超钚同位素生产中的能谱过滤系统的制作方法

1.本发明涉及的是一种反应堆生产控制领域的技术，具体是一种基于铥-168、钡-135和银-107的超钚同位素生产中的能谱过滤系统。


背景技术：

2.锎-252中子源自动遥控系统-中子刀是一种集现代核物理、核医学、放射生物学、自动控制、计算机软件等多学科为一体的大型高科技治疗设备，中子刀是采用腔内直接对肿瘤进行照射的方法，通过锎-252发出的中子射线对病灶进行打击，以有效破坏恶性肿瘤的组织，使其萎缩坏死。中子刀与其它后装治疗设备相比，其优势是治疗功能与其它放疗设备相比要高出2至8倍，而副作用却微乎其微。锎-252的生产往往是在高通量堆中且在生产锎-252的靶件周围布置慢化剂从而获得一个更好的生产锎-252的能谱环境。但是锎-252的产量及转化率一直处于一个较低的水平，传统的通过布置慢化材料的方法已经无法进一步提高产量及转化率。所以，为进一步提高锎-252的产量及转化率，提出基于铥-168、钡-135和银-107的能谱过滤系统，进一步提升锎-252的产量及转化率。所以，基于铥-168、钡-135和银-107的能谱过滤系统具有良好的工程价值和应用前景。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术采用堆照生产医用同位素时，只能通过在靶件周围布置慢化材料来优化能谱的不足，提出一种超钚同位素生产中的能谱过滤系统，针对锎-252生产链条上核素的裂变吸收比和损失率分析，筛选出过滤材料，进一步提升锎-252产量及转化率，能够在布置慢化材料的基础上通过布置过滤材料，进一步提高医用同位素产量及转化率。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种超钚同位素生产中的能谱过滤系统，包括：蒙卡-燃耗计算单元、裂变吸收比分析单元、损失率分析单元、材料筛选单元以及布置仿真单元，其中：蒙卡-燃耗计算单元基于高通量堆模型以及布置在其中的生产靶件进行蒙卡-燃耗计算，得到生产链条上燃耗中期靶件中各核素的吸收率和裂变率；裂变吸收比分析单元分析生产链条上重点核素的裂变吸收比随能量的变化关系，得到裂变吸收比候选能区；损失率分析单元分析生产链条上稳定核素的损失率随能量的变化关系，得到损失率候选能区；材料筛选单元根据裂变吸收比候选能区和损失率候选能区，通过可视化核素数据库得到候选过滤材料，布置仿真单元将候选过滤材料布置在高通量堆模型的靶件周围并生成更新模型后反馈至蒙卡-燃耗计算单元，以进行更新燃耗计算，直至得到所需超钚同位素产量。
6.所述的重点核素是指：裂变率大于吸收率的核素。
7.所述的裂变吸收比候选能区是指：裂变吸收比较大峰值对应的能区，具体范围为：(8.7643e-7mev,1.8554e-6mev)与(3.7266e-5mev,1.013e-4mev)。
8.所述的稳定核素是指：生产链条上既不希望其发生裂变也不希望其发生吸收的核素。
9.所述的损失率候选能区是指：损失率较大峰值对应的能区，具体范围为：(8.7643e-7mev,1.8554e-6mev)与(1.0677e-5mev,1.013e-4mev)。
10.所述的候选过滤材料是指：在裂变吸收比候选能区或损失率候选能区内具有较大反应截面的材料，具体范围为：(8.7643e-7mev,1.8554e-6mev)与(1.0677e-5mev,1.013e-4mev)。
11.所述的燃耗中期裂变吸收比是指：以蒙卡-燃耗计算90天为例，燃耗50天时的靶件处生产链条上的各核素的吸收率和裂变率，计算裂变率/吸收率作为裂变吸收比。
12.所述的燃耗中期损失率是指：以蒙卡-燃耗计算90天为例，燃耗50天时的靶件处生产链条上的各核素的吸收率和裂变率，计算裂变率+吸收率作为损失率。
13.所述的吸收裂变比峰值对应能量处有较大反应截面的材料，通过jains核素数据可视化软件，筛选出在上述峰值对应能量处有较大反应截面的材料，从而降低在损耗较大的能区的通量，从而减少靶件损失。
14.所述的吸收裂变比峰值对应能量处有较大反应截面的材料，优选为铥-168、钡-135和银-107。
15.本发明涉及一种超钚同位素的应用，具体为：将铥-168、钡-135和银-107布置在生产医用同位素锎-252的靶件周围，实现能谱过滤。
16.所述的布置，具体位置方式为：靶件为边长0.58cm，高5cm的正六棱柱，其中过滤材料的布置为环绕在靶件周围0.005cm厚，高5cm的空心正六棱柱。技术效果
17.本发明根据蒙卡-燃耗计算求得燃耗中期靶件处生产链条上各核素的吸收率和裂变率。定义裂变吸收比＝裂变率/吸收率；定义损失率＝吸收率+裂变率，裂变吸收比大的核素则说明其会造成较大的靶件损耗，需要我们重点关注，并通过分析其裂变吸收比随能量的变化，分析其需要重点关注的裂变吸收比大的能区，需要尽量减少该能区通量从而减少靶件损耗，同时分析生产链上既不希望发生裂变也不希望发生吸收的核素，分析其损失率随能量的变化，分析其损失率大的能区，需要尽量减少该能区通量从而减少靶件损耗。本发明通过在靶件周围布置相应的过滤材料，降低特定能区的通量水平，减少生产中间核素的损耗从而提升目标医用同位素产物的产量及转化率。
附图说明
18.图1为本发明流程图；
19.图2为高通量堆的模型x-y截面简图；
20.图3为高通量堆的模型x-z截面简图；
21.图4为燃耗中期生产链条上各核素的吸收率和裂变率图；
22.图5为吸收裂变比大的几种核素的裂变吸收比随能量的变化图；
23.图6为锔-249、锫-250和锎-252的损失率随能量的变化图；
24.图7为铥-168的反应截面随能量的变化图；
25.图8为钡-135的反应截面随能量的变化图；
26.图9为银-107的反应截面随能量的变化图；
27.图10为布置铥-168后的燃耗中期1ev处的能谱过滤效果图；
28.图11为布置钡-135后的燃耗中期100ev处的能谱过滤效果图；
29.图12为布置银-107后的燃耗中期40ev处的能谱过滤效果图。
具体实施方式
30.本实施例在图2、3所示的典型高通量堆。高通量堆为生产典型医用同位素锎-252提供生产环境。该典型高通量堆的形状为直径298.14cm，高210cm的圆柱，其中堆芯活性区的直径为58.14cm，高为50cm。
31.如图1所示，为本实施例涉及的一种基于上述系统的铥-168、钡-135和银-107的能谱过滤系统，具体包括：
32.步骤1：对典型高通量堆进行几何建模、材料建模，确定模拟的粒子类型和总粒子数。
33.在本实施例中，每代中子数n＝50000，共模拟200代，即总共模拟10000000粒子。执行90天的蒙卡-燃耗计算，获得生产医用同位素锎-252靶件处的能谱环境，即包括中子通量密度、裂变反应率、吸收反应率。
34.步骤2：计算靶件燃耗50天(燃耗中期)时生产链条上的各核素的裂变率和吸收率，筛选出锔-245、锔-247和锎-251这三个裂变率大于吸收率的核素。
35.步骤3：通过生产链条的核素嬗变关系，确定锔-249、锫-250和锎-252这些核素，在生产过程中既不希望该核素发生裂变反应也不希望其发生吸收反应。
36.步骤4：通过裂变吸收比大核素的裂变吸收比随能量的变化图，确定其在热区和共振区的裂变吸收比峰值对应的能量为1ev和100ev。
37.步骤5：通过锔-249、锫-250和锎-252的损失率随能量的变化图，确定作为终点产物的锎-252在1ev和40ev处具有较大的损失率峰值。
38.步骤6：通过janis核素数据可视化软件，筛选出在上述峰值对应能量处有较大反应截面的材料，从而降低在损耗较大的能区的通量，从而减少靶件损失。筛选出在1ev有较大反应截面的铥-168和在100ev处有较大反应截面的钡-135和在40ev左右有较大反应截面的银-107作为过滤材料。
39.步骤7:通过将靶件周围布置0.005cm厚度的过滤材料，进行90天的蒙卡-燃耗计算，验证布置这些过滤材料后，特定能群的通量是否被过滤以及最终的锎-252产量及转化率是否有所提升。
40.在本实施例中，采用蒙卡-燃耗计算对基于重点核素分析筛选出的过滤材料进行验证：通过对比蒙卡-燃耗计算求得锎-252产量，并通过计算布置过滤材料前后燃耗中期特定能区的能谱进行对该过滤材料的验证，其中验证对比结果见图10到图12以及表1所示。
41.表1
42.从图10到图12所示，布置铥-168、钡-135和银-107后，在燃耗中期时，能减少特定能区的通量，从而减少对应中间核素的损失。所以，本发明能够通过过滤特定能群通量，从
而提升医用同位素产量及转化率。
43.从表2所示，布置铥-168、钡-135和银-107后，特定需要过滤的能群通量均下降10％左右，均滤过绝对值约5
×
10
13
的通量，过滤效果良好。
44.表2
45.如表2所示，布置铥-168、钡-135和银-107后，90天燃耗周期的锎-252产量确实提升，相较于传统只通过布置慢化材料优化靶件处能谱从而提升产量方法，该系统提出可以通过对特定能区通量进行过滤，从而提升锎-252产量这样一个全新的思路。综上，本发明能够在传统生产医用同位素的基础上进一步提升其产量。
46.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种超钚同位素生产中的能谱过滤系统，其特征在于，包括：蒙卡-燃耗计算单元、裂变吸收比分析单元、损失率分析单元、材料筛选单元以及布置仿真单元，其中：蒙卡-燃耗计算单元基于高通量堆模型以及布置在其中的生产靶件进行蒙卡-燃耗计算，得到生产链条上燃耗中期靶件中各核素的吸收率和裂变率；裂变吸收比分析单元分析生产链条上重点核素的裂变吸收比随能量的变化关系，得到裂变吸收比候选能区；损失率分析单元分析生产链条上稳定核素的损失率随能量的变化关系，得到损失率候选能区；材料筛选单元根据裂变吸收比候选能区和损失率候选能区，通过可视化核素数据库得到候选过滤材料，布置仿真单元将候选过滤材料布置在高通量堆模型的靶件周围并生成更新模型后反馈至蒙卡-燃耗计算单元，以进行更新燃耗计算，直至得到所需超钚同位素产量。2.根据权利要求1所述的超钚同位素生产中的能谱过滤系统，其特征是，所述的重点核素是指：裂变率大于吸收率的核素；所述的裂变吸收比候选能区是指：裂变吸收比较大峰值对应的能区，具体范围为：(8.7643e-7mev,1.8554e-6mev)与(3.7266e-5mev,1.013e-4mev)；所述的稳定核素是指：生产链条上既不希望其发生裂变也不希望其发生吸收的核素；所述的损失率候选能区是指：损失率较大峰值对应的能区，具体范围为：(8.7643e-7mev,1.8554e-6mev)与(1.0677e-5mev,1.013e-4mev)；所述的候选过滤材料是指：在裂变吸收比候选能区或损失率候选能区内具有较大反应截面的材料，具体范围为：(8.7643e-7mev,1.8554e-6mev)与(1.0677e-5mev,1.013e-4mev)。3.根据权利要求1或2所述的超钚同位素生产中的能谱过滤系统，其特征是，所述的燃耗中期裂变吸收比是指：以蒙卡-燃耗计算90天为例，燃耗50天时的靶件处生产链条上的各核素的吸收率和裂变率，计算裂变率/吸收率作为裂变吸收比；所述的燃耗中期损失率是指：以蒙卡-燃耗计算90天为例，燃耗50天时的靶件处生产链条上的各核素的吸收率和裂变率，计算裂变率+吸收率作为损失率；所述的吸收裂变比峰值对应能量处有较大反应截面的材料，通过jains核素数据可视化软件，筛选出在上述峰值对应能量处有较大反应截面的材料，从而降低在损耗较大的能区的通量，从而减少靶件损失。4.根据权利要求1所述的超钚同位素生产中的能谱过滤系统，其特征是，所述的吸收裂变比峰值对应能量处有较大反应截面的材料为铥-168、钡-135和银-107。5.一种超钚同位素的应用，其特征在于，将铥-168、钡-135和银-107布置在生产医用同位素锎-252靶件周围，实现能谱过滤。6.根据权利要求5所述的超钚同位素的应用，其特征是，所述的布置，具体位置方式为：靶件为边长0.58cm，高5cm的正六棱柱，其中过滤材料的布置为环绕在靶件周围0.005cm厚，高5cm的空心正六棱柱。

技术总结
一种超钚同位素生产中的能谱过滤系统，包括：蒙卡-燃耗计算单元、裂变吸收比分析单元、损失率分析单元、材料筛选单元以及布置仿真单元，本发明针对锎-252生产链条上核素的裂变吸收比和损失率分析，筛选出过滤材料，分别为铥-168、钡-135和银-107，进一步提升锎-252产量及转化率，能够在布置慢化材料的基础上通过布置过滤材料，进一步提高医用同位素产量及转化率。率。率。


技术研发人员：潘清泉 赵庆飞 王连杰 夏榜样 蔡云 刘晓晶 熊进标 张滕飞
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/10/6