Стартовая композиция мишени на основе радия и способ ее изготовления
Владельцы патента RU 2436179:
Открытое акционерное общество "Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов" (RU)
Группа изобретений относится к области радиохимии и предназначена для использования в технологии получения радиоактивных изотопов. Для этого стартовая композиция мишени на основе радия содержит радий и разбавитель - оксид свинца. Способ получения стартовой композиции на основе радия заключается в соосаждении карбоната радия с карбонатом свинца из водных растворов их растворимых солей растворами водорастворимых карбонатов и прокаливании полученного осадка при температуре больше 350°С. Группа изобретений позволяет увеличить удельный выход продуктов активации радия. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области радиохимии и может быть использовано в технологии получения радиоактивных изотопов.
В настоящее время одним из возможных применений радия-226 является облучение его нейтронами, заряженными частицами или высокоэнергетичными гамма-квантами для получения изотопов 227Ас, 228Th, 229Th и 225Ас, представляющих значительный интерес для использования в качестве генераторов короткоживущих альфа-излучающих радионуклидов медицинского назначения, предназначенных для терапии онкологических заболеваний.
При облучении радия нейтронами в реакторах с водяным охлаждением необходимо, чтобы радий находился в труднорастворимой в воде форме. Это позволит избежать попадания значительных количеств радия, его дочерних продуктов распада и продуктов активации в теплоноситель (охлаждающую воду). При этом необходимо, чтобы данная форма радия была термически устойчива, а также позволяла проводить растворение облученного материала с целью выделения продуктов ядерных превращений. Таким требованиям удовлетворяет карбонат радия. Сульфат и фторид радия хоть и малорастворимы в воде и имеют большую температуру разложения, но их химические свойства затрудняют радиохимическое выделение целевых компонентов и регенерацию радия. Также сера в сульфате радия способна активироваться по реакциям 34S(n, γ)35S и 32S(n, p)32P. Вторая реакция приводит к образованию фосфат-ионов, дающих труднорастворимые соединения с радием и продуктами его активации (Ас при облучении протонами, быстрыми нейтронами и гамма-квантами, Ас и Th при облучении тепловыми нейтронами), что еще больше усложняет радиохимическую переработку облученной мишени.
Известна стартовая радиевая композиция мишени с использованием радия в виде бромида (Patent US №3459634).
Безводный бромид радия можно получить растворением карбоната радия в HBr или многократной обработкой хлорида радия бромистоводородной кислотой с последующим упариванием и высушиванием при 120-150°С [Вдовенко В.М., Дубасов Ю.В. Аналитическая химия радия. Серия "Аналитическая химия элементов". Ленинград, Наука. 1973. 190 с.].
Недостатком этого стартового материала для мишени является то, что бромид радия хорошо растворяется в воде и при разгерметизации оболочки мишени возможно загрязнение теплоносителя.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является стартовая радиевая композиция мишени с использованием радия в виде карбоната (Вдовенко В.М., Дубасов Ю.В. Аналитическая химия радия. Серия "Аналитическая химия элементов". Ленинград, Наука. 1973. 191 с.).
Способ изготовления такой стартовой композиции заключается в том, что сплавляют сульфат радия с карбонатами щелочных металлов при высоких температурах, растворяют полученный сплав в воде, фильтруют осадок карбоната радия и отжигают его при 700°С.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- при использовании миллиграммовых количеств радия он малопригоден вследствие неизбежных значительных механических потерь;
- для макроколичеств радия данный способ также имеет существенные недостатки вследствие снижения выхода целевых продуктов активации 226Ra по причине резонансного самоэкранирования.
Резонансное экранирование возникает вследствие значительного вклада резонансного поглощения нейтронов в процесс активации радия, и как следствие происходит быстрое падение плотности потока нейтронов с энергиями, отвечающими резонансной при компактном расположении атомов радия в объеме мишени.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение удельного выхода продуктов активации радия.
Вышеуказанная задача достигается тем, что стартовая композиция на основе радия-226 дополнительно содержит разбавитель - оксид свинца.
Радий в стартовой композиции находится в форме карбоната или плюмбата радия.
Способ получения стартовой композиции на основе радия-226 заключается в соосаждении карбоната радия с карбонатом свинца из водных растворов их солей растворами водорастворимых карбонатов и прокаливании полученного осадка при температурах выше 350°С.
Осаждение карбонатов радия-свинца производят из нейтральных или слабокислых растворов нитратов радия и свинца.
Осаждение карбонатов радия-свинца производят из нейтральных или слабокислых растворов ацетатов радия и свинца.
Использование свинца в качестве разбавителя для радия имеет следующие преимущества:
- уменьшаются механические потери при работе с миллиграммовыми количествами радия;
- отсутствует снижение выхода целевых продуктов активации радия вследствие резонансного самоэкранирования;
- упрощается последующая радиохимическая переработка облученного материала;
- природные изотопы свинца практически не активируются при облучении нейтронами и слабо влияют на плотность потока нейтронов вследствие низких сечений захвата нейтронов.
Ионы свинца Pb2+ и радия Ra2+, с одной стороны, имеют близкие значения ионного радиуса, следствием чего является схожее кристаллическое строение, близкая растворимость соединений радия и свинца (II), а также способность солей радия изоморфно соосаждаться с солями свинца (II). При необходимости свинец можно легко отделить от радия, например, осаждением малорастворимых хлорида или сульфида.
Соосаждение карбонатов было выбрано исходя из того, что радий хорошо соосаждается с карбонатом свинца, сами карбонаты радия и свинца, а также продукты их термического разложения нерастворимы в воде, но растворимы в азотной кислоте, традиционно применяемой для растворения облученных мишеней.
Осаждение необходимо проводить из нейтральных или слабокислых растворов солей свинца, так как в щелочных растворах соли свинца подвергаются сильному гидролизу, а при проведении осаждения из сильнокислых растворов наблюдается интенсивное газовыделение, приводящее к разбрызгиванию раствора.
При прокаливании при температуре ниже 350°С разложение карбоната свинца будет неполным, следовательно, имеется риск повышения давления в ампуле с облучаемым материалом во время облучения.
Преимуществами предлагаемой стартовой композиции перед прототипом является увеличение удельного выхода продуктов активации радия вследствие уменьшения коэффициента резонансного самоэкранирования и возможность использования свинца, входящего в состав стартовой композиции, в качестве носителя при осадительном разделении радия от продуктов его активации.
Свойства заявляемой композиции и способ ее получения проверяли с использованием нитрата бария в качестве имитатора нитрата радия. Исходя из близости химических свойств радия и бария, в том числе изоморфности карбонатов радия и бария, данные, полученные для бария, можно использовать для радия.
К 12 мл раствора Pb(NO3)2, содержащего 3 г нитрата свинца, 20 мг Ва и метку 133Ba, медленно через капельную воронку добавляли 30 мл раствора NH4CO3 концентрации 62 мг/мл. Оставили реакционную смесь на 15 ч для созревания осадка. Отфильтрововыли раствор через бумажный фильтр "синяя лента", промывали осадок 10 мл 10% раствора NH4HCO3, затем 4 раза порциями по 5 мл бидистиллированной воды. Концентрацию бария определили радиометрически по метке Ва, а концентрацию свинца - методом спектрофотометрии с арсеназо III.
Провели аналогичные эксперименты с использованием (NH4)2СО3, Na2CO3 и K2СО3.
Результаты опытов по соосаждению карбонатов бария-свинца приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| № | Водорастворимый карбонат | Степень осаждения свинца, % | Степень соосаждение бария, % |
| 1 | NH4HCO3 | >99,9 | ~88 |
| 2 | (NH4)2CO3 | >99,9 | ~92 |
| 3 | K2СО3 | >99,9 | >99,9 |
| 4 | Na2CO3 | >99,9 | >99,9 |
Из таблицы 1 видно, что наилучший результат достигается при использовании карбонатов натрия и калия.
Полученные препараты прокаливали при различных температурах. На прилагаемом чертеже приведены данные по термическому разложению стартовой композиции с соотношением Ва:Pb=1:2, полученной соосаждением карбонатов свинца и бария водным раствором карбоната калия.
Как видно из чертежа, при 410-550°С масса препарата выходит на постоянный уровень, что свидетельствует об окончании реакции разложения карбоната свинца и о термической стабильности получаемой стартовой композиции (PbO/ВаСО3). При дальнейшем нагревании в кислородсодержащей атмосфере наблюдается дальнейшее разложение с образованием плюмбата бария.
Генеральная проверка заявляемого способа проводилась экспериментально с использованием миллиграммовых количеств радионуклида 226Ra. Раствор, содержащий нитрат радия, упарили досуха, остаток растворили в растворе нитрата свинца с концентрацией 0,2 моль/л. К полученному раствору добавили избыток раствора карбоната калия с концентрацией 0,5 моль/л. Осадок отделяли фильтрованием. Затем высушивали и прокаливали при 600°С. Указанную стартовую композицию массой 1 г, содержащую 2,5 мКи 226Ra, поместили в кварцевую капсулу и облучали в нейтронной ловушке реактора СМ-3 в течение 25 эффективных (30 календарных) суток при плотности потока тепловых нейтронов 1,5·1015 см-2с-1. После облучения и выдержки в течение 17 суток произвели растворение облученной мишени в азотной кислоте. К полученному раствору добавили 50 мл азотной кислоты с концентраций 16 моль/л. При этом произошло осаждение нитратов свинца и радия. Степень осаждения радия составила 97%, захват актиния и тория осадком составил 8,7 и 11% соответственно. Таким образом осаждение малорастворимых нитратов свинца-радия из раствора облученной свинец-радиевой композиции водным раствором азотной кислоты с концентрацией 11,5 моль/л с последующим переосаждением позволяет проводить разделение радия и продуктов его активации. Раствор после осаждения проанализировали методами альфа- и гамма-спектрометрии на содержание 228Th. Выход 228Th составил 44 Ки/г, что близко к теоретически рассчитанному для данной мишени (46 Ки/г). При этом для прототипа (мишень из карбоната радия) с учетом резонансного самоэкранирования выход 228Th составил бы всего 34 Ки/г.
1. Стартовая композиция мишени на основе радия, содержащая радий и разбавитель, отличающаяся тем, что в качестве разбавителя используется оксид свинца.
2. Стартовая композиция по п.1, отличающаяся тем, что радий находится в форме карбоната радия.
3. Стартовая композиция по п.1, отличающаяся тем, что радий находится в форме плюмбата радия.
4. Способ получения стартовой композиции на основе радия, заключающийся в соосаждении карбоната радия с карбонатом свинца из водных растворов их растворимых солей растворами водорастворимых карбонатов и прокаливании полученного осадка при температуре больше 350°С.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что осаждают карбонаты из нейтральных или слабокислых растворов нитратов радия и свинца.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что осаждают карбонаты из нейтральных или слабокислых растворов ацетатов радия и свинца.
