СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНЕЙ ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ, И МИШЕНЬ ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING RADIATION TARGETS INTENDED FOR PRODUCING RADIOACTIVE ISOTOPES, AND A TARGET FOR IRRADIATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу изготовления мишеней для облучения, применяющихся для получения радиоактивных изотопов в трубчатых измерительных каналах энергетического ядерного реактора, и к мишени для облучения, изготовленной этим способом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Радиоактивные изотопы применяются в различных областях, таких как промышленность, исследования, сельское хозяйство и медицина. Искусственные радиоактивные изотопы обычно получают облучением подходящего материала мишени потоком нейтронов из циклотрона или исследовательского ядерного реактора в течение подходящего времени. Центры облучения в исследовательских ядерных реакторах являются дорогостоящими и станут еще более редкими вследствие вызванной окончанием срока службы остановкой реакторов.
ЕР 2093773 А2 относится к способу получения радиоактивных изотопов с использованием трубчатых измерительных каналов промышленного энергетического ядерного реактора, способ включает: выбор для облучения по меньшей мере одной мишени, обладающей известным сечением нейтронов; введение мишени для облучения в трубчатый измерительный канал ядерного реактора, трубчатый измерительный канал входит в реактор и обладает отверстием, доступным снаружи от реактора для облучения мишени для облучения потоком нейтронов, имеющимся в работающем ядерном реакторе, мишень для облучения в основном превращается в радиоактивный изотоп при облучении потоком нейтронов, имеющимся в ядерном реакторе, где введение включает размещение мишени для облучения в осевом положении в трубчатом измерительном канале на время, соответствующее периоду времени, необходимого для превращение в основном всей мишени для облучения в радиоактивный изотоп при потоке, соответствующем осевому положению на основе профиля осевого потока нейтронов работающего ядерного реактора; и извлечение мишени для облучения и полученного радиоактивного изотопа из трубчатого измерительного канала.
Приблизительно сферические мишени для облучения обычно могут быть полыми и содержат жидкий, газообразный и/или твердый материал, который превращается в пригодный для использования газообразный, жидкий и/или твердый радиоактивный изотоп. Оболочка, окружающая материал мишени, при облучении потоком нейтронов может подвергаться пренебрежимо малым физическим изменениям. Альтернативно, мишени для облучения обычно могут быть твердыми и изготовленными из материала, который превращается в пригодный для использования радиоактивный изотоп при облучении потоком нейтронов, имеющимся в работающем промышленном ядерном реакторе.
Плотность потока нейтронов в активной зоне промышленного ядерного реактора измеряют, в частности, путем введения твердых сферических датчиков измерительной системы с вращающимся шаром в трубчатые измерительные каналы, проходящие через активную зону ядерного реактора, с использованием сжатого воздуха для перемещения датчиков. Однако до настоящего времени отсутствуют подходящие мишени для облучения, которые обладают механической и химической стабильностью, необходимой для введения в трубчатые измерительные каналы измерительной системы с вращающимся шаром и извлечения из них, и которые могут выдержать условия, имеющиеся в активной зоне ядерного реактора.
2
3
В ЕР 1336596 В1 раскрыто прозрачное спеченное изделие из оксида редкоземельного металла, описывающегося общей формулой RO, в которой R обозначает по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей Y, Dy, Но, Er, Tm, Yb и Lu. Спеченное изделие изготавливают с использованием смеси связующего и порошкообразного оксида редкоземельного металла высокой чистоты, обладающего чистотой, составляющей 99,9% или более, и обладающего содержанием А1, равным 5-100 мас.част./млн в пересчете на массу металла, и содержанием Si, равным 10 мас.част./млн или менее в пересчете на массу металла, с получением формованного изделия, обладающего плотностью в неспеченном состоянии, составляющей 58% или более от теоретической плотности. Связующее удаляют путем термической обработки, и формованное изделие спекают в атмосфере водорода или инертного газа, или в вакууме при температуре, равной от 1450°С до 1700°С в течение 0,5 ч или более. Добавление А1 выступает в качестве средств, способствующих спеканию, и его тщательно регулируют так, чтобы спеченное изделие обладало средним размером зерен, равным от 2 до 20 мкм.
2
3
3
2
В US 8679998 В2 раскрыт коррозионностойкий элемент для использования в аппарате для изготовления полупроводников. Являющийся сырьем YbO, обладающий чистотой, составляющей не менее 99,9%, подвергают формованию при одноосном давлении, равном 200 кг-сила/см (19,6 МПа), и получают дискообразный брикет, обладающий диаметром, равным примерно 35 мм, и толщиной, равной примерно 10 мм. Брикет помещают в графитовую форму для обжига. Обжиг проводят по методике горячего прессование при температуре, равной 1800°С, в атмосфере Ar в течение не менее 4 ч и получают коррозионностойкий элемент для использования в аппарате для изготовления полупроводников. Во время обжига давление равно 200 кг-сила/см (19,6 МПа). Спеченное изделие из YbO обладает открытой пористостью, равной 0,2%.
Указанные выше способы обычно дают спеченные изделия из оксида редкоземельного металла, подходящие для конкретных случаев применения, таких как в которых необходима коррозионная стойкость или оптическая прозрачность. Однако ни одно из спеченных изделий, изготовленных этими способами, не обладает характеристиками, необходимыми для мишеней для облучения, использующихся для получения радиоактивного изотопа в промышленных энергетических ядерных реакторах.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является изготовление подходящих мишеней, которые можно использовать в качестве предшественников для получения заранее заданных радиоактивных изотопов путем облучения потоком нейтронов в промышленном энергетическом ядерном реакторе и которые одновременно могут выдерживать конкретные условия в измерительной системе с вращающимся шаром с пневматическим приводом.
Другой задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления этих мишеней для облучения, который является экономичным и пригоден для массового производства.
В настоящем изобретении задача решена с помощью способа изготовления мишеней для облучения по пункту 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения, которые можно без ограничения объединять друг с другом.
Мишени для облучения, изготовленные способом, предлагаемым в настоящем изобретении, обладают небольшими размерами, пригодными для использования в имеющихся в продаже измерительных системах с вращающимся шаром, и также соответствуют требованиям, предъявляемым к сопротивлению давлению, термостойкости и сопротивлению сдвигу, так что они достаточно стабильны при введении в измерительную систему с вращающимся шаром и перемещении через активную зону ядерного реактора с помощью сжатого воздуха. Кроме того, можно изготовить мишени с гладкой поверхностью для исключения истирания трубчатых измерительных каналов. Кроме того, мишени для облучения обладают химической чистотой, что делает их пригодными для получения радиоактивного изотопа.
В частности, настоящее изобретение относится к способу изготовления мишеней для облучения, предназначенных для получения радиоактивного изотопа в трубчатых измерительных каналах энергетического ядерного реактора, способ включает стадии:
получение порошкообразного оксида редкоземельного металла, обладающего чистотой, превышающей 99%;
уплотнение порошка в форме с образованием в основном сферического неспеченного изделия, обладающего плотностью в неспеченном состоянии, составляющей не менее 50% от теоретической плотности; и
спекание неспеченного изделия в твердой фазе при температуре, составляющей не менее 70% от температуры солидуса порошкообразного оксида редкоземельного металла, и в течение времени, достаточного для образования в основном сферической спеченной мишени из оксида редкоземельного металла, обладающей плотностью в спеченном состоянии, равной не менее 80% от теоретической плотности.
В настоящем изобретении используются известные способы изготовления спеченных керамик и поэтому его можно реализовать на имеющемся в продаже оборудовании, включая подходящие формы, прессы и оборудование для спекания. Прессование в пресс-форме также позволяет изготовить мишени различной формы, включая круглые или в основном сферические формы и размеры, что облегчает использование в имеющихся трубчатых измерительных каналах для измерительных систем с вращающимся шаром. Таким образом, стоимость изготовления мишеней для облучения можно сделать низкой, поскольку возможно массовое производство подходящих мишеней-предшественников радиоактивного изотопа. Способ также является универсальным и пригодным для изготовления множества различных мишеней, обладающих необходимой химической чистотой. Кроме того, установлено, что спеченные мишени являются механически стабильными и, в частности, стойкими при перемещении внутри трубчатых измерительных каналов с помощью сжатого воздуха даже при температурах, равных до 400°С, существующих в активной зоне ядерного реактора.
2
3
В предпочтительном варианте осуществления оксид описывается общей формулой RO, в которой R обозначает редкоземельный металл, выбранный из группы, включающей Nd, Sm, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu.
Более предпочтительно, если редкоземельным металлом является Sm, Y, Но или Yb, предпочтительно Yb-176, который применим для получения Lu-177, или Yb-168, который можно использовать для получения Yb-169.
Наиболее предпочтительно, если редкоземельный металл в оксиде редкоземельного металла является моноизотопным. Это гарантирует высокий выход необходимого радиоактивного изотопа и уменьшает объем работ и стоимость очистки.
В другом предпочтительном варианте осуществления порошкообразный оксид редкоземельного металла обладает чистотой, превышающей 99%, более предпочтительно превышающей 99,9%/ПКОР (ПКОР=полное количество оксидов редкоземельных элементов), или даже превышающей 99,99%. Авторы настоящего изобретения полагают, что отсутствие оксида алюминия в виде примеси благоприятно для спекаемости оксида редкоземельного металла и последующего применения спеченной мишени в качестве предшественника радиоактивного изотопа. Авторы настоящего изобретения также полагают, что должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны, такие как В, Cd, Gd.
Предпочтительно, если порошкообразный оксид редкоземельного металла обладает средним размером зерен, находящимся в диапазоне от 5 до 50 мкм. Распределение зерен по размерам предпочтительно составляет от d50=10 мкм и d100=30 мкм до d50=25 мкм и d100=50 мкм. Уплотняющиеся порошкообразные оксиды продает фирма ITM Isotopen Technologie Munchen AG.
Наиболее предпочтительно, если обогащен с помощью Yb-176 при степени обогащения, составляющей >99%.
В другом предпочтительном варианте осуществления порошкообразный оксид редкоземельного металла формуют с образованием в основном сферического неспеченного изделия и уплотняют при давлении, находящемся в диапазоне от 1 до 600 МПа. Формование и уплотнение можно провести в имеющемся в продаже оборудовании, которое известно специалисту в данной области техники.
Термин "в основном сферическое" означает, что изделие можно катиться, но не обязательно обладает формой правильной сферы.
Предпочтительно, если форму изготавливают из закаленной стали, чтобы исключить поступление примесей из материала формы во время уплотнения неспеченного изделия.
Наиболее предпочтительно, если оксид редкоземельного металла формуют и уплотняют с получением неспеченного изделия без использования связующего и без использования средств, способствующих спеканию. Таким образом, формуемый и уплотняемый порошок состоит из оксида редкоземельного металла, обладающего чистотой, превышающей 99%, предпочтительно превышающей 99,9% или превышающей 99,99%. Согласно изобретению установлено, что связующие и/или средства, способствующие спеканию, обычно использующиеся для спекания оксидов редкоземельных металлов, могут являться источниками нежелательных примесей, но использование этих добавок необязательно для изготовления спеченной мишени из оксида редкоземельного металла, обладающей достаточной плотностью.
Предпочтительно, если плотность в неспеченном состоянии неспеченного изделия после формования и уплотнения составляет до 65% от теоретической плотности и более предпочтительно, если она находится в диапазоне от 55 до 65% от теоретической плотности. Высокая плотность в неспеченном состоянии облегчает автоматическую обработку уплотненного неспеченного изделия.
Сферическое неспеченное изделие необязательно можно отполировать для улучшения его сферичности или округлости.
На стадии спекания уплотненное неспеченное изделие предпочтительно находится при температуре спекания, составляющей от 70 до 80% от температуры солидуса оксида редкоземельного металла. Более предпочтительно, если температура спекания находится в диапазоне от 1650 до 1800°С. Согласно изобретению установлено, что температура спекания, находящаяся в этом диапазоне, является подходящей для спекания большинства оксидов редкоземельных металлов с обеспечением высокой плотности в спеченном состоянии, составляющей не менее 80%, предпочтительно не менее 90% от теоретической плотности.
Предпочтительно, если неспеченное изделие находится при температуре спекания и его спекают в течение от 4 до 24 ч, предпочтительно при атмосферном давлении.
В предпочтительном варианте осуществления неспеченное изделие спекают в окислительной атмосфере, такой как смесь азота и кислорода, предпочтительно в синтетическом воздухе.
Хотя это и менее предпочтительно, неспеченное изделие также можно спекать в восстановительной атмосфере, такой как смесь, состоящая из азота и водорода.
Спеченную мишень из оксида редкоземельного металла необязательно можно отполировать или отшлифовать для удаления поверхностных остатков и уменьшения шероховатости его поверхности. Эта обработка после спекания может уменьшить истирание трубчатых измерительных каналов спеченными мишенями, если их вводят при высоком давлении.
Другим объектом настоящего изобретения является спеченная мишень, изготовленная описанным выше способом, где спеченная мишень является в основном сферической и обладает плотностью, составляющей не менее 80% от теоретической плотности, и где оксид редкоземельного металла обладает чистотой, превышающей 99%, предпочтительно превышающей 99,9% или превышающей 99,99%.
Предпочтительно, если спеченная мишень обладает плотностью, составляющей не менее 90% от теоретической плотности, и пористостью, равной менее 10%. Плотность и поэтому пористость можно определить путем измерения в пикнометре.
Средний размер зерен спеченной мишени предпочтительно находится в диапазоне от 5 до 50 мкм. Согласно изобретению установлено, что размер зерен в этом диапазоне является предпочтительным для изготовления спеченной мишени, обладающей твердостью и механической прочностью, достаточной для выдерживания ударных воздействий в измерительных системах с вращающимся шаром с пневматическим приводом.
Предпочтительно, если спеченная мишень обладает диаметром, находящимся в диапазоне от 1 до 5 мм, более предпочтительно от 1 до 3 мм. Следует понимать, что спекание включает усадку, составляющую порядка до 30%. Таким образом, размеры неспеченного изделия выбирают так, чтобы усадка во время спекания приводила к спеченным мишеням, обладающих заранее заданными диаметром для введения в имеющиеся в продаже измерительные системы с вращающимся шаром.
Предпочтительно, если мишени, изготовленные способом, предлагаемым в настоящем изобретении, устойчивы по отношению к входному давлению воздуха, равному 10 бар, использующемуся в имеющихся в продаже измерительных системах с вращающимся шаром, и по отношению к удару со скоростью, равной 10 м/с. Кроме того, поскольку мишени при спекании нагревают до высокой температуры, следует понимать, что спеченные мишени могут выдерживать рабочие температуры, составляющие порядка примерно 400°С, имеющиеся в активной зоне работающего ядерного реактора.
В другом объекте настоящего изобретения спеченные мишени из оксида редкоземельного металла используют для получения одного или большего количества радиоактивных изотопов в трубчатом измерительном канале ядерного реактора, действующего для выработки энергии. В способе получения радиоактивных изотопов спеченные мишени вводят в трубчатый измерительный канал, входящий в активную зону ядерного реактора с помощью сжатого воздуха, предпочтительно при давлении, равном примерно от 7 до 30 бар, и облучают потоком нейтронов, имеющимся в работающем ядерном реакторе в течение заранее заданного периода времени, так что спеченная мишень в основном превращается в радиоактивный изотоп, и спеченную мишень и образовавшийся радиоактивный изотоп извлекают из трубчатого измерительного канала.
Предпочтительно, если оксидом редкоземельного металла является оксид иттербия-176 и желательным радиоактивным изотопом является Lu-177. После облучения потоком нейтронов спеченные мишени растворяют в кислоте и Lu-177 экстрагируют, например, как раскрыто в Европейском патенте ЕР 2546839 А1, который включен в настоящее изобретение в качестве ссылки. Lu-177 является радиоактивным изотопом, применяющимся, в частности, в противораковой терапии и в медицине для получения изображений.
Устройство и способ действия, предлагаемые в настоящем изобретении, вместе с их дополнительными объектами будут лучше поняты из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В способе, предлагаемом в настоящем изобретении, спеченную мишень из оксида иттербия изготавливали путем получения порошкообразного оксида иттербия, уплотнения порошка в форме с образованием в основном сферического неспеченного изделия и спекания неспеченного изделия в твердой фазе с образованием в основном сферической мишени из оксида иттербия.
Порошкообразный оксид иттербия обладал чистотой, превышающей 99%/ПКОР, и использовали следующие технические условия:
Связующее и средства, способствующие спеканию, не добавляли к порошкообразному оксиду иттербия.
3
Порошкообразный оксид иттербия формовали с получением в основном сферических неспеченных изделии и уплотняли при давлении, равном примерно 580 МПа. Получали неспеченные изделия, обладающие плотностью, равной примерно 6 г/см, соответствующей плотности в неспеченном состоянии, составляющей примерно 65% от теоретической плотности.
В основном сферические неспеченные изделия из оксида иттербия спекали в твердой фазе путем их выдерживания при температуре, равной примерно 1700°С, в течение не менее 4 ч в атмосфере синтетического воздуха при атмосферном давлении. Неспеченные изделия из оксида иттербия помещали в изготовленные MgO капсулы для обжига для исключения попадания оксида алюминия из печи для спекания.
3
Изготавливали спеченные мишени из оксида иттербия в основном сферической формы, обладающие диаметром, равным примерно от 1,5 до 2 мм, и плотностью в спеченном состоянии, равной примерно от 8,6 до 8,7 г/см, соответствующей примерно 94-95% от теоретической плотности. Пористость спеченных шариков из оксида иттербия найдена равной менее 10% по данным исследования с погружением и оптической микроскопии.
Дилатометрические исследования проводили для неспеченных изделий из оксида иттербия при скорости нагревания, равной 5 K/мин. Исследования показали, что существенная усадка происходила только при температурах выше 1650°С и полностью не завершалась при 1700°С. Эти температуры спекания, находящиеся в диапазоне от 1700 до 1800°С, предпочтительны для спекания оксида иттербия и других оксидов редкоземельных металлов.
3
В дополнительных исследованиях атмосферу при спекании меняли от окислительной атмосферы, состоящей из синтетического воздуха, до восстановительной атмосферы, состоящей из азота и водорода. Спеченные мишени из оксида иттербия, изготовленные путем спекания в восстановительной атмосфере, обладали темной окраской, свидетельствующей об отклонении от стехиометрического состава. Плотность спеченных мишеней равна примерно 8,3 г/см, что соответствует примерно 90,7% от теоретической плотности. Соответственно, использование при спекании восстановительной атмосферы возможно, но менее предпочтительно.
Механическую стабильность спеченных мишеней из оксида иттербия исследовали путем внесения мишеней в лабораторную измерительную систему с вращающимся шаром с использованием входного давления, равного 10 бар и с генерацией удара со скоростью, равной примерно 10 м/с.Исследования показали, что при этих условиях спеченные мишени не разрушались.
Оксид иттербия-176 считается подходящим для получения радиоактивного изотопа Lu-177, который применяется в медицине для получения изображений и противораковой терапии, но который невозможно хранить в течение длительного периода времени вследствие его небольшого периода полураспада, равного примерно 6,7 дней. Yb-176 превращается в Lu-177 по следующей реакции:
176
177
177
Yb (n,γ) Yb (-, β) Lu. Таким образом, спеченные мишени из оксида иттербия, изготовленные способом, предлагаемым в настоящем изобретении, являются подходящими предшественниками для получения Lu-177 в трубчатых измерительных каналах ядерного реактора, действующего для выработки энергии. Аналогичные реакции известны специалисту в данной области техники для получения других радиоактивных изотопов из различных предшественников - оксидов редкоземельных элементов.