[发明专利]提高垂直超热中子束照射通量的堆芯组件及其方法

说明书

技术领域

本发明属于中子俘获疗法(BNCT)技术领域，具体涉及一种提高抗癌核素中子刀(Cancericidal Nuclide Neutron Knife)垂直超热中子束照射通量的堆芯组件及其方法。

背景技术

核反应堆硼中子俘获疗法中子源能提供两种方向的中子束流，一是水平方向，再是垂直方向。迄今核反应堆中子源引出的中子束，几乎都是水平方向的束装置。主要原因在于堆芯反射层外周围有较大的空间可用作设置束装置，同时保证较高的入射中子强度。为了传输处方剂量到达患部，BNCT需要束流对准患部，在设定束流强度下，对患部维持一定的照射时间，根据心理学分析，病人进入照射室后，对核辐射有潜在的恐惧心理，会坐立不安。人体重心最低的即为卧式或躺式，此时人的心情会自然释缓。因而垂直照射束是BNCT所首先追求的，它可使病人在自然势态下接受照射，而且垂直束可包罗全身肢体、脏器的所有患部。

大中型研究堆因堆芯大，负荷重，支撑结构与堆内构件都坐落在堆底，而体积更大，负荷更重的堆体又都压在底部基础结构上，因而腾不出空间来设置一套垂直照射室装置。迄今世界上BNCT核反应堆中子源上极少垂直中子束就是这个原因。

唯一例外的是美国的MITR堆，它千方百计设置了一套BNCT垂直中子束，确实提供了病人最舒适的照射条件，但因它是重水堆，这条束只能产生热中子，虽然束强极高达5×10⁹n·cm^-2·s^-1出口通量，但堆的功率却是5000kw，只能作浅部疾患照射，迫使它斥巨资在堆芯周围再引出一条超热水平中子束，用作深部肿瘤照射。

一般反应堆即使在堆芯下方设置照射座，由于堆芯底部冷却剂循环所需空间和各种复杂构件的存在，输出的中子谱难以保证是超热中子谱，世界上还找不到一条束强满足要求的垂直超热中子束。

微堆结构的反应堆堆芯小，负荷轻，整个堆体悬挂在池顶框架上，堆底及其下部空间无承重结构框架存在，为垂直束提供了潜在的布局空间。堆芯底部结构经过改造设计，可顺利将堆芯泄露出的高能中子导入照射座，引出一条束强达标，质量优秀的超热中子束。

在核反应堆内要使源通量增加，最直接的办法就是提高堆功率。如图1所示，根据现有技术的水平超热中子束参数(3×10⁸n·cm^-2·s^-1)，要使其达标单靠功率来达到的话，堆功率就需要提升3.5倍。若要设达标的垂直超热束，堆功率需要提高10倍以上。为了设置垂直超热束，设计一个几百千瓦功率的反应堆，那就不是微堆了。显然，这是一条根本不可行的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高垂直超热中子束照射通量的堆芯组件及其方法，该堆芯组件及其方法能有效提高高能中子在堆芯能谱中所占的比分，从而增加泄出堆芯中子谱的强度，拓宽热上中子份额，并在过渡区内保证不被过度软化，保持足够强度的热上中子比分输入照射座中，最终提高从照射座输出的垂直超热束的通量。

实现本发明目的的技术方案：一种提高垂直超热中子束照射通量的堆芯组件，该组件包括过渡段部分以及堆芯部分，过渡部分包括底铍盘、水层、下筒体底板；堆芯部分包括上铍片、侧铍环、石墨瓦件、铝瓦件、燃料组件。下筒体内一侧设有铝瓦件，下筒体内另一侧设有石墨瓦件，下筒体底部内安装有底铍盘，底铍盘底部与下筒体底板之间设有水层，底铍盘上安装有燃料组件，燃料组件外侧套有侧铍环，燃料组件顶部设有上铍片，燃料组件包括上栅板、下栅板、中央控制棒、若干个燃料棒和若干个贫铀棒，中央控制棒插在上栅板、下栅板中心内，若干个燃料棒、贫铀棒分别布置在上栅板、下栅板的不等间距的若干个同心圆的圆周上。

所述的底铍盘厚度为5cm，水层厚度5mm，下筒体底部的厚度为5.2cm。

所述的上栅板、下栅板的不等间距的同心圆为十一个。

所述的燃料棒共计350根，²³⁵U丰度为14％，上栅板、下栅板的第1圈圆周上均匀布置5根燃料棒，第2圈圆周上均匀布置11根燃料棒，第3圈圆周上均匀布置17根燃料棒，第4圈圆周上均匀布置23根燃料棒，第5圈圆周上均匀布置29根燃料棒，第6圈圆周上均匀布置35根燃料棒，第7圈圆周上均匀布置41根燃料棒，第8圈圆周上均匀布置47根燃料棒。

所述的上栅板、下栅板的第9圈圆周上布置8根锆拉杆，该8根锆拉杆与45根燃料棒沿上栅板、下栅板的周向均匀分布。