Устройство для получения разблокированных стартовых мишеней

Изобретение относится к производству разблокированных стартовых мишеней с целью получения радиоактивных нуклидов с предельно высокой удельной активностью при их облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц. Устройство для получения разблокированных стартовых мишеней в ионизованном состоянии содержит лазер, световод, фокусирующую оптическую систему и держатель. Лазер импульсно-периодического действия ионизирует стартовый материал внутри изотопной ампулы. Мощность лазера обеспечивает на выходе плотность лазерного излучения не менее 10⁸ Вт/см². Световод подает излучение к облучаемой изотопной ампуле. Фокусирующая оптическая система герметизирует изотопную ампулу. Держатель обеспечивает совмещение оптических осей лазера и изотопной ампулы и фиксацию положения изотопной ампулы. Ампула содержит внутри себя стартовый материал в твердом агрегатном состоянии. Изобретение позволяет повысить удельную активность радиоактивных нуклидов в разблокированных стартовых мишенях.

 

Настоящее изобретение относится к производству разблокированных стартовых мишеней с целью получения радиоактивных нуклидов с предельно высокой удельной активностью при их облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц.

Известно, что получение целевых радионуклидов с высокой удельной активностью зависит помимо величины потока нейтральных или заряженных частиц, их энергии, сечений взаимодействия от степени самоэкранировки стартовой мишени. Эффект самоэкранировки заключается в том, что наружные слои стартовой мишени ослабляют поток частиц, в результате чего снижается его эффективное значение и, следовательно, уменьшается удельная радиоактивность. Согласно проведенным в ГНЦ РФ ИТЭФ расчетам проигрыш в удельной активности равен примерно коэффициенту 2 для кобальтовой мишени в виде пластины с толщиной 2 мм по сравнению с идеальной, полностью разблокированной мишенью [Г.В.Киселев. Технология получения радиоактивных нуклидов в ядерных реакторах. М.: Энергоатомиздат, 1990]. Для значительного числа стартовых нуклидов с целью получения максимально возможной удельной активности целесообразно использование разблокированных мишеней, т.е. мишеней с предельно низкой концентрацией стартового нуклида, что значительно снижает эффект самоэкранировки. В этой связи задача изготовления и применения разблокированных стартовых мишеней является практически важной при производстве целевых радионуклидов с высокими характеристиками.

Однако изготовление так называемых разблокированных стартовых мишеней с низкой концентрацией стартового нуклида представляет определенные трудности, в частности для труднообрабатываемых стартовых материалов, например иридия или золота. В этой связи представляет интерес рассмотрение других возможностей изготовления разбавленных стартовых мишеней по сравнению с существующими способами. Одно из возможных технических решений заключается в применении жидких стартовых мишеней, которые позволяют в принципе иметь любую минимальную концентрацию стартового нуклида. Для производства жидких стартовых мишеней в заготовительном отделении предусматривается использование химической установки, содержащей, например, реакционный сосуд для смешивания стартового материала и растворителя и последующего растворения стартового материала, дозатор для снаряжения изотопной ампулы заданным количеством стартового материала. В зависимости от стартового материала возможно использование водного, кислотного и щелочного растворителей. Жидкие стартовые мишени, изготавливаемые с помощью химической установки, являются максимально возможным приближением к разблокированным мишеням. Наиболее близкой к заявляемому является химическая установка для получения стартовых мишеней по «Способу изготовления мишени для облучения в реакторе» (патент RU 2240614 С1, кл. G21G 1/02, опубл. 20.11.2004).

Таким образом формулируется следующая техническая задача: требуется организовать изготовление разблокированных стартовых мишеней с целью получения радиоактивных нуклидов с предельно высокой удельной активностью при их облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц

Одним из возможных способов производства разблокированных стартовых мишеней является их получение в плазменном состоянии. С этой целью предлагается использовать энергию лазерного излучения для перевода твердых стартовых материалов в ионизованное (плазменное) состояние, что позволяет получить практически любую концентрацию стартового нуклида, близкую к идеальной. Авторами разработано стендовое лазерное устройство для решения производственной задачи по производству разблокированных стартовых мишеней в плазменном состоянии. Предлагаемое стендовое лазерное устройство состоит из твердотельного или газового лазера импульсного действия, световода, держателя для закрепления в нем изотопной ампулы со стартовым материалом и фокусирующей оптической системы в виде линзы из кристаллического материала, например, оптического стекла, кристалла натрий хлор и т.д. Изотопная ампула, размеры которой определяются размерами облучательного устройства, предварительно снаряжается стартовым материалом в твердом состоянии, герметизируется, осуществляется вакуумирование до разрежения 10^-2-10^-5 мм рт. ст. и устанавливается в держатель. Герметизация осуществляется с помощью фокусирующей линзы с тем, чтобы не происходило потери мощности лазерного излучения при облучении стартового материала в случае, если изотопная ампула будет иметь атмосферное давление.

Предлагаемое стендовое лазерное устройство работает следующим образом. После снаряжения изотопной ампулы, как указано выше, она устанавливается в держатель, производится юстировка лазера, световода и держателя таким образом, чтобы разница оптических осей лазера, световода и держателя с изотопной ампулой не превышала ±0.1 мм. После этого включается лазер на время, которое определяется продолжительностью полного перехода стартового материала в плазменное состояние. Процесс ионизации сопровождается разлетом ионов и их высаживанием на внутреннюю стенку изотопной ампулы, что позволяет обеспечить образование тонкого стартового материала с заданной концентрацией стартового нуклида. По окончании процесса ампула вынимается из держателя и передается для облучения в облучательном объеме ядерной установки, производящей радионуклиды. Отличием предлагаемого стендового лазерного устройства от прототипа заключается в полном отсутствии каких-либо реакционных сосудов, дозаторов и т.д. Кроме того, при облучении потоками нейтральных или заряженных частиц жидких стартовых мишеней возникает проблема радиолиза раствора, особенно для тех мишеней, которые должны облучаться длительное время в интенсивных потоках нейтральных или заряженных частиц. Помимо этого нельзя исключать вероятность разгерметизации изотопной ампулы с жидкой стартовой мишенью. Поэтому использование жидких стартовых мишеней, являясь принципиально возможным, носит ограниченный характер. Отличительным признаком заявляемого устройства является отсутствие реакционных сосудов, дозаторов и специальных мешалок. Другое отличие заключается в том, что стартовый материал находится на стенках изотопной ампулы и не может выйти за пределы изотопной ампулы и не представляет никакой опасности для облучательного объема в случае разгерметизации изотопной ампулы. Указанные отличия являются существенными для обеспечения безопасного облучения изотопных ампул в ядерной установке.

В обоснование предлагаемого устройства проведены соответствующие оценки, которые свидетельствуют о технической осуществимости предлагаемого устройства. Проведенное изучение позволяет рекомендовать следующие параметры элементов заявляемого устройства, обеспечивающие решение поставленной технической задачи

Лазер служит для генерации лазерного излучения необходимой интенсивности, позволяющей переводить любой стартовой материал в плазменное состояние: тип лазера - твердотельный или газовый, периодического действия, рабочая частота 100 Гц, мощность в пределах до 10 Дж, интенсивность излучения на выходе не менее 10⁸ Вт/см² с возможностью увеличения до 10⁹ Вт/см², диаметром лазерного пучка до 2 см. Световод служит для транспорта лазерного излучения в заданном направлении и обеспечения техники безопасности при работающем лазере, его длина не является лимитирующей величиной и может иметь длину до 1 м.

Держатель служит для фиксации снаряженной изотопной ампулы в заданном положении, должен быть установлен стационарно на неподвижном лабораторном столе и иметь фиксирующие механические или пневматические зажимы для обеспечения стационарного положения изотопной ампулы в процессе ее облучения лазером.

Согласно проведенным расчетам, для указанных параметров лазера и при интенсивности излучения 10⁹ Вт/см² в месте расположения твердого стартового материала скорость перехода стартового материала в плазменное состояние составит 1 мг за 10 сек. Это означает, что производительность предлагаемого стендового лазерного устройства будет находиться в пределах от 10 сек для массы стартового нуклида 1 мг, 1000 сек - для массы 100 мг, 10000 сек - для массы 1 г. Экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется увеличением удельной активности целевого радионуклида при использовании плазменной разблокированной мишени по сравнению с неразблокированной. Согласно данным [Г.В.Киселев. Технология получения радиоактивных нуклидов в ядерных реакторах. М.: Энергоатомиздат, 1990, стр. 63], выигрыш в удельной активности Ir-192 при использовании природной иридиевой мишени Ir-191 диаметром 2 мм (вес 30 мг) по сравнению с мишенью диаметром 6 мм составляет почти 3 раза. Вес мишеней из природного иридия диаметром 0.5-1.0 мм будет меньше 30 мг, выигрыш в удельной активности Ir-192 будет в 3-2 раз выше, чем для мишени диаметром 2 мм. Поэтому производительность предлагаемого стендового лазерного устройства для изготовления разблокированных стартовых мишеней является достаточной. Для реализации предлагаемого стендового лазерного устройства необходимо провести предварительные настроечные испытания, чтобы определить соотношение между расчетными и фактическими параметрами разблокированных стартовых мишеней.

Устройство для получения разблокированных стартовых мишеней в ионизованном состоянии, отличающееся тем, что содержит лазер, ионизирующий стартовый материал внутри изотопной ампулы, импульсно-периодического действия с мощностью, обеспечивающей на выходе плотность лазерного излучения не менее 10⁸ Вт/см², световод для подачи излучения к облучаемой изотопной ампуле, фокусирующую оптическую систему, герметизирующую изотопную ампулу, и держатель, обеспечивающий совмещение оптических осей лазера и изотопной ампулы и фиксацию положения изотопной ампулы, содержащей внутри себя стартовый материал в твердом агрегатном состоянии.