Способ получения материала активной части для источника гамма-излучения

Изобретение относится к области радиохимического производства, в частности к технологии изготовления материала активной части источников гамма-излучения на основе изотопов цезия. Предлагается способ синтеза ортофосфата цезия-магния из сухих солей реагентов, включающий стадии получения шестиводного кристаллогидрата и термообработки гидратированного соединения в температурном диапазоне 500-700°С. Изобретение позволяет синтезировать керамическую матрицу состава CsMgPO₄, обладающую высокой химической и радиационной стойкостью по технологической схеме, исключающей потери радиоактивного вещества.

 

Изобретение относится к области радиохимического производства и, в частности, к технологии изготовления материала активной части источников гамма-излучения на основе изотопов цезия.

Известна технология изготовления радиоизотопных источников с использованием хлорида цезия, в качестве материала активной части (Химия долгоживущих осколочных элементов / под ред. А.В.Николаева. - М.: Атомиздат, 1970). Данная технология имеет два основных недостатка: хлорид цезия является хорошо растворимым веществом и проявляет высокую коррозионную активность. Хорошая растворимость хлорида цезия существенно затрудняет возможность производить экологически безопасное хранение и захоронение отработавших источников.

Известна технология изготовления алюмофосфатного стекла, предлагаемого в качестве материала активной части изотопных источников (Алой А.С., Вишневский А.С., Кузнецов Б.С., и др. Включение концентратов цезия и мелкодисперсных пульп в стеклоподобные и керамические материалы // Атомная энергия - 1991. т.70). Данная технология имеет ряд существенных недостатков. Наиболее значимым является необходимость создания высоких (до 1100°С) температур в процессе варки стекла. Это приводит к значительному (до 5%) уносу цезия в газовую фазу. Второй недостаток недостаточно высокий процент включения цезия (до 40%) в стеклоподобную матрицу. Другой проблемой является сложность дозировки требуемого количества стекла в ампулу источника.

Известный материал цезий-ниобий-вольфрамовая керамика, предлагаемый в качестве материала активной части источников гамма-излучения (Клапшин Ю.П., Крюкова А.И. Радиоактивная керамика. - Патент. - RU 2000616 С. - Бюл. №33-36, 07.09.93) не технологичен в производстве, т.к. в процессе твердофазного синтеза происходит значительный унос цезия в газовую фазу (до 11%).

Наиболее близким к предлагаемому способу является синтез ортофосфата цезия-магния из твердых солей (А.В.Балуев, В.С.Митяхина, Б.И.Рогозев, и др. Способ фиксации цезия. - Патент SU 1389563). В соответствии с этим методом необходимо осуществить растирание стехиометрической смеси солей реагентов с соотношением Cs:Mg:P=1:1:1, затем провести термообработку в температурном диапазоне 700-1000°С. Недостатками способа являются наличие диспергирования в технологии синтеза и высокие температуры, приводящие к значительному (более 2%) уносу цезия в газовую фазу. Создание достаточно большой реакционной поверхности и высокой степени гомогенности смеси реагентов достигается за счет длительного диспергирования (растирания) солей, участвующих в твердофазной реакции. При работе с радиоактивными веществами диспергирование крайне не желательно, т.к. приводит к потерям реагентов (унос в виде радиоактивной пыли). Кроме того, твердофазный синтез не всегда гарантирует высокий выход конечного продукта из-за возможных конкурирующих реакций, что обуславливает высокую вероятность появления примесных фаз и снижения качества (ухудшения характеристик) матричного материала. В результате присутствия цезия в легко растворимых формах такой матричный материал не обеспечивает надежную фиксацию радионуклида.

В заявляемом способе предлагается получать ортофосфат цезия-магния из твердых солей реагентов путем двустадийного синтеза. Первая стадия процесса предполагает получение твердого цементоподобного компаунда на основе шестиводного кристаллогидрата ортофосфата цезия-магния с инкапсулированной фазой нитрата (или другой соли, в зависимости от исходных веществ) аммония. На второй стадии проводится обжиг в температурном диапазоне 500-700°С, при этом получают монофазный продукт состава CsMgPO₄. Целью изобретения является исключение стадии диспергирования при получении фосфатного материала, обеспечение высокого выхода конечного продукта и понижение температуры синтеза до 700°С.

Заявляемый способ позволяет получить продукт аналогичного, в сравнении с прототипом, химического состава, но при этом предлагает более предпочтительную схему синтеза.

Синтез проводится в две стадии. В случае использовании солей цезия с однозарядной анионной частью, реакции могут быть представлены следующим образом:

Способ получения ортофосфата цезия-магния включает следующие этапы:

- приготовление сухой смеси исходных реагентов в мольном соотношении Cs:Mg:P=1:1:1;

- дозирование воды (в соответствии с реакцией (1), 5 моль воды на 1 моль реагента);

- перемешивание суспензии;

- синтез гидратированного цезий-магний фосфата в процессе отверждения;

- термообработка в температурном диапазоне 500-700°С в течение 4-8 часов;

- охлаждение до комнатной температуры;

- промывка цезий-магний фосфата водой либо разбавленным раствором азотной кислоты;

- сушка.

Полученный в виде порошка матричный материал дозируется в ампулу источника. При необходимости порошок может прессоваться с получением таблеток.

Ортофосфатная керамика, получаемая заявляемым способом, обладает высокой гидролитической устойчивостью, не испытывает химических и фазовых изменений при радиационном и тепловом воздействии, что позволяет производить экологически безопасное хранение и захоронение отработавших источников без дополнительных мер по иммобилизации цезия.

Заявляемый способ, в сравнении прототипом, имеет следующие существенные преимущества:

- не требует механоактивации (диспергирования) реагентов;

- не требует температур свыше 700°С, что исключает унос цезия в газовую фазу;

- обеспечивает приготовление материала удобного при расфасовке в ампулу источника;

- предлагает технологичную и экологически безопасную схему получения фосфатного материала.

Пример 1.

- В качестве реагентов предлагается использовать сухие соли нитрата цезия, оксид магния и дигидрофосфат аммония. Исходные составляющие смешиваются в пропорции, обеспечивающей мольное соотношение компонентов Cs:Mg:P=1:1:1. В сухую смесь дозируется вода в количестве, обеспечивающем синтез гексагидрата цезий-магний фосфата (5 моль воды на моль реагента). Полученная суспензия перемешивается в течение 5-20 минут для гомогенизации компонентов. В результате реакции образуется монолитный первичный матричный материал - гидратированный цезий магний фосфат (CsMgPO₄·6H₂O) с инкапсулированной фазой нитрата аммония.

Полученный материал дегидратируют и кальцинируют при температуре 650°С в течении 6 часов.

В результате синтеза получается высококристалличный продукт в виде порошка состава CsMgPO₄.

Процесс синтеза и особенности фазообразования изучались с помощью методов дифференциального термического и рентгенофазового анализа. Конечный продукт, поликристаллический образец состава CsMgPO₄, был испытан на химическую стойкость по методике, разработанной в соответствии с ГОСТ 29114 и ISO 6961. Скорость выщелачивания цезия лежит в пределах от 10^-7 до 10^-6 г/(см²·сут). Исследование устойчивости матричного материала к радиационному воздействию проводили, облучая образец гамма-излучением.

По результатам ИК-спектрального и рентгенофазового анализов облученный образец не претерпел химическую и фазовую деградацию.

Результаты проведенных исследований доказывают возможность достижения технического результата заявляемым способом.

Таким образом, предложенный способ получения материала активной части источника гамма-излучения позволяет синтезировать керамическую матрицу состава CsMgPO₄, со степенью наполнения матрицы цезием до 53,5%, обладающую высокой химической и радиационной стойкостью по технологичной схеме, исключающей потери радиоактивного вещества.

Способ получения материала активной части для источника гамма-излучения, заключающийся в синтезе поликристаллического CsMgPO₄ путем термообработки стехиометрической смеси исходных веществ с мольным соотношением Cs:Mg:P=1:1:1, отличающийся тем, что на первой стадии синтеза получают шестиводный кристаллогидрат ортофосфата цезия-магния, на второй стадии полученный кристаллогидрат подвергают термообработке в температурном диапазоне 500-700°С.