Development of Solid State Cell Target for Isotope Irradiation Production in Research Reactor
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摘要: 为了利用研究堆辐照生产放射性同位素，研制了适用于Ni、Np靶等辐照的栅元靶件，开发了研究堆固态法辐照生产同位素技术。靶件采用套管型、双层内外侧冷却靶管结构，大量的固体圆环状芯体装载在密闭靶管空腔内，靶管内外侧设置均匀的冷却水隙，大幅提高了芯体的冷却效率和同位素的产量。研制过程中，对靶件的热工水力性能和应力进行了分析评价，用模拟靶件进行了堆外水力冲刷试验，用装载正式芯体的靶件进行了堆内辐照试验，试验结果表明：研制的靶件满足研究堆安全辐照生产放射性同位素的要求。Abstract: To utilize research reactors for the irradiation production of radioisotopes, a cell target suitable for irradiating nickel and neptunium targets is developed, along with the solid-state irradiation technology for isotope production in research reactors. A casing type, double-layer inner and outer cooled target tube structure for the target is adopted, multiple solid annular pellets are loaded in the closed cavity of the target tube, and uniform cooling water gaps are set inside and outside of the target tube, significantly improving the cooling efficiency of pellets and isotope yield. During the development process, the thermal hydraulic behavior and stress of the target were analyzed and evaluated. Out-of-pile hydraulic scouring test of the simulated target was carried out, while in-pile irradiation test on the target loaded with actual pellets was conducted. The test results demonstrate that the developed target satisfies the requirement of safe irradiation production for radioactive isotope in the research reactor.
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Key words:
- Radioactive isotope /
- Mechanical analysis /
- Hydraulic scouring test /
- Irradiation test /
- Target
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图 1 靶件结构与冷却水流动示意图
Figure 1. Schematic Diagram of the Target Structure and Cooling Water Flow
图 4 靶件在不含地震载荷的异常工况下等效应力分布
Figure 4. Equivalent Stress Distribution of the Target under Abnormal Condition Without Seismic Load
图 5 靶件在OBE载荷作用下的等效应力分布
Figure 5. Equivalent Stress Distribution of the Target under Operation Benchmark Earthquake (OBE) Load
图 6 模拟靶件在不同节流塞下的流速与压差关系曲线
Figure 6. Flow Velocity vs. Pressure Difference Curves of the Simulated Target with Different Throttling Plugs
图 7 模拟靶件水力冲刷试验后水隙尺寸
Figure 7. Water Gap Size of the Simulated Target after Hydraulic Scouring Test
表 1 靶件材料参数表
Table 1. Target Material Parameters
材料 屈服强度Sy/MPa 抗拉强度Su/MPa 弹性模量/MPa 泊松比 6061
铝合金240 260 1.72×105 0.3 
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表 2 地震载荷组合及评定准则
Table 2. Seismic Load Combinations and Assessment Criteria
工况 载荷组合 评定准则 应力限值 正常 运行压差、运行温度、自重、流体流动载荷、OBE A级 Pm≤Sm；
Pm+Pb≤1.5Sm异常 设计压差、设计温度、自重、流体流动载荷、SSE B级 Pm—总体一次薄膜应力；Pb—一次弯曲应力；Sm—材料的基本许用应力，其值取min(Su/3, 2Sy/3)。
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表 3 靶件的应力评定结果 MPa
Table 3. Stress Evaluation Results of the Target
零部件名称 Pm Pm+Pb 正常工况 异常工况 应力限值 正常工况 异常工况 应力限值 上端头 0.25 0.32 86.6 0.29 0.40 129.9 头部定位齿块 1.32 1.84 2.47 3.24 外套管 1.95 2.95 1.98 2.98 挤水管组件 0.57 0.75 1.26 1.64 内靶管组件 20.66 25.83 22.34 28.0 外靶管组件 24.74 30.94 25.21 31.52 节流塞 1.18 1.31 2.34 2.43 下端头 1.07 1.08 2.31 2.65
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