專利名稱:生產(chǎn)²⁵²Cf中子源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于核能技術領域：
，是一種生產(chǎn)252Cf中子源的系統(tǒng)和方法。
技術背景
20世紀50年代，美國科學家第一次發(fā)現(xiàn)了 252Cf元素。252Cf屬于錒系核素，是元素周期表中錒系核素的第十個元素。之后，美蘇等國家開展了大量的關于252Cf等超钚核素研究工作。252Cf元素應用研究取得了突飛猛進的進展，其應用范圍從核工業(yè)擴展到生物醫(yī)學、 地質勘探等方面。但是，全世界的252Cf產(chǎn)量很低，年產(chǎn)量幾克左右。252Cf能自發(fā)裂變釋放出中子，中子產(chǎn)額為2. 31 X IO12s-1. g-1，半衰期2. 65年，平均能量2. 15MeV。252Cf價格昂貴， 是目前世界上最貴的金屬。
在核工業(yè)領域，252Cf可以作為反應堆起動的中子源。在核醫(yī)學領域可用來治療惡性腫瘤。由于252Cf中子源可以做得很小很細，這是其它中子源所做不到的，所以把中子源經(jīng)過軟管送到人體腔內(nèi)器官腫瘤部位，或者植入到人體的腫瘤組織內(nèi)進行治療。特別是對子宮癌、口腔癌、直腸癌、食道癌、胃癌、鼻腔癌等，252Cf中子治療都有相當好的療效。在地質勘探領域，采用252Cf作為中子源，探測油、氣、水層、天然氣層的狀況是十分有效的，252Cf中子源還可以用來勘探硼、銅、銀、錳、鎢、汞和稀土元素等礦藏。252Cf中子源放出的中子，經(jīng)碰撞慢化后易被其他物質俘獲而產(chǎn)生Y射線，根據(jù)測量的Y射線特征，來判斷礦物質的類型。
目前，252Cf生產(chǎn)合成和生產(chǎn)方法有三種利用加速器合成、利用地下核試驗熱核爆炸法和利用反應堆照射超鈾元素靶通過連續(xù)俘獲中子及β衰變生產(chǎn)252Cf。但是加速器合成252Cf產(chǎn)量很低，一般是不可稱量的。利用熱核爆炸生產(chǎn)252Cf的生產(chǎn)方法，花費太大，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。超鈾元素放在反應堆內(nèi)照射，靶核連續(xù)俘獲中子并發(fā)生多次衰變而生成 252Cf, 239Piu242Piu241Am和244Cm等都可以作為靶材料。反應堆中子通量是決定其252Cf產(chǎn)額的一個重要條件，提高中子通量，可以使252Cf產(chǎn)量迅速增大。反應堆是具有生產(chǎn)252Cf的能力， 但是裂變反應堆本身產(chǎn)生大量的高放廢料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)252Cf中子源的方法及生產(chǎn)252Cf中子源聚變驅動的次臨界系統(tǒng)。兼顧了核爆炸熱核反應生產(chǎn)和裂變反應堆生產(chǎn)252Cf兩種方法的優(yōu)點，聚變驅動次臨界系統(tǒng)有較高的通量，同時充分利用了現(xiàn)有的核廢料，又不會產(chǎn)生其它的核廢料，系統(tǒng)處于次臨界狀態(tài)，保證了安全性。
本發(fā)明的技術方案如下
聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法，其特征在于通過聚變反應產(chǎn)生外源中子，這些外源中子進入錒系核素處理區(qū)，與其中來自核電站乏燃料的長壽命錒系核素及可裂變钚239發(fā)生裂變反應生產(chǎn)大量的幾個keV至幾百keV能量范圍內(nèi)的新中子，這些新中子進入靶區(qū)中，與其中的镅Ml、鋦244發(fā)生俘獲反應，靶核連續(xù)俘獲中子并發(fā)生多次衰變而生成252Cf ；經(jīng)過靶區(qū)泄漏的中子進入可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)中，與其中貧鈾或者天然鈾發(fā)生中子俘獲反應，生成可裂變的钚239，并提取钚239以供給錒系核素處理區(qū)的再循環(huán)使用；可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)外有反射與屏蔽區(qū)，各個區(qū)中產(chǎn)生的熱量采用冷卻劑冷卻，各區(qū)之間采用結構材料分隔。
所述的聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法，其特征在于從可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)泄漏的中子進入裂變產(chǎn)物處理區(qū)，與其中混合在中子慢化劑中的放射性裂變產(chǎn)物發(fā)生俘獲反應，使長壽命高毒性的裂變產(chǎn)物轉變成穩(wěn)定無毒性或者短壽命低毒性的裂變產(chǎn)物， 可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)外包覆有結構材料，反射與屏蔽區(qū)位于裂變產(chǎn)物處理區(qū)外。
所述的聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法，其特征在于聚變反應是指 D-T聚變反應，錒系核素處理區(qū)內(nèi)包括來自核電站乏燃料的長壽命錒系核素及可裂變钚 239，以氧化物、氮化物、碳化物或者金屬形態(tài)存在，具體含量可根據(jù)系統(tǒng)功率密度、系統(tǒng)臨界因子和它們在運行換料時間周期的變化量限制要求通過求解系統(tǒng)中子輸運方程和燃耗方程來決定；靶區(qū)采用高壓氦氣作為冷卻劑，其它區(qū)采用高壓氦氣或鋰鉛合金作為冷卻劑， 靶區(qū)的反應物質镅Ml、鋦244以小球形堆積而成，镅Ml、鋦244總固體體積占靶區(qū)內(nèi)體積的60% 90% ；中子慢化劑選用石墨或重水。
生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于在外中子源產(chǎn)生區(qū)外依次包圍有錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，各區(qū)之間用結構材料分隔；錒系核素處理區(qū)包括來自核電站乏燃料的長壽命錒系核素及可裂變钚239混合物及包覆結構材料，置于冷卻劑中；可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)包括 天然鈾或貧鈾及包覆結構材料，置于冷卻劑中；靶區(qū)包括镅對1、鋦對4元素及包覆結構材料，置于冷卻劑中；裂變產(chǎn)物處理區(qū)包括高放裂變產(chǎn)物及包覆結構材料、中子慢化劑，置于冷卻劑中；反射與屏蔽區(qū)由石墨、碳化硼、不銹鋼、鉛等組成，結構材料是指石墨、碳化硅或鋼。
所述的生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于所述的外中子源區(qū)是球形或者近似球形，球外包圍有結構材料，外中子源區(qū)外依次包圍的錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，其外表面均為球形或者近似球形，各區(qū)之間通過各自的包覆結構材料分隔。
所述的生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于所述的外中子源區(qū)是一個圓柱形或者近似圓柱形，圓柱外包覆有結構材料，外中子源區(qū)外依次包圍的錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，其外表面均為圓柱形或者近似圓柱形，各區(qū)之間通過各自的包覆結構材料分隔。
所述的生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于所述的外中子源區(qū)是一個環(huán)形圈或者近似環(huán)形圈，環(huán)形圈外包圍有結構材料，外中子源區(qū)外依次包圍的錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，其外表面均為環(huán)形圈或者近似環(huán)形圈，各區(qū)之間通過各自的包覆結構材料分隔。
系統(tǒng)采用聚變驅動的U-Pu循環(huán)方式，U-Pu循環(huán)方式的聚變驅動次臨界系統(tǒng)具有較高的中子通量，中子通量可達ΙΕ+ΙδοπΓ2^量級。
镅Ml、鋦244在聚變驅動次臨界系統(tǒng)中，經(jīng)過中子照射轉化為252Cf的過程見下
式
權利要求
1.聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法，其特征在于通過聚變反應產(chǎn)生外源中子，這些外源中子進入錒系核素處理區(qū)，與其中來自核電站乏燃料的長壽命錒系核素及可裂變钚239發(fā)生裂變反應生產(chǎn)大量的幾個keV至幾百keV能量范圍內(nèi)的新中子，這些新中子進入靶區(qū)中，與其中的镅Ml、鋦244發(fā)生俘獲反應，靶核連續(xù)俘獲中子并發(fā)生多次衰變而生成252Cf ；經(jīng)過靶區(qū)泄漏的中子進入可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)中，與其中貧鈾或者天然鈾發(fā)生中子俘獲反應，生成可裂變的钚239，并提取钚239以供給錒系核素處理區(qū)的再循環(huán)使用；可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)外有反射與屏蔽區(qū)，各個區(qū)中產(chǎn)生的熱量采用冷卻劑冷卻，各區(qū)之間采用結構材料分隔。
2.根據(jù)權利要求
1所述的聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法，其特征在于從可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)泄漏的中子進入裂變產(chǎn)物處理區(qū)，與其中混合在中子慢化劑中的放射性裂變產(chǎn)物發(fā)生俘獲反應，使長壽命高毒性的裂變產(chǎn)物轉變成穩(wěn)定無毒性或者短壽命低毒性的裂變產(chǎn)物，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)外包覆有結構材料，反射與屏蔽區(qū)位于裂變產(chǎn)物處理區(qū)外。
3.根據(jù)權利要求
2所述的聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法，其特征在于聚變反應是指D-T聚變反應，錒系核素處理區(qū)內(nèi)包括來自核電站乏燃料的長壽命錒系核素及可裂變钚239，以氧化物、氮化物、碳化物或者金屬形態(tài)存在，具體含量根據(jù)系統(tǒng)功率密度、 系統(tǒng)臨界因子和它們在運行換料時間周期的變化量限制要求通過求解系統(tǒng)中子輸運方程和燃耗方程來決定；靶區(qū)采用高壓氦氣作為冷卻劑，其它區(qū)采用高壓氦氣或鋰鉛合金作為冷卻劑，靶區(qū)的反應物質镅Ml、鋦M4以小球形堆積而成，镅Ml、鋦244總固體體積占靶區(qū)內(nèi)體積的60% 90% ；中子慢化劑選用石墨或重水。
4.生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于在外中子源產(chǎn)生區(qū)外依次包圍有錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，各區(qū)之間用結構材料分隔；錒系核素處理區(qū)包括來自核電站乏燃料的長壽命錒系核素及可裂變钚239混合物及包覆結構材料，置于冷卻劑中；可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)包括天然鈾或貧鈾及包覆結構材料，置于冷卻劑中；靶區(qū)包括镅Ml、鋦244元素及包覆結構材料，置于冷卻劑中；裂變產(chǎn)物處理區(qū)包括高放裂變產(chǎn)物及包覆結構材料、中子慢化劑，置于冷卻劑中；反射與屏蔽區(qū)由石墨、碳化硼、不銹鋼、鉛組成，結構材料是指石墨、碳化硅或鋼。
5.根據(jù)權利要求
4所述的生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于所述的外中子源產(chǎn)生區(qū)是球形或者近似球形，球外包圍有結構材料，外中子源產(chǎn)生區(qū)外依次包圍的錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，其外表面均為球形或者近似球形，各區(qū)之間通過各自的包覆結構材料分隔。
6.根據(jù)權利要求
4所述的生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于所述的外中子源產(chǎn)生區(qū)是一個圓柱形或者近似圓柱形，圓柱外包覆有結構材料，外中子源產(chǎn)生區(qū)外依次包圍的錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，其外表面均為圓柱形或者近似圓柱形，各區(qū)之間通過各自的包覆結構材料分隔。
7.根據(jù)權利要求
4所述的生產(chǎn)252Cf源的聚變驅動次臨界系統(tǒng)，其特征在于所述的外中子源產(chǎn)生區(qū)是一個環(huán)形圈或者近似環(huán)形圈，環(huán)形圈外包圍有結構材料，外中子源產(chǎn)生區(qū)外依次包圍的錒系核素處理區(qū)，靶區(qū)，可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)、裂變產(chǎn)物處理區(qū)，反射與屏蔽區(qū)，其外表面均為環(huán)形圈或者近似環(huán)形圈，各區(qū)之間通過各自的包覆結構材料分隔。
專利摘要
本發(fā)明公開了聚變驅動次臨界系統(tǒng)生產(chǎn)252Cf中子源的方法及系統(tǒng)，包括外中子源為D-T聚變中子源；燃料循環(huán)方式為U-Pu循環(huán)方式，U-Pu循環(huán)方式的聚變驅動次臨界系統(tǒng)具有較高的中子通量。包層的結構為在于在外中子源產(chǎn)生區(qū)外依次包圍有錒系核素處理區(qū)、靶區(qū)、可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)或可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)和裂變產(chǎn)物處理區(qū)、反射與屏蔽區(qū)，各區(qū)之間用結構材料分隔。靶區(qū)采用氦氣作為冷卻劑，靶區(qū)的反應物質以小球形堆積而成，總固體體積占總體積的60％～90％。靶區(qū)材料在聚變驅動次臨界系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)照射約一年的時間后，將靶球取出；252Cf半衰期短，不能過長時間照射。
文檔編號G21B1/01GKCN101377962 B發(fā)布類型授權 專利申請?zhí)朇N 200810156639
公開日2012年7月4日 申請日期2008年9月22日
發(fā)明者何兆忠, 吳宜燦, 曾勤, 蔣潔瓊, 鄒俊, 陳明亮 申請人:中國科學院等離子體物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (1),