專利名稱:主中子源倍增器組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供了一種裝置和機構，通過所述裝置和機構產(chǎn)生穩(wěn)定的高能中子源，所述高能中子源除了倍增主驅動器同位素的輻射能并且有效傳遞其輻射能之外，還能夠通過簡單地調整倍增器組件的物理布局而改變強度。所產(chǎn)生的中子源具有多種實際用途，包括但不局限于:核反應堆的啟動源、材料的無損檢測、中子活化分析、樣本水分分析、石油測井、治療癌癥、爆炸物探測、金屬疲勞探測和工藝物流中的化學成分和含水量的其它實時評估，諸如發(fā)電廠和水泥窯中的燃燒優(yōu)化。
背景技術：
通常需要多種中子源(發(fā)射器)，從而安全啟動核反應堆堆芯。用于此目的的反應堆啟動源被稱作“主源”和“次級源”。主源是自給中子源，所述自給中子源提供中子而同時又不需要外部能量或者來自反應堆自身的輻射。次級反應堆啟動源通常由與鈹均勻混合的初始非放射性驅動材料制成。為了制造，次級源驅動材料(通常為銻)是非放射性的。結果，次級源不產(chǎn)生中子源直到在核反應堆中輻照驅動材料為止。次級源因驅動材料的放射性衰變產(chǎn)生的高能伽馬射線與鈹相互作用而產(chǎn)生中子。典型地，均與鈹組合使用的當前技術的主源驅動材料是強阿爾法粒子，所述強阿爾法粒子發(fā)射釙、鐳、钚、镅和鋦的同位素。作為用于商業(yè)用途的實用主源而同時又不使用混合的鈹?shù)奈ㄒ徊牧鲜秋?252或者252锎。
由Ransohoff et al.和 Bodnarescu (分別為美國專利申請 N0.3，269，915 和N0.3，396，007)概述了在核反應堆內產(chǎn)生“次級源”放射同位素。Impink，Jr.(發(fā)表于1980年6月的在下文中稱作“Impink”的美國專利N0.4，208, 247)對“主源”的使用和中子源的一般用法做了詳細描述，其中，優(yōu)選地，钚-238和鈹封裝在合金中，所述合金不允許傳輸熱中子，即，其對于熱能中子而言基本是“黑洞”，例如精隔；65%的銀/鎘或者80%銀/15%銦/鎘。
反應堆啟動中子源用于安全地輔助在核反應堆的初始堆芯加載中開始核鏈式反應。要求反應堆啟動源安全啟動僅包含未受輻照的新核燃料的初始堆芯，原因在于所有源(例如，燃料的自發(fā)裂變、宇宙輻射、氘光中子)的中子數(shù)密度均不足以可靠地監(jiān)控反應堆中子數(shù)，以確保安全地啟動反應堆。利用具有僅僅輕度放射性燃料的初始堆芯或者在長期停工期間之后在核反應堆中產(chǎn)生低中子通量，在所述長期停工期間，輻照燃料發(fā)生衰變，從而減少了來自先前提及機構的反應堆的固有中子源。固定式反應堆主啟動中子源和次級啟動中子源均在反應堆堆芯中提供了對電廠設備而言足以可靠地測量的中子數(shù)，并且因此為反應堆操作者能夠安全地啟動反應堆以及在檢測到不安全情況時反應堆防護系統(tǒng)否決操作者并且終止反應堆啟動提供了反應堆功率和反應性信息。在沒有反應堆啟動中子源的情況下，反應堆在反應堆防護系統(tǒng)干預以終止啟動之前在啟動期間發(fā)生快速功率激增。啟動源通常插入在反應堆堆芯內部的等距間隔開的位置中以代替一些燃料棒，或者插入在反應堆堆芯的內部的結構內。
中子源除了啟動核反應堆之外，還可以在其它工業(yè)應用中具有許多用途。中子源的這些工業(yè)用途通常包括使用中子源在源附近產(chǎn)生放射性同位素，在此之后測量在被評估的處理中如此產(chǎn)生的放射性同位素(多種放射性同位素)的獨特的核衰變特征并且在在本領域中通常被稱作中子活化分析的處理中由測量值推斷出濃度或成分。所產(chǎn)生的工業(yè)應用包括但不局限于:材料的無損檢測、中子活化分析、樣品水分分析、石油測井、治療癌癥、爆炸物探測、金屬疲勞探測和工藝物流中的化學成分或含水量的其它實時評估，諸如發(fā)電廠和水泥窯中的燃燒優(yōu)化。
Impink (上文引用)還教導的是(在此專利的時候),商用反應堆的中子源已經(jīng)定位在核芯內，并且在至少一個完整的操作循環(huán)期間保持在核芯內。源保持固定位置。在反應堆內，源插入在選擇的燃料組件中并且在燃料組件引導套筒內延伸，所述引導套筒設計成向燃料組件提供結構并且引導控制元件插入到反應堆中。源還靠近核芯周邊布置在組件中，以便定位在位于反應堆容器外部的探測和監(jiān)控設備的探測范圍內。
在http://en.wikipedia.0rg.wiki/beryllium (7/07/2010)的文章中將被描述為輕質、堅固但是易碎的淺灰色堿土金屬。其主要在非核應用中用作尤其是鈹銅合金的合金中的硬化劑。在結構上，鈹?shù)姆浅５偷拿芏?水的1.85倍)、高熔點(1287°C)、高溫度穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)使得其在許多方面均為航空航天和核應用的理想的高溫材料。由于含鈹灰塵的毒性(尤其是通過呼吸)，因此鈹金屬的商業(yè)用途存在技術挑戰(zhàn)。鈹對組織產(chǎn)生直接腐蝕作用并且能夠在易感人群中導致被稱作鈹中毒的慢性威脅生命的過敏性疾病。
在核領域中，鈹作為極其不尋常元素的地方在于基本所有自然生成的鈹均為9Be同位素，9Be同位素對于其最后的中子具有非常低的結合能(1.69MeV)。鈹?shù)暮宋锢淼倪@種奇特方面所產(chǎn)生的結果是當9Be被帶有高于下文示出的閾值能量的能量的輻射刺激時，9Be通過中子放射如下文示出的那樣分裂并且形成更為穩(wěn)定的氦或者碳原子。
9Be4+4He2 — 12Cf^ntlEa=O (放熱)`[0010]9Be4+ Y — 2 4HeZn0Ey 彡 1.6MeV
9Be4+1^ — 2 4He2+2 S0En 彡 1.6MeV
锎(元素98)是純人造的稀有元素，通過在專門的高通量反應堆中對諸如钚或鋦的其它稀有的人造同位素進行長期輻照來合成锎，所述專門的高通量反應堆專門設計成生產(chǎn)高階錒系同位素。锎(Cf)專用于利用其強中子發(fā)射性能的用途。迄今為止，因為252锎的高源強度、高生產(chǎn)量和相對較長的半衰期，其是用于中子源的最廣泛使用的锎同位素。目前，在世界上僅有兩種合成并且分離252锎的設備。此時，在田納西州的橡樹嶺國家實驗室在擁有五十年歷史的高通量同位素反應堆中生產(chǎn)大約200毫克的世界年產(chǎn)量的大約90%。通過從所有其它錒系元素和裂變產(chǎn)物中分離出252锎的方式在反應堆地點初始提純在反應堆中產(chǎn)生的252锎，所述其它錒系元素和裂變產(chǎn)物源自從熱室實驗室遠程實施的復雜的放射化學過程中的目標輻照。通過用源自分離處理的252锎化合物涂覆插入材料線、箔或者其它形式并且將所產(chǎn)生的形式放置在屏蔽所產(chǎn)生的252锎源材料的桶中，從而允許從熱室實驗室移走材料來結束分離處理。252锎的高中子強度使得從所有其它錒系元素和裂變產(chǎn)物中分離锎之后，任何源制造過程必須在良好屏蔽防護的設施中遠程進行以保護制造人員。結果，唯一可行的是在使用252锎制造中子源的過程中應用簡單的制造處理。即使鑒于先前所引用的專利，仍然似乎沒有合理的理由嘗試對作為中子源的锎添加任何東西，因為锎在可獲得的放射性同位素中已經(jīng)是按重量最強的中子源。[0013]現(xiàn)在參照現(xiàn)有技術圖1，其示出了典型的熱核反應堆的一個實施例，所述熱核反應堆包括容置由多個燃料組件14 (圖2A中示出)構成的核芯12的密封的反應堆容器10。諸如包括水的一種反應堆冷卻劑通過入口噴嘴16進入容器，在位于容器和核芯支撐結構之間的環(huán)形區(qū)域中向下流動，轉向并且向上流動通過穿孔板20且通過核芯12而且通過出口噴嘴22排出。
在現(xiàn)有技術附圖2A中示出了燃料組件14，所述燃料組件14包括多個燃料細棒24，所述燃料細棒24容納布置成束的核燃料芯塊26。組件還包括多個導向套管28，所述導向套管28向組件提供了框架支撐并且成適當?shù)某叽纾员憧梢瞥亟邮湛刂圃?0的控制棒29，所述控制棒29能夠通過諸如電磁體32的裝置定位在核芯區(qū)域上方和內部，所述電磁體32作用在可移除地連接到控制元件30的軸34上(圖1)。
通過諸如中子探測器36的探測設備(圖1)來持續(xù)監(jiān)控核芯內的中子通量，所述探測設備位于與核芯12的高度齊平的高度處。通過定位桿38可以固定或者橫向移動位于容器外部的探測器。
燃料組件14的導向套管28除了如圖2A所示接收控制棒29之外，還成適當?shù)某叽纾越邮請D2B中示出的中子源儲器。中子源儲器容納中子發(fā)射源44。
源44包括大量快速中子發(fā)射材料，包層48將所述快速中子發(fā)射材料封裝并且保持在合適位置中。因為包括源強度在內的多種要素的組合，所以用于現(xiàn)行技術反應堆啟動源的優(yōu)選源材料是252锎。然而，252锎源材料極其昂貴并且僅僅能獲得有限數(shù)量，所以最小化對這些材料的需求非常重要。主源的最優(yōu)解決方案是使得完成所要求功能所需的252锎的數(shù)量最小化。另外，由實現(xiàn)所需功能的最小源強度確定中子源的使用壽命，因此，本發(fā)明的主要目的中的一個是更為有效地使用252锎來減小源所需的252锎的數(shù)量或者延長給定數(shù)量的252锎的有效壽命。

發(fā)明內容
通過以下方式來解決以上問題并且滿足目的:組合252锎驅動源和鈹倍增器組件，使得能夠通過鈹倍增器(倍增器組件)將來自252锎驅動源的大多數(shù)放射性衰變能轉變成中子，并且然后能夠通過鈹(n，2n)反應倍增所產(chǎn)生的中子。本發(fā)明包括快速中子發(fā)射源倍增器組件，所述快速中子發(fā)射源倍增器組件主要包括252锎的驅動源，252锎沉積在主要包括箔和線的表面上并且由作為倍增器段的鈹段所封裝和包圍?，F(xiàn)行技術主源設計利用252锎的作為自發(fā)裂變事件的衰變事件的僅僅3.1%。其余衰變事件是高能阿爾法衰變，高能阿爾法衰變的能量被包圍252锎源(44)的源包層(48)完全屏蔽，如現(xiàn)有技術圖2B所示。本發(fā)明驅動源的優(yōu)選實施例是涂覆有252锎的線或者箔，所述線或者箔嵌入位于簡單機加工的鈹倍增器內的凹部中。優(yōu)選地，鈹如圖3A和3B所示分為兩部分，以便驅動源68容易插入。鈹倍增器的尺寸僅僅在將阿爾法粒子和自發(fā)裂變產(chǎn)物的能量捕獲在鈹倍增器中的程度上是關鍵的。由于這些粒子數(shù)量大并且其具有帶電性質，因此吸收能量所需的鈹?shù)臄?shù)量遠小于形成用于驅動源組件的在結構上合適的容器所需的鈹?shù)臄?shù)量。捕獲252锎阿爾法粒子和自發(fā)裂變衰變的能量導致相對于現(xiàn)行技術的252锎主源而言每單位質量252锎驅動材料的中子源強度增加大約9倍。還可以通過能夠插設在252锎驅動源和鈹倍增器之間的屏蔽簾來調整本發(fā)明的中子源的強度。這種屏蔽簾能夠停止阿爾法粒子并且干擾阿爾法粒子傳送至鈹倍增器。[0019]增加倍增器組件的質量會通過增加因由自發(fā)裂變從252锎直接產(chǎn)生的中子以及因與產(chǎn)生自252锎衰變的高能阿爾法粒子和裂變產(chǎn)物相互作用而在鈹中產(chǎn)生的那些中子而導致發(fā)生的鈹(n，2n)反應來進一步增加中子源強度。優(yōu)選實施例將倍增器組件封裝在密封源儲器中，所述源儲器包括用于將倍增器組件保持在一起的優(yōu)選的為彈簧的裝置和空隙容積，所述空隙容積提供在沒有過分加壓源儲器的情況下收集產(chǎn)生自鈹分解反應的氦氣的空間。在本發(fā)明的倍增器中，由252锎直接產(chǎn)生的中子和由因所述鈹倍增器組件轉變阿爾法粒子和裂變產(chǎn)物所產(chǎn)生的中子在從所述源組件被發(fā)射之前通過鈹(n，2n)反應進一步倍增。
本發(fā)明的主要創(chuàng)新是將已經(jīng)作為強中子源的252锎和異質鈹倍增器組合，以完成將252锎放射性能量轉變成中子的轉變。本發(fā)明的制造需要在進行任何結構封裝之前將252锎驅動源插入到倍增器組件中。而且，需要機加工并且制造金屬鈹或者鈹氧化物。最后，在存在強中子源的情況中必須遠程實施所有制造。
252锎和鈹一起提供了增效作用，從而因鈹激勵中子倍增而允許每個倍增器組件將252锎的質量從大約260微克減小至大約30微克，即減小了 8倍多。


結合附圖，從以下描述中將更充分理解本發(fā)明的優(yōu)勢、性質和額外的特征，在所述附圖中:
圖1是典型核反應堆的一個實施例的反應堆容器的局部剖切的現(xiàn)有技術正視圖；
圖2A是具有插入其中的控制元件的燃料組件的現(xiàn)有技術透視圖；
圖2B是插入到燃料組件中的現(xiàn)有技術的中子源；
圖3A是本發(fā)明的布置在反應堆套管中的中子源儲器的剖視圖；
圖3B是示出了 252锎、線和鈹部件的中子源的三維視圖，其最佳地圖解了本發(fā)明的作為反應堆啟動源的最廣泛的實施例。
具體實施方式
在本發(fā)明中，如圖3A所示并且如下文所述，大量的鈹將用于包封/包圍/封裝少量252锎。在本發(fā)明的倍增器組件中僅使用252锎和鈹。倍增器組件包括鈹和涂覆到線或者箔上的252锎。在此描述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例使用來自252锎的所有不同類型的輻射，以便其能夠有效轉變成中子。即使252锎是非常強的中子源，也只能由衰變中的3.1%來直接產(chǎn)生中子，衰變是自發(fā)核裂變，每次裂變發(fā)射出平均3.77個中子。當前技術的252锎中子源使得252锎放射能的作為阿爾法粒子的剩余的96.9%無用，因為該能量作為標準源設計不銹鋼護殼中的熱量而消散。
優(yōu)選的實施例不使用源護殼(所述源護殼還是用于屏蔽阿爾法粒子和裂變產(chǎn)物能量的極其有效的屏障)，而是使用通常為鈀的裸線，252锎在與產(chǎn)自反應堆的多種輻照產(chǎn)物分離之后已經(jīng)被沉積在所述裸線上。作為將線封裝在屏蔽件中的替代方案，將線封裝在簡單的鈹倍增器組件中，然后用源自252锎的衰變的阿爾法粒子、裂變產(chǎn)物、瞬發(fā)裂變伽馬射線和高能中子直接照射所述鈹倍增器組件。結果，涂覆有252锎的裸線的中子源強度被倍增大約八至十倍，從而導致對于相同數(shù)量的252锎產(chǎn)生明顯更強的源或者使用期更長的源，或者對于恒定源強度所需的252锎的數(shù)量減小了九倍。多次計算已經(jīng)表明了利用現(xiàn)有技術的未倍增源的典型600MBq反應堆啟動主源需要將近260 μ g的252锎，而倍增源僅僅需要29 μ g。
現(xiàn)在參照圖3A，示出了主源儲器60，其包括:252锎的驅動源，所述驅動源以68示出并且涂覆到襯底線69上，和包封/包圍/封裝鈹段64，以提供倍增器組件62。在圖3B中更好地圖解了該倍增器組件62。在核電站、石油測井以及其它地方中倍增器組件62能夠具有廣泛的用途。
在此，倍增器組件62包括示出為68并涂覆在襯底/表面69上且由示出為64的鈹包圍的252锎，能夠插入周圍中空管/棒70或者被周圍中空管/棒70所容納/包封。主源儲器的端部能夠被頂端塞子84和底端塞子84'所密封，其中，定位元件(最簡單的為彈簧78)將所容納/包封的倍增器組件62保持在接近或者靠近底端部塞子84'的合適位置中。主源儲器中的空隙容積示出為86，其能夠捕獲由252锎阿爾法衰變直接釋放以及由鈹分解反應釋放的氦氣。
盡管已經(jīng)詳細地描述了本發(fā)明的特定實施例，但是本領域中的技術人員應當理解的是，根據(jù)本發(fā)明的整體教導能夠作出針對那些細節(jié)的多種修改方案和變形方案。因此，所公開的具體實施例意味著僅僅解釋而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將由隨附權利要求
和其任何以及全部等同物來界定。
權利要求
1.一種快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，主要包括252锎的驅動源(68)，252锎沉積在主要包括箔和線的表面(69)上并且被作為倍增器段的鈹段(64)所封裝和包圍。
2.根據(jù)權利要求
1所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，所述快速中子發(fā)射源倍增器組件布置在周圍的中空管(70)中。
3.根據(jù)權利要求
1所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，所述鈹段(64)被機加工。
4.根據(jù)權利要求
1所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，微量252锎封裝在鈹快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)中。
5.根據(jù)權利要求
1所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，通過鈹捕獲從252锎產(chǎn)生的阿爾法粒子和裂變產(chǎn)物的能量，鈹將這些粒子的能量轉變成中子。
6.根據(jù)權利要求
5所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，由252锎直接產(chǎn)生的中子和由因所述鈹倍增器組件(62)轉變阿爾法粒子和裂變產(chǎn)物所產(chǎn)生的中子在從所述源組件被發(fā)射之前通過鈹(n，2n)反應進一步倍增。
7.根據(jù)權利要求
1所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，所述表面(69)是鈀箔或鈀線。
8.根據(jù)權利要求
2所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，還包封在儲器中，所述儲器由頂端部塞子(84)和底端部塞子(84')所密封，其中，所述倍增器組件(62)被彈簧(78)保持在抵靠所述端部塞子(84，84')中的一個的合適位置中。
9.根據(jù)權利要求
8所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，從中子源反應產(chǎn)生的氦氣被保持在所述源儲器內的空隙容積(86)內。
10.根據(jù)權利要求
8所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，所述源用于提供穩(wěn)定的中子源，以便安全地啟動核反應堆。
11.根據(jù)權利要求
8所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，所述源用于提供穩(wěn)定的中子源，以便非破壞性地評估材料成分和濃度。
12.根據(jù)權利要求
8所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，所述快速中子發(fā)射源倍增器組件布置在中子反應堆的芯(12)中。
13.根據(jù)權利要求
1所述的快速中子發(fā)射源倍增器組件(62)，其中，能夠停止阿爾法粒子的材料的屏蔽簾插置在所述252锎驅動源和鈹倍增器之間，以通過對將阿爾法粒子傳送到所述鈹倍增器產(chǎn)生干擾來調整中子源強度。
專利摘要
一種在核反應堆和其它工業(yè)用途中使用的中子發(fā)射組件由封裝少量252锎的大量鈹制成，252锎能夠放置在具有端部塞和保持彈簧的儲器中。
文檔編號G21G1/10GKCN103155048SQ201180048064
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月26日
發(fā)明者D·L·斯塔克爾 申請人:西屋電氣有限責任公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan