Устройство для производства радионуклидов
RADIONUCLIDES PRODUCTION DEVICE

Изобретение относится к области ядерной физики и ускорительной техники и может использоваться для производства радиоизотопов и радиофармпрепаратов.
Известно устройство для циклотронного получения технеция-99 м из молибде-на-100, представленное в патенте [RU 2639752, 2013], содержащее мишенное вещество, нанесенное на тонкостенную металлическую подложку, снабженную с обратной стороны системой мелких каналов для охлаждения циркулирующей водой. Подложка с мишенным веществом помещена в герметичную капсулу-мишень, которая, в свою очередь, помещается в мишенное устройство.
Недостатком указанного устройства является относительно низкая производительность, связанная с тем, что разовая загрузка исходного изотопа в виде тонкого слоя относительно мала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство по патентной заявке [US 2017301426 (А1), 2017] для производства молибдена 99 из молибдена 100 посредством фотоядерной реакции на мишенях. Устройство содержит ускоритель электронов, конвертер электронов в поток фотонов, мишенный узел, включающий капсулу с облучаемым веществом, систему охлаждения конвертера электронов и систему охлаждения мишенного узла циркулирующей жидкостью.
Недостатками указанного устройства являются относительно низкая теплоотдача от конвертера электронов и капсулы к охлаждающей жидкости, ограничивающая возможность использования относительно толстых слоев облучаемого вещества, и наличие двух раздельных систем охлаждения конвертера электронов и мишенного узла.
Задача данного изобретения заключается в том, чтобы исключить эти недостатки, а именно, увеличить теплоотдачу от конвертера электронов и капсулы к теплоносителю и исключить одну из систем охлаждения.
Технический результат - повышение эффективности охлаждения конвертера электронов и капсулы с облучаемым веществом и упрощение конструкции устройства.
Для исключения указанных недостатков устройства для производства радионуклидов, содержащего ускоритель электронов, конвертер электронов, мишенный узел, включающий капсулу с облучаемым веществом, и систему охлаждения предлагается:
- конвертер электронов и капсулу с облучаемым веществом поместить в одном корпусе мишенного узла;
- систему охлаждения мишенного узла выполнить в виде циркуляционного контура, содержащего насос-расходомер и контейнер с теплоносителем, снабженный холодильником и уровнемером.
В частных случаях исполнения устройства для производства радионуклидов предлагается:
- во-первых, контейнер разместить таким образом, чтобы уровень теплоносителя в нем находился ниже мишенного узла, но выше насоса-расходомера;
- во-вторых, в качестве теплоносителя использовать жидкие металлы, например, эвтектический сплав натрий-калий;
- в-третьих контейнер соединить с вакуумным насосом и с баллоном с инертным газом.
Сущность изобретения поясняется на фигуре чертежа, где представлена структурная схема устройства.
На чертеже приняты следующие обозначения позиций: 1 - баллон с инертным газом; 2 - вакуумный насос; 3 - вентиль дренажный; 4 - контейнер электронов; 5 - мишенный узел; 6 - насос-расходомер; 7 - уровнемер; 8 - ускоритель электронов; 9 - холодильник.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Устройство для производства радионуклидов содержит ускоритель электронов 8, конвертер электронов, мишенный узел 5, включающий капсулу с облучаемым веществом, и систему охлаждения.
Конвертер электронов и капсула с облучаемым веществом помещены в одном корпусе мишенного узла 5.
Система охлаждения мишенного узла 5 выполнена в виде циркуляционного контура, содержащего насос-расходомер 6 и контейнер 4 с теплоносителем, снабженный холодильником 9 и уровнемером 7.
В частных случаях исполнения устройства для производства радионуклидов:
- во-первых, контейнер 4 размещен таким образом, что уровень теплоносителя в нем находится ниже мишенного узла 5, но выше насоса-расходомера 6;
- во-вторых, в качестве теплоносителя используют жидкие металлы, например, эвтектический сплав натрий-калий;
- в третьих, контейнер 4 соединен с вакуумным насосом 2 и с баллоном 1 с инертным газом.
Баллон с инертным газом 1 предназначен для заполнения контейнера 4 и мишенного узла 5 инертным газом, например, аргоном, для защиты жидкометаллического теплоносителя от окисления атмосферным воздухом.
Вакуумный насос 2 предназначен для откачки воздуха из контейнера 4, мишенного узла 5 и всего циркуляционного контура с насосом-расходомером 6 перед заполнением их теплоносителем и инертным газом.
Вентиль дренажный 3 предназначен для заполнения контейнера 4 теплоносителем и слива теплоносителя (при необходимости).
Контейнер 4 служит для содержания объема теплоносителя, необходимого и достаточного для работы циркуляционного контура.
Мишенный узел 5 служит для размещения в его корпусе конвертера электронов и капсулы с облучаемым веществом таким образом, чтобы они находились в потоке теплоносителя и облучались пучком ускоренных электронов.
Насос-расходомер 6 предназначен для прокачки и измерения расхода теплоносителя через мишенный узел 5.
Уровнемер 7 обеспечивает контроль необходимого уровня теплоносителя в контейнере 4.
Ускоритель электронов 8 предназначен для генерации пучка ускоренных электронов.
Холодильник 9 служит для охлаждения теплоносителя.
Пучок электронов взаимодействует с конвертером электронов и генерирует поток фотонов, необходимый для осуществления фотоядерной реакции в облучаемом веществе.
Теплоноситель передает тепло от конвертера электронов и капсулы к холодильнику 9.
Вода служит для охлаждения теплоносителя в контейнере 4.
Устройство для производства радионуклидов работает следующим образом.
В результате взаимодействия пучка ускоренных электронов с веществом конвертера электронов рождается поток фотонов, пронизывающий капсулу и облучаемое вещество, содержащееся в ней. В облучаемом веществе происходит фотоядерная реакция, приводящая к наработке необходимого радионуклида. При этом в конвертере электронов и в облучаемом веществе выделяется большое количество тепла в малом объеме, температура конвертора электронов и капсулы с облучаемым веществом повышается и может достичь недопустимой величины.
Насос-расходомер 6 прокачивает теплоноситель, содержащийся в контейнере 4, через мишенный узел 5, где теплоноситель охлаждает конвертер электронов и капсулу до температуры не выше допустимой.
Вода, циркулирующая через холодильник 9, охлаждает подогретый в мишенном узле 5 теплоноситель до его первоначальной температуры.
Работа насоса-расходомера 6 основана на законе Ампера и законе Фарадея. Насос-расходомер 6 содержит источник постоянного магнитного поля и рабочий канал, заполненный жидким металлом, через который пропускают электрический ток. В соответствии с законом Ампера, при пропускании электрического тока через проводник, находящийся в магнитном поле, в проводнике возникает сила, пропорциональная магнитной индукции и силе тока. Эта сила заставляет проводник, в данном случае - жидкий металл, двигаться. Таким образом выполняется функция насоса.
При движении проводника в магнитном поле, в соответствии с законом Фарадея, индуцируется электродвижущая сила (эдс), пропорциональная скорости движения проводника. По известной эдс можно определить скорость движения жидкого металла и его расход. Насос-расходомер 6 снабжен двумя электродами для измерения напряжения на рабочем канале, которое является суммой индуцированной эдс и падения напряжения от прохождения тока питания. Предварительно измеряют падение напряжения при прохождении тока питания через неподвижный жидкий металл. Измеряют напряжение на рабочем канале при циркуляции теплоносителя и вычитают из него падение напряжения при неподвижном жидком металле. Таким образом определяют индуцированную эдс и расход жидкого металла.
Использование в качестве теплоносителя жидких металлов существенно повышает, по сравнению с водой и другими теплоносителями, коэффициент теплоотдачи от конвертора электронов и капсулы. Благодаря этому становится возможным применять толстые слои облучаемого вещества, т.е. увеличивать его разовую загрузку и наработку конечного радионуклида.
Уровнемер 7 представляет собой установленный на необходимом уровне металлический стержень, электрически изолированный от корпуса контейнера 4. При достижении жидким металлом этого уровня происходит замыкание электрической цепи, в которую включен уровнемер 7, и вырабатывается электрический сигнал.
После экспозиции капсулы под облучением в течение заданного времени отключают ускоритель электронов 8 и насос-расходомер 6. Теплоноситель сам сливается под действием силы тяжести из мишенного узла 5 в контейнер 4. Подают из баллона 1 инертный газ в контейнер 4 и в мишенный узел 5 до давления немного превышающего давление атмосферного воздуха, извлекают из мишенного узла 5 облученную капсулу и вставляют вместо нее новую капсулу.
Конкретный вариант исполнения устройства для производства радионуклидов.
-3
В устройстве предполагается использовать ускоритель электронов 8, генерирующий пучок электронов с энергией 35 МэВ и током 0,1 мА. Диаметр пучка электронов 5 мм. Толщина входного окна мишенного узла 5 равна 1 мм. Толщина конвертора электронов, выполненного из вольфрама, равна 2 мм, внутренний диаметр капсулы равен 6 мм. Производительность насоса-расходомера 6 составляет 300 л/ч. В качестве теплоносителя использован эвтектический сплав натрий калий с содержанием натрия 22%, калия - 78%. Загрузка сплава натрий-калий в циркуляционный контур 0,5 литра. Наружный диаметр труб циркуляционного контура 12 мм, толщина стенки 1 мм. В качестве инертного газа использован аргон высокой чистоты. Для откачки использован сухой вакуумный насос 2, обеспечивающий давление остаточных газов 10 мм рт.ст.
Преимущества заявляемого устройства заключаются в существенном повышении эффективности охлаждения конвертера электронов, облучаемого вещества и мишенного узла в целом за счет повышения коэффициента теплоотдачи благодаря применению жидкометаллического теплоносителя, и упрощение конструкции устройства для производства радионуклидов за счет исключения одного из циркуляционных контуров системы охлаждения.