Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз


Y10S425/026 -
Y10S425/026 -
Y10S423/11 -
Y10S423/11 -

Владельцы патента RU 2660872:

Общество с ограниченной ответственностью "Синтез" (ООО "Синтез") (RU)

Изобретение относится к области получения синтетических алмазов, включающих изотоп 14С, обладающих β-излучением. Алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70% изотопа 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа. Тем самым достигается упрощение технологии получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, а также повышается безопасность процесса синтеза с возможным использованием больших количеств изотопа 14С. 2 н.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к технологии получения синтетических алмазов, которые могут найти применение в радиоизотопных источниках тока, а также в автономных источниках люминесценции сверх длительного срока действия. В частности, заявляемое изобретение относится к получению алмазов, обладающих β-излучением.

Природные алмазы являются смесью двух стабильных изотопов 12С и 13С; изотоп 14С, обладающий β-излучением, в них отсутствует. В синтетических алмазах, полученных из материалов органического происхождения, могут содержаться незначительные, сопоставимые с содержанием в исходном органическом материале, количества изотопа 14С. Период полураспада изотопа 14С составляет 5730 лет. Появление у алмаза β-излучения за счет распада изотопа 14С определяет его технически важные свойства - возможность создания радиоизотопного источника тока, способного генерировать электроэнергию и люминесценцию в течение тысяч лет без подзарядки, что делает его незаменимым, например, в космической области или, в частности, медицине для кардиостимуляторов, которые необходимо заменять несколько раз в течение жизни из-за разрядки источника тока.

Известен способ получения радиоактивных выращенных алмазов [US 3181933, B01J 3/062, 1965], в котором в качестве сырья использовался графит, предварительно облученный в ядерном реакторе. Получаемые указанным способом алмазы имели высокий уровень γ-излучения во всем объеме кристалла и на поверхности и создавали поле ионизации, препятствующее накоплению на поверхности алмаза статического электрического заряда. Однако эти выращенные алмазы имели низкий, либо полностью отсутствующий уровень β-излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения радиоактивных алмазов из углерода, полученного из отработавших графитовых стержней атомных электростанций, которые содержат заметные количества 14С на поверхности. Поверхность отработавших графитовых стержней предлагается обжигать, и из газовой фазы углерод, содержащий некоторое количество изотопа 14С, осаждать в плазменном разряде на поликристаллическую не алмазную подложку или монокристаллическую алмазную подложку (способ получения выращенного алмаза из газовой фазы описан, например, в RU 2516574, МПК С30В 25/02, 2014). Предполагается, что таким способом будет получен алмаз, обладающий β-излучением [reired.ru/diamond-battery].

Однако данный способ связан с опасностью больших потерь радиоактивного углерода, находящегося в газовой фазе, а также необходимостью улавливания и разделения непрореагировавшей смеси газов во избежание утечек газа, содержащего радиоактивный углерод.

Результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в упрощении технологии получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, а также в повышении безопасности процесса синтеза с возможным использованием больших количеств изотопа 14С.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, с использованием отходов отработавшего ядерного топлива алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70% изотопа 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа.

Используемый нами в загрузке карбонат бария - это конечный концентрат 14С, получаемый при растворении и переработке облученного (отработавшего) ядерного топлива, подлежащий захоронению. Он содержит не менее 50% от общей массы углерода изотопа 14С; обычно содержание этого изотопа в карбонате бария, получающемся при переработке ядерного топлива, варьирует от 60 до 70% масс. В заявляемом способе указанный карбонат бария без дополнительной обработки вводится в шихту (загрузку камеры синтеза) в заданном количестве.

В заявляемом способе шихта всегда содержит определенное количество нерадиоактивного карбоната бария. Задавая определенное соотношение радиоактивного и нерадиоактивного карбоната бария, можно получать выращенные алмазы с желаемым содержанием изотопа 14С. В случаях, когда требуется получать алмазы с меньшим содержанием изотопа 14С, чем в карбонате бария, получающемся при переработке ядерного топлива, в шихту вводят дополнительное количество нерадиоактивного карбоната бария.

Синтез алмазов проводится при давлении не ниже 6-7 ГПа и температуре выше 1600 K на установке типа БАРС-300. Зона роста алмаза (так называемая «ростовая сборка») формируется следующим образом: в изоляционную среду (например, хлорид цезия) помещается ростовая сборка, верхняя половина которой представляет собой смесь порошков карбоната бария и железа в молярном соотношении BaCO3:Fe=1:5, а нижняя половина - сплав, состоящий из железа, кобальта и меди. В нижней половине под ростовую сборку помещают затравочный кристалл алмаза размером 0,2-0,3 мм. В верхней части ростовой зоны происходит реакция с образованием оксидов железа и бария и карбидов железа; карбиды железа при заданных параметрах процесса (давление в диапазоне от 6 до 7,5 ГПа и температура выше 1600 K) и в присутствии меди не стабильны и распадаются на железо и углерод. Углерод под действием температурного градиента переносится в нижнюю половину ростовой зоны, где поддерживается температура около 1580 K. В нижней зоне углерод перекристаллизуется на затравочном кристалле алмаза.

В процессе синтеза в объеме ростовой зоны спонтанно образуются кристаллы алмаза, которые вместе с оксидами бария-железа всплывают и не блокируют рост основного кристалла.

Отсутствие утечки веществ из ростовой зоны контролировалось взвешиванием ростовой сборки до процесса и после него. Полнота перехода углерода и отсутствие газовой фазы контролировались по массовому балансу углерода, внесенного в систему с карбонатом бария и сформировавшегося из него графита и алмаза.

Содержание 14С в сырье, загрузке и полученных алмазах определялось бета-сцинтилляционным методом [Кулькова М.А. Радиоуглерод (14С) в окружающей среде и метод радиоуглеродного датирования. Учебно-методическое пособие // СПб.: Изд-во РГПУ им. Герцена. 2011].

Далее заявляемый способ иллюстрируется примерами конкретного исполнения, но не ограничен ими.

Пример 1

0,71 г (0,0036 моль) ВаСО3, в том числе 0,0005 г ВаСО3, содержащего 60% С14 (0,04% от общего количества углерода), и 1 г (0,018 моль) Fe карбонильного (ОСЧ 6-2) были совместно перетерты в агатовой ступке и спрессованы в таблетку диаметром 12.5 мм и высотой 7 мм. Спрессованная из карбоната бария и железа таблетка вместе с таблеткой сплава железо-кобальт-медь (Fe - 45 мас. %; Со - 50 мас. %; Cu - 5 мас. %) диаметром 12.5 мм и высотой 10 мм были помещены между двух таблеток, спрессованных из смеси хлорида цезия с оксидом циркония, взятых в соотношении 4:1, высотой 3 мм каждая, причем в нижнюю из этих таблеток была впрессована затравка из монокристалла алмаза размером 0,3 мм. Таблетки помещались в цилиндр из хлорида цезия и совместно спрессовывались под усилием 10 тонн/силы для формирования герметично изолированной ростовой зоны.

Сформированная герметичная ростовая зона вместе с нагревателем и системой вводов тока были помещена в контейнер из оксида циркония (ростовая ячейка), а затем в аппарат высокого давления БАРС-300. На аппарате было задано давление масла 2050 атм, что соответствует давлению 6 ГПа в ростовой зоне; после набора давления ростовая ячейка была нагрета до температуры 1610 K (контроль температуры по термопаре PtRh30-PtRh6). Указанную температуру поддерживали 110 часов. В результате получен кристалл алмаза весом 21 мг (48% углерода в системе перешло в алмаз). Содержание 14С в полученном алмазе было измерено бета-сцинтилляционным методом и составило 0,042% от общего количества углерода в алмазе.

Пример 2

0,95 г (0,0048 моль) ВаСО3, в том числе 0,00053 г ВаСО3, содержащего 60% С14 (0,04% от общего количества углерода) и 1,35 г (0,024 моль) Fe карбонильного (ОСЧ 6-2) были совместно перетерты в агатовой ступке и спрессованы в таблетку диаметром 12.5 мм и высотой 9,5 мм.

Спрессованная таблетка из карбоната бария и железа вместе с таблеткой сплава железо-кобальт-медь (Fe - 45 вес. %; Со - 50 вес. %; Cu - 5 вес. %) диаметром 12.5 мм и высотой 7,5 мм была помещена между двух таблеток, спрессованных из смеси хлорида цезия с оксидом циркония высотой 3 мм каждая, причем в нижнюю из этих таблеток была впрессована затравка из монокристалла алмаза размером 0.3 мм. Таблетки помещались в цилиндр из хлорида цезия и совместно спрессовывались под усилием 10 тонн/силы для формирования герметично изолированной ростовой зоны.

Сформированная герметичная ростовая зона вместе с нагревателем и системой вводов тока были помещена в контейнер из оксида циркония (ростовая ячейка), а затем в аппарат высокого давления БАРС-300. На аппарате было задано давление масла 2400 атм, соответствующее давлению 7 ГПа в ростовой зоне. После набора давления ростовая ячейка была нагрета до температуры 1700 K. Указанную температуру поддерживали 240 часов. В результате получен кристалл алмаза весом 64 мг (77% углерода в системе перешло в алмаз). Содержание 14С в полученном алмазе было измерено бета-сцинтилляционным методом и составило 0,042% от общего количества углерода в алмазе.

Пример 3

Опыт проводили как в примере 2. Взяли навески 0,95 г (0,0048 моль) ВаСО3, в том числе 0,0004 г ВаСО3, содержащего 60% С14 (0,03% от общего количества углерода), и 1,35 г (0,024 моль) Fe карбонильного (ОСЧ 6-2) и заданную температуру 1700 K поддерживали 200 часов, после чего в течение 20 часов температура была понижена да 1600 K. В результате получен кристалл алмаза весом 76 мг (91,5% углерода в системе перешло в алмаз). Содержание 14С в полученном алмазе было измерено бета-сцинтилляционным методом и составило 0,03% от общего количества углерода в алмазе.

Как видно из приведенных данных, заявляемый способ позволяет выращивать алмазы с заданным содержанием изотопа 14С, без дополнительной операции переработки материала, содержащего указанный изотоп. Концентрация 14С в алмазе может варьироваться путем изменения соотношения карбоната бария, обогащенного 14С, и карбоната бария, не содержащего 14С, в исходной шихте.

В процессе не образуется опасной радиоактивной газовой фазы, требующей дополнительных мер радиационной защиты.

1. Способ получения выращенных радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, с использованием отходов отработавшего ядерного топлива, отличающийся тем, что алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70% 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа.

2. Радиоактивный выращенный алмаз, обладающий β-излучением, полученный способом по п.1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к синтезу наноалмазов для использования в элементах оптической памяти для квантовых компьютеров высокой производительности. Способ включает подготовку углеродсодержащей смеси, ее размещение в камере высокого давления, инициирование в углеродсодержащей смеси интенсивной ударной волны, фильтрацию и сепарацию продуктов синтеза, при этом в качестве углеродсодержащей смеси выбирают смесь на основе предельных углеводородов гомологического ряда алканов с общей формулой CnH2n+2 с числом углеродных атомов 16 и выше, нагревают ее до температуры выше 300 K, пропускают через нее метан под давлением выше 0,1 МПа и формируют в углеродсодержащей смеси импульсный электрический разряд.

Способ вывода из осаждённого из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения центров окраски, в котором у поверхности алмазного образца формируется собирающая излучение центров окраски оптическая система, состоящая из конуса с круглым основанием из оптического стекла, окружающего конус конического зеркала и собирающей линзы.

Изобретение относится к получению монокристаллов алмазов, в частности, легированных азотом и фосфором, при высоких давлениях и температурах, которые могут быть использованы в устройствах электроники.

Группа изобретений относится к способам формирования монокристаллического режущего элемента для бурового долота с закрепленными резцами и к буровому долоту для бурения буровой скважины.

Изобретение может быть использовано для изготовления прессовок поликристаллического алмаза и режущего инструмента. Наноразмерный одно- или многослойный материал, содержащий графен, спекают примерно 5 мин в отсутствие катализатора - переходного металла при давлении и температуре по меньшей мере 45 кбар и 700°С, соответственно.

Изобретение относится к способам получения монолитных соединений стержней из поликристаллических алмазов, предназначенных для использования в производстве приборов электроники, оптики, СВЧ-техники, в частности для изготовления диэлектрических опор в лампах бегущей волны (ЛБВ), использующих низкий коэффициент поглощения на частотах генерации.

Изобретение относится к нанотехнологии алмазных частиц, необходимых для финишной шлифовки и полировки различных изделий и для создания биометок. Способ получения кристаллических алмазных частиц включает добавление к порошку наноалмазов, полученных детонационным синтезом, циклоалкана (циклического насыщенного углеводорода) или многоосновного спирта в количестве 5-85 мас.
Изобретение относится к технологии обработки алмазов, а именно к методам придания им заданной геометрической формы, и востребовано в промышленности для производства электроники.
Изобретение относится к области создания материалов для пассивных и активных элементов устройств фотоники, квантовой электроники и оптики. Способ образования центров окраски в алмазе включает облучение алмаза с однородным распределением по объему А-агрегатов и с их концентрацией не менее 1018 см-3 ионизирующим излучением с энергией не менее 1 МэВ дозой 100-120 част./см2 на каждый А-агрегат.

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и создания наноструктурных материалов.

Озонатор // 2660870
Изобретение относится к аппаратам синтеза озона из кислорода. Озонатор содержит два высокоомных электрода в виде полос, закрепленных на обеих поверхностях диэлектрического барьера и разнесенных так, что полосы одного электрода расположены относительно полос другого электрода в последовательно чередующемся порядке.

Изобретение может быть использовано при изготовлении эпоксидных композиций. Поверхность углеродных нанотрубок (УНТ) фторируют путем обработки порошка не функционализированных нанотрубок газообразным фтором.

Изобретение относится к технологии газификации угля и может быть использовано для получения синтез-газа. Способ получения синтез-газа заключается в следующем.

Изобретение может быть использовано при изготовлении контрастирующих агентов для магнитно-резонансной томографии при диагностике заболеваний. Сначала получают эндометаллофуллерены лантаноидов электродуговым испарением лантаноидсодержащего графитового электрода.

Изобретение относится к области углеродных материалов и может быть использовано в электронной промышленности. Трехмерные углеродные структуры фотонного типа получают пиролизом этанола при температуре 500-800 °C и давлении 1000-4000 атм в течение 72 ч в присутствии платинового катализатора с добавлением 2% об.

Изобретение относится к области углеродных материалов и может быть использовано в электронной промышленности. Углеродные одномерные углеродные структуры фотонного типа получают пиролизом этанола при температуре 500-800°C с термоградиентом 50-100°С под давлением 1000-4000 атм в присутствии платинового катализатора в течение 72 ч и микрокристаллов алмаза в количесвте 9·10-6 об.%.

КАТАЛИЗАТОР, СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА И СПОСОБЫ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДОВ, ГИДРИРОВАНИЯ ОКСИДОВ УГЛЕРОДА И УГЛЕВОДОРОДОВ. .

Изобретение относится к способу повышения качества сырой нефти, тяжелой нефти или битума для получения полностью очищенных углеводородных продуктов, включающему (a) обеспечение сырьевого источника сырой нефти или тяжелой нефти или битума, (b) обработку указанного исходного сырья с получением по меньшей мере одной перегнанной фракции и неперегнанной остаточной фракции, (c) необязательно, обработку указанной неперегнанной остаточной фракции в процессе обработки углеводородов с получением обработанной фракции и обработанной остаточной фракции, (d) переработку указанной по меньшей мере одной перегнанной фракции и/или указанной обработанной фракции в процессе крекинга углеводородов с получением обработанного потока, (e) подачу указанной неперегнанной остаточной фракции или указанной обработанной остаточной фракции в генерирующий синтез-газ контур для получения потока обедненного водородом синтез-газа посредством реакции частичного окисления и взаимодействие указанного синтез-газа в реакторе Фишера-Тропша с получением синтезированных углеводородов, (f) добавление внешнего источника водорода к указанному обедненному водородом синтез-газу для оптимизации состава указанных синтезированных углеводородов и (g) смешивание части указанных синтезированных углеводородов с частью указанного обработанного потока с получением указанных полностью очищенных углеводородных продуктов.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при изготовлении сорбентов, катализаторов и носителей для катализаторов, сенсоров, газовых накопителей, конструкционных, футеровочных, оптических материалов и электродов для высокоёмких источников тока и энергетических преобразователей.

Изобретение относится к способу обработки тяжелого нефтяного сырья для производства жидкого топлива и базисов жидкого топлива с низким содержанием серы, предпочтительно бункерного топлива и базисов бункерного топлива.

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения. Маслоагрегат содержит сблокированные в корпусе откачивающий насос и наделенный перепускным клапаном нагнетающий насос с общими приводным и ведомым валами.

Изобретение относится к области получения синтетических алмазов, включающих изотоп 14С, обладающих β-излучением. Алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70 изотопа 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа. Тем самым достигается упрощение технологии получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, а также повышается безопасность процесса синтеза с возможным использованием больших количеств изотопа 14С. 2 н.п. ф-лы, 3 пр.

Наверх