Способ получения изотопа бор-11 и соединений на его основе

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к получению стабильных изотопов с использованием пучков нейтронов, и может быть использовано в электронной промышленности при производстве полупроводниковых кремниевых структур с применением технологий ионной имплантации, а также в ядерной технике при создании замедляющих нейтроны элементов. В заявленном способе изготавливают стартовую мишень из вещества, содержащего смесь изотопов бор-10 и бор-11, облучают мишень потоком нейтронов до требуемого или полного выгорания изотопа бор-10 и извлекают из вещества изотоп ¹¹В. Техническим результатом является возможность получения бора и его соединений с высоким, более 99,9%, обогащением по изотопу ¹¹В и высокой степенью очистки от примесей. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к получению стабильных изотопов с использованием пучков нейтронов, и может быть использовано в электронной промышленности при производстве полупроводниковых кремниевых структур с применением технологий ионной имплантации, а также в ядерной технике при создании замедляющих нейтроны элементов.

Известен способ получения стабильных изотопов из облученного ядерного топлива, содержащего изотопы ²³⁵U, заключающийся в том, что при захвате нейтрона данным изотопом происходит деление ядра урана, как правило, на два изотопа различных химических элементов [Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. М.: Энергоатомиздат, 1982, Глава 2].

Номенклатура стабильных изотопов, получаемых при делении изотопов урана, невелика и вероятность выхода легких изотопов, к которым относятся изотопы бора, чрезвычайно мала.

Известен способ получения бора с высоким обогащением по изотопу ¹¹В диффузионным методом, заключающийся в том, что газ в виде трихлорида бора (BCl₃) подают в специальные колонны высотой более 40 м, разгоняют с установлением стационарного режима, что приводит к разделению потоков из-за разной массы молекул ¹⁰BCl₃ и ¹¹BCl₃. Это позволяет отводить из колонны потоки с различной массой молекул, с помощью электролиза или химических реакций разделять молекулы на элементы, обогащенные тем или иным изотопом [Севрюгова Н.Н., Уваров О.В., Жаворонков Н.М. Разделение стабильных изотопов бора. Атомная энергия, 1960, т.9, №2, с.110-125].

Данный способ широко используется в мире для легких атомов из-за достаточно большой разницы в массах молекул (для молекул ¹⁰BCl₃ и ¹¹ВОl₃ разница составляет 0,85%). Это обуславливает хорошую производительность процесса разделения и большую глубину обогащения.

Недостатками способа являются высокие требования к химической чистоте исходного материала - трихлорида бора - для получения высокой степени разделения, высокие затраты на получение более 95%-ного обогащения по одному из изотопов, т.к. скорость разделения со временем снижается.

Указанный недостаток обусловлен необходимостью поддержания стационарного газового потока, технологической сложностью отвода небольших количеств различных по массе молекул потоков, что требуется при достижении высокого обогащения.

Известен способ получения бора с высоким обогащением по изотопу ¹¹В методом центрифужного разделения изотопов [Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. М.: Энергоатомиздат, 1982, Глава 2], заключающийся в том, что приготавливают химическое соединение с бором в виде газа (возможен тот же трихлорид бора), которое в герметичном барабане разгоняют при очень больших скоростях. Молекулы с различной массой имеют различные траектории. С использованием каскада центрифуг можно добиться разделения по массам молекул.

Недостатками этого способа также являются большие трудозатраты, высокая стоимость при небольших объемах производства. Так, получение изотопов ¹¹В и ¹⁰В на центрифугах становится экономически выгодно при производстве не менее 2000 кг в год (цены на изотопы становятся сопоставимы с ценами на изотопы, производимые диффузионным методом производительностью 200 кг/год.).

Задачей предлагаемого технического решения является снижение себестоимости при получении бора и его соединений с высоким, более 99,9%, обогащением по изотопу ¹¹В и высокой степенью очистки от примесей.

Для достижения этой задачи в способе получения бора с высоким обогащением по изотопу бор-11 и соединений на его основе изготавливают стартовую мишень из вещества, содержащего смесь изотопов бор-10 и бор-11, облучают мишень потоком нейтронов различной энергии с последующей очисткой вещества от примесей.

В качестве вещества для мишени применяют бор с природным содержанием изотопов бор-10 и бор-11 (19,8% и 80,2%, соответственно), либо обогащенный по одному из вышеперечисленных изотопов, или их соединения (карбиды, бориды, оксиды, нитриды, бористые стали, борная кислота, трихлорид бора и т.д.).

Облучение вещества проводят в ядерных реакторах различного типа либо источниками нейтронов.

Извлекают из облученного вещества бор или его соединения химическим или электрохимическим способом.

Химический способ заключается в том, что облученное вещество подвергают хлорированию с получением свободного от радионуклидов трихлорида бора (¹¹BCl₃) с последующим получением из него изотопа бор-11 или его соединений.

Как известно, изотоп ¹⁰В имеет высокое сечение поглощения нейтронов, при захвате которых образуется два элемента - литий и гелий.

При облучении вещества, содержащего смесь изотопов бор-10 и бор-11 нейтронами происходит выгорание изотопов бор-10, так как сечение поглощения тепловых нейтронов ¹¹В на пять порядков ниже, чем у изотопа ¹⁰В, и его содержание в боре при длительном облучении практически не изменяется. По мере выгорания изотопа ¹⁰В происходит увеличение атомной доли изотопа ¹¹В, т.е. обогащение бора по данному изотопу. При полном выгорании изотопа ¹⁰В в мишени остается только изотоп ¹¹В.

В качестве стартовой мишени используют любые материалы на основе бора. Наиболее эффективно используют материалы с высокой ядерной плотностью по бору, например карбид бора (В₄С, ядерная плотность бора 10²³ см^-3).

Новыми существенными признаками являются использование в качестве стартовой мишени различных материалов с бором с различным изотопным составом. Облучение мишени в потоке нейтронов до полного или требуемого выгорания изотопов ¹⁰В; радиохимическое извлечение бора из облученной мишени. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.

В технической (или патентной) литературе описаны способы, включающие операции, позволяющие получать стабильные изотопы при облучении мишеней в потоке нейтронов или проводить обогащение трихлорида бора методом диффузии или центрифуг, но не известны случаи получения бора с высоким содержанием по изотопу ¹¹В методом «выжигания» изотопа ¹⁰В. Это позволяет сделать выводы, что заявляемое решение обладает «изобретательским уровнем».

Стартовый материал размещали в защитной оболочке, в ампулу и помещали в активную зону или боковой экран ядерного реактора. Расчетно-экспериментальными методами определяли время облучения мишени в ядерном реакторе до полного или требуемого выгорания. Извлекали ампулу из ядерного реактора. В условиях защитной камеры или бокса производили хлорирование мишени с получением свободного от радионуклидов газообразного трихлорида бора (BCl₃). Трихлорид бора переводили в борную кислоту (Н₃ВО₃), из которой методом электролиза получали на электродах аморфный бор с высоким содержанием изотопа ¹¹В. Возможно изготовление требуемых материалов с бором с высоким содержанием по изотопу ¹¹В сразу же из трихлорида бора или борной кислоты.

Так как в ядерный реактор может загружаться большое количество мишеней, а также технологии извлечения бора из любых радиоактивных материалов, очистки соединений бора, например карбида бора, разработаны и применяют на практике, то изобретение позволяет существенно снизить себестоимость производства бора высокого обогащения по изотопу ¹¹В.

1. Способ получения изотопа бор-11 и соединений на его основе, включающий облучение, отличающийся тем, что изготавливают стартовую мишень из вещества, содержащего смесь изотопов бор-10 и бор-11, облучают мишень потоком нейтронов различной энергии и извлекают из вещества изотоп ¹¹В.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества используют бор с природным содержанием изотопов бор-10 и бор-11 либо обогащенный по одному из вышеперечисленных изотопов и их соединения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучают вещество в ядерных реакторах различного типа либо источниками нейтронов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлекают из облученного вещества бор или его соединения химическим или электрохимическим способом.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что облученное вещество подвергают хлорированию с получением свободного от радионуклидов трихлорида бора (¹¹ВСl₃) с последующим получением из него изотопа бор-11 или его соединений.