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KR20100113621A - 방사성 동위원소 생성 및 표적 물질 용액의 처리 - Google Patents

방사성 동위원소 생성 및 표적 물질 용액의 처리 Download PDF

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KR20100113621A
KR20100113621A KR1020107019765A KR20107019765A KR20100113621A KR 20100113621 A KR20100113621 A KR 20100113621A KR 1020107019765 A KR1020107019765 A KR 1020107019765A KR 20107019765 A KR20107019765 A KR 20107019765A KR 20100113621 A KR20100113621 A KR 20100113621A
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KR1020107019765A
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존 엠 갈
마이클 에이 플랙
Original Assignee
더 큐레이터스 오브 더 유니버시티 오브 미주리
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Abstract

본 발명은 방사선 동위원소 생산 및 핵폐기물 처리를 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서, 중수와 임계치 이하량으로 존재하는 핵분열성 물질을 포함하는 표적 물질의 용액은 차폐된 방사선 용기에 제공된다. 제동복사 광자가 상기 용액에 투입되고, 중수에 존재하는 중양성자의 핵과 상호반응하여 광중성자를 발생시키는 데 충분한 에너지를 가지며, 결과적으로 생성된 광중성자는 핵분열성 물질의 핵분열을 유발시킨다. 상기 제동복사 광자는 전자 빔(37) 및 x-선 컨버터(32)에 의해 발생될 수 있다. 본 발명의 장치는 작으며, 의학 시설 및 산업 시설에서와 같은 분야에서 방사성 동위원소를 발생시킬 수 있다. 생성물 회수 후 계속적인 사용을 위해 용액을 재순환시킬 수 있다.

Description

방사성 동위원소 생성 및 표적 물질 용액의 처리{RADIOISOTOPE PRODUCTION AND TREATMENT OF SOLUTION OF TARGET MATERIAL}
우선권 주장 및 관련 출원 참조
본 원은 2008년 2월 5일자로 출원된 이전 가출원 일련 번호 61/063,623호로부터 35 U.S.C. §119 하에 우선권을 청구한다.
기술 분야
본 발명의 분야는 광중성자 및 방사성 동위원소 발생을 포함한다. 본 발명의 예시적 용도는 의료, 연구 및 산업 용도의 광중성자 및 방사성 동위원소의 생성을 포함한다.
중성자 및 방사성 동위원소에 대한 많은 의학적, 산업적 및 연구 적용이 있다. 산업적 적용은 즉발 감마선 방사화 분석(PGNAA: prompt gamma neutron activation analysis), 중성자 라디오그래피(neutron radiography) 및 방사능 기체 누출 시험(radioactive gas leak testing)을 포함한다. 의학적 용도는 단거리요법(brachytherapy), 방사성 의학, 방사성 스텐트, 붕소 중성자 포획 요법('BNCT') 및 의학 화상을 포함한다.
많은 유용한 방사성 동위원소의 생성은 1초에 표적의 1 평방 센티미터을 통과하는 중성자의 수에 의해 측정하여, 충분히 높은 중성자 플럭스(중성자/cm2-초)를 제공하는 중성자 공급원을 필요로 한다. 충분히 지속되는 중성자 플럭스는 일반적으로 원자로에 의해 제공된다. 원자로는 건설하고 유지하는 데 고가이고 안전 및 규제 문제로 인해 도시 환경에 적당하지 않다. 많은 유용한 방사성 동위원소가 원자로에 의해 생성되지만, 세계에서 단지 소수의 지역에서만 임상적으로 적절한 양으로 의학 동위원소, 예컨대 의학 분야에서 매우 요구되는 몇몇 동위원소 중 하나인 몰리브덴-99(Mo-99)을 발생시킬 수 있다. 또한, 많은 유용한 방사성 동위원소의 붕괴 속도는 방사성 동위원소의 원격 생산을 불가능하게 하는데, 이는 그 붕괴 속도가 가공 및 이동 시간을 제공하지 않기 때문이다.
비반응기 중성자 공급원, 예컨대 중성자를 방출하여 붕괴하는 동위원소는 덜 고가이며 더 편리하다. 그러나, 플루토늄-베릴륨 공급원과 같은 공급원 및 관성 정전 차단 융합 장치(inertial electrostatic confinement fusion device)는 많은 용도에 요구되는 지속적인 높은 중성자 플럭스를 발생시킬 수 없다.
일반적으로 사용되는 의학 동위원소는 임계량의 핵분열성 물질, 예컨대 우라늄-235으로 연료 공급된 경수로(light water reactor)에서 생성된다. 전형적으로, 표적 물질은 일정 기간 동안 원자로 심(reactor core) 내에서 방사선 처리한 후, 원격 화학 가공을 위해 중차폐된(heavily shielded) 시설로 제거 및 이동시킨다. 다른 반응기 유형, 예컨대 '유체 연료 원자로' 또는 '용액 원자로'로 또한 알려져 있는 '수용액 균질' 원자로('aqueous homogeneous' reactor) 설계가 의학적 동위원소 생산에 제안되어 왔다.
예를 들어, 미국 특허 3,050,454호에는 스팀 중 핵분열성 물질을 순환 흐름 통로를 거쳐 반응 영역 또는 코어에 통과시키는 원자로 시스템이 개시되어 있다. 미국 특허 3,799,883호에는 우라늄 물질을 방사선 처리하여 그 우라늄 물질을 용해시키고, 알파-벤조인옥심과 접촉시켜 몰리브덴을 침전시킨 후, 그 용액을 흡착제와 접촉시키는 것을 포함하는 몰리브덴-99의 회수 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 3,914,373호에는 한 동위원소의 환형 폴리에테르와의 착물을 우선 형성한 후, 상기 착화된 동위원소를 함유하는 환형 폴리에테르를 상기 공급 용액으로부터 분리하는 것에 의한 동위원소 분리 방법이 개시되어 있다.
미국 특허 4,158,700호에는 몰리브덴-99 및 테크네튬-99m을 함유하는 흡착제 크로마토그래피 물질을 물 약 0.1% ~ 약 10% 미만 또는 1~6개의 탄소 원자를 갖는 지방족 알코올로 구성된 군으로부터 선택되는 용매 약 1% ~ 약 70% 미만을 함유하는 유기 용매를 포함하는 중성 용매 시스템으로 용리시키는 것 및 상기 용출액으로부터 상기 용매 시스템을 분리함으로써 몰리브덴-99을 실질적으로 함유하지 않고 테크네튬-99m을 함유하는 건조 미립자 잔류물을 얻는 것으로써 건조 미립자 형태로 테크네튬-99m을 생성하는 정제 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 5,596,611호에는 무기 또는 유기 화학물과의 상호반응을 통해 원자로로부터의 핵분열 생성물을 처리하여 의학 동위원소를 추출하는 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 5,596,611호에는 의학 동위원소 생성 전용의 소형 원자로의 제공을 의도하며, 여기서 상기 소형 원자로는 100~300 킬로와트 범위의 전력 수준이며, 93% 농축 우라늄으로 U-235를 대략 1000 g 함유하는 질산우라닐 용액 20 리터 또는 20% U-235으로 농축된 우라늄 대략 1000 g을 함유하는 질산우라닐 용액 100 리터를 적용한다. 미국 특허 5,910,971호에는 수용액 균질로의 황산우라닐 핵연료로부터 중합체 흡착제에 의해 Mo-99를 추출하는 방법이 개시되어 있다.
따라서, 원자로는 유용한 동위원소 생산에서 주요 인자로 존재한다. 주요 의학 동위원소는 테크니튬-99m이며, 이는 몰리브덴-99의 붕괴 생성물이다. 테크네튬-99m으로의 몰리브덴-99 붕괴의 반감기는 약 65 시간이다. 작은 납 발생기를 사용하여 몰리브덴-99 및 테크네튬-99m을 의학 시설로 운반하고, 여기서 상기 테크네튬-99m은 다양한 질병에 대해 시험하기 위해 고안된 다양한 약학 시험 키트에 첨가된다. 몰리브덴-99의 4개의 주요 공급국은 캐나다, 네덜란드, 벨기에 및 남아프리카이다. 미국을 주당 약 150,000 투여량을 사용하여 암, 심장 질환 및 골 또는 신장 질병 및 운동부하 심전도 시험(cardiac stress test)을 위한 신체 스캔을 실시한다.
단지 테크네튬-99m을 생성할 수 있는(몰리브덴-99을 생성함으로써) 원자로는 소수의 나라에서 작동하기 때문에, 중요한 의학 동위원소의 생성은 우라늄의 수출 및 다른 국가에서의 원자로의 신뢰성 있는 조작 둘 모두에 의존한다. 보안 및 공급 문제가 제조, 수출 및 수입 과정에서 발생한다.
원자로 시설은 노화되고 계속 신뢰성 있게 생산할 수 있을 것이라 기대할 수 없으며, 새로운 시설도 건설되지 않았다. 예로서, 2007년의 캐나다 NRU 원자로의 2007년 1개월 기간의 폐쇄는 테크네튬-99m/몰리브덴 99의 세계적인 부족을 유발시켰다. 테크네튬-99m/몰리브덴 99 생산에 대한 네덜란드 반응기는 2008년에 장기 폐쇄를 겪었다. 또다른 원자로 폐쇄가 최근 프랑스, 남아프리카 및 기타 국가에서 발생하였다. 필수 지속 수준의 높은 중성자 플럭스를 발생시키기 때문에 원자로에서 전형적으로 생성되는 방사성 동위원소의 생성에서의 원자로에 대한 필요성을 제거함으로써 큰 이점이 실현될 수 있다. 작동하는 원자로는 노화되었으며, 새로운 원자로는 건설되지 않았다. 미국을 비롯한 많은 국가에서 의학적으로 중요한 동위원소를 생성하기 위한 임의의 시설이 부족하다.
본 발명은 방사선 동위원소 생산 및 핵폐기물 처리를 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서, 중수와 핵분열성 물질을 포함하는 표적 물질의 용액은 차폐된 방사선 용기에 제공된다. 제동복사 광자가 상기 용액에 투입되고, 중수에 존재하는 중양성자의 핵과 상호반응하여 광중성자를 발생시키는 데 충분한 에너지를 가지며, 결과적으로 핵분열성 물질의 핵분열을 유발시키는 광중성자를 갖는다. 상기 제동복사 광자는 전자 빔 및 x-선 컨버터에 의해 발생될 수 있다. 본 발명의 장치는 작으며, 의학 시설 및 산업 시설에서와 같은 분야에서 방사성 동위원소를 발생시킬 수 있다. 생성물 회수 후 계속적인 사용을 위해 용액을 재순환시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 방법을 예시하는 흐름도이고;
도 2는 본 발명의 방법을 실시하는 본 발명의 바람직한 장치에서 발생하는 사건을 개략적으로 예시하며;
도 3은 본 발명의 바람직한 장치에 사용되는 방사선 용기의 개략적인 단면이고;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시양태 시스템의 개략적인 도해이다.
본 발명은 방사성 동위원소의 생성 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서, 중수 및 핵분열성 물질의 용액은 차폐된 방사선 용기에 함유된다. 제동복사 광자는 상기 용액에 주입되고, 중양성자의 핵에 존재하는 중성자가 그 핵으로부터 방출되도록 하는 데 충분한 에너지를 가진다. 이어서, 생성된 광중성자는 상기 핵분열성 물질의 핵분열을 유발시킨다. 상기 용액 중 추가 물질이 또한 핵분열할 수 있거나, 중성자 포획을 거칠 수 있다. 상기 제동복사 광자는 전자 빔 및 x-선 컨버터에 의해 발생될 수 있다. 본 발명의 장치는 작으며, 의학 시설 및 산업 시설에서와 같은 분야에서 방사성 동위원소를 발생시킬 수 있다. 중수-핵분열성 용액은 생성물 회수 후 계속적인 사용을 위해 재순환될 수 있다.
본 발명은 표적 물질 중 중성자 포획 및/또는 핵분열성 물질의 핵분열을 통해 방사성 동위원소를 생성하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서, 중수(산화중수소) 및 핵분열성 물질의 용액은 차폐된 방사선 용기에 함유된다. 핵분열성 물질(전형적으로 우라늄 235, 우라늄 233 또는 플루토늄 239)은 '열' 에너지(∼0.025 MeV)의 중성자가 포획될 시 핵분열을 거치게 된다. 핵분열성 물질이 핵분열가능한 물질과 함께 이용가능하기 때문에(예를 들어, 우라늄 235는 농축 처리 후 우라늄 238을 갖는 물질의 20/80 비율까지 이용가능함), 상기 용액은 또한 핵분열가능한 물질을 포함하게 되며, 상기 일부 핵분열가능한 물질은 핵분열하게 된다. 핵분열가능한 물질은 '열외(epithermal)' 또는 '신속(fast)' 에너지의 중성자 포획에 의해 핵분열을 거치게 된다. 중성자 포획 물질은 또한 상기 용액에 포함될 수 있으며, 중성자 포획을 통해 유용한 동위원소로 전환될 수 있는 물질이다.
본 발명에서, 제동복사 광자는 상기 중수 및 핵분열성 물질 용액에 주입되고, 상기 중양성자와 상호반응하고 그 중양성자 핵 중 중성자가 방출되도록 하는 데 충분한 에너지를 보유한다. 중양성자 핵의 광자 충돌에 의해 발생되는 중성자는 광 중성자라 언급되어 이를 핵분열 중성자라 일컬어지는 핵분열 과정에 의해 생성되는 중성자와 구별한다. 충분한 에너지의 광자와 중수소의 상호작용에 의해 상기 용액 중에 발생된 광중성자 필드는 핵분열성 및 핵분열가능한 물질의 핵분열 및/또는 다른 표적 물질에 의한 중성자 포획을 통해 유용한 방사성 동위원소를 발생시킨다.
제동복사 광자 발생을 위한 바람직한 방법은 전자 빔을 x-선 컨버터로 배향시키는 것이다. 작은 전자 가속기가 사용될 수 있기 때문에, 본 발명의 장치는 작으며, 의학 시설 및 산업 시설에서와 같은 분야에서 방사성 동위원소를 발생시킬 수 있다. 중수-핵분열성 용액은 생성물 회수 후 계속적인 사용을 위해 재순환될 수 있다.
본 발명의 바람직한 방법 및 시스템은 광중성자들 간의 충돌(예를 들어, 우라늄-235의 핵분열 생성물로서 몰리브덴-99의 생성)을 거쳐 또는 핵분열성 중수 용액에 포함된 다른 표적 물질에 의한 광중성자의 포획(예컨대, 이트륨-89에 의한 중성자 포획을 통한 이트륨-90의 생성)을 통한 임계치 이하량의 표적 물질의 핵분열로부터 방사성 동위원소를 발생시킨다. 본 발명의 방법은 원자로 없이 실시할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 시스템은 지역에 사용되어 방사성 동위원소를 발생시킬 수 있는 컴팩트한 시스템을 허용하는 전자 빔을 사용한다.
본 발명의 바람직한 방법 및 시스템은 x-선 컨버터를 통해 전자 빔을 제동복사 광자로 전환시키고 그 제동복사 광자를 임계치 이하량의 핵분열성 물질을 차폐된 방사선 용기에 포함하는 중수에 투입한다. 상기 제동복사 광자는 중수소(2H)로부터 중성자를 분리하여 광중성자를 형성하는 데 충분한 에너지를 가진다. 상기 중수는 상기 표적 물질을 함유하고 상기 광중성자를 열 에너지로 완화시킨다.
본 발명은 또한 핵폐기물 처리를 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 사용된 핵연료 또는 다른 핵폐기물은 중수 및 핵분열성 물질 용액에 투입하여 표적 물질 및 중수의 용액을 생성할 수 있다. 충분한 에너지의 광중성자가 상기 시스템에 발생하여 상기 표적 물질의 중성자 포획 또는 핵분열을 유도하며, 상기 폐기물을 더욱 관리가능하거나 안정한 동위원소로 전환시킬 수 있다.
핵분열 생성물인 방사성 동위원소를 생성하기 위해서, 적절한 핵분열성 또는 핵분열가능한 물질을 추가적인 표적 물질로서 상기 용액에 포함시킨다. 이어서, 광중성자와 상기 표적 물질의 충돌은 그 표적 물질의 핵분열 반응을 유발시켜 핵분열 생성물로서 유용한 방사성 동위원소를 생성한다. 핵분열 생성물이 아닌 방사성 동위원소를 생성하기 위해서, 중성자를 포획하여 방사성 동위원소를 생성할 수 있는 적절한 물질을 추가적인 표적 물질로서 상기 용액에 포함시킨다. 따라서, 본 발명의 방법 및 시스템을 이용하여 핵분열 생성물인 방사성 동위원소 및 핵분열 생성물로서 이용불가한 방사성 동위원소, 예컨대 사마륨-153 또는 인-33을 생성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태 방법 및 시스템에서, 상기 전자 빔은 약 5~30 MeV, 가장 바람직하게는 약 5 ~ 약 15 MeV 범위의 에너지를 보유한다. 본 발명의 바람직한 방법 및 시스템에서, x-선 컨버터 물질은 원자 번호가 26 이상, 가장 바람직하게는 71 이상이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 방사성 동위원소 생성물은 중수 용액의 여과 또는 용매와의 상호반응에 의해 방사선 용기로부터 회수된다. 표적 물질이 잔류하는 용액은 재순환되어 표적 물질을 함유하는 매질 및 조절제로서 다시 작용할 수 있다. 재순환은 pH를 조절하는 화학 처리, 및 중수 또는 추가적인 표적 물질의 첨가를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 시스템에서, 상기 방사선 용기는 상기 시스템에서 제거가능할 수 있으며, 본 발명의 또다른 시스템에서, 입구 및 출구는 상기 방사선 용기의 내 및 외에서 중수 및 표적 물질을 순환시킬 수 있다. 제거가능한 방사선 용기는 공정 스테이션으로 이송시켜 공정 처리를 위해 중수, 방사성 동위원소 및 잔류 표적 물질의 용액을 추출할 수 있다. 순환 시스템은 고정된 방사선 용기의 경우에 용액을 공정 스테이션으로 배향시킬 수 있다. 본 발명의 시스템은 광중성자 및 핵분열 중성자에 의해 방사선 처리된 중수로부터 분리된 표적 물질을 상기 용기에 투입하는 샘플 스테이션을 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태가 도면과 관련하여 논의되게 된다. 상기 도면은 개략적인 묘사이며, 당업계의 일반적인 지식 및 이를 따르는 설명의 관점에서 전문가에 의해 이해되게 된다. 도면에서 강조를 위해 특징부가 과장될 수 있으며, 특징부는 크기 변화되지 않을 수 있다. 달리 정의되지 않는 경우, 본 원에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 원이 속하는 업계의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
도 1은 방사성 동위원소의 생성 또는 핵폐기물의 처리를 위한 바람직한 방법을 예시한다. 도 1의 방법에서, 광자 환경이 형성된다(단계 10). 광자 환경을 위한 광자를 생성하기 위한 바람직한 단계는 전자 빔을 생성하고(단계 12), 그 빔을 x-선 컨버터(단계 12)로 배향시키는 것이다. 광자 환경(10)은 중수 및 표적 물질을 함유하는 방사선 용기 내에 있다. 제동복사 광자는 임계치 이하량의 핵분열성 물질을 포함하고 또한 추가의 핵분열가능한 또는 중성자 포획 표적 물질을 포함할 수 있는 차폐된 방사선 용기 내에서 상기 x-선 컨버터에서 상기 중수로 배향된다. 상기 광자는 광중성자가 상기 중수 내에 존재하는 중수소부터 방출되도록 유도한다. 상기 중수는 상기 광중성자를 열 에너지로 완화시킨다. 상기 중수는 표적 물질을 함유하고 상기 광중성자를, 표적 물질에 의한 핵분열 또는 중성자 포획의 보다 높은 속도를 허용하는 보다 낮은 에너지로 완화시킨다.
상기 표적 물질은 핵분열 반응 또는 중성자 포획(단계 20)을 거친다. 핵분열 생성물인 방사성 동위원소를 생성하기 위해서, 적절한 핵분열성 또는 핵분열가능한 물질을 표적 물질로서 선택한다. 이어서, 상기 표적 물질의 충돌은 그 표적 물질의 핵분열 반응을 유발시켜 핵분열 생성물로서 유용한 방사성 동위원소를 유도한다. 핵분열 생성물이 아닌 방사성 동위원소를 생성하기 위해서, 중성자를 포획하여 방사성 동위원소를 생성할 수 있는 추가적인 물질을 추가적인 표적 물질로서 상기 용액에 포함시킨다. 따라서, 본 발명의 방법 및 시스템을 이용하여 핵분열 생성물인 방사성 동위원소 및 핵분열 생성물로서 이용불가한 방사성 동위원소를 생성할 수 있다. 추가적인 표적 물질은 핵폐기물 처리를 위한 바람직한 방법에서 핵폐기물일 수 있으며, 핵분열 또는 중성자 포획을 거쳐 그 핵폐기물을 더욱 허용가능하고 취급가능한 동위원소로 전환시킨다.
생성된 방사성 동위원소가 회수된다(단계 21). 상기 회수는 중수 용액을 여과시켜 실시할 수 있다. 임계치 이하량의 핵분열 물질을 광자 환경에서 이용한다.
중수, 핵분열성 물질 및 임의의 추가적인 표적 물질의 용액을 순환 시스템을 이용하여 또는 제거가능한 방사선 용기에 의해 투입할 수 있다(단계 22). 제거가능한 방사선 용기는 공정 스테이션으로 이송시켜 공정 처리를 위해 중수, 방사성 동위원소 및 잔류 표적 물질의 용액을 추출할 수 있다. 순환 시스템은 고정된 방사선 용기의 경우에 용액을 공정 스테이션으로 배향시킬 수 있다. 상기 용액은, 예컨대 pH 수준을 설정하는 화학 처리 및 중수 및/또는 표적 물질의 첨가에 의해 재순환될 수 있다. 상기 재순환(단계 24)은 회수 단계(단계 21) 후에 실시되며, 순환 시스템 또는 제거가능한 방사선 용기에 의해 용이하게 이뤄진다.
도 2는 본 발명의 바람직한 장치에서 발생하는 사건을 개략적으로 예시한다. 바람직하게는 약 5 ~ 30 MeV, 가장 바람직하게는 약 5 ~ 10 MeV 범위의 에너지를 갖는 전자 빔(30)은 x-선 컨버터(32)(예컨대, 탄탈 또는 텅스텐) 상에 입사하여 제동복사 광자(34)를 생성한다. 제동복사 전자(34)는 2H 공급원을 제공하는 중수(38)를 함유하는 방사선 용기(36)로 배향된다. 중성자(40)(광자와 중양성자 핵의 상호작용을 통해 유래하는 광중성자라 일컬어짐)가 광핵 반응을 통해 생성된다. 광핵 반응은 광자가 원자의 핵에서의 중성자의 결합 에너지를 극복하는 데 충분한 에너지를 보유하는 경우에 발생하며, 여기서 광자가 핵에 의해 흡수되고 중성자가 방출된다. 중수소 2H는 2.23 MeV의 역치 에너지를 보유한다. 상기 제동복자 광자는 중수에서 광핵 반응을 유발시키는 데 충분한 에너지를 가진다.
이어서, 상기 중성자(40)는 표적 물질(42)에 의해 포획되고, 이는 그 표적 물질이 핵분열성 또는 핵분열가능한 경우에 그 표적 물질의 핵분열 반응을 유발시킬 수 있다. 상기 핵분열 반응 중에, 소정의 방사성 동위원소가 핵분열 중성자(46)와 함께 핵분열 생성물(44)로서 생성된다. 상기 전자 빔(30)의 상기 x-선 컨버터(32)로의 적용을 통한 중수의 광핵 반응에 의한 광중성자의 연속적인 생성은 상기 핵분열 반응을 지속시킨다. 상기 핵분열 중성자(46)가 또한 상기 방사선 용기로 재 '주입'되고 특정 정도로 상기 핵분열 반응을 지속시키지만, 상기 핵분열 중성자는 임계치 이하량의 표적 물질이 사용되는 한 상기 핵분열 반응을 단독으로 지속시킬 수 없다. 앞서 논의된 바와 같이, 표적 물질은 또한 중성자 포획을 통해 방사성 동위원소를 생성하도록 선택될 수 있다.
도 3은 방사선 용기(36) 및 x-선 컨버터(32)의 단면을 나타낸다. 상기 x-선 컨버터(32)는 전자 빔 발생기(37)로부터 전자 빔을 수취한다. 양성자 빔 발생기는 또한 적절한 광자 생성 물질과 함께 사용될 수 있으나, 양성자 빔 및 광자 생성 물질은 생성된 광자에 효율적이지 않다. 상기 방사선 용기(36)는 반사 물질(48)로 차폐되고, 이는 바람직하게는 상기 방사선 용기(36)를 완전히 둘러싼다. 플레늄(49)은 핵분열 생성물로서 방출된 또는 방사선 분해에 의한 기체를 포획한다. 상기 방사선 용기(36)는 방사선 손상 및 부식에 내성이 있는 물질, 예컨대 비한정적으로 지르코늄의 다양한 합금 또는 일부 스테인레스 스틸로 구성된다. 상기 반사물(48)은 중성자를 반사선 용기(36)로 효과적으로 재반사시키는 물질, 예컨대 비한정적으로 경수, 중수, 베릴륨, 니켈 또는 저밀도 폴리에틸렌으로 구성되거나 이를 함유한다. 상기 논의된 바와 같이, 방사선 용기(36) 내에 표적 물질을 함유하는 중수(50)는 광중성자의 공급원, 및 광중성자 및 핵분열 중성자의 완화제 둘 모두로서 작용한다. 상기 방사선 용기(36)는 혼합기 또는 교반기를 포함하거나 이에 부착되어 중수 및 표적 물질의 용액을 유지하고 그 표적 물질의 침강을 억제할 수 있다.
도 4는 방사성 동위원소의 생성 및 추출을 위한 시스템을 예시한다. 차폐되어야 하는 적합한 파이핑으로부터 형성된 순환 루프(52)는 방사선 용기(36)로부터 용액을 삽입 및 제거하기 위한 루프를 정의한다. 방사성 동위원소 생성 후, 그 방사성 동위원소 생성물을 갖는 용액을 밸브(56)을 통해 방사성 동위원소 회수 스테이션(54)으로 전환시킨다. 상기 스테이션(54) 중 흡착제 칼럼 또는 여과 시스템은 상기 방사성 동위원소를 수집하고, 상기 용액은 밸브(56)를 통해 순환 루프(52)에 재진입한다.
전형적으로, 회수 스테이션에서의 방사성 동위원소의 회수는 상기 흡착제와 상기 용액의 상호작용 또는 여과 약 12~36 시간 후에 이뤄질 수 있다. 이어서, 세척 및 용리 스테이션(62)은 흡착제 칼럼 또는 여과 시스템 상에서 밸브(64)를 통해 화학물, 예컨대 물을 세척하여 정제된 방사성 동위원소를 추출 스테이션(66)으로 운반하는 용리제를 세척한다. 추가 대상 동위원소를, 상기 대상 방사성 동위원소에 적합한 화학 공정이 실시되는 방사성 동위원소 추출 스테이션으로 공정 처리할 수 있다. 방사성 동위원소가 수집된 잔류 용액을 순환 루프(52)를 통해 재순환 스테이션(68)으로 이송시킨다. 재순환은 화학 처리, 중수 첨가 및 표적 물질의 첨가를 포함할 수 있다. 또한, 화학 공정을 돕거나 상기 시스템의 중성자를 변경하는 것이 필요한 경우 경수를 상기 용액에 투입할 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태가 도시되고 기술되었지만, 다른 수정예, 변경예 및 대체예가 당업자에게 명백하다는 것이 이해되어야 한다. 상기 수정예, 변경예 및 대체예는 첨부되는 특허청구범위에서 정해져야 하는 본 발명의 사상 및 범위로부터 이탈함 없이 행해질 수 있다.
본 발명의 다양한 특징이 첨부된 특허청구범위에서 진술된다.

Claims (19)

  1. 차폐된 방사선 용기에 핵분열성 물질을 포함하는 중수와 표적 물질의 용액을 제공하는 단계; 및
    상기 용액에, 상기 중수에 존재하는 중양성자의 핵과 상호작용하여 광중성자를 발생하는 데 충분한 에너지를 갖는 제동복사 광자를 도입하고, 생성되는 광중성자가 상기 핵분열성 물질의 핵분열을 유도하는 단계
    를 포함하는 방사성 동위원소 생성 또는 핵폐기물 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    전자 빔을 발생시키는 단계; 및
    상기 전자 빔을 x-선 컨버터로 배향시켜 제동복사 광자를 발생시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전자 빔은 약 5∼30 MeV 범위 내의 에너지를 갖는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전자 빔은 약 5 ∼ 약 15 MeV 범위 내의 에너지를 갖는 것인 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 x-선 컨버터는 원자 번호가 26 이상인 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 x-선 컨버터는 원자 번호가 71 이상인 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용액은 임계치 이하량의 핵분열성 물질을 포함하는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용액은 추가 표적 물질로서 핵분열가능한 물질을 포함하는 것인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 용액은 추가 표적 물질로서 중성자 포획 물질을 포함하는 것인 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 우라늄-235를 포함하는 것인 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 우라늄-233을 포함하는 것인 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 플루토늄-239를 포함하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 용액으로부터 방사성 동위원소를 회수하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 회수 단계는 여과 단계를 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 회수 단계는 상기 용액을 흡착제와 상호작용시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 흡착제를 씻어내는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 용액을 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 재순환 단계는 상기 용액을 화학물로 처리하고, 중수를 첨가하며, 표적 물질을 첨가하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  19. 약 5 ∼ 30 MeV 범위의 에너지를 갖는 전자 빔을 발생시키는 전자 빔 발생기(37);
    상기 전자 빔 발생기로부터의 전자 빔을 받도록 배치된 x-선 컨버터(32);
    상기 x-선 컨버터로부터의 제동복사 광자를 받도록 배치되고 중수와 핵분열성 물질의 용액을 함유하는 차폐된 방사선 용기(36)
    를 포함하는, 방사성 동위원소 생성 또는 핵폐기물 처리를 위한 장치.
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