核燃料集合体のウォータロッドにおいて同位体を製造する方法及び装置
【解決手段】本方法は、照射ターゲットの特性に基づいて所望の照射ターゲット（１１０）を選択し（Ｓ３００）、照射ターゲット（１１０）及び核燃料集合体（１０）の特性に基づいて照射ターゲットをターゲット棒（１００）に挿入し（Ｓ３１０）、ターゲット棒（１００）を中性子束に暴露し（Ｓ３３０）及び／又は照射ターゲット（１１０）から生成された同位体をターゲット棒（１００）から回収する。一例の固着装置は、ターゲット棒（１００）をウォータロッド（２２）の中で支持し且つウォータロッド（２２）を通して減速材／冷却材を流す支持つば部（５００）及び／又はブシュ（５０１）を含む。他の例では、ウォータロッド（２２）を通して冷却材／減速材を流しながら、ターゲット棒（１００）をウォータロッド（２２）の中に保持するために１つ以上の開口が形成された１つ以上の座金を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に原子力発電装置で使用される燃料構造及び燃料構造を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電装置は、核分裂により電力を発生するために核分裂性燃料が内部に配置された炉心を含む。米国の原子力発電装置の一般的な構造において、燃料は、燃料集合体として一体に結合された複数の被覆燃料棒の形で炉心内部に配置される。それらの燃料集合体は、燃料集合体を通して液体冷却材及び／又は液体減速材を流し且つ著しい沸騰を伴わずに内部熱伝達／中性子減速を実現させる１つ以上の内部流路、すなわち、ウォータロッドを含んでもよい。
【０００３】
図１に示されるように、ＢＷＲなどの原子炉の従来の燃料集合体１０は、上部タイプレート１４及び下部タイプレート１６を取り囲む外側流路１２を含んでもよい。複数の全長燃料棒１８及び／又は部分長燃料棒１９は、燃料集合体１０の中にマトリクスとして配列され且つ複数のスペーサ（スペーサグリッドとしても知られる）２０を貫通してもよい。スペーサ２０は、軸方向に互いに離間して配置され、燃料棒１８、１９を所定のマトリクスの中に維持する。一般に、燃料棒１８及び１９は底部から先端まで連続しており、全長燃料棒１８の場合、下部タイプレート１６から上部タイプレート１４までの長さとなる。
【０００４】
燃料集合体１０の内側又は中心位置に、１つ以上のウォータロッド２２が設けられてもよい。燃料集合体１０の全体に液体冷却材／液体減速材を行き渡らせるために、ウォータロッド２２は燃料集合体１０の全長に沿って延出してもよいし、あるいは所望の高さで終端してもよい。ウォータロッド２２は、ウォータロッド２２の外側への流体の流出を防止するために連続していてもよいが、液体冷却材／液体減速材をウォータロッド２２の間及び燃料集合体１０の他の部分に流すために、ウォータロッドに穴があけられてもよく、あるいはウォータロッドが分割されるか又は他の方法で破断されてもよい。
【０００５】
図２Ａ〜図２Ｄは、図１に示されるような従来の１０×１０燃料集合体を示した軸方向横断面図であり、従来の燃料集合体における種々のウォータロッド構成を示す。図２Ａ〜図２Ｄに示されるように、ウォータロッド２２は種々の長さ（全長又は部分長）、大きさ（例えば、棒サイズの横断面面積又はそれより大きい面積）及び形状（円形、矩形、ピーナッツ形など）を有してもよい。同様に、ウォータロッド２２を有する燃料集合体の所望の中性子特性に応じて、従来の燃料集合体１０の中に任意の数の個別のウォータロッド２２が存在してよい。ウォータロッド２２は、図２Ａ及び図２Ｄに示されるように集合体の中心に関して対称であってもよいし、図２Ｂ及び図２Ｃに示されるように位置が偏っていてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，５３９，０７３号公報
【特許文献２】米国特許第４，７０８，８４６号公報
【特許文献３】米国特許第５，１４９，４９５号公報
【特許文献４】米国特許第５，５５３，１０８号公報
【特許文献５】米国特許第６，５７４，２９５号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、核燃料集合体のウォータロッドの中で所望の同位体を生成する方法及び装置に関する。実施例の方法は、照射ターゲットの特性に基づいて所望の照射ターゲットを選択すること、照射ターゲットの特性及び燃料集合体の特性に基づいて照射ターゲットをターゲット棒に挿入すること、ターゲット棒を中性子束に暴露すること及び／又は照射ターゲットから生成された同位体をターゲット棒から回収することを含んでもよい。
【０００８】
実施形態のターゲット棒は、種々の種類及び段階の１つ以上の照射ターゲットを収納してもよい。実施形態のターゲット棒は、核燃料集合体のウォータロッドの中に照射ターゲットを更に固着し且つ格納してもよい。燃料集合体を格納する原子炉の動作中、ターゲット棒の位置を維持するために、実施形態のターゲット棒は、実施形態の固着装置によってウォータロッドに固定又は固着されてもよい。
【０００９】
実施形態の固着装置は、ターゲット棒をウォータロッドの中で支持し且つウォータロッドを通して減速材／冷却材を流す支持つば部及び／又はブシュを含む。他の実施形態の固着装置は、ウォータロッドを通して冷却材／減速材を流しつつ、１つ以上の実施形態のターゲット棒をウォータロッドの中で保持するために１つ以上の開口があけられている１つ以上の座金を含む。実施形態の座金の位置を固定するために、座金はウォータロッドに接合されてもよい。所望の同位体を製造するために、実施形態のターゲット棒及び実施例の方法は組み合わせて又は他の方法と共に使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
単なる例示として示され、従って、実施形態を制限しない添付の図面を詳細に説明することにより、実施形態は更に明らかになるだろう。図面中、同じ要素は同一の図中符号により示される。
【図１】図１は２つの連続する全長ウォータロッドを有する従来の燃料集合体を示した図である。
【図２ＡＢ】図２Ａは矩形のウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図であり、図２Ｂは位置が偏っている１つの楕円形ウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図である。
【図２ＣＤ】図２Ｃは位置が偏っている１つの矩形ウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図であり、図２Ｄは複数の円形ウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図である。
【図３】図３は核燃料集合体のウォータロッドの中で所望の同位体を生成する方法の一実施例を示したフローチャートである。
【図４】図４は照射ターゲットを収納するターゲット棒の一実施形態を示した図である。
【図５】図５は照射ターゲットをウォータロッドの中に固着するためのつば部及びブシュの一実施形態を示した図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは照射ターゲットをウォータロッドの中に固着するためのモジュール座金の一実施形態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態のうち例示的な実施形態を詳細に説明する。しかし、以下に開示される特定の構造及び機能の詳細は、実施形態を説明するために示される代表的な構造及び機能であるにすぎない。しかし、実施形態は多くの代替形態で実施されてもよく、以下に説明される実施形態にのみ限定されると解釈されてはならない。
【００１２】
本明細書において、種々の要素を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語が使用されてもよいが、それらの要素はそれらの用語により限定されてはならないことが理解されるだろう。それらの用語は、単に１つの要素を別の要素と区別するために使用されるだけである。例えば、実施形態の範囲から逸脱せずに第１の要素を第２の要素と呼び、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことは可能だろう。本明細書において使用される場合の用語「及び／又は」は、関連して挙げられている項目のうち１つ以上の項目のあらゆる組み合わせを含む。
【００１３】
１つの要素が別の要素「に接続される」、「に結合される」、「と嵌合する」、「に装着される」又は「に固定される」と説明される場合、その要素は他方の要素に直接接続又は結合されてもよいが、それら２つのの要素の間に介在する要素が存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、１つの要素が別の要素「に直接接続される」又は「に直接結合される」と説明される場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉も同様に解釈されるべきである（例えば、「の間に」と「の間に直接」、「に隣接する」と「に直接隣接する」など）。
【００１４】
本明細書において使用される用語は特定の実施例を説明するために便宜上使用され、実施形態を限定することを意図しない。本明細書における単数形は、特に明示して指示のない限り複数形も含むことを意図する。更に、本明細書において使用される場合の用語「具備する」及び／又は「含む」は、そこに挙げられている特徴、数字、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの集合の存在又は追加を除外しないことが理解されるだろう。
【００１５】
尚、いくつかの代替実現形態において、そこに挙げられている機能／動作は、図中に示される順序以外の順序で実行されてもよい。例えば、続けて示される２つの図は、関連する機能／動作に応じて、実際には実質的に同時に実行されてもよいし、場合によっては逆の順序で実行されてもよい。
【００１６】
実施形態は特性の設定において又は特定の技術分野に関連して説明されてもよいが、不当な実験作業を実施することなく又は本明細書に開示される実施例の範囲を制限することなく、本発明の方法及び実施形態が開示内容を越えて採用され且つ適合されてもよいことが理解される。例えば、実施形態は特定の種類の核燃料集合体及びウォータロッド構成に関連して示されてもよいが、実施形態は他の燃料集合体及び／又はウォータロッド構成に適合され且つ／又は適用可能であってもよい。同様に、実施形態及び実施例の方法は従来の核燃料集合体に関して説明されるが、実施形態及び実施例の方法は、将来設計される燃料集合体構造に適用されてもよい。
【００１７】
核燃料集合体におけるウォータロッドは、核燃料集合体に液体減速材を送り出す優れた供給源であり、それにより核燃料集合体内部の優れた熱中性子供給源を構成すると発明者は認識した。ウォータロッドの優れた熱中性子供給源は、従来の燃料集合体のように核連鎖反応を継続させるために使用されるだけではなく、所望の同位体及び放射性同位体を生成するように特定の材料を照射するためにも使用されてよいと発明者は認識した。それらの特定の材料は、核燃料中のウォータロッドの中に配置され、その後、核燃料を格納する原子炉の動作中に照射されてもよい。材料は、所望の集合体中性子特性を実現するような位置及び構成に配置されてもよい。照射により生成された同位体及び放射性同位体は、その後回収され、工業、医療及び任意の所望の用途で使用されてもよい。これらの新たに認識された利点を独自の形で利用できるようにするために、発明者は以下に示す実施例の方法及び装置を考案した。
実施例の方法
図３は、放射性同位体を生成するためにウォータロッドを使用する実施例の方法を示したフローチャートである。図３に示されるように、ステップＳ３００において、ユーザ／技術者は、照射ターゲットとして使用する所望の材料を選択する。技術者は、中性子束に暴露された場合にその材料から生成される同位体の種類及び半減期に基づいてターゲット材料及び／又はターゲット材料の量を選択してもよい。更に、技術者は、ターゲットが暴露され且つ／又は動作中の原子炉内の最終的な位置でターゲットが吸収する中性子束の長さ、量及び種類の知識に基づいて、ターゲット材料及び／又はターゲット材料の量を選択してもよい。実施例の方法において、例えば、中性子が存在する場所でコバルト‐６０、ニッケル‐６３及びイリジウム‐１９２にそれぞれ容易に変換するという理由により、コバルト‐５９、ニッケル‐６２及び／又はイリジウム‐１９１が選択されてもよい。これらの娘同位体は、コバルト‐６０及びニッケル‐６３の場合は半減期が長い放射性同位体として使用可能であり、イリジウム‐１９２の場合はＸ線放射源として使用可能であるなどの所望の特性を有する。回収時に製品が利用可能となる時点で有用な量の製品が崩壊せずに残るように、照射ターゲットの初期量は選択され且つ／又は実施例の照射ターゲット製品は十分に長い半減期を有してもよい。
【００１８】
ステップＳ３１０において、選択されたターゲットはターゲット棒の中に配置され且つ／又はターゲット棒に形成されてもよい。実施形態のターゲット棒については以下に説明する。ステップＳ３１０において、ターゲット棒にいくつかの異なる種類及び段階の照射ターゲット材料が配置されてもよく且つ実施形態のターゲット棒が照射ターゲットから形成されてもよいことが理解される。あるいは、生成される同位体を分離するために、１つの種類及び／又は段階のターゲット材料がターゲット棒に挿入されてもよい。ステップＳ３２０において、選択された照射ターゲットを格納したターゲット棒は、核燃料集合体のウォータロッドに挿入される。ターゲット棒をウォータロッドに挿入する実施形態の機構についても、以下に実施形態に関連して説明する。
【００１９】
更に、ステップＳ３２０において、技術者は、原子炉内の動作状態及びターゲット棒が挿入される燃料集合体の知識に基づいて、ターゲット棒を位置決めし且つ構成してもよい。例えば、ウォータロッドの中で軸方向位置が高くなるほど水の体積を大きくすることが望まれる場合があり、それに従って、ウォータロッドの軸方向位置が高くなるほどターゲット棒の数を減らし且つ／又は軸方向位置が高くなるほどターゲット棒の直径を小さくしてもよい。あるいは、例えば、燃料集合体の中の特定の軸方向高さに対応する所望の中性子束レベルを計算してもよく、余分な中性子束を吸収して炉心からの所望の中性子束吸収レベルを実現するために、その軸方向高さにターゲット棒を配置してもよい。ステップＳ３２０において、熱水圧特性及び／又は中性子集合体特性を含むいくつかの所望の集合体特性を実現するために、技術者がターゲット棒の形状、大きさ、材料などを調整し且つターゲット棒を位置決めしてもよいことが理解される。同様に、ステップＳ３２０におけるそのようなターゲット棒の配置及び構成は、同位体製造量を最大限にし、ウォータロッドの水体積を最小限にするなどの他の設計目標に適合してもよい。Ｓ３２０の所望の構成及び配置があらかじめ判定されるように、燃料集合体パラメータ及び所望の特性に基づくターゲット棒の構成又は配置及び照射ターゲットの選択の判定は、いずれも実施例の方法を完全に実行し終わる前に実行されてもよいことが理解される。
【００２０】
ステップＳ３３０において、核燃料集合体のウォータロッドの中のターゲット棒は中性子束に暴露される。中性子束は照射ターゲットを所望の娘生成物に変換する。例えば、ターゲット棒を格納する燃料集合体は、１００ＭＷ‐ｔｈの定格を有する商業炉に装填され且つ発電動作を開始することにより、燃料集合体及びウォータロッドにおいて中性子束が発生されてもよい。大量の液体減速材を含むウォータロッドは、大量の熱中性子をターゲット棒へ送り出すことにより、ウォータロッド内部の照射ターゲットからの所望の同位体の製造を促進する。燃料集合体のウォータロッドの中の照射ターゲットを照射するために、非商業炉及び試験装置が使用されてもよい。
【００２１】
ステップＳ３４０において、生成された同位体はターゲット棒から回収されてもよい。例えば、ターゲット棒を格納する燃料集合体は動作停止中に原子炉から取り出され、ターゲット棒は現場で燃料集合体から取り出されてもよいし、あるいは離れた場所にある燃料処理施設で取り出されてもよい。ターゲット棒の中の同位体はターゲット棒から取り出され且つ処理されるか、又は使用のための準備が実行されてもよい。例えば、照射ターゲット及び生成同位体は１つのターゲット棒から取り出され、生成同位体を浄化するためにホットセル施設で化学的に分離されてもよい。
【００２２】
実施例の方法を説明したので、実施形態のターゲット棒並びにＳ３１０及びＳ３２０においてターゲット棒を配置するために使用される他の機構を以下に説明する。核燃料集合体のウォータロッドの中で所望の同位体を製造するために、先に説明した実施例の方法と共に他の実施形態が使用されてもよいことが理解される。同様に、以下に説明される実施形態は、異なるステップ及び／又はステップ実行順序を使用する他の実施例の方法と共に使用されてもよい。
ターゲット棒の実施形態
図４は、所望の同位体を製造するために核燃料集合体のウォータロッドの中で使用可能なターゲット棒１００の一実施形態を示す。図４に示されるように、本実施形態のターゲット棒１００は、一般に核燃料集合体のウォータロッド２２（図１及び図２）の中に嵌合するような細長い円筒形又は他の形状を有してもよい。実施形態のターゲット棒１００は、ウォータロッド２２の中に嵌合するようにウォータロッド２２の横断面又は直径より小さい横断面又は直径１０１を有してもよい。直径１０１は変更されてもよく且つ／又はターゲット棒１００がウォータロッド２２に挿入されている間に相当な量の液体冷却材／減速材がウォータロッドを通過できるようにウォータロッドの直径又は横断面よりかなり小さくてもよい。
【００２３】
実施形態のターゲット棒１００は、照射ターゲット１１０が収納される少なくとも１つの内部空胴１０５を規定する外面１０４を有する。空胴１０５は、照射ターゲット１１０を所望の軸方向高さ又は他の所望の位置に維持するような形状に形成され且つウォータロッド１００の中における位置を規定される。先に実施例の方法に関して説明したように、特に照射ターゲット１１０及び照射ターゲット１１０から生成される同位体が固体物質である場合、照射ターゲット１１０はターゲット棒１００の空胴１０５に直接挿入されてもよい。同様に、液体照射ターゲット１１０及び／又は気体状照射ターゲット１１０が空胴１０５に充填されてもよい。あるいは、別の格納構造１１１に所望の照射ターゲット１１０が充填され、その格納構造１１１が密封されて内部空胴１０５の中に配置されてもよい。格納構造１１１は、照射ターゲット１１０と動作中の原子炉との間の追加格納層を形成し且つ／又は異なる種類／段階の照射ターゲット及び生成される同位体を分離し且つ空胴１０５の中に格納するために使用されてもよい。例えば、すべて空胴１０５の中に配置された異なる格納構造１１１に１つ以上の異なる種類の照射ターゲット１１０が挿入されてもよい。種々の照射ターゲット１１０が中性子束に暴露される場合、異なる格納構造１１１は、照射ターゲット１１０及びそれらの照射ターゲットから生成された同位体を分離してもよい。同様に、生成される同位体が液体又は気体である場合、同位体の処理及び空胴１０５からの取り出しを容易にするために、格納構造１１１は生成された液体又は気体を更に小さく規定された領域に格納してもよい。
【００２４】
格納構造１１１及び／又は照射ターゲット１１０は、ターゲットの種類及び／又は他の特性を識別する標識１１３を付されていてもよい。同様に、実施形態のターゲット棒１００は、ターゲット棒１００に格納されているターゲット１１０を識別する外側標識１３０又はターゲット棒１００に関する他の所望の情報を含んでもよい。
【００２５】
実施形態の照射ターゲット棒１００は、内部空胴１０５並びに空胴１０５の中の照射ターゲット１１０及び照射ターゲット１１０から生成された同位体へのアクセスを可能にする導入場所１２０を更に含んでもよい。動作中の原子炉内部でターゲット棒１００が中性子束に暴露されている間に照射ターゲット１１０及び／又は格納構造１１１を格納するように、導入場所１２０は密封されてもよい。例えば、導入場所１２０は、照射ターゲット１１０及び／又は格納構造１１１が内部空胴１０５に挿入された後に空胴１０５を密封する機械式シール又は材料接合部であってもよい。導入場所１２０は、生成された同位体を回収するために制御下で破断可能であり且つ空胴１０５へのアクセスを可能にする一連のヘックス、フラット又は他の薄肉機構を含んでもよい。あるいは、空胴１０５の密封及びアクセスを繰り返し実行できるようにするために、導入場所１２０は、ターゲット棒１００の部品との着脱を可能にするねじ端部及びそれと相補形のねじ山が形成された内面を含んでもよい。内部空胴１０５へのアクセス及び空胴１０５の密封を可能にする他の周知の脱着機構が導入場所１２０に設けられてもよい。
【００２６】
実施形態のターゲット棒１００は、動作中の原子炉内部で実施形態のターゲット棒１００をウォータロッドの中に接合させるか又は他の方法により固着する１つ以上の固着装置１６０を含んでもよい。例えば固着装置１６０は、ウォータロッド２２（図１）の外面に係合するファスナであってもよいし、あるいはウォータロッド２２（図１）に対する溶接接続部であってもよい。あるいは、固着装置１６０は、以下に説明される実施形態の固着機構と相互に作用してもよい。
【００２７】
実施形態のターゲット棒１００は、所望の燃料集合体パラメータ及び／又は中性子束暴露条件に適合する任意の所望の形状又は構成を有してよい。例えば、実施形態のターゲット棒１００は、ターゲット棒１００の挿入が望まれるウォータロッド内部の軸方向位置までターゲット棒１００及び／又はその内部の照射ターゲット１１０を延出させるか又はターゲット棒１００の挿入が望まれないウォータロッド内部の軸方向位置までターゲット棒１００及び／又はその内部の照射ターゲット１１０が延出するのを阻止するような長さであってもよい。例えば、技術者は、ある照射ターゲット１１０においてある量の材料から同位体を生成するのに理想的な中性子束レベルを有する核燃料集合体中の特定の軸方向位置を識別し、ウォータロッドに挿入した場合に照射ターゲット１１０がその軸方向位置に位置決めされるようにターゲット棒１００及び内部空胴１０５を構成してもよい。あるいは、ターゲット棒１００は、例えばより多くの量の減速材を流入させ且つ／又は水への熱伝達を増加するようにターゲット棒１００の横断面を縮小し、それにより、ターゲット棒１００が挿入された場合のウォータロッドの中の水の体積を増加させる先細形状の端部１５０をターゲット棒１００に更に形成してもよい。
【００２８】
実施形態のターゲット棒１００は、ターゲット棒１００に収納された照射ターゲット１１０を適切に格納すると共に、動作中の原子炉の環境の中で機械的特性及び中性子特性をほぼ維持する任意の材料から製造されてもよい。ターゲット棒１００の材料需要及び／又はウォータロッド２２（図１）を製造するために使用された材料に基づいて、ターゲット棒１００は、例えば、ジルコニウム及びその合金、耐食性ステンレス鋼、アルミニウムなどから製造されてもよい。
【００２９】
別の実施形態において、照射ターゲット及び生成される同位体が適切な物理的特性を有するのであれば、ターゲット棒は照射ターゲット材料自体から製造されてもよい。例えば、実施形態のターゲット棒１００はイリジウム‐１９１から製造され、実施例の方法に従ってウォータロッドに挿入されてもよい。これは、イリジウム‐１９１及び生成される同位体であるイリジウム‐１９２が固体であり、動作中の原子炉の条件に適合するからである。そのような実施形態において、ターゲット棒は更に多くの照射ターゲットを収納する内部空胴を有してもよいが、内部空胴は形成されなくてもよい。
【００３０】
実施形態のターゲット棒は先に説明された構造とは異なるいくつかの変形構造を有してもよく、核燃料集合体のウォータロッドの中に照射ターゲットを格納するという機能をターゲット棒が果たすことが理解される。更に、実施形態のターゲット棒は単独でウォータロッドに固定されるか又は他の方法により保持されてもよいが、以下に説明される実施形態の挿入機構及び固着機構と組み合わせて使用されてもよい。
固着機構の実施形態
１つ以上の実施形態のターゲット棒を核燃料集合体のウォータロッドの中で保持するために、いくつかの異なる実施例の固着機構が使用されてもよい。図５は、一実施形態のウォータロッド支持つば部５００を示した図である。実施形態のつば部５００は、燃料集合体の中において下端部５０２で従来のウォータロッド２２に固定されてもよい。つば部５００は半径方向にウォータロッド２２の流路の中へ延出し、ウォータロッド２２の中で実施形態のターゲット棒２００が載置される支持体を形成してもよい。実施形態のターゲット棒２００は先に説明した実施例のターゲット棒に類似していてもよく、つば部５００に嵌合し且つ／又はウォータロッド２２の中に適切な間隙を形成するように最小限の大きさに形成されるか又は大きさを変更されてもよい。同様に、１つ以上の照射ターゲット２１０がターゲット棒２００の中に挿入され且つ／又は一列に並べられてもよい。つば部５００は、流入した液体冷却材／減速材がウォータロッド２２の中を流れるときに通過する流路５０３を保持する。
【００３１】
ウォータロッド２２の中でターゲット棒を一定の位置に保持するために、ターゲット棒２００はつば部５００に載置されるか又は固着され、ねじ留めされ且つ／又はその他の方法により固定されてもよい。更に、ブシュ５０１がつば部５００に接合され且つ軸方向上向きにウォータロッド２２の中まで延出してもよい。ブシュ５０１は、実施形態のターゲット棒２００をウォータロッド２２の中の周囲方向位置に更に固着してもよい。ブシュ５０１はつば部に固着又は溶接されるか、あるいはつば部５００と連続していてもよく、ウォータロッド２２の内部に向かう流路５０３を保持してもよい。つば部５００及びブシュ５０１の双方は、ステンレス鋼及び／又はジルコニウム合金を含めて、原子炉内部で動作条件に暴露された場合に機械的特性及び中性子特製を維持する材料から製造されてもよい。
【００３２】
つば部５００及びブシュ５０１は、ウォータロッド２２の形状に応じて種々の形状を有してもよい。例えば、ウォータロッド２２がピーナッツ形である場合、つば部５００及び／又はブシュ５０１もピーナッツ形であってよい。同様に、つば部５００及びブシュ５０１は必ずしもウォータロッド２２の内周全体に沿って延出しなくてもよい。すなわち、つば部５００及び／又はブシュ５０１は、ウォータロッド２２の内周のごく一部に設けられてもよい。つば部５００及びブシュ５０１はウォータロッド２２の下端部５０２にあるように示されているが、つば部５００及び／ブシュ５０１により支持される実施形態のターゲット棒２００を所望の位置に位置決めするために、つば部５００及び／又はブシュ５０１がウォータロッド２２内部の他の軸方向位置へ移動されてもよいことが理解される。ブシュ５０１を伴って使用されるか又はブシュ５０１を伴わないかに関わらず、つば部５００が実施例のターゲット棒を保持する他の保持装置と関連して使用されてもよいことが理解される。例えばターゲット棒２００は、つば部５００及びブシュ５０１により支持されるのに加えて、固着装置１６０（図４）を介してウォータロッド２２に更に固着されてもよい。
【００３３】
図６Ａ及び図６Ｂは、実施例のターゲット棒２００をウォータロッド２２の中に固着し且つ保持するために使用されてもよい一実施形態のモジュール座金６００を示した図である。図６Ａに示されるように、ウォータロッド２２の中の１つ以上の軸方向位置に１つ以上の実施形態の座金６００が配置されてもよい。実施例の座金６００は、摩擦のみによって及び／又は溶接及び／又は座金６００を固定保持するウォータロッド２２のくぼみなどの固着機構又は接合機構を介して特定の軸方向位置に保持されてもよい。あるいは、図６Ｂに示されるように、中心支柱又は中心管６１０が開口６０５を貫通し、いくつかの座金６００に固定されてもよい。従って、中心管６１０及びウォータロッド２２を通って液体減速材／液体冷却材が流れることができる状態で、座金は中心管６１０により一定の相対距離及び相対的回転関係で保持されてもよい。
【００３４】
実施形態のモジュール座金６００は、座金６００の所望の場所に１つ以上の開口６０５を含む。開口６０５は、少なくとも１つのターゲット棒２００を開口６０５に通し且つ／又は座金６００に接合することができるような形状を有する。ターゲット棒２００は摩擦によって開口６０５の中に保持されてもよく且つ／又は摩擦以外の作用により開口６０５の中に保持されるか又は開口６０５に遊嵌されてもよい。このように、開口６０５はターゲット棒２００を座金６００の一定の角度位置及び／又は軸方向位置に保持し、それにより、ターゲット棒２００をウォータロッド２２の一定の位置に保持する。ターゲット棒２００を保持する開口６０５は、原子炉の動作中のターゲット棒２００の運動を阻止又は減少してもよい。ウォータロッド２２を通して冷却材／減速材を流すために、ターゲット棒２００が挿入されないいくつかの開口６０５が座金６００に更に残されてもよい。実施形態の座金６００によりウォータロッド２２の中に複数のターゲット棒２００が互いに対して一定の位置に保持されるように、いくつかの開口６０５がターゲット棒２００を保持してもよい。
【００３５】
１つのウォータロッド２２において複数の座金６００が使用されてもよい。図６Ａに示されるように、他の座金は同一の及び／又は異なるターゲット棒２００をウォータロッド２２の中で保持してもよい。追加される実施形態の座金は、複数の座金６００を通るターゲット棒２００に更に安定性を与え且つそれらのターゲット棒２００を整列させる働きをしてもよい。
【００３６】
実施形態の座金６００は、ステンレス鋼及び／又はジルコニウム合金などの材料例を含めて、原子炉内部の動作条件に暴露された場合に機械的特性及び中性子特性を維持する材料から製造されてもよい。ウォータロッド２２の形状に応じて、座金６００は種々の形状であってよい。例えばウォータロッド２２が三角形である場合、座金６００も同様に三角形であってよい。実施形態の座金６００は必ずしもウォータロッド２２の内周全体に沿っていなくてもよい。座金６００はウォータロッド２２の内周のごく一部に設けられてもよい。座金６００により支持される実施形態のターゲット棒２００の所望の位置決めを実現するために、座金６００がウォータロッド２２の他の軸方向位置へ移動されてもよいことが理解される。
実施形態の座金６００は単独で使用されてもよいが、実施例のターゲット棒を保持する他の保持装置と関連して使用されてもよいことが理解される。例えば、ターゲット棒２００は、座金６００により固着されるのに加えて、固着装置１６０（図４）を介してウォータロッド２２に更に固着されてもよいし、あるいはつば部５００及びブシュ５０１（図５）により支持されてもよい。実施形態の燃料集合体は、実施例の方法に従って使用可能な上述の実施形態のターゲット棒及び保持構造のすべて又はそのうちいくつかを含んでもよい。実施形態の座金６００及び／又は支持つば部５００を含む実施形態の保持構造は、それらを収納する燃料集合体の製造中に挿入されてもよい。実施形態の保持構造は、燃料集合体が完成した後に挿入されてもよいし、既存の燃料集合体に挿入されてもよい。実施例の方法に関して先に説明したように、実施形態の保持構造は、特定の集合体基準に適合するように所望の位置に／所望の構成で挿入されてもよい。先にステップＳ３２０で説明したように、実施形態のターゲット棒は保持構造と共に挿入されるか又は保持構造の設置後に挿入されてもよい。
【００３７】
実施形態のターゲット棒及び実施例の方法は、照射ターゲットを原子炉ウォータロッド内部に存在する豊富な熱中性子束に暴露することが可能であるので、実施形態のターゲット棒及び実施例の方法において製造される同位体製品は、従来と比較して高い放射能及び／又は純度を有し且つ短時間で生成されてもよい。実施形態のターゲット棒及び実施例の方法は、所望の同位体を生成しながら燃料集合体の中性子特性及び／又は熱力学的特性に影響を与えることができるという利点を有するウォータロッドの中に照射ターゲットを挿入することにより、燃料集合体のそれらの特性を構成する付加的なツールを放射線技師に更に与えてもよい。
【００３８】
本発明の実施形態を説明したが、日常的な実験作業を通して、更なる発明的活動の必要なく実施形態が変形されてもよいことが当業者には理解されるだろう。例えば、実施形態及び実施例の方法は、既存の燃料集合体構造及びウォータロッド構成に関して説明されたが、実施形態及び実施例の方法の上述の特徴を維持しつつ、将来の設計変更に適合するように実施形態及び実施例の方法を変更することは明らかに放射線技師の技術の範囲内に含まれる。変形は実施形態の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではなく、当業者には自明であると考えられるそのようなすべての変形は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることを意図する。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 燃料集合体
１２ 外側流路
１４ 上部タイプレート
１６ 下部タイプレート
２０ スペーサ
１８ 全長燃料棒
１９ 部分長燃料棒
２２ ウォータロッド
１００ ターゲット棒
１０１ 直径
１０４ 外面
１０５ 空胴
１１０ 照射ターゲット
１１１ 格納構造
１１３ 標識
１３０ 外側標識
１２０ 導入場所
１６０ 固着装置
１５０ 先細形状の端部
５００ つば部
５０２ 下端部
５０３ 流路
５０１ ブシュ
６００ 座金
６１０ 管
６０５ 開口
２００ ターゲット棒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に原子力発電装置で使用される燃料構造及び燃料構造を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電装置は、核分裂により電力を発生するために核分裂性燃料が内部に配置された炉心を含む。米国の原子力発電装置の一般的な構造において、燃料は、燃料集合体として一体に結合された複数の被覆燃料棒の形で炉心内部に配置される。それらの燃料集合体は、燃料集合体を通して液体冷却材及び／又は液体減速材を流し且つ著しい沸騰を伴わずに内部熱伝達／中性子減速を実現させる１つ以上の内部流路、すなわち、ウォータロッドを含んでもよい。
【０００３】
図１に示されるように、ＢＷＲなどの原子炉の従来の燃料集合体１０は、上部タイプレート１４及び下部タイプレート１６を取り囲む外側流路１２を含んでもよい。複数の全長燃料棒１８及び／又は部分長燃料棒１９は、燃料集合体１０の中にマトリクスとして配列され且つ複数のスペーサ（スペーサグリッドとしても知られる）２０を貫通してもよい。スペーサ２０は、軸方向に互いに離間して配置され、燃料棒１８、１９を所定のマトリクスの中に維持する。一般に、燃料棒１８及び１９は底部から先端まで連続しており、全長燃料棒１８の場合、下部タイプレート１６から上部タイプレート１４までの長さとなる。
【０００４】
燃料集合体１０の内側又は中心位置に、１つ以上のウォータロッド２２が設けられてもよい。燃料集合体１０の全体に液体冷却材／液体減速材を行き渡らせるために、ウォータロッド２２は燃料集合体１０の全長に沿って延出してもよいし、あるいは所望の高さで終端してもよい。ウォータロッド２２は、ウォータロッド２２の外側への流体の流出を防止するために連続していてもよいが、液体冷却材／液体減速材をウォータロッド２２の間及び燃料集合体１０の他の部分に流すために、ウォータロッドに穴があけられてもよく、あるいはウォータロッドが分割されるか又は他の方法で破断されてもよい。
【０００５】
図２Ａ〜図２Ｄは、図１に示されるような従来の１０×１０燃料集合体を示した軸方向横断面図であり、従来の燃料集合体における種々のウォータロッド構成を示す。図２Ａ〜図２Ｄに示されるように、ウォータロッド２２は種々の長さ（全長又は部分長）、大きさ（例えば、棒サイズの横断面面積又はそれより大きい面積）及び形状（円形、矩形、ピーナッツ形など）を有してもよい。同様に、ウォータロッド２２を有する燃料集合体の所望の中性子特性に応じて、従来の燃料集合体１０の中に任意の数の個別のウォータロッド２２が存在してよい。ウォータロッド２２は、図２Ａ及び図２Ｄに示されるように集合体の中心に関して対称であってもよいし、図２Ｂ及び図２Ｃに示されるように位置が偏っていてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，５３９，０７３号公報
【特許文献２】米国特許第４，７０８，８４６号公報
【特許文献３】米国特許第５，１４９，４９５号公報
【特許文献４】米国特許第５，５５３，１０８号公報
【特許文献５】米国特許第６，５７４，２９５号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、核燃料集合体のウォータロッドの中で所望の同位体を生成する方法及び装置に関する。実施例の方法は、照射ターゲットの特性に基づいて所望の照射ターゲットを選択すること、照射ターゲットの特性及び燃料集合体の特性に基づいて照射ターゲットをターゲット棒に挿入すること、ターゲット棒を中性子束に暴露すること及び／又は照射ターゲットから生成された同位体をターゲット棒から回収することを含んでもよい。
【０００８】
実施形態のターゲット棒は、種々の種類及び段階の１つ以上の照射ターゲットを収納してもよい。実施形態のターゲット棒は、核燃料集合体のウォータロッドの中に照射ターゲットを更に固着し且つ格納してもよい。燃料集合体を格納する原子炉の動作中、ターゲット棒の位置を維持するために、実施形態のターゲット棒は、実施形態の固着装置によってウォータロッドに固定又は固着されてもよい。
【０００９】
実施形態の固着装置は、ターゲット棒をウォータロッドの中で支持し且つウォータロッドを通して減速材／冷却材を流す支持つば部及び／又はブシュを含む。他の実施形態の固着装置は、ウォータロッドを通して冷却材／減速材を流しつつ、１つ以上の実施形態のターゲット棒をウォータロッドの中で保持するために１つ以上の開口があけられている１つ以上の座金を含む。実施形態の座金の位置を固定するために、座金はウォータロッドに接合されてもよい。所望の同位体を製造するために、実施形態のターゲット棒及び実施例の方法は組み合わせて又は他の方法と共に使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
単なる例示として示され、従って、実施形態を制限しない添付の図面を詳細に説明することにより、実施形態は更に明らかになるだろう。図面中、同じ要素は同一の図中符号により示される。
【図１】図１は２つの連続する全長ウォータロッドを有する従来の燃料集合体を示した図である。
【図２ＡＢ】図２Ａは矩形のウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図であり、図２Ｂは位置が偏っている１つの楕円形ウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図である。
【図２ＣＤ】図２Ｃは位置が偏っている１つの矩形ウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図であり、図２Ｄは複数の円形ウォータロッドを示した従来の燃料集合体の横断面図である。
【図３】図３は核燃料集合体のウォータロッドの中で所望の同位体を生成する方法の一実施例を示したフローチャートである。
【図４】図４は照射ターゲットを収納するターゲット棒の一実施形態を示した図である。
【図５】図５は照射ターゲットをウォータロッドの中に固着するためのつば部及びブシュの一実施形態を示した図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは照射ターゲットをウォータロッドの中に固着するためのモジュール座金の一実施形態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態のうち例示的な実施形態を詳細に説明する。しかし、以下に開示される特定の構造及び機能の詳細は、実施形態を説明するために示される代表的な構造及び機能であるにすぎない。しかし、実施形態は多くの代替形態で実施されてもよく、以下に説明される実施形態にのみ限定されると解釈されてはならない。
【００１２】
本明細書において、種々の要素を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語が使用されてもよいが、それらの要素はそれらの用語により限定されてはならないことが理解されるだろう。それらの用語は、単に１つの要素を別の要素と区別するために使用されるだけである。例えば、実施形態の範囲から逸脱せずに第１の要素を第２の要素と呼び、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことは可能だろう。本明細書において使用される場合の用語「及び／又は」は、関連して挙げられている項目のうち１つ以上の項目のあらゆる組み合わせを含む。
【００１３】
１つの要素が別の要素「に接続される」、「に結合される」、「と嵌合する」、「に装着される」又は「に固定される」と説明される場合、その要素は他方の要素に直接接続又は結合されてもよいが、それら２つのの要素の間に介在する要素が存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、１つの要素が別の要素「に直接接続される」又は「に直接結合される」と説明される場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉も同様に解釈されるべきである（例えば、「の間に」と「の間に直接」、「に隣接する」と「に直接隣接する」など）。
【００１４】
本明細書において使用される用語は特定の実施例を説明するために便宜上使用され、実施形態を限定することを意図しない。本明細書における単数形は、特に明示して指示のない限り複数形も含むことを意図する。更に、本明細書において使用される場合の用語「具備する」及び／又は「含む」は、そこに挙げられている特徴、数字、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの集合の存在又は追加を除外しないことが理解されるだろう。
【００１５】
尚、いくつかの代替実現形態において、そこに挙げられている機能／動作は、図中に示される順序以外の順序で実行されてもよい。例えば、続けて示される２つの図は、関連する機能／動作に応じて、実際には実質的に同時に実行されてもよいし、場合によっては逆の順序で実行されてもよい。
【００１６】
実施形態は特性の設定において又は特定の技術分野に関連して説明されてもよいが、不当な実験作業を実施することなく又は本明細書に開示される実施例の範囲を制限することなく、本発明の方法及び実施形態が開示内容を越えて採用され且つ適合されてもよいことが理解される。例えば、実施形態は特定の種類の核燃料集合体及びウォータロッド構成に関連して示されてもよいが、実施形態は他の燃料集合体及び／又はウォータロッド構成に適合され且つ／又は適用可能であってもよい。同様に、実施形態及び実施例の方法は従来の核燃料集合体に関して説明されるが、実施形態及び実施例の方法は、将来設計される燃料集合体構造に適用されてもよい。
【００１７】
核燃料集合体におけるウォータロッドは、核燃料集合体に液体減速材を送り出す優れた供給源であり、それにより核燃料集合体内部の優れた熱中性子供給源を構成すると発明者は認識した。ウォータロッドの優れた熱中性子供給源は、従来の燃料集合体のように核連鎖反応を継続させるために使用されるだけではなく、所望の同位体及び放射性同位体を生成するように特定の材料を照射するためにも使用されてよいと発明者は認識した。それらの特定の材料は、核燃料中のウォータロッドの中に配置され、その後、核燃料を格納する原子炉の動作中に照射されてもよい。材料は、所望の集合体中性子特性を実現するような位置及び構成に配置されてもよい。照射により生成された同位体及び放射性同位体は、その後回収され、工業、医療及び任意の所望の用途で使用されてもよい。これらの新たに認識された利点を独自の形で利用できるようにするために、発明者は以下に示す実施例の方法及び装置を考案した。
実施例の方法
図３は、放射性同位体を生成するためにウォータロッドを使用する実施例の方法を示したフローチャートである。図３に示されるように、ステップＳ３００において、ユーザ／技術者は、照射ターゲットとして使用する所望の材料を選択する。技術者は、中性子束に暴露された場合にその材料から生成される同位体の種類及び半減期に基づいてターゲット材料及び／又はターゲット材料の量を選択してもよい。更に、技術者は、ターゲットが暴露され且つ／又は動作中の原子炉内の最終的な位置でターゲットが吸収する中性子束の長さ、量及び種類の知識に基づいて、ターゲット材料及び／又はターゲット材料の量を選択してもよい。実施例の方法において、例えば、中性子が存在する場所でコバルト‐６０、ニッケル‐６３及びイリジウム‐１９２にそれぞれ容易に変換するという理由により、コバルト‐５９、ニッケル‐６２及び／又はイリジウム‐１９１が選択されてもよい。これらの娘同位体は、コバルト‐６０及びニッケル‐６３の場合は半減期が長い放射性同位体として使用可能であり、イリジウム‐１９２の場合はＸ線放射源として使用可能であるなどの所望の特性を有する。回収時に製品が利用可能となる時点で有用な量の製品が崩壊せずに残るように、照射ターゲットの初期量は選択され且つ／又は実施例の照射ターゲット製品は十分に長い半減期を有してもよい。
【００１８】
ステップＳ３１０において、選択されたターゲットはターゲット棒の中に配置され且つ／又はターゲット棒に形成されてもよい。実施形態のターゲット棒については以下に説明する。ステップＳ３１０において、ターゲット棒にいくつかの異なる種類及び段階の照射ターゲット材料が配置されてもよく且つ実施形態のターゲット棒が照射ターゲットから形成されてもよいことが理解される。あるいは、生成される同位体を分離するために、１つの種類及び／又は段階のターゲット材料がターゲット棒に挿入されてもよい。ステップＳ３２０において、選択された照射ターゲットを格納したターゲット棒は、核燃料集合体のウォータロッドに挿入される。ターゲット棒をウォータロッドに挿入する実施形態の機構についても、以下に実施形態に関連して説明する。
【００１９】
更に、ステップＳ３２０において、技術者は、原子炉内の動作状態及びターゲット棒が挿入される燃料集合体の知識に基づいて、ターゲット棒を位置決めし且つ構成してもよい。例えば、ウォータロッドの中で軸方向位置が高くなるほど水の体積を大きくすることが望まれる場合があり、それに従って、ウォータロッドの軸方向位置が高くなるほどターゲット棒の数を減らし且つ／又は軸方向位置が高くなるほどターゲット棒の直径を小さくしてもよい。あるいは、例えば、燃料集合体の中の特定の軸方向高さに対応する所望の中性子束レベルを計算してもよく、余分な中性子束を吸収して炉心からの所望の中性子束吸収レベルを実現するために、その軸方向高さにターゲット棒を配置してもよい。ステップＳ３２０において、熱水圧特性及び／又は中性子集合体特性を含むいくつかの所望の集合体特性を実現するために、技術者がターゲット棒の形状、大きさ、材料などを調整し且つターゲット棒を位置決めしてもよいことが理解される。同様に、ステップＳ３２０におけるそのようなターゲット棒の配置及び構成は、同位体製造量を最大限にし、ウォータロッドの水体積を最小限にするなどの他の設計目標に適合してもよい。Ｓ３２０の所望の構成及び配置があらかじめ判定されるように、燃料集合体パラメータ及び所望の特性に基づくターゲット棒の構成又は配置及び照射ターゲットの選択の判定は、いずれも実施例の方法を完全に実行し終わる前に実行されてもよいことが理解される。
【００２０】
ステップＳ３３０において、核燃料集合体のウォータロッドの中のターゲット棒は中性子束に暴露される。中性子束は照射ターゲットを所望の娘生成物に変換する。例えば、ターゲット棒を格納する燃料集合体は、１００ＭＷ‐ｔｈの定格を有する商業炉に装填され且つ発電動作を開始することにより、燃料集合体及びウォータロッドにおいて中性子束が発生されてもよい。大量の液体減速材を含むウォータロッドは、大量の熱中性子をターゲット棒へ送り出すことにより、ウォータロッド内部の照射ターゲットからの所望の同位体の製造を促進する。燃料集合体のウォータロッドの中の照射ターゲットを照射するために、非商業炉及び試験装置が使用されてもよい。
【００２１】
ステップＳ３４０において、生成された同位体はターゲット棒から回収されてもよい。例えば、ターゲット棒を格納する燃料集合体は動作停止中に原子炉から取り出され、ターゲット棒は現場で燃料集合体から取り出されてもよいし、あるいは離れた場所にある燃料処理施設で取り出されてもよい。ターゲット棒の中の同位体はターゲット棒から取り出され且つ処理されるか、又は使用のための準備が実行されてもよい。例えば、照射ターゲット及び生成同位体は１つのターゲット棒から取り出され、生成同位体を浄化するためにホットセル施設で化学的に分離されてもよい。
【００２２】
実施例の方法を説明したので、実施形態のターゲット棒並びにＳ３１０及びＳ３２０においてターゲット棒を配置するために使用される他の機構を以下に説明する。核燃料集合体のウォータロッドの中で所望の同位体を製造するために、先に説明した実施例の方法と共に他の実施形態が使用されてもよいことが理解される。同様に、以下に説明される実施形態は、異なるステップ及び／又はステップ実行順序を使用する他の実施例の方法と共に使用されてもよい。
ターゲット棒の実施形態
図４は、所望の同位体を製造するために核燃料集合体のウォータロッドの中で使用可能なターゲット棒１００の一実施形態を示す。図４に示されるように、本実施形態のターゲット棒１００は、一般に核燃料集合体のウォータロッド２２（図１及び図２）の中に嵌合するような細長い円筒形又は他の形状を有してもよい。実施形態のターゲット棒１００は、ウォータロッド２２の中に嵌合するようにウォータロッド２２の横断面又は直径より小さい横断面又は直径１０１を有してもよい。直径１０１は変更されてもよく且つ／又はターゲット棒１００がウォータロッド２２に挿入されている間に相当な量の液体冷却材／減速材がウォータロッドを通過できるようにウォータロッドの直径又は横断面よりかなり小さくてもよい。
【００２３】
実施形態のターゲット棒１００は、照射ターゲット１１０が収納される少なくとも１つの内部空胴１０５を規定する外面１０４を有する。空胴１０５は、照射ターゲット１１０を所望の軸方向高さ又は他の所望の位置に維持するような形状に形成され且つウォータロッド１００の中における位置を規定される。先に実施例の方法に関して説明したように、特に照射ターゲット１１０及び照射ターゲット１１０から生成される同位体が固体物質である場合、照射ターゲット１１０はターゲット棒１００の空胴１０５に直接挿入されてもよい。同様に、液体照射ターゲット１１０及び／又は気体状照射ターゲット１１０が空胴１０５に充填されてもよい。あるいは、別の格納構造１１１に所望の照射ターゲット１１０が充填され、その格納構造１１１が密封されて内部空胴１０５の中に配置されてもよい。格納構造１１１は、照射ターゲット１１０と動作中の原子炉との間の追加格納層を形成し且つ／又は異なる種類／段階の照射ターゲット及び生成される同位体を分離し且つ空胴１０５の中に格納するために使用されてもよい。例えば、すべて空胴１０５の中に配置された異なる格納構造１１１に１つ以上の異なる種類の照射ターゲット１１０が挿入されてもよい。種々の照射ターゲット１１０が中性子束に暴露される場合、異なる格納構造１１１は、照射ターゲット１１０及びそれらの照射ターゲットから生成された同位体を分離してもよい。同様に、生成される同位体が液体又は気体である場合、同位体の処理及び空胴１０５からの取り出しを容易にするために、格納構造１１１は生成された液体又は気体を更に小さく規定された領域に格納してもよい。
【００２４】
格納構造１１１及び／又は照射ターゲット１１０は、ターゲットの種類及び／又は他の特性を識別する標識１１３を付されていてもよい。同様に、実施形態のターゲット棒１００は、ターゲット棒１００に格納されているターゲット１１０を識別する外側標識１３０又はターゲット棒１００に関する他の所望の情報を含んでもよい。
【００２５】
実施形態の照射ターゲット棒１００は、内部空胴１０５並びに空胴１０５の中の照射ターゲット１１０及び照射ターゲット１１０から生成された同位体へのアクセスを可能にする導入場所１２０を更に含んでもよい。動作中の原子炉内部でターゲット棒１００が中性子束に暴露されている間に照射ターゲット１１０及び／又は格納構造１１１を格納するように、導入場所１２０は密封されてもよい。例えば、導入場所１２０は、照射ターゲット１１０及び／又は格納構造１１１が内部空胴１０５に挿入された後に空胴１０５を密封する機械式シール又は材料接合部であってもよい。導入場所１２０は、生成された同位体を回収するために制御下で破断可能であり且つ空胴１０５へのアクセスを可能にする一連のヘックス、フラット又は他の薄肉機構を含んでもよい。あるいは、空胴１０５の密封及びアクセスを繰り返し実行できるようにするために、導入場所１２０は、ターゲット棒１００の部品との着脱を可能にするねじ端部及びそれと相補形のねじ山が形成された内面を含んでもよい。内部空胴１０５へのアクセス及び空胴１０５の密封を可能にする他の周知の脱着機構が導入場所１２０に設けられてもよい。
【００２６】
実施形態のターゲット棒１００は、動作中の原子炉内部で実施形態のターゲット棒１００をウォータロッドの中に接合させるか又は他の方法により固着する１つ以上の固着装置１６０を含んでもよい。例えば固着装置１６０は、ウォータロッド２２（図１）の外面に係合するファスナであってもよいし、あるいはウォータロッド２２（図１）に対する溶接接続部であってもよい。あるいは、固着装置１６０は、以下に説明される実施形態の固着機構と相互に作用してもよい。
【００２７】
実施形態のターゲット棒１００は、所望の燃料集合体パラメータ及び／又は中性子束暴露条件に適合する任意の所望の形状又は構成を有してよい。例えば、実施形態のターゲット棒１００は、ターゲット棒１００の挿入が望まれるウォータロッド内部の軸方向位置までターゲット棒１００及び／又はその内部の照射ターゲット１１０を延出させるか又はターゲット棒１００の挿入が望まれないウォータロッド内部の軸方向位置までターゲット棒１００及び／又はその内部の照射ターゲット１１０が延出するのを阻止するような長さであってもよい。例えば、技術者は、ある照射ターゲット１１０においてある量の材料から同位体を生成するのに理想的な中性子束レベルを有する核燃料集合体中の特定の軸方向位置を識別し、ウォータロッドに挿入した場合に照射ターゲット１１０がその軸方向位置に位置決めされるようにターゲット棒１００及び内部空胴１０５を構成してもよい。あるいは、ターゲット棒１００は、例えばより多くの量の減速材を流入させ且つ／又は水への熱伝達を増加するようにターゲット棒１００の横断面を縮小し、それにより、ターゲット棒１００が挿入された場合のウォータロッドの中の水の体積を増加させる先細形状の端部１５０をターゲット棒１００に更に形成してもよい。
【００２８】
実施形態のターゲット棒１００は、ターゲット棒１００に収納された照射ターゲット１１０を適切に格納すると共に、動作中の原子炉の環境の中で機械的特性及び中性子特性をほぼ維持する任意の材料から製造されてもよい。ターゲット棒１００の材料需要及び／又はウォータロッド２２（図１）を製造するために使用された材料に基づいて、ターゲット棒１００は、例えば、ジルコニウム及びその合金、耐食性ステンレス鋼、アルミニウムなどから製造されてもよい。
【００２９】
別の実施形態において、照射ターゲット及び生成される同位体が適切な物理的特性を有するのであれば、ターゲット棒は照射ターゲット材料自体から製造されてもよい。例えば、実施形態のターゲット棒１００はイリジウム‐１９１から製造され、実施例の方法に従ってウォータロッドに挿入されてもよい。これは、イリジウム‐１９１及び生成される同位体であるイリジウム‐１９２が固体であり、動作中の原子炉の条件に適合するからである。そのような実施形態において、ターゲット棒は更に多くの照射ターゲットを収納する内部空胴を有してもよいが、内部空胴は形成されなくてもよい。
【００３０】
実施形態のターゲット棒は先に説明された構造とは異なるいくつかの変形構造を有してもよく、核燃料集合体のウォータロッドの中に照射ターゲットを格納するという機能をターゲット棒が果たすことが理解される。更に、実施形態のターゲット棒は単独でウォータロッドに固定されるか又は他の方法により保持されてもよいが、以下に説明される実施形態の挿入機構及び固着機構と組み合わせて使用されてもよい。
固着機構の実施形態
１つ以上の実施形態のターゲット棒を核燃料集合体のウォータロッドの中で保持するために、いくつかの異なる実施例の固着機構が使用されてもよい。図５は、一実施形態のウォータロッド支持つば部５００を示した図である。実施形態のつば部５００は、燃料集合体の中において下端部５０２で従来のウォータロッド２２に固定されてもよい。つば部５００は半径方向にウォータロッド２２の流路の中へ延出し、ウォータロッド２２の中で実施形態のターゲット棒２００が載置される支持体を形成してもよい。実施形態のターゲット棒２００は先に説明した実施例のターゲット棒に類似していてもよく、つば部５００に嵌合し且つ／又はウォータロッド２２の中に適切な間隙を形成するように最小限の大きさに形成されるか又は大きさを変更されてもよい。同様に、１つ以上の照射ターゲット２１０がターゲット棒２００の中に挿入され且つ／又は一列に並べられてもよい。つば部５００は、流入した液体冷却材／減速材がウォータロッド２２の中を流れるときに通過する流路５０３を保持する。
【００３１】
ウォータロッド２２の中でターゲット棒を一定の位置に保持するために、ターゲット棒２００はつば部５００に載置されるか又は固着され、ねじ留めされ且つ／又はその他の方法により固定されてもよい。更に、ブシュ５０１がつば部５００に接合され且つ軸方向上向きにウォータロッド２２の中まで延出してもよい。ブシュ５０１は、実施形態のターゲット棒２００をウォータロッド２２の中の周囲方向位置に更に固着してもよい。ブシュ５０１はつば部に固着又は溶接されるか、あるいはつば部５００と連続していてもよく、ウォータロッド２２の内部に向かう流路５０３を保持してもよい。つば部５００及びブシュ５０１の双方は、ステンレス鋼及び／又はジルコニウム合金を含めて、原子炉内部で動作条件に暴露された場合に機械的特性及び中性子特製を維持する材料から製造されてもよい。
【００３２】
つば部５００及びブシュ５０１は、ウォータロッド２２の形状に応じて種々の形状を有してもよい。例えば、ウォータロッド２２がピーナッツ形である場合、つば部５００及び／又はブシュ５０１もピーナッツ形であってよい。同様に、つば部５００及びブシュ５０１は必ずしもウォータロッド２２の内周全体に沿って延出しなくてもよい。すなわち、つば部５００及び／又はブシュ５０１は、ウォータロッド２２の内周のごく一部に設けられてもよい。つば部５００及びブシュ５０１はウォータロッド２２の下端部５０２にあるように示されているが、つば部５００及び／ブシュ５０１により支持される実施形態のターゲット棒２００を所望の位置に位置決めするために、つば部５００及び／又はブシュ５０１がウォータロッド２２内部の他の軸方向位置へ移動されてもよいことが理解される。ブシュ５０１を伴って使用されるか又はブシュ５０１を伴わないかに関わらず、つば部５００が実施例のターゲット棒を保持する他の保持装置と関連して使用されてもよいことが理解される。例えばターゲット棒２００は、つば部５００及びブシュ５０１により支持されるのに加えて、固着装置１６０（図４）を介してウォータロッド２２に更に固着されてもよい。
【００３３】
図６Ａ及び図６Ｂは、実施例のターゲット棒２００をウォータロッド２２の中に固着し且つ保持するために使用されてもよい一実施形態のモジュール座金６００を示した図である。図６Ａに示されるように、ウォータロッド２２の中の１つ以上の軸方向位置に１つ以上の実施形態の座金６００が配置されてもよい。実施例の座金６００は、摩擦のみによって及び／又は溶接及び／又は座金６００を固定保持するウォータロッド２２のくぼみなどの固着機構又は接合機構を介して特定の軸方向位置に保持されてもよい。あるいは、図６Ｂに示されるように、中心支柱又は中心管６１０が開口６０５を貫通し、いくつかの座金６００に固定されてもよい。従って、中心管６１０及びウォータロッド２２を通って液体減速材／液体冷却材が流れることができる状態で、座金は中心管６１０により一定の相対距離及び相対的回転関係で保持されてもよい。
【００３４】
実施形態のモジュール座金６００は、座金６００の所望の場所に１つ以上の開口６０５を含む。開口６０５は、少なくとも１つのターゲット棒２００を開口６０５に通し且つ／又は座金６００に接合することができるような形状を有する。ターゲット棒２００は摩擦によって開口６０５の中に保持されてもよく且つ／又は摩擦以外の作用により開口６０５の中に保持されるか又は開口６０５に遊嵌されてもよい。このように、開口６０５はターゲット棒２００を座金６００の一定の角度位置及び／又は軸方向位置に保持し、それにより、ターゲット棒２００をウォータロッド２２の一定の位置に保持する。ターゲット棒２００を保持する開口６０５は、原子炉の動作中のターゲット棒２００の運動を阻止又は減少してもよい。ウォータロッド２２を通して冷却材／減速材を流すために、ターゲット棒２００が挿入されないいくつかの開口６０５が座金６００に更に残されてもよい。実施形態の座金６００によりウォータロッド２２の中に複数のターゲット棒２００が互いに対して一定の位置に保持されるように、いくつかの開口６０５がターゲット棒２００を保持してもよい。
【００３５】
１つのウォータロッド２２において複数の座金６００が使用されてもよい。図６Ａに示されるように、他の座金は同一の及び／又は異なるターゲット棒２００をウォータロッド２２の中で保持してもよい。追加される実施形態の座金は、複数の座金６００を通るターゲット棒２００に更に安定性を与え且つそれらのターゲット棒２００を整列させる働きをしてもよい。
【００３６】
実施形態の座金６００は、ステンレス鋼及び／又はジルコニウム合金などの材料例を含めて、原子炉内部の動作条件に暴露された場合に機械的特性及び中性子特性を維持する材料から製造されてもよい。ウォータロッド２２の形状に応じて、座金６００は種々の形状であってよい。例えばウォータロッド２２が三角形である場合、座金６００も同様に三角形であってよい。実施形態の座金６００は必ずしもウォータロッド２２の内周全体に沿っていなくてもよい。座金６００はウォータロッド２２の内周のごく一部に設けられてもよい。座金６００により支持される実施形態のターゲット棒２００の所望の位置決めを実現するために、座金６００がウォータロッド２２の他の軸方向位置へ移動されてもよいことが理解される。
実施形態の座金６００は単独で使用されてもよいが、実施例のターゲット棒を保持する他の保持装置と関連して使用されてもよいことが理解される。例えば、ターゲット棒２００は、座金６００により固着されるのに加えて、固着装置１６０（図４）を介してウォータロッド２２に更に固着されてもよいし、あるいはつば部５００及びブシュ５０１（図５）により支持されてもよい。実施形態の燃料集合体は、実施例の方法に従って使用可能な上述の実施形態のターゲット棒及び保持構造のすべて又はそのうちいくつかを含んでもよい。実施形態の座金６００及び／又は支持つば部５００を含む実施形態の保持構造は、それらを収納する燃料集合体の製造中に挿入されてもよい。実施形態の保持構造は、燃料集合体が完成した後に挿入されてもよいし、既存の燃料集合体に挿入されてもよい。実施例の方法に関して先に説明したように、実施形態の保持構造は、特定の集合体基準に適合するように所望の位置に／所望の構成で挿入されてもよい。先にステップＳ３２０で説明したように、実施形態のターゲット棒は保持構造と共に挿入されるか又は保持構造の設置後に挿入されてもよい。
【００３７】
実施形態のターゲット棒及び実施例の方法は、照射ターゲットを原子炉ウォータロッド内部に存在する豊富な熱中性子束に暴露することが可能であるので、実施形態のターゲット棒及び実施例の方法において製造される同位体製品は、従来と比較して高い放射能及び／又は純度を有し且つ短時間で生成されてもよい。実施形態のターゲット棒及び実施例の方法は、所望の同位体を生成しながら燃料集合体の中性子特性及び／又は熱力学的特性に影響を与えることができるという利点を有するウォータロッドの中に照射ターゲットを挿入することにより、燃料集合体のそれらの特性を構成する付加的なツールを放射線技師に更に与えてもよい。
【００３８】
本発明の実施形態を説明したが、日常的な実験作業を通して、更なる発明的活動の必要なく実施形態が変形されてもよいことが当業者には理解されるだろう。例えば、実施形態及び実施例の方法は、既存の燃料集合体構造及びウォータロッド構成に関して説明されたが、実施形態及び実施例の方法の上述の特徴を維持しつつ、将来の設計変更に適合するように実施形態及び実施例の方法を変更することは明らかに放射線技師の技術の範囲内に含まれる。変形は実施形態の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではなく、当業者には自明であると考えられるそのようなすべての変形は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることを意図する。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 燃料集合体
１２ 外側流路
１４ 上部タイプレート
１６ 下部タイプレート
２０ スペーサ
１８ 全長燃料棒
１９ 部分長燃料棒
２２ ウォータロッド
１００ ターゲット棒
１０１ 直径
１０４ 外面
１０５ 空胴
１１０ 照射ターゲット
１１１ 格納構造
１１３ 標識
１３０ 外側標識
１２０ 導入場所
１６０ 固着装置
１５０ 先細形状の端部
５００ つば部
５０２ 下端部
５０３ 流路
５０１ ブシュ
６００ 座金
６１０ 管
６０５ 開口
２００ ターゲット棒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同位体製品を生成する方法において、
照射ターゲット（１１０）を選択すること（Ｓ３００）と；
前記照射ターゲット（１１０）を核燃料集合体（１０）のウォータロッド（２２）の中に配置すること（Ｓ３１０）と；
前記照射ターゲット（１１０）を同位体製品にほぼ変換するように、前記照射ターゲット（１１０）を中性子束に暴露すること（Ｓ３３０）とから成る方法。
【請求項２】
前記照射ターゲット（１１０）をターゲット棒（１００）の中に配置すること（Ｓ３１０）を更に含み、前記照射ターゲット（１１０）を前記ウォータロッド（２２）の中に配置することは、前記ターゲット棒（１００）を前記ウォータロッド（２２）に挿入することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記照射ターゲット（１１０）をターゲット棒（１００）に形成することを更に含み、前記照射ターゲット（１１０）をウォータロッド（２２）の中に配置することは、前記ターゲット棒（１００）を前記ウォータロッド（２２）に挿入することを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ウォータロッド（２２）から前記同位体製品を回収すること（Ｓ３４０）を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記照射ターゲット（１１０）を前記ウォータロッド（２２）の中に配置することは、前記核燃料集合体（１０）の所望の中性子特性又は熱力学的特性を実現するために前記ウォータロッド（２２）の中のある位置に前記照射ターゲット（１１０）を位置決めすることを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記照射ターゲット（１１０）を選択することは、前記照射ターゲット（１１０）の特性並びに前記照射ターゲット（１１０）が暴露される中性子束の量及び持続時間に基づいて同位体製品の所望の放射能を実現するために照射ターゲット（１１０）の種類及び量を選択することを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記照射ターゲット（１１０）を中性子束に暴露することは、前記核燃料集合体（１０）を格納する１００＋ＭＷｔｈ原子炉において出力動作を開始することを含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
燃料集合体（１０）のウォータロッド（２２）の中で同位体を製造するシステムにおいて、
照射ターゲット（１１０）を収納し、前記ウォータロッド（２２）の中に配置可能な大きさを有する少なくとも１つのターゲット棒（１００）と；
前記燃料集合体（１０）を格納する原子炉の動作中、前記少なくとも１つのターゲット棒（１００）を前記ウォータロッド（２２）の中に保持するように構成された少なくとも１つの固着装置とを具備し、前記ターゲット棒（１００）は、前記ターゲット棒（１００）の内側に空胴（１０５）を規定する外壁を有し、且つ１つ以上の照射ターゲット（１１０）は前記空胴（１０５）の中に位置決めされるシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの固着装置は、前記ウォータロッド（２２）に軸方向位置で接合され且つ半径方向に前記ウォータロッド（２２）の中まで延出するつば部（５００）を含み、前記つば部（５００）は、前記少なくとも１つのターゲット棒（１００）を前記軸方向位置で支持する請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの固着装置は、前記つば部（５００）から軸方向上向きに延出し且つ前記つば部（５００）に接合されたブシュ（５０１）を更に含み、前記ブシュ（５０１）は、前記ウォータロッド（２２）の内部における前記少なくとも１つのターゲット棒（１００）の半径方向の運動を制限する請求項９記載のシステム。
【請求項１】
同位体製品を生成する方法において、
照射ターゲット（１１０）を選択すること（Ｓ３００）と；
前記照射ターゲット（１１０）を核燃料集合体（１０）のウォータロッド（２２）の中に配置すること（Ｓ３１０）と；
前記照射ターゲット（１１０）を同位体製品にほぼ変換するように、前記照射ターゲット（１１０）を中性子束に暴露すること（Ｓ３３０）とから成る方法。
【請求項２】
前記照射ターゲット（１１０）をターゲット棒（１００）の中に配置すること（Ｓ３１０）を更に含み、前記照射ターゲット（１１０）を前記ウォータロッド（２２）の中に配置することは、前記ターゲット棒（１００）を前記ウォータロッド（２２）に挿入することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記照射ターゲット（１１０）をターゲット棒（１００）に形成することを更に含み、前記照射ターゲット（１１０）をウォータロッド（２２）の中に配置することは、前記ターゲット棒（１００）を前記ウォータロッド（２２）に挿入することを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ウォータロッド（２２）から前記同位体製品を回収すること（Ｓ３４０）を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記照射ターゲット（１１０）を前記ウォータロッド（２２）の中に配置することは、前記核燃料集合体（１０）の所望の中性子特性又は熱力学的特性を実現するために前記ウォータロッド（２２）の中のある位置に前記照射ターゲット（１１０）を位置決めすることを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記照射ターゲット（１１０）を選択することは、前記照射ターゲット（１１０）の特性並びに前記照射ターゲット（１１０）が暴露される中性子束の量及び持続時間に基づいて同位体製品の所望の放射能を実現するために照射ターゲット（１１０）の種類及び量を選択することを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記照射ターゲット（１１０）を中性子束に暴露することは、前記核燃料集合体（１０）を格納する１００＋ＭＷｔｈ原子炉において出力動作を開始することを含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
燃料集合体（１０）のウォータロッド（２２）の中で同位体を製造するシステムにおいて、
照射ターゲット（１１０）を収納し、前記ウォータロッド（２２）の中に配置可能な大きさを有する少なくとも１つのターゲット棒（１００）と；
前記燃料集合体（１０）を格納する原子炉の動作中、前記少なくとも１つのターゲット棒（１００）を前記ウォータロッド（２２）の中に保持するように構成された少なくとも１つの固着装置とを具備し、前記ターゲット棒（１００）は、前記ターゲット棒（１００）の内側に空胴（１０５）を規定する外壁を有し、且つ１つ以上の照射ターゲット（１１０）は前記空胴（１０５）の中に位置決めされるシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの固着装置は、前記ウォータロッド（２２）に軸方向位置で接合され且つ半径方向に前記ウォータロッド（２２）の中まで延出するつば部（５００）を含み、前記つば部（５００）は、前記少なくとも１つのターゲット棒（１００）を前記軸方向位置で支持する請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの固着装置は、前記つば部（５００）から軸方向上向きに延出し且つ前記つば部（５００）に接合されたブシュ（５０１）を更に含み、前記ブシュ（５０１）は、前記ウォータロッド（２２）の内部における前記少なくとも１つのターゲット棒（１００）の半径方向の運動を制限する請求項９記載のシステム。
【図１】
【図２ＡＢ】
【図２ＣＤ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２ＡＢ】
【図２ＣＤ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２１４３（Ｐ２０１１−２２１４３Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−１５５３１４（Ｐ２０１０−１５５３１４）
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（５０８１７７０４６）ジーイー−ヒタチ・ニュークリア・エナージー・アメリカズ・エルエルシー (101)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ−ＨＩＴＡＣＨＩ ＮＵＣＬＥＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＡＭＥＲＩＣＡＳ， ＬＬＣ
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５５３１４（Ｐ２０１０−１５５３１４）
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（５０８１７７０４６）ジーイー−ヒタチ・ニュークリア・エナージー・アメリカズ・エルエルシー (101)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ−ＨＩＴＡＣＨＩ ＮＵＣＬＥＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＡＭＥＲＩＣＡＳ， ＬＬＣ
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