Мишень для протонной генерации изотопов

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к технологии получения медицинских радиоизотопов и может быть использована при получении радиоизотопов ⁹⁹Mo, ^223,224Ra и др. на установках с масс-сепаратором. Мишень для производства радионуклидов на протонном пучке состоит из капсулы с размещенными в ней мишенными таблетками в виде дисков толщиной не более 3 мм, выполненными из урансодержащего мишенного вещества. В качестве урансодержащего мишенного вещества использована композиция уранового карбонитрида, легированного цирконием в диапазоне концентраций (1-15) массовых долей %. Технический результат - повышение эффективности наработки и выделения радиоизотопов на протонном пучке, а также снижение стоимости их производства на установках с масс-сепаратором. 1 н.з. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к технологии получения медицинских радиоизотопов и может быть использована при получении радиоизотопов ⁹⁹Мо, ^{223, 224}Ra и др. на установках с масс-сепаратором.

Известна мишень для наработки изотопа ⁹⁹Mo, содержащая делящийся материал и имеющая форму незамкнутого цилиндра. Мишень выполнена из листа толщиной не более 1 мм. В качестве делящегося материала мишени использован металлический уран, обогащенный по изотопу ²³⁵U не ниже 20%. В материал мишени введен никель, при этом образована композиция, в которой масса урана составляет 1,0-30,0% от массы никеля (Патент РФ на изобретение 2476941, опубл. 27.02.2013, МПК G21G 1/02). Недостатком такой мишени, при использовании ее на установках с масс-сепаратором, является относительно невысокая температура плавления металлического урана (1132°C), что не позволяет достигать высоких эффективностей выделения изотопов из мишени на установках с масс-сепаратором. Использование диоксида урана в качестве мишенного вещества, несмотря на то, что позволяет существенно повысить рабочую температуру мишени, не обеспечивает требуемых параметров газовой среды в масс-сепараторе из-за довольно высоких значений давления насыщенных паров диоксида.

Аналогичными недостатками обладают и мишени на основе диоксида тория и металлического тория (Патент РФ 2362588, опубл. 27.07.2009, МПК A61K 51/00, A61K 103/40, G21G 1/10, C22B 60/02).

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является мишень, в которой в качестве мишенного материала используется карбид обедненного урана. Такая мишень обладает высоким содержанием делящегося материала (~13 г урана в 1 см²) и имеет существенно меньшее значение давления насыщенных паров по сравнению с диоксидом урана (В.Н. Пантелеев, Е.К. Дьяков. Мишени для поточного производства обогащенных и обедненных нейтронами изотопов. Сборник докладов конференции «Ядерные и новые технологии для космоса 2009». Атланта, Джорджия, 2009). Недостатком такой мишени является относительно невысокая температура плавления мишенного вещества (около 2300°C).

Для получения высоких значений выхода радиоизотопов и тем самым повышения экономической привлекательности протонной генерации изотопов при использовании установок с масс-сепаратором мишень необходимо нагревать до температур, превышающих 2500°C, обеспечивая при этом хорошие вакуумные условия в камере. Достижение таких рабочих условий мишени невозможно при использовании традиционных металлических, оксидных урансодержащих мишенных материалов и, даже, карбида урана.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, и обеспечиваемый ею технический результат - повышение эффективности наработки и выделения радиоизотопов на протонном пучке, а также снижение стоимости их производства на установках с масс-сепаратором.

Решение поставленной задачи и получение технического результата достигаются тем, что в мишени для протонной генерации изотопов, состоящей из капсулы с размещенными в ней мишенными таблетками из урансодержащего мишенного вещества, согласно полезной модели мишенные таблетки выполнены в виде дисков толщиной не более 3 мм, а в качестве урансодержащего мишенного вещества использована композиция уранового карбонитрида, легированного цирконием в диапазоне концентраций (1-15) массовых долей %.

Мишенное вещество может быть легировано наноразмерными углеродными компонентами, что приводит к уменьшению размера зерна материала и, как следствие, к интенсификации диффузии изотопов к поверхности мишени по границам зерен.

Капсула может быть выполнена из графита, что с одной стороны позволяет обеспечить совместимость материала капсулы и мишенного вещества, а с другой стороны обеспечить диффузию изотопов через стенку капсулы.

Капсула может быть выполнена водоохлаждаемой в случае работы при больших токах протонного пучка, что позволяет избежать плавления мишенного вещества.

Капсула может быть выполнена из тугоплавких металлов и сплавов (например вольфрама), что обеспечивает достаточную совместимость мишенного материала и материала капсулы, при этом капсула может быть нагрета прямым пропусканием электрического тока, что снижает затраты на дополнительный косвенный нагрев мишени.

Использование мишенных таблеток в виде дисков толщиной не более 3 мм позволяет с одной стороны обеспечить достаточную плотность мишени по делящемуся веществу (уран), а с другой стороны добиться приемлемых времен выхода изотопов из тела мишенной таблетки на поверхность с последующим испарением изотопов.

Карбонитрид урана, легированный цирконием в диапазоне концентраций (1-15) массовых долей % имеет температуру плавления выше 3000°C, обладая при этом достаточно низким значением давления насыщенных паров и даже большим содержанием делящегося материала в единице объема по сравнению с диоксидом урана. Использование карбонитрида урана в качестве мишенного вещества позволяет применять графит при изготовлении оболочки капсулы благодаря хорошей совместимости этих материалов. Высокая рабочая температура мишеней помимо высоких значений выхода радиоизотопов обеспечивает высокую диффузионную подвижность радиоизотопов, как в мишенном веществе, так и в материале оболочки капсулы, что позволяет использовать герметичные для окислительной атмосферы мишенные капсулы.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором схематически представлена мишень для генерации изотопов.

Мишень состоит из капсулы 1 с размещенными в ней мишенными таблетками 2, выполненными в виде тонких дисков. Капсула 1 снабжена крышкой 3.

Осуществление полезной модели.

Мишень для наработки изотопов ^{223, 224}Ra представляет собой капсулу 1 диаметром 25 мм, которая выполнена из графита марки МПГ-6 и имеет крышку 3, также выполненную из графита марки МПГ-6, для загрузки мишенных таблеток. Мишенные таблетки 2 в виде тонких дисков толщиной 2 мм и диаметром 20 мм выполнены из уранового карбонитрида (UCN), легированного 10 массовых долей % циркония.

Мишень располагали в вакуумной камере установки с масс-сепаратором в зоне протонного пучка. После облучения мишень нагревали до температуры 2600°C. Наработанные изотопы, диффундировали на поверхность мишени и испарялись при указанной температуре, после чего изотопы попадали в масс-сепаратор для их разделения.

По сравнению с прототипом использование описанной мишени позволило провести наработку и выделение изотопов на установке с масс-сепаратором при температуре 2600°C, что в свою очередь обеспечило повышенный выход изотопов из мишени и, как следствие, снижение стоимости их производства.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышенное значение выхода радиоизотопов и снижение стоимости их производства на установках с масс-сепаратором.

1. Мишень для протонной генерации изотопов, состоящая из капсулы с размещенными в ней мишенными таблетками из урансодержащего мишенного вещества, отличающаяся тем, что мишенные таблетки выполнены в виде дисков толщиной не более 3 мм, а в качестве урансодержащего мишенного вещества использована композиция уранового карбонитрида, легированного цирконием в диапазоне концентраций (1-15) массовых долей %.

2. Мишень по п.1, отличающаяся тем, что мишенное вещество легировано наноразмерными углеродными компонентами.

3.Мишень по п.1, отличающаяся тем, что капсула выполнена из графита.

4. Мишень по п.1, отличающаяся тем, что капсула выполнена водоохлаждаемой.

5. Мишень по п.1, отличающаяся тем, что капсула выполнена из тугоплавких металлов и сплавов, например вольфрама.