶件的密封性。
40.针对如图1、图2和图3所示，本发明的一种压水堆核电站生产碳-14核素的辐照靶件内填充的靶料为压实的氮化铝(aln)粉末。氮化铝中的氮-14核素可以与中子发生(n，p)反应，生成碳-14，反应式如下：
41.14
n 1n
→
14
c 1p
42.为保证反应堆的安全运行，一方面辐照靶件具有较好的结构强度，确保在堆内运行期间不发生部件脱落或泄露靶料等异常问题；另一方面，设计的辐照靶件与反应堆内的
燃料组件、相关组件及堆内构件应具有较好的相容性，即辐照靶件的设计应尽可能与反应堆内的相关组件尺寸结构相近，配合程度高，对反应堆的物理、热工及相关特性参数影响降低至最低。
43.辐照靶件外形结构上具有1个星形架1和18束靶棒2组成，靶棒2的设计采用内外双层包壳结构，其中外层为一体式的包壳管结构(即外包壳管203)，内层为若干装有aln靶料或者空心的包壳盒(即内靶盒204)，根据碳-14核素的产额需要，可以灵活设计装有aln靶料的内靶盒204数量和空心的内靶盒204数量比，同时配合调整aln靶料的压实密度。为降低辐照靶件的辐照伸长，其内外双层包壳、端塞等活性区域的结构材料均采用e110合金(锆铌合金)，星形架1等连接结构使用不锈钢材料。
44.辐照靶件在反应堆内通过插入燃料组件的导向管进行固定并接受辐照，辐照靶料应尽可能在反应堆中的活性区域(即发生核反应的区域)。
45.上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。