医用同位素试验堆关键技术

李庆; 张劲松; 张玉龙; 聂华刚; 陈云明; 焦保良

doi:10.13832/j.jnpe.2025.06.0260

医用同位素试验堆关键技术

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.06.0260

1.
中国核动力研究设计院先进核能技术全国重点实验室，成都，610213
2.
中国核电工程有限公司河北分公司核工程研究设计所，石家庄，050000

基金项目: 国家自然科学基金（12005214）

详细信息

作者简介:
李　庆（1971—），男，研究员级高级工程师，博士生导师，现主要从事反应堆物理方面的研究，E-mail: liqing@npic.ac.cn

中图分类号: TL329
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出版历程
- 收稿日期: 2025-06-08
- 修回日期: 2025-08-20
- 网络出版日期: 2025-06-23
- 刊出日期: 2025-10-15

Key Technologies of Medical Isotope Test Reactor

1.
State Key Laboratory of Advanced Nuclear Energy Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China
2.
Nuclear Engineering Research and Design Institute, Hebei Branch of China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shijiazhuang, 050000, China

摘要

摘要: 建设溶液型医用同位素试验堆用于生产⁹⁹Mo、¹³¹I等同位素，是解决我国医用同位素市场供应自主可控的重要举措之一。本文简要介绍了医用同位素的应用情况、生产原理与生产方式，以及国内外均匀溶液堆的发展概况。较全面、系统地阐述了医用同位素试验堆的系统构成、设计情况，具体包括反应堆及主要系统、同位素提取工艺系统、配套系统等；同时对设计中所关注的反应性稳定性、辐射防护设计、防止燃料溶液沉淀、结构材料耐腐蚀、燃料溶液临界安全、同位素提取工艺、铀回收技术、燃料纯化技术、放射性废气处理技术等主要关键技术问题进行了较详细的说明。
- 同位素 /
- 反应堆 /
- 临界安全 /
- 同位素提取工艺 /
- 燃料纯化
Abstract: The construction of a solution-type medical isotope test reactor for the production of isotopes such as ⁹⁹Mo and ¹³¹I is one of the important initiatives to achieve self-sufficient and controllable supply in China's medical isotope market. This article briefly introduces the application status, production principles, and production methods of medical isotopes, as well as the development overview of homogeneous solution-type reactors both domestically and internationally. It systematically elaborates on the system composition and design of the medical isotope test reactor, including the reactor and its major systems, isotope extraction process systems, and supporting systems. Furthermore, it provides a detailed explanation of the main technical issues, such as reactivity stability, radiation protection design, prevention of fuel solution precipitation, corrosion resistance of structural materials, critical safety of fuel solutions, isotope extraction processes, uranium recovery technology, fuel purification technology, and radioactive waste gas treatment technology.
- Isotopes /
- Reactor /
- Critical Safety /
- Isotope Extraction Process /
- Fuel Purification

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图 1 ⁹⁹Mo和¹³¹I在裂变核素中占比

Figure 1. Proportion of ⁹⁹Mo and ¹³¹I in Fission Nuclides

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图 2 反应堆结构总图

Figure 2. General Layout of the Reactor Structure

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图 3 反应堆及同位素提取系统流程简图

Figure 3. Simplified Flowchart of the Reactor and Isotopes Extraction Systems

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图 4 硝酸铀酰沉淀试验对比图

Figure 4. Comparison of UO₂(NO₃)₂ Precipitation Tests

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表 1 全球⁹⁹Mo供应主要反应堆情况

Table 1. Overview of Major Reactors for Global ⁹⁹Mo Supply

国别	反应堆	反应堆寿期终止年份	铀富集度
加拿大	NRU	2018	低富集铀（LEU）
荷兰	HFR	2024	LEU
比利时	BR-2	2026	高富集铀（HEU）
法国	OSIRIS	2015	HEU
波兰	MARIA	2030	HEU
阿根廷	RA-3	2027	LEU
捷克	LVR-15	2028	LEU
南非	SAFARI-1	2030	LEU
澳大利亚	OPAL	2057	LEU

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表 2 反应堆主要参数表

Table 2. Main Parameters of the Reactor

参数		参数值及描述
总体	反应堆类型	均匀性溶液堆
	功率/kW	200
	燃料	硝酸铀酰水溶液
	数量	1
	运行方式	48 h/次，200 d/a
	寿期/a	50
核参数	²³⁵U富集度/%	19.75
	²³⁵U总装量/kg	约5.74
	铀浓度/(g·L⁻¹)	约230
热工参数	一次冷却水流量/(t·h⁻¹)	7.2
	反应堆冷却能力/kW	200
	燃料溶液温度/℃	<80
堆内构件参数	反应堆容器	直径约780 mm，不锈钢
	传热管	总长210 m，Ф8 mm×1.5 mm，不锈钢
	堆水池尺寸/(mm×mm×mm)	3000×3000×6000（长×宽×高）
控制棒	数量/根	3
	材料	碳化硼
	吸收体长度/mm	450
	驱动机构	电机-电磁驱动

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表 3 溶液堆与压水堆辐射防护主要差异

Table 3. Comparison of Main Parameters of Solution Reactor and Pressurized Water Reactor

主要差异	常规压水堆	溶液堆
设计	参考设计、改进设计	正向设计，对硬件专业的影响大、反馈多
放射性包容	4层屏障	2层屏障
放射性分布	密封在燃料组件中	裂变产物随气、液大范围流动
剂量敏感设备的环境	放射性剂量低于1×10⁶ Gy	大片区域放射性剂量高达1×10⁸~1×10¹² Gy
事故源项	有积累	源项大、释放快，气液分配、事故序列等差异很大
辐射监测	有参考	涉及安全级监测和保护

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表 4 304L、321和316L不锈钢腐蚀1500 h后的腐蚀速率　　mm/a

Table 4. Corrosion Rate of 304L, 321 and 316L Stainless Steels after 1500 h of Corrosion

类型	材料	板母材	板焊件	管母材	管焊件	弯管
全浸腐蚀	304L不锈钢	0.0081	0.0024	0.0042	0.0119	0.0086
	321不锈钢	0.0072	0.0055	0.0097	0.0068	0.0059
	316L不锈钢	0.0036	0.0045	0.0052	0.0121	0.0053
半浸腐蚀	304L不锈钢	0.0070	0.0012	0.0040
	321不锈钢	0.0018	0.0034	0.0014
	316L不锈钢	0.0029	0.0022	0.0177
悬空腐蚀	304L不锈钢			0.0173	0.0049
	321不锈钢			0.0026	0.0043
	316L不锈钢			0.0054	0.0022

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表 5 304L和321不锈钢腐蚀3000 h后的腐蚀速率　mm/a

Table 5. Corrosion Rate of 304L and 321 Stainless Steels after 3000 h of Corrosion

类型	材料	板母材	板焊件	管母材	管焊件
全浸腐蚀	304L不锈钢	0.0041	0.0025	0.0052	0.0094
全浸腐蚀	321不锈钢	0.0057	0.0021	0.0101	0.0236
半浸腐蚀	304L不锈钢	0.0055	0.0020	0.0035
半浸腐蚀	321不锈钢	0.0013	0.0015	0.0039
悬空腐蚀	304L不锈钢			0.0097	0.0015
悬空腐蚀	321不锈钢			0.0014	0.0043

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参考文献(16)

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