水性組件及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有負(fù)反應(yīng)性系數(shù)的水性組件，所述負(fù)反應(yīng)性系數(shù)具有一個(gè)幅值。所述水性組件包括容器和水溶液。所述水溶液包含可裂變?nèi)苜|(zhì)并容納在所述容器中。反應(yīng)性穩(wěn)定器設(shè)置在所述水溶液內(nèi)以在所述水性組件運(yùn)行過(guò)程中降低所述水溶液的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)的幅值。
【專利說(shuō)明】水性組件及控制方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)主張2012年4月5日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/620735號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該在先申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式結(jié)合于本案中。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及水性組件。
[0004]在水性組件中，容器容納溶解在水溶液中的可裂變材料。因?yàn)榭闪炎儾牧先芙庠谌芤褐?，這些組件往往具有大的負(fù)反應(yīng)性溫度和空泡系數(shù)(negative temperature andvoid coefficients of reactivity),其由溶液膨脹造成。當(dāng)水性組件用于例如醫(yī)用同位素的制備時(shí)，水性組件希望操作在相對(duì)較高的功率水平下。當(dāng)在次臨界狀態(tài)下，希望具有相對(duì)較高的中子倍增因子(neutron multiplicat1n factor)。然而,這個(gè)大的負(fù)反應(yīng)性溫度和空泡系數(shù)可能造成不良的反應(yīng)性損失和/或功率振蕩(power oscillat1n),從而限制了水性組件的操作參數(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種具有負(fù)反應(yīng)性系數(shù)的水性組件，所述負(fù)反應(yīng)性系數(shù)具有一個(gè)幅值。所述水性組件包括容器和水溶液。所述水溶液包含可裂變?nèi)苜|(zhì)并容納在所述容器中。反應(yīng)性穩(wěn)定器設(shè)置在所述水溶液內(nèi)以在所述水性組件運(yùn)行過(guò)程中降低所述水溶液的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)的幅值。
[0006]在其它實(shí)施例中，提供了一種操作水性組件的方法，所述水性組件具有反應(yīng)性系數(shù)，所述反應(yīng)性系數(shù)具有一個(gè)幅值。所述方法包括提供容器。水溶液被添加至所述容器，所述水溶液包含可裂變?nèi)苜|(zhì)。反應(yīng)性穩(wěn)定器被添加至所述水溶液，從而降低所述反應(yīng)性系數(shù)的幅值。所述水溶液內(nèi)維持裂變反應(yīng)。
[0007]通過(guò)考慮詳細(xì)說(shuō)明和附圖，本發(fā)明的其它方面將變得更加明顯。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是次臨界混合體的局部剖視圖，該混合體包括中子源組件和水性組件。
[0009]圖2是靶溶液中的硼濃度對(duì)次臨界水性組件的歸一化生產(chǎn)率的曲線圖。
[0010]圖3是含鈾水溶液中的硼濃度對(duì)水性組件的反應(yīng)性溫度系數(shù)的曲線圖。
[0011]圖4是水性反應(yīng)堆的截面示意圖。
[0012]圖5是加入穩(wěn)定措施和未加入穩(wěn)定措施的次臨界水性組件的次臨界操作區(qū)間的對(duì)比示意圖。
[0013]圖6是加入穩(wěn)定措施和未加入穩(wěn)定措施的臨界水性組件的操作區(qū)間的對(duì)比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]在詳細(xì)描述本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不將其應(yīng)用局限于下文所述或附圖所示的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和部件布置。本發(fā)明能夠具有其它實(shí)施例并且能夠以各種方式實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)。同樣，應(yīng)當(dāng)理解，這里使用的措辭和術(shù)語(yǔ)是出于描述目的，而不應(yīng)被看作限制性的。這里使用的“包含”、“包括”或“具有”及其變形是指涵蓋其后所列項(xiàng)目和其等同物以及其它項(xiàng)目。除非另有說(shuō)明或限制，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“連接”、“支撐”和“聯(lián)接”及其變形被廣義地使用并且涵蓋直接和間接安裝、連接、支撐和聯(lián)接。另外，“連接”和“聯(lián)接”不局限于物理或機(jī)械連接或聯(lián)接。也應(yīng)該特別理解的是，這里記載的任何數(shù)值范圍包括從下端值到上端值之間的所有值，例如，這里列舉的下端值和上端值之間的數(shù)值的所有可能的組合都應(yīng)被視為在本申請(qǐng)中明確描述過(guò)。例如，如果一個(gè)濃度范圍被描述為I %至50%，其預(yù)期是本申請(qǐng)明確列舉了例如2%至40%、10%至30%或I %至3%等數(shù)值?；蛘?，如果一個(gè)參數(shù)被描述為0.95 - 0.99，其預(yù)期是本申請(qǐng)明確列舉了例如0.96 - 0.98、0.95 - 0.98等數(shù)值。這些只是被特意預(yù)期的一些舉例。
[0015]在此提出的裝置和方法可用于各種類型和配置的水性組件，包括例如臨界和次臨界水性組件。
[0016]如圖1，次臨界混合體10包括中子源組件14和水性組件。具體而言，該水性組件是水性靶組件18。
[0017]中子源組件14包括射頻驅(qū)動(dòng)等離子體離子源22。離子源22接收原料氣，例如氚(T)和氘(D)混合氣。離子源22產(chǎn)生包括氘離子D+和氚離子T+的離子束并使該離子束準(zhǔn)直，該離子束被導(dǎo)引沿預(yù)定路徑26前進(jìn)。
[0018]加速器30接收D+和T+離子束并將該離子束加速成加速的D+和T+離子束。該加速器30可包括一系列用以加速D+和T+離子束的加速電極或靜電板。
[0019]中子源組件14的加速器靶部34接收加速的離子束。該加速器靶部34包括氣體靶室38，在所示的實(shí)施例中，還包括差分泵浦系統(tǒng)42。氣體靶室38含有產(chǎn)生核粒子的靶氣體，該靶氣體可與加速的離子束反應(yīng)以發(fā)出核粒子，例如，質(zhì)子或中子。在一種構(gòu)造中，該氣體靶室38填充近似等量混合的D和T氣體。
[0020]從氣體靶室38泄漏進(jìn)差分泵浦系統(tǒng)42的氣體流過(guò)高速泵以及冷阱(Cold Trap)然后流回到該靶室內(nèi)。冷阱及時(shí)移除非常小的泄漏即可污染系統(tǒng)的較重的氣體。
[0021]加速的D+和T+離子束撞擊D和T混合靶氣體產(chǎn)生D-T和T-D反應(yīng)，從而導(dǎo)致中子發(fā)射。
[0022]在本發(fā)明的一些構(gòu)造中，中子倍增器46實(shí)質(zhì)上圍繞該氣體靶室。該中子倍增器46可基本上由鈹(beryllium)或鈾(uranium)形成。當(dāng)氣體祀室內(nèi)的高能中子通過(guò)(η, 2n)反應(yīng)將鈹原子分裂成兩個(gè)氦核(helium nuclei)和一個(gè)額外的中子時(shí)或者當(dāng)中子與鈾發(fā)生(η, 2η)、(η, 3η)或(η, f)反應(yīng)時(shí),就會(huì)發(fā)生中子倍增。例如，14.1MeV的中子的能量足以在能量降至倍增閥值以下之前如此反應(yīng)數(shù)次。
[0023]該水性靶組件18包括靶溶液容器(TSV) 50,且被屏蔽池54圍繞。該TSV 50包括內(nèi)墻58和外墻62，內(nèi)墻58和外墻62之間形成環(huán)形溶液體積66。TSV 50可例如由鋯合金(zircaloy)、不銹鋼或鋁形成。TSV50實(shí)質(zhì)上圍繞氣體靶室38且在適用時(shí)也圍繞中子倍增器46。
[0024]TSV 50接收該環(huán)形靶溶液體積66的水溶液，該水溶液包含可裂變?nèi)苜|(zhì)。該可裂變?nèi)苜|(zhì)包括以低濃縮鈾(LEU)或自然鈾形式存在的U-235或者其它可裂變材料。鈾可轉(zhuǎn)換為鹽(例如，硝酸鈾酰(uranyl nitrate)、硫酸鈾酰(uranyl sulfate)、磷酸鈾酰(uranylphosphate)、碳酸鈾酰(uranyl carbonate)、氟化鈾酰(uranyl fluoride))以提高溶解度，且可調(diào)整PH值以進(jìn)一步提高溶解度。該水溶液可包括濃度為至少約10克鈾/升、至少約20克鈾/升、至少約30克鈾/升、至少約40克鈾/升、至少約60克鈾/升、至少約80克鈾/升、至少約100克鈾/升、至少約120克鈾/升、至少約140克鈾/升、至少約160克鈾/升、至少約180克鈾/升、至少約200克鈾/升、至少約220克鈾/升、至少約240克鈾/升、至少約260克鈾/升、至少約280克鈾/升或至少約300克鈾/升的鈾。該水溶液可包括濃度為低于約800克鈾/升、低于約750克鈾/升、低于約700克鈾/升、低于約650克鈾/升、低于約600克鈾/升、低于約550克鈾/升、低于約500克鈾/升、低于約450克鈾/升或低于約400克鈾/升的鈾。該水溶液可包括濃度為10克鈾/升至約800克鈾/升、20克鈾/升至約700克鈾/升、40克鈾/升至約600克鈾/升、40克鈾/升至約500克鈾/升或50克鈾/升至約400克鈾/升的鈾。在一些實(shí)施例中，水溶液中的鈾濃度可在10克鈾/升至約800克鈾/升的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，該水溶液中的鈾濃度可在40克鈾/升至約500克鈾/升的范圍內(nèi)。
[0025]為了實(shí)質(zhì)上最大化利用該次臨界混合體制備醫(yī)用同位素的產(chǎn)量，同時(shí)實(shí)質(zhì)上確保維持該次臨界度，使用中子學(xué)計(jì)算機(jī)軟件(Neutronics Computer Codes)針對(duì)給定的鈾濃度和濃縮度計(jì)算該系統(tǒng)的有效中子增殖因子(krff)?？捎糜谶@種分析的中子學(xué)軟件包括MCNP5、HEL1S、VARIANT、PN2ND、PH0ENIX/ANC、ΚΕΝΟ、DEN0V0 以及很多其它軟件。進(jìn)而，針對(duì)期望的krff可以計(jì)算期望的鈾濃度和濃縮度。
[0026]keff是系統(tǒng)的臨界接近度的量度，其中:
[0027]keff〈1.0表示次臨界
[0028]keff =1.0 表示臨界
[0029]keff>1.0表示超臨界
[0030]為了實(shí)質(zhì)上最大化醫(yī)用同位素的產(chǎn)量，同時(shí)實(shí)質(zhì)上維持次臨界度，希望次臨界混合體10運(yùn)行在水性靶組件18的keff接近1.0的水平，因?yàn)楦叩膋eff值由于增加了次臨界倍增，因此增加了系統(tǒng)的效率。該混合體10可運(yùn)行在krff為至少約0.7000、至少約
0.7500、至少約0.8000、至少約0.7000、至少約0.8500、至少約0.9000或至少約0.9500的條件下。該混合體10可運(yùn)行在keff為低于約0.9995、低于約0.9990、低于約0.9980、低于約0.9970、低于約0.9960、低于約0.9950或低于約0.9900的條件下。該混合體10可運(yùn)行在 keff 為 0.7000 至 0.9995,0.7500 至 0.9995,0.8000 至 0.9995,0.9000 至 0.9995,0.9500至 0.9995,0.9900 至 0.9995 的條件下。
[0031]圖4是水溶液反應(yīng)堆70的截面視圖。水溶液反應(yīng)堆70包括位于屏蔽池78內(nèi)的水性組件74 (例如，能夠臨界運(yùn)行的水性組件)。該水性組件74包括盛裝一定容量的水溶液86的反應(yīng)堆容器82。該水溶液86包括可裂變?nèi)苜|(zhì)。該可裂變?nèi)苜|(zhì)可包括以低濃縮鈾或自然鈾形式存在的U-235或其它可裂變材料。該鈾可轉(zhuǎn)換為鹽(例如，硝酸鈾酰(uranylnitrate)、硫酸鈾酰(uranyl sulfate)或氟化鈾酰(uranyl fluoride))以提高溶解度,且可調(diào)整PH值以進(jìn)一步提高溶解度。該水溶液86包括至少臨界質(zhì)量的可裂變?nèi)苜|(zhì)。該可裂變?nèi)苜|(zhì)的臨界質(zhì)量取決于其核性質(zhì)(例如，裂變截面)、可裂變?nèi)苜|(zhì)在溶液中的濃縮度和濃度、溶液的密度、反應(yīng)堆容器內(nèi)溶液的形狀、溶液溫度、周圍物體的中子反射以及其它因素。
[0032]控制棒90選擇性地定位在水性組件74內(nèi)?？刂瓢?0的材料具有高中子俘獲截面。該材料可包括銀、銦(Indium)和鎘(Cadmium)。其它可被使用的元素包括例如硼(Boron)、鈷(cobalt)、給(hafnium)、鏑(dysprosium)、禮(gadolinium)、禮(samarium)、衫(erbium)、銪(europium)或其合金和化合物，例如高硼鋼(high-boron steel)、銀-銦-鎘合金(silver-1ndium-cadmium alloy)、碳化硼(boron carbide)、二硼化錯(cuò)(zirconium diboride)、二氧化欽(titanium diboride)、硼化給(hafnium diboride)、欽酸,L (gadolinium titanate)、欽酸鏑(dysprosium titanate)。
[0033]控制棒90利用控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM) 94定位在水性組件74中。將控制棒90深深地插入到反應(yīng)堆容器82的水溶液86中會(huì)降低水性組件74的反應(yīng)性，從而避免水性組件74非故意地進(jìn)入臨界狀態(tài)(即，控制棒維持keff〈l.0)。隨著控制棒90被CRDM 94可控制地從溶液中抽出，更少的中子被俘獲，水性組件74內(nèi)的反應(yīng)性增加直到keff = 1.0(即，水性組件74處于臨界狀態(tài))。繼續(xù)抽出控制棒74將繼續(xù)插入正反應(yīng)性。如果控制棒90迅速抽出，充分的正反應(yīng)性就被插入至水性組件74中，則水性組件74進(jìn)入瞬發(fā)臨界(PromptCritical):僅使用瞬發(fā)中子即可維持裂變反應(yīng)的那個(gè)點(diǎn)。然而，該正控制棒反應(yīng)性可被能夠產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)性的其它影響抵消，其它影響包括加熱溶液，在溶液中形成空泡，甚至是沸騰。
[0034]由于可裂變?cè)?例如，鈾235)位于水性組件(即，次臨界水性靶組件18或水性組件74)的溶液中，溶液隨著溫度升高而膨脹，而鈾的質(zhì)量濃度隨之降低。這種膨脹將鈾從TSV 50(圖1)或反應(yīng)堆容器82 (圖4)的在中子學(xué)上更重要的“高價(jià)值”中部區(qū)域移走，并將鈾移動(dòng)至該溶液的為“低價(jià)值”區(qū)域的自由表面。
[0035]隨著溶液溫度升高，平均中子能量增加，這加劇了該熱膨脹的影響。相對(duì)于可能發(fā)生的其它事件(例如，從系統(tǒng)中退出、低位共振(Low-lying Resonance)俘獲等)而言,熱中子溫度的升高降低了使鈾235分裂的可能性。這種效應(yīng)可造成很強(qiáng)的負(fù)反應(yīng)性溫度系統(tǒng)。該反應(yīng)性溫度系數(shù)(α τ)是系統(tǒng)反應(yīng)性隨單位溫度上升的變化量的量度。α τ預(yù)測(cè)keff因水溶液的溫度變化而產(chǎn)生的變化。在100華氏度時(shí)，次臨界混合體10或水溶液反應(yīng)堆70的實(shí)施例的ατ估算為近似-10pcm/° F。α τ值可利用中子學(xué)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算。^^值可低于約-1、低于約-2、低于約-3、低于約-4、、低于約-5、低于約-6、低于約-7、低于約-8、低于約-9或低于約-10。a T值可為-100至-1、-90至_2、-80至-3、-70至_4或-60至-5。
[0036]除了負(fù)的α τ之外，水性組件，例如次臨界水性靶組件18 (圖1)或水性組件74 (圖4)也具有很強(qiáng)的負(fù)空泡系數(shù)(av()id)。aTOid是系統(tǒng)反應(yīng)性隨單位氣體或空泡增加的變化量的量度。水性組件具有負(fù)空泡系數(shù)的原因與前述熱膨脹的影響類似(隨著空泡加入到溶液中，空泡將鈾從溶液表面的高價(jià)值中央?yún)^(qū)域移動(dòng)至低價(jià)值區(qū)域)。a void值可利用中子學(xué)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算。a ?id值可為至少約-500pcm/ (%空泡)、至少約-450、至少約-400、至少約-350、至少約-300、至少約-250、至少約-200、至少約-150或至少約-100。a v()id值可為低于約-10、低于約-20、低于約-30、低于約-40、低于約-50。a TOid值可為-500至-10，-450至-20，-400 至-30，-350 至-40，or-300 至 _50pcm/(% 空泡)。
[0037]大的負(fù)Ct1^P a v—值可導(dǎo)致水溶液系統(tǒng)的兩個(gè)潛在問(wèn)題:反應(yīng)性振蕩和產(chǎn)出降低。反應(yīng)性振蕩可以是系統(tǒng)中誘發(fā)的任何瞬時(shí)變化(例如，功率變化或壓力變化)或者自然振蕩(例如，紊流)的結(jié)果。例如，如果溫度上升，該反應(yīng)性反饋機(jī)制將致使功率降低，這將造成溫度下降以及隨后的功率上升。這個(gè)循環(huán)將持續(xù)進(jìn)行直到其被外部控制系統(tǒng)抑制或直到其自然衰減。
[0038]第二個(gè)潛在問(wèn)題是輸出降低。對(duì)于次臨界水性靶組件18而言，該輸出的降低可以是因?yàn)樵摵軓?qiáng)的負(fù)溫度和空泡系數(shù)造成krff降低值，從而降低系統(tǒng)的次臨界倍增。該很強(qiáng)的負(fù)01和dv-值可造成系統(tǒng)的運(yùn)行功率水平的降低以確保設(shè)計(jì)中有足夠的安全邊際以應(yīng)付這種功率振蕩。
[0039]通過(guò)降低^和％-值的幅值，可以同時(shí)降低這兩個(gè)問(wèn)題造成的影響。
[0040]某些同位素具有非常大的中子俘獲截面，同時(shí)隨著溫度上升降低密度和/或吸收度，這些同位素可被稱為反應(yīng)性穩(wěn)定器。反應(yīng)性穩(wěn)定器從核系統(tǒng)中吸收中子，從而阻止中子發(fā)生裂變。反應(yīng)性穩(wěn)定器的一些例子包括，但不限于，硼-10、釓-155和釓-157。硼-10可以硼酸(即，113803或8(0!1)3)的形式添加進(jìn)水溶液中。由于其高溶解度和低pH值，硼酸可能是特別理想的穩(wěn)定器。除了使用可溶解的硼酸外，硼的其它物理放置也可以使用。這些裝置包括含有硼的固定板或棒。商用的硼鋁合金因其化學(xué)和輻射穩(wěn)定性也可以被使用。另一個(gè)選擇是將硼放置在填充有濃硼酸的單獨(dú)的管中。
[0041]通過(guò)添加這些反應(yīng)性穩(wěn)定器至TSV 50(圖1)或反應(yīng)堆容器82 (圖4)的水溶液中，溶液中鈾的相對(duì)重要性可被降低，因?yàn)樵摲磻?yīng)性穩(wěn)定器與鈾就中子展開競(jìng)爭(zhēng)。如此，當(dāng)溶液溫度被升高(或上升)，該溶液膨脹不僅將一些鈾從高價(jià)值中央?yún)^(qū)域移走，其還將一些反應(yīng)性穩(wěn)定器移走。凈效果是這個(gè)很強(qiáng)的負(fù)ατ值的幅值被降低。
[0042]Civtjid也獲得類似的反應(yīng)。溶液空泡的增加同時(shí)移走反應(yīng)性穩(wěn)定器和鈾。因此，由于鈾損失和反應(yīng)性穩(wěn)定器損失的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，溶液中額外的空泡對(duì)反應(yīng)性的影響被降低了。
[0043]通過(guò)調(diào)整反應(yīng)性穩(wěn)定器的濃度，反應(yīng)性反饋系數(shù)^:和avMd可被塑造成任何期望的水平。例如，反應(yīng)性穩(wěn)定器濃度可被選擇成以降低aT和a v-值的幅值，但同時(shí)保持它們?yōu)樨?fù)的值。負(fù)系數(shù)幫助確保系統(tǒng)功率的增加會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性降低(自限裝置)；然而，太過(guò)負(fù)性的系數(shù)會(huì)導(dǎo)致上述功率振蕩。圖3例示次臨界水性靶組件在數(shù)個(gè)選定的硼濃度條件下的反應(yīng)性溫度系數(shù)(a τ)，顯示溫度系數(shù)的幅值隨著硼濃度增加而降低。
[0044]基本上，當(dāng)操作次臨界混合體組件10時(shí)，降低的反應(yīng)性系數(shù)由于降低了反應(yīng)性振蕩而提聞了穩(wěn)定性(ai^B a V()id)。該提聞的穩(wěn)定性也可以提聞醫(yī)用同位素的生廣率。因?yàn)榉磻?yīng)性振蕩被降至最低，該次臨界混合體組件可操作在更高的有效中子倍增因子(keff)條件下。圖2是靶溶液中的硼濃度對(duì)次臨界組件的歸一化生產(chǎn)率的曲線圖，顯示生產(chǎn)率隨著硼濃度上升而提高。
[0045]圖5例示次臨界水性組件的krff操作區(qū)間。對(duì)于不使用反應(yīng)性穩(wěn)定器的次臨界水性組件，由于大的^和Civtjid值導(dǎo)致溫度和空泡反應(yīng)性的振蕩，krff操作區(qū)間較寬。為了降低發(fā)生臨界的可能性，未加穩(wěn)定措施的操作區(qū)間的典型操作krff值是非理想地遠(yuǎn)離keff =
1.0,由于次臨界倍增降低，這降低了次臨界水性組件的操作效率。相比而言，包含反應(yīng)性穩(wěn)定器的水性組件具有較窄的keff操作區(qū)間，因?yàn)閊和a v-值的降低造成溫度和空泡反應(yīng)性振蕩的降低。而且，加了穩(wěn)定措施的操作區(qū)間的典型操作krff值更接近krff= 1.0，但同時(shí)維持與臨界之間的相同邊際，從而通過(guò)增加次臨界倍增來(lái)增加次臨界水性組件的操作效率。
[0046]圖6例示臨界水性組件的krff操作區(qū)間。對(duì)于不使用反應(yīng)性穩(wěn)定器的臨界水性組件，由于大的^和Civtjid值導(dǎo)致溫度和空泡反應(yīng)性的振蕩，krff操作區(qū)間較寬。當(dāng)操作在臨界狀態(tài)時(shí)，操作區(qū)間的上限非理想地接近瞬發(fā)臨界(Prompt Criticality)。相比而言,包含反應(yīng)性穩(wěn)定器的臨界水性組件具有較窄的keff操作區(qū)間，因?yàn)?^和^▽-值的降低造成溫度和空泡反應(yīng)性振蕩的降低。而且，至瞬發(fā)臨界的邊際更大，從而提高了臨界水性組件的安全邊際。
[0047]范例1:提供次臨界混合體，包括中子源組件、中子倍增器以及水性組件。水溶液提供在TSV中。該水溶液含有可裂變?nèi)苜|(zhì)，包括LEU。
[0048]硼或其它反應(yīng)性穩(wěn)定器的期望濃度可使用中子學(xué)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算。操作者可選擇期望的^▽-值，然后計(jì)算硼濃度。中子學(xué)軟件的其它輸入值包括該混合體組件的操作條件，例如，TSV、屏蔽池和中子倍增器的幾何尺寸以及所有材料的體積、溶液化學(xué)和密度，源粒子能量，核截面數(shù)據(jù)，以及所有材料的溫度。
[0049]一旦計(jì)算出期望的硼濃度，就制備硼或硼酸并將其添加至該水溶液中。
[0050]針對(duì)一個(gè)期望的可溶反應(yīng)性穩(wěn)定器濃度計(jì)算α τ和α V0ido使用基本情況確定具有高精度的第一 keff值(keffl)。然后對(duì)變量(例如，溶液溫度)做小的擾動(dòng)(perturbat1n)，然后計(jì)算新的krff值(krff2)。視情況，從該基本情況向相反的方向做一個(gè)第二擾動(dòng)，然后計(jì)算第三keff值(keff3)。
[0051]然后，根據(jù)(keffl- keff2) / (keffl*keff2) / Λ Z 計(jì)算反應(yīng)性系數(shù)(ατ 或 aTOid)，其中Δ Z是變量的擾動(dòng)量。這兩個(gè)擾動(dòng)量用于確認(rèn)所計(jì)算的反應(yīng)性系數(shù)(aT* av()id)，確定反應(yīng)性系數(shù)的斜率，以及通過(guò)取平均值提供更好的統(tǒng)計(jì)。
[0052]一旦次臨界混合體運(yùn)行，通過(guò)儀器和計(jì)算來(lái)測(cè)量a τ或a voido例如，a τ可通過(guò)監(jiān)視溫度對(duì)系統(tǒng)功率的影響來(lái)加以推算。溶液溫度將被測(cè)量(在溶液的數(shù)個(gè)具體位置測(cè)量)，所測(cè)的溫度然后使用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算映射至體積溫度(bulk temperature)。然后，測(cè)量該溫度下的功率或中子通量。知道該源中子項(xiàng)后，該中子通量或功率可被關(guān)聯(lián)至系統(tǒng)中已知的keff。然后，在系統(tǒng)中產(chǎn)生(例如，通過(guò)改變冷卻流的方式)溫度變化(或空泡變化)，然后這個(gè)過(guò)程再重復(fù)進(jìn)行。然后，采用與上述相同的公式計(jì)算反應(yīng)性系數(shù)(ατ* a voJ。
[0053]范例2:提供水溶液反應(yīng)堆，包括水性組件。水溶液提供在反應(yīng)堆容器中。該水溶液含有已知濃度和濃縮度的可裂變?nèi)苜|(zhì)。
[0054]硼或其它反應(yīng)性穩(wěn)定器的期望濃度可使用中子學(xué)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算。操作者可選擇期望的^^和c^-值，然后計(jì)算硼濃度。中子學(xué)軟件的其它輸入值可包括該水溶液反應(yīng)堆的操作條件，例如，該反應(yīng)堆容器和屏蔽池的幾何尺寸以及所有材料的體積、溶液化學(xué)和密度，源粒子能量，核截面數(shù)據(jù)，以及所有材料的溫度。
[0055]一旦計(jì)算出期望的硼濃度，就制備硼或硼酸并將其添加至該水溶液中。
[0056]針對(duì)一個(gè)期望的可溶反應(yīng)性穩(wěn)定器濃度計(jì)算α τ和α V0ido這兩個(gè)擾動(dòng)量用于確認(rèn)所計(jì)算的反應(yīng)性系數(shù)av()id)，確定反應(yīng)性系數(shù)的斜率，以及通過(guò)取平均值提供更好的統(tǒng)計(jì)。
[0057]—旦水溶液反應(yīng)堆運(yùn)行，通過(guò)儀器和計(jì)算來(lái)測(cè)量α τ或α V0ido例如，α τ可通過(guò)監(jiān)視溫度對(duì)系統(tǒng)功率的影響來(lái)加以推算。溶液溫度將被測(cè)量(在溶液的數(shù)個(gè)具體位置測(cè)量)，所測(cè)的溫度然后使用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算映射至體積溫度(bulk temperature)。然后，測(cè)量該溫度下的功率或中子通量。然后，采用與上述相同的公式計(jì)算反應(yīng)性系數(shù)av()id)。
[0058]因此，除了別的以外，本發(fā)明提供了一種水性組件及其控制方法。本發(fā)明的各種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)闡述于下列權(quán)利要求中。
【權(quán)利要求】
1.一種具有負(fù)反應(yīng)性系數(shù)的水性組件，所述水性組件包括: 容器； 水溶液，所述水溶液包含可裂變?nèi)苜|(zhì)并容納在所述容器中；以及反應(yīng)性穩(wěn)定器，所述反應(yīng)性穩(wěn)定器設(shè)置在所述水溶液內(nèi)以在所述水性組件運(yùn)行過(guò)程中降低所述水溶液的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)的幅值。
2.如權(quán)利要求1所述的水性組件，其中，所述反應(yīng)性系數(shù)是溶液反應(yīng)性溫度系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的水性組件，其中，所述反應(yīng)性系數(shù)是溶液反應(yīng)性空泡系數(shù)。
4.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的水性組件，其中，所述可裂變?nèi)苜|(zhì)包含鈾。
5.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的水性組件，其中，所述可裂變?nèi)苜|(zhì)包括硝酸鈾酰、硫酸鈾?；蚍欟Ｖ辽倨渲兄?。
6.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的水性組件，其中，所述反應(yīng)性穩(wěn)定器包括硼-10。
7.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的水性組件，其中，所述反應(yīng)性穩(wěn)定器包括硼酸。
8.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的水性組件，其中，所述反應(yīng)性穩(wěn)定器包括釓-155和釓-157至少其中之一。
9.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的水性組件，其中，所述反應(yīng)性穩(wěn)定器是所述水溶液的溶質(zhì)。
10.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的水性組件，其中，所述水性組件是次臨界的，所述水性組件還包括用以在所述容器中維持裂變反應(yīng)的中子源。
11.如權(quán)利要求1-10中任意一項(xiàng)所述的水性組件，其中，所述水性組件能夠在臨界狀態(tài)下運(yùn)行。
12.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的水性組件，還包括控制棒，至少所述控制棒的一部分選擇性地置于所述水溶液中以至少部分地控制所述水溶液的反應(yīng)性。
13.一種操作水性組件的方法，所述水性組件具有反應(yīng)性系數(shù)，所述反應(yīng)性系數(shù)具有一個(gè)幅值，所述方法包括: 提供容器； 添加水溶液至所述容器，所述水溶液包含可裂變?nèi)苜|(zhì)； 添加反應(yīng)性穩(wěn)定器至所述水溶液； 降低所述反應(yīng)性系數(shù)的幅值；以及 維持所述水溶液內(nèi)的裂變反應(yīng)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括: 提供中子源；以及 操作所述中子源以維持所述水溶液內(nèi)的裂變反應(yīng)。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，還包括抽出所述控制棒直到所述水溶液達(dá)到臨界。
16.如權(quán)利要求13至15中任意一項(xiàng)所述的方法，其中添加所述反應(yīng)性穩(wěn)定器包括添加硼-10。
17.如權(quán)利要求13至15中任意一項(xiàng)所述的方法，其中添加反應(yīng)性穩(wěn)定器包括添加硼酸。
18.如權(quán)利要求13至15中任意一項(xiàng)所述的方法，其中添加所述反應(yīng)性穩(wěn)定器包括添加釓-155和釓-157至少其中之一。
19.如權(quán)利要求13至18中任意一項(xiàng)所述的方法，其中降低所述反應(yīng)性系數(shù)的幅值包括降低負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)的幅值。
20.如權(quán)利要求13至18中任意一項(xiàng)所述的方法，其中降低所述反應(yīng)性系數(shù)的幅值包括降低負(fù)反應(yīng)性空泡系數(shù)的幅值。
【文檔編號(hào)】G01D3/10GK104321623SQ201380018865
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月5日
【發(fā)明者】格雷戈里·皮耶福爾, 埃里克·N·范亞伯 申請(qǐng)人:陽(yáng)光醫(yī)療技術(shù)公司
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