Способ получения радионуклида никель-63
METHOD FOR PRODUCING NICKEL-63 RADIONUCLIDE

Изобретение относится к области разделения изотопов и касается технологии получения обогащенного радионуклида никель-63 газоцентрифужным методом.
Никель - химический элемент VIII группы Периодической системы. Природный никель представляет собой смесь из пяти стабильных изотопов (таблица 1) [Meija J. et al., Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical report) // Pure applied chemistry. - 2016. - Vol.88. - P. 293-306].
-
Никель-63 - искусственный радиоактивный изотоп, который распадается по β-каналу с периодом полураспада 101 год с образованием стабильного изотопа медь-63, испусканием β-частицы и антинейтрино с достаточно низкой максимальной энергией (67 кэВ):
Указанные обстоятельства делают возможным применение данного изотопа без защитных поглощающих экранов в компактных бета-вольтаических источниках тока, которые используются в передовых областях медицины, для питания удаленных потребителей энергии, в космической технике, а также в газохроматографических анализаторах, материаловедении и других областях.
Получение радионуклида никель-63 производится путем облучения нейтронами в ядерном реакторе мишени, изготовленной из никеля или меди с природным или смещенным изотопным составом, по реакциям:
В случае использования в качестве мишени никеля помимо указанной выше реакции протекает процесс выгорания никель-63 по реакции:
12
12
63
Эффективность бета-вольтаического источника тока определяется как характеристиками полупроводникового преобразователя (КПД преобразования энергии β-частиц в электрическую энергию), так и характеристиками никеля-63 (однородность и толщина нанесения слоя, содержание или удельная активность). Максимальное теоретически возможное значение удельной активности чистого никеля-63 составляет 2,1⋅10 Бк/г. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что для производства компактных энергоисточников с высокой эффективностью использования энергии радиоактивного распада необходимо использовать никель-63 с удельной активностью более 1,9⋅10 Бк/г, что соответствует содержанию более 90% [Пустовалов А.А., Гусев В.В., Заддэ В.А. и др. β-электрический источник тока на основе Ni. - Атомная энергия. - 2007. - Т. 103, №6. - С.353-356].
Известен способ получения радионуклида никель-63 в результате облучения в реакторе на быстрых нейтронах мишени, изготовленной из меди, и последующего извлечения и очистки смеси изотопов никеля от меди [Патент RU 2629014 C2, МПК G21G 1/06. Способ получения радионуклида никель-63 / Мокров Ю.Г., Логунов М.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Производственное объединение «Маяк». - №2015157389, заявл. 31.12.2015, опубл. 24.08.2017, Бюл. №24 - 7 с]. Недостатком данного способа является низкая удельная активность получаемого радионуклида никель-63 в случае использования мишени из меди с природным изотопным составом, а также высокие затраты на производство никеля-63 в случае использования мишени из меди, обогащенной по изотопу медь-65.
Для получения обогащенного радионуклида никель-63 может быть использован газоцентрифужный метод, который первоначально разрабатывался для разделения изотопов урана. Позднее этот метод стал использоваться для разделения стабильных изотопов и повышения удельной активности радионуклидов различных химических элементов. Для осуществления разделения изотопная смесь в газовой фазе подается в быстровращающийся ротор газовой центрифуги. При этом легкие изотопы концентрируются вблизи оси ротора, более тяжелые - около стенки ротора, за счет чего достигается разделительный эффект. Умножение эффекта разделения достигается соединением газовых центрифуг в ступень и каскад [Шемля М., Перье Ж. Разделение изотопов. М.: Атомиздат, 1980].
64
65
Известен способ получения радионуклида никель-63 газоцентрифужным методом [Патент RU 2569543C1, МПК G21G 1/00, G21G 4/00, B01D 59/00. Способ получения радионуклида никель-63 для бета-вольтаических источников тока / Гаврилов П.М., Меркулов И.А., Дудукин В.А. и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Горно-химический комбинат», ОАО «Радиевый институт имени В.Г. Хлопина», ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод». - №2014128062/05, заявл. 08.07.2014, опубл. 27.11.2015, Бюл. №33 - 4 с]. В качестве мишени используется никель, обогащенный по никелю-62 и содержащий никель-64 более 2%, который после облучения в ядерном реакторе направляется на обогащение в газоцентрифужном каскаде до содержания никеля-63 не менее 75%. При использовании указанного способа необходимо проводить этап радиохимической очистки облученной мишени от изотопа медь-65, который образуется в ядерном реакторе из никеля-65, накопленного по реакции Ni(n,γ)Ni, в результате чего имеют место потери радионуклида никель-63 в виде отходов и его исключение из дальнейшего процесса.
12
12
Известны способы получения радионуклида никель-63 [Патент RU 2313149 C1, МПК G21G 1/06, B01D 59/20. Способ получения радионуклида никель-63 / Пустовалов А.А., Тихомиров А.В., Цветков Л.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение «Российский научный центр «Курчатовский институт». - №200612173506, заявл. 20.06.2006, опубл. 20.12.2007, Бюл. №35 - 5 с., Патент RU 2556891 C1, МПК G21G 1/06. Способ получения искусственного изотопа никель-63 / Пустовалов А.А., Цветков Л.А., Пустовалов С.А. и др.; заявитель и патентообладатель Пустовалов А.А., Цветков Л.А., Пустовалов С.А. и др. -№2014101993/07, заявл. 23.01.2014, опубл. 20.07.2015, Бюл. №20 - 5 с.], основанные на облучении в реакторе мишени с содержанием никеля-64 менее 2% и дальнейшем обогащении в газоцентрифужном каскаде никеля, полученного из облученной мишени, для повышения содержания никеля-63. Пониженное содержание никеля-62 в мишени позволяет получать радионуклид никель-63 с удельной активностью до 1,6⋅10 Бк/г. Недостатками данных способов являются высокая стоимость мишени, обусловленная значительными затратами на этапе обогащения никеля-62 и одновременного извлечения никеля-64 для уменьшения его содержания в мишени менее 2%, а также невысокое содержание никеля-63 (менее 80%) и его удельная активность (ниже 1,6⋅10 Бк/г) в обогащенном никеле.
3
4
Известен способ получения обогащенного радионуклида никель-63 газоцентрифужным методом с использованием в качестве мишени никеля с содержанием изотопа никель-62 более 98% [Патент RU 2654535 C1, МПК G21G 1/06, СПК G21G 1/06. Способ получения радионуклида никель-63/ Гаврилов П.М., Меркулов И.А., Дудукин В.А. и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Горно-химический комбинат» - №2017129007, заявл. 14.08.2017, опубл. 21.05.2018, Бюл. №15 - 7 с.]. Известный способ реализуется в следующей последовательности. В ядерный реактор помещается на облучение мишень, изготовленная из никеля с содержанием изотопа никель-62 более 98%. После двух лет облучения мишень, в которой накоплено около 6% никеля-63, извлекают из реактора, растворяют и подвергают радиохимической очистке от меди-65, железа-59, кобальта-60 и других радиоактивных изотопов. После этого очищенный никель переводят в тетракис (трифторфосфин) никеля (Ni(PF)) и подают в газоцентрифужный каскад, из которого в процессе разделения изотопов выводится тяжелая фракция с содержанием никеля-63 более 75%, которую дальше используют для производства бета-вольтаических источников тока, и легкая фракция с изотопным составом, близким к изотопному составу никеля до облучения, которую в дальнейшем переводят в металл, добавляют к никелю для мишени, помещают в реактор и повторно облучают нейтронами. Упомянутый способ использован в качестве прототипа.
3
4
3
4
12
Недостатком прототипа являются высокие затраты работы разделения газоцентрифужного каскада, обусловленные необходимостью одновременного обогащения никеля-63 в тяжелую фракцию вместе с никелем-64 и обогащения никеля-62 в легкую фракцию каскада, в результате чего газоцентрифужный каскад должен состоять из большого числа разделительных ступеней и иметь ограниченную производительность. Помимо этого, требуется значительное время для облучения мишени и накопления в ней никеля-63 с содержанием более 6%. Кроме того, химический перевод Ni(PF), полученного в легкой фракции каскада, в металлический никель, его повторное облучение и последующий перевод в Ni(PF) приводят к увеличению потерь радионуклида никель-63, повышению затрат на производства обогащенного никеля-63 и его стоимости. Указанные недостатки не позволяют организовать крупномасштабное производство радионуклида никель-63 газоцентрифужным методом и сделать его доступным для использования в качестве компактных источников тока в различных областях. Помимо этого использование прототипа ограничивает получение радионуклида никель-63 с удельной активностью не более 1,8⋅10 Бк/г, что соответствует его содержанию в никеле на уровне не более 85%.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение производительности газоцентрифужного каскада для получения обогащенного радионуклида никель-63, увеличение достигаемой удельной активности никеля-63, повышение степени извлечения радионуклида никель-63 из облученной мишени, сокращение потерь никеля-63, образующихся в процессе производства.
Решение указанных задач заключается в организации процесса производства обогащенного радионуклида никель-63, включающего получение из природного никеля в газоцентрифужном каскаде никеля, обогащенного по изотопу никель-62, изготовление из него мишени и облучение ее нейтронами в ядерном реакторе, обогащение облученного никеля в газоцентрифужном каскаде.
Отличием заявляемого способа является использование в качестве мишени никеля с содержанием изотопа никель-62 не менее 70% без ограничений по содержанию изотопа никель-64. В этом случае получение никеля, обогащенного по изотопу никель-62, реализовывается в газоцентрифужном каскаде, состоящем из меньшего числа ступеней, что позволяет снизить суммарный поток каскада и, как следствие, уменьшить количество разделительных элементов (газовых центрифуг) в каскаде. Помимо этого, при отсутствии ограничений по содержанию изотопа никель-64 процесс получения никеля, обогащенного по изотопу никель-62, реализовывается за меньшее число разделительных этапов (стадий), что снижает затраты на производство мишени для облучения.
3
4
3
4
Заявленный способ отличается проведением очистки Ni(PF), полученного из облученной мишени, содержащей радионуклид никель-63, от присутствующих в нем фосфорсодержащих примесей. В результате проведения очистки в газоцентрифужный каскад одновременно с Ni(PF), полученным из облученной мишени, поступает меньшее количество фосфорсодержащих примесей, в результате чего снижается их содержание в разделительных ступенях в направлении отбора из каскада потока легкой фракции, повышается разделительная способность газовых центрифуг ступеней от подачи потока питания до отбора легкой фракции каскада и, как следствие, повышается степень извлечения радионуклида никель-63.
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
Другим отличием заявляемого способа является повторное использование Ni(PF), полученного после извлечения никеля-63, которое реализовывается путем частичного направления этого Ni(PF) на изготовление мишени и ее облучение, а оставшаяся часть Ni(PF) направляется на обогащение никеля-63 совместно со следующей порцией Ni(PF), полученного из облученной мишени. Указанные особенности заявляемого способа обеспечивают снижение потерь радионуклида в процессе производства в виду меньшего количества никеля, направляемого на стадию изготовления мишени, облучения ее в реакторе и перевода Ni(PF), а также повышение степени извлечения никеля-63 из облученной мишени за счет повторного использования Ni(PF), содержащего никель-63, для его обогащения в газоцентрифужном каскаде. В результате этого также происходит снижение затрат на облучение мишени и получение обогащенного радионуклида никель-63.
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
12
Заявленный способ получения радионуклида никель-63 осуществляется в следующей последовательности. Никель с природным изотопным составом переводится в Ni(PF) и подается в газоцентрифужный каскад, в котором происходит получение Ni(PF) с содержанием никеля-62 не менее 70% без ограничений по содержанию изотопа никель-64, после чего полученный Ni(PF) переводят в металлический никель, изготавливают из него мишень и направляют ее на облучение потоком нейтронов в ядерный реактор. Тип реактора и длительность процесса облучения определяется путем оптимизационного расчета, учитывающего изотопный состав мишени, процессы накопления и выгорания радионуклида никель-63 в реакторе и стоимость облучения. Под действием нейтронов в мишени накапливается радионуклид никель-63. Далее из облученной мишени выделяют никель, содержащий радионуклид никель-63, переводят его в Ni(PF) по реакции металлического никеля с трифторидом фосфора (PF3), и подают в газоцентрифужный каскад для обогащения никеля по радионуклиду никель-63. Параметры газоцентрифужного каскада (количество разделительных этапов, соотношение величин потоков Ni(PF), подаваемого в каскад и отбираемых из него, ступень подачи исходного Ni(PF) в каскад) определяются изотопным составом никеля в Ni(PF) после облучения и необходимым уровнем удельной активности нарабатываемого радионуклида никель-63. Путем изменения указанных параметров газоцентрифужного каскада обеспечивается получение Ni(PF) с необходимой удельной активностью никеля-63, которая может приближаться к 2,1⋅10 Бк/г (содержание никеля-63 - около 99%). Одновременно с этим образуется Ni(PF) с изотопным составом близким к изотопному составу Ni(PF), полученному из облученной мишени, или близким к изотопному составу следующей порции Ni(PF) из облученной мишени (если для облучения используются мишени с отличным друг от друга изотопным составом). Данный Ni(PF) используется совместно со следующей порцией Ni(PF), полученного из облученной мишени, и повторно направляется в газоцентрифужный каскад для получения обогащенного радионуклида никель-63. Оставшаяся часть Ni(PF), полученного после выделения никеля-63, используется для изготовления мишени и повторного облучения в ядерном реакторе потоком нейтронов.
3
4
3
4
3
4
3
4
3
3
4
3
4
3
4
3
3
3
4
3
4
3
3
4
3
3
4
3
3
4
3
4
4
Проведение процесса очистки Ni(PF), синтезируемого из никеля, выделенного из облученной мишени, снижает количество примесей, поступающих в каскад одновременно с Ni(PF) и их содержание в разделительных ступенях в направлении отбора из каскада потока легкой фракции, в результате чего повышается разделительная способность газовых центрифуг ступеней от подачи потока питания до отбора легкой фракции каскада и, как следствие, увеличивается степень извлечения радионуклида никель-63 из облученной мишени. В синтезируемом Ni(PF), содержащем радионуклид никель-63, растворено значительное количество трифторида фосфора, который обладает высоким давлением насыщенных паров (при 25°С давление паров Ni(PF) - 122 мм рт.ст., PF - более 1⋅10 мм рт.ст.) и малой молярной массой (88 г/моль), за счет чего является легкой примесью по отношению к Ni(PF). Очистку Ni(PF) от трифторида фосфора проводят путем проведения операций охлаждения получаемой смеси Ni(PF)+PF до температуры от минус 50 до минус 45°С, термостатирования и вакуумирования, нагрева до 20...25°С, в ходе которых из сосуда постепенно удаляется большая часть PF. Процедуру повторяют несколько раз до выполнения условия - давление насыщенных паров не более 35 мм рт.ст. при температуре 0°С для баллона объемом 1…3 л, заполненного жидким Ni(PF) на 70…75% (доля свободного объема - 25…30%). Помимо этого, очистка может быть реализована путем пропускания смеси Ni(PF)+PF через очистительную установку, укомплектованную газовыми центрифугами, в которой за счет действия центробежной силы и наличия разности молярных масс происходит разделение молекул Ni(PF) и PF, в результате чего получается очищенный Ni(PF), который направляется на обогащение никеля-63, и примесь PF с незначительным содержанием Ni(PF), которая направляется на хранение или используется для перевода никеля в Ni(PF).
12
12
Подробное описание заявляемого способа приведено на примере получения обогащенного радионуклида никель-63 с удельной активностью 1,9⋅10 и 2,09⋅10 Бк/г (содержание никеля-63 - не менее 90 и 99%).
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
Ni(PF) с природный изотопным составом 1 поступает в каскад 2, где происходит процесс разделения изотопов, в результате чего в потоке тяжелой фракции 3 выводится Ni(PF) с содержанием никеля-62 не менее 70% и никеля-64 около 18%, который далее направляется на процедуру 4, где происходит конверсия Ni(РF) в металлический никель, изготовление мишени, ее облучение в ядерном реакторе потоком нейтронов, синтез Ni(PF) из никеля, выделенного из облученной мишени, и его очистка от фосфорсодержащих примесей. Далее Ni(PF) потоком 5 поступает в каскад 6, из которого отбирается поток тяжелой фракции 7 с содержанием никеля-63 не менее 6%, очищенный от легких изотопов никеля, который далее подается в каскад 8 для повышения в потоке легкой фракции 9 содержания никеля-63 не менее 66% и снижения содержания никеля-64. Далее Ni(PF) подается в каскад 10, где происходит его дообогащение до требуемого содержания радионуклида никель-63 (не менее 90% или 99%) в потоке тяжелой фракции 11, после чего из Ni(PF) на стадии 12 изготавливается никель в форме, удобной для его использования в компактных бета-вольтаических источниках тока в передовых областях медицины, для питания удаленных потребителей энергии, в космической технике, а также в газохроматографических анализаторах, материаловедении и других областях. В потоке 13 содержание никеля-62 составляет ниже природного значения. Ni(PF), выводимый из каскада 10 потоком 16 смешивается с частью Ni(PF) из потока 14 и 15 таким образом, чтобы в получаемой смеси Ni(PF) в потоке 17 изотопный состав никеля соответствовал изотопному составу никеля в Ni(PF), получаемом из облученной мишени. В результате этого Ni(PF) потоком 17 совместно со следующей партией Ni(PF), содержащего радионуклид никель-63, поступает на повторную переработку в газоцентрифужный каскад 6. Оставшаяся часть Ni(PF), выводимая из каскадов 6 и 8 в потоках 14 и 15, смешивается и потоком 18 направляется на стадию изготовления мишени и облучения ее в ядерном реакторе.
3
4
В таблицах 2 и 3 приведен изотопный состав никеля на стадиях производства обогащенного радионуклида никель-63 и его масса на примере переработки Ni(PF) в количестве 1000 г (по никелю), полученного из обученной мишени.
12
Получение для мишени никеля с содержанием никеля-62 не менее 70% и переработка никеля, полученного из облученной мишени, путем проведения нескольких разделительных этапов (стадий) позволяет повысить производительность газоцентрифужных каскадов, а также добиться повышения достигаемой удельной активности радионуклида никель-63 до 2,1⋅10 Бк/г (содержание до 99%) независимо от изотопного состава никеля в мишени, типа реактора, величины потока нейтронов и длительности облучения в нем мишени.
3
4
3
4
3
4
3
Очистка Ni(PF) на стадии 5 от фосфорсодержащих примесей позволяет повысить разделительную способность газовых центрифуг ступеней от подачи потока питания до отбора легкой фракции каскада за счет снижения количества примесей, поступающих в каскад одновременно с Ni(PF) и концентрирующихся в направлении отбора из каскада потока легкой фракции (т.е. увеличения молярной массы смеси Ni(PF) и PF).
3
4
3
4
3
4
Суммарное количество радионуклида никель-63 в Ni(PF) из потоков 14, 15 и 16 составляет 3,26 г, что составляет 23,3% от исходного количества никеля-63, полученного из облученной мишени. При частичном смешении Ni(PF) в потоке 17 на повторную переработку направляется 2,10 г радионуклида никель-63 (15,0% от исходного количества никеля-63, полученного из облученной мишени), а оставшийся Ni(PF), содержащий 1,16 г никеля-63, потоком 18 возвращается на стадию изготовления мишени и облучения ее в ядерном реакторе потоком нейтронов.
3
4
3
4
Таким образом, очистка Ni(PF) на стадии 5 и повторная переработка Ni(PF) из потока 17 приводит к повышению степени извлечения никеля-63 из облученной мишени на 15%, сокращению потерь никеля-63, образующихся в процессе производства, с 23,3% до 8,3% и обеспечению замыкания технологического процесса производства радионуклида никель-63 путем проведения повторного облучения и переработки.
3
4
Смешение Ni(PF) из потоков 14, 15 и 16 может быть проведено в пропорциях, величины которых определяются, исходя из изотопного состава следующей порции никеля, полученной из облученной мишени и направляемой на обогащение по радионуклиду никель-63 в газоцентрифужный каскад.
12
Изобретение не ограничивается приведенными примерами. Возможны и другие варианты примеров в пределах объема предложенной формулы изобретения. При изменении изотопного состава никеля в облученной мишени возможно изменение соотношения величин потоков газоцентрифужных каскадов, содержания никеля-63 в них, числа разделительных этапов при обогащении никеля из облученной мишени для достижения требуемой удельной активности обогащенного радионуклида никель-63 до 2,1⋅10 Бк/г (содержание до 99%).
Заявляемый способ получения обогащенного радионуклида никель-63 расширяет технологические возможности газоцентрифужного метода разделения изотопов, обеспечивая повышение производительности газоцентрифужного каскада, увеличение достигаемой удельной активности никеля-63, повышению степени извлечения радионуклида никель-63 из облученной мишени, сокращению потерь никеля-63, образующихся в процессе производства. Изобретение не требует использования дополнительных устройств и может быть реализовано на имеющемся оборудовании. Промышленная осуществимость предлагаемого технического решения вытекает из разработанности и практического применения газоцентрифужного метода для повышения удельной активности радионуклидов различных химических элементов [Баранов В.Ю. Изотопы: свойства, получение, применение, М., ФИЗМАТ ЛИТ, 2005].
3
4
12
Заявляемый способ отличается тем, что для получения обогащенного радионуклида никель-63 в качестве мишени используется никель с содержанием изотопа никель-62 не менее 70%, без ограничений по содержанию изотопа никель-64, проводится очистка Ni(PF), полученного из облученной мишени, от присутствующих в нем фосфорсодержащих примесей и повторная переработка никеля, полученного после извлечения никеля-63, который частично используется для изготовления мишени и облучения ее в ядерном реакторе, а оставшаяся часть совместно со следующей порцией облученного никеля используется для обогащения никеля-63 в газоцентрифужном каскаде. Технический результат использования заявляемого способа заключается в получении газоцентрифужным методом обогащенного радионуклида никель-63 с высокой удельной активностью до 2,1⋅10 Бк/г (содержание никеля-63 до 99%) и повышении степени извлечения никеля-63 из облученной мишени на 15%.