发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术生产放射性同位素存在的流程复杂、生产效率低、燃料利用率低、三废多、有核扩散风险、成本高等缺陷，提供了一种放射性同位素生产装置。本发明的放射性同位素装置具有结构简单、可靠性高、成本低、可更换等优势，利用该装置生产放射性同位素具有流程简单、燃料利用率高、生产效率高、污染小、过程安全、可在线提取等优势。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种放射性同位素生产装置，其包括：一端开口的容纳管，用于填装燃料盐；所述容纳管内设置有第一进气管和第二进气管；

所述第一进气管的顶端和所述第二进气管的顶端均位于所述燃料盐的液面以上；所述第一进气管的底端位于所述液面以下；所述第二进气管的底端设置有气体分布器；所述气体分布器的出气口位于所述液面以下且朝向所述液面；所述第一进气管的底端低于所述气体分布器的出气口。

本发明的放射性同位素生产装置在使用时，燃料盐经反应堆中子辐照发生裂变反应生成同位素，附着在第一进气管吹出的气泡上被带至燃料盐的液面处，在气体分布器吹出的气体的冲击下被带出液面，进行收集。

本发明中，所述气体分布器可为本领域常规的使气体均匀分布的设备，较佳地为喷头。

其中，较佳地，所述喷头上均匀设置有多个出气孔。

其中，较佳地，所述喷头的表面为椭球形。椭球形的喷头能使喷出的气体分布面更广，从而提高吹扫的效率。

本发明中，较佳地，所述容纳管的开口端设置有盖板，所述盖板上设置有出气管，所述出气管的底端高于所述液面；所述出气管、所述第一进气管和所述第二进气管均贯穿所述盖板。

盖板的设置一方面可以固定第一进气管和第二进气管，另一方面也可以防止核扩散，盖板上设置出气管，能更安全、方便地收集产生的放射性同位素。

本发明中，所述燃料盐可为本领域常规，一般地包括核燃料和基盐。其中，所述核燃料较佳地为低富集铀。所述基盐可为本领域常规的具有低熔点、高沸点的化合物，较佳地为金属M的氟化物和/或氯化物，其中，所述金属M为下述元素中的一种或多种：Li、Be、Na、K、Rb和Zr；更佳地为NaF和ZrF₄的混合物。

本发明中，较佳地，所述第一进气管的底端靠近所述容纳管的底部设置。

第一进气管的出气端口靠近容纳管的底部可以使由容纳管中产生的放射性同位素全部附着在第一进气管吹出的气泡上被带到燃料盐的液面处。

本发明中，较佳地，所述气体分布器的出气口靠近所述液面设置。

气体分布器的出气口靠近燃料盐的液面设置，从出气口吹出的气体在液面处的冲击力更强，能将更多的同位素颗粒吹出液面处。

本发明中，所述第一进气管、所述第二进气管和所述出气管按惯常操作可均设置有阀门，任一所述阀门均能在打开或关闭两种状态之间切换。

阀门能够调节第一进气管、第二进气管和出气管的开度，在需要进气或出气时打开阀门，不用时关闭阀门，能够使生成的放射性同位素全部由出气管排出并收集，提高了收集效率并降低了核扩散的风险。

本发明中，较佳地，所述容纳管的外周还设置有保温层。

其中，所述保温层的材料可为本领域常规，较佳地为硅纤维材料。

保温层可以在容纳管装盐前的预热过程中起到保温作用，使装盐过程中容纳管内的温度保持恒定。

本发明中，较佳地，所述容纳管为双层套管。

双层套管的设计，可以使得内层管出现泄漏时，外层管依然具有燃料盐的容纳能力，避免了放射性物质的释放。

其中，较佳地，所述双层套管的管间隙内设置加热装置。其中，所述加热装置较佳地为电加热丝。

双层套管的管间隙内设置有加热装置，在装置装燃料盐前可以对装置进行加热，在装置生产放射性同位素过程中，如果热量传递过快，也可以开启加热装置，对装置内的燃料盐进行加热，使双层套管内的燃料盐保持液态，即温度为500～800℃，生成的放射性同位素可以被气泡携带至燃料盐的液面处。

其中，较佳地，所述双层套管的管间隙内设置有燃料盐监测装置。

燃料盐监测装置的设置可以使得燃料盐泄漏到管间隙内时可以被迅速监测到，提高放射性同位素生产装置的安全性。

本发明中，所述容纳管的材质可为本领域常规的耐所述燃料盐高温腐蚀的合金，较佳地为镍基合金。

本发明中，所述容纳管为双层套管时，所述双层套管的内层可为镍基合金、所述双层套管的外层可为锆合金。双层套管安装在反应堆内，反应堆的冷却介质对双层套管进行冷却，使燃料盐的温度保持在合适范围内，锆合金更耐冷却介质的腐蚀。

本发明中，较佳地，所述容纳管的底端为弧形。

本发明的所述放射性同位素生产装置，一较佳实例的装配及使用说明：

S1：入堆前装量过程包括如下步骤：

(1)在工厂组装好所述放射性同位素生产装置，开启所述双层套管内的所述电加热丝，并在所述双层套管的外周裹上所述保温层，使装盐过程中双层套管的温度保持恒定。

(2)开启所述第一进气管的阀门和所述出气管的阀门，通保护气体(N₂或惰性气体)，吹扫装置内的氧杂质。

(3)通过气压从所述第一进气管压入基盐(如NaF和ZrF₄混合物)，保护气体由所述出气管排出，待装满基盐后，静置一段时间，再对所述出气管通保护气体，将基盐从所述第一进气管排出。

(4)同基盐清洗操作，装入所述燃料盐，直至指定液位。

(5)冷却。装盐完成后，由所述第一进气管的顶端和所述第二进气管的顶端不断注入保护气体，同时，由所述出气管排出保护气体。移出所述保温层、关闭所述加热装置，等待所述燃料盐逐渐凝固。

(6)封装。由于装置内不断鼓入保护气体，因此所述燃料盐冷凝后的固态熔盐内仍存在较多的气孔。所述第一进气管和所述第二进气管以及所述气体分布器内皆为保护气体。待完全冷凝之后，所述第一进气管的阀门、所述第二进气管的阀门和所述出气管的阀门全部关闭，进行封装。

(7)运输。采用减震包装，通过整体运输将所述同位素生产装置送到指定反应堆厂址。

S2：堆内运行与换料过程，包括如下步骤：

(1)核热解冻。在反应堆内安装好所述同位素生产装置。启动反应堆，通过高通量的中子辐照，所述燃料盐发生核裂变反应，释放大量热量，所述燃料盐不断升温、直至熔化，由于固态熔盐为多孔结构，因此可以消化熔化导致的热膨胀应力问题，由于所述第一进气管、所述第二进气管和所述气体分布器内充满保护气体、没有固态熔盐，因此也不存在局部冻堵问题。

(2)同位素产生。由于所述燃料盐不断发生裂变反应，因此会产生大量裂变产物，其中就包括一些难溶气体及同位素颗粒，如Xe-133，Mo-99及其先驱核等。这些同位素颗粒悬浮在所述燃料盐中或附着在壁面。

(3)同位素收集。由所述第一进气管向装置内鼓入保护气体，气体在所述燃料盐中形成气泡穿过燃料裂变区。由于气体与同位素颗粒等易于附着在气泡表面，气泡可以将其带到所述燃料盐的液面处。由所述第二进气管向装置内鼓入保护气体，颗粒同位素在保护气体的冲击下冲破液面，随着气流由所述出气管排出到装置外，进而在装置外收集同位素。

(4)热传递。在运行期间，所述同位素生产装置通过热平衡实现温度控制。核热产生于所述燃料盐内，通过鼓泡及热梯度实现所述燃料盐的流动，使其内部温度更均匀。核热又从所述燃料盐传递到所述双层套管的内管，再通过热辐射传递给外层套管，外层套管由反应堆内的冷却介质冷却。

(5)装置更换。当装置达到使用寿命后，为了继续利用所述燃料盐，可以在堆内实现装置的更换。具体过程为：在反应堆内安装一个新的所述放射性同位素生产装置，新装置属于在工厂已经清洗干净并封装好的。关闭新、旧装置的所述出气管的阀门，将新装置的所述第一进气管与旧装置的所述第一进气管互连。通过向旧装置的所述第二进气管内鼓入气体，将旧装置内的所述燃料盐压入新装置内。断开连接，并关闭阀门。将旧装置从反应堆内取出，完成堆内装置的更换。新装置内可以预装一定新的所述燃料盐，待核热加热后进行换盐。补充的新的所述燃料盐可以弥补旧燃料燃耗导致的同位素产量下降问题，同时弥补由于换盐过程存在燃料盐残留导致的所述燃料盐损失的问题。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

(1)本发明提供的放射性同位素生产装置相比目前的固态燃料裂变靶式方法，具有产量高、可在线提取、工艺流程简单、成本较低等优点；

(2)相比熔盐堆内的同位素生产，本发明无需重建反应堆，可利用已有反应堆和本发明的放射性同位素生产装置进行同位素生产，具有建设门槛低、装置结构简单、可靠性高等优点；

(3)简单的内部结构减少了同位素在壁面的附着，使得同位素提取效率更高，熔盐堆实验中，同位素颗粒到达燃料盐液面的比例大概为50％，本发明接近100％，大幅度提高了同位素的提取效率；

(4)本发明的放射性同位素生产装置在到达使用寿命时便于更换，方便燃料盐的重复利用，减少了燃料损失，并且减少放射性废弃物，降低了污染；

(5)各零部件在同位素生产中不存在局部冻堵问题；固态熔盐中存在大量气泡，熔化时能消化局部应力，装置不容易损坏。