Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения селенида ванадия для активной части источника гамма-излучения

Изобретение относится к ядерной технике, преимущественно к области изготовления источников гамма излучения, используемых в различных областях промышленности, например, в гамма-дефектоскопии для проведения радиографического контроля в нестационарных условиях при отсутствии источников питания, а также при контроле труднодоступных мест. Свойства изотопа селен-75, являющегося излучателем «мягкого» гамма-излучения с энергией 0,26-0,4 МэВ, обуславливают его использование в источниках ионизирующего излучения (ИИИ), используемых в переносных приборах для дефектоскопии.

Известен способ изготовления источников гамма-излучения на основе селена-75 с энергией 0,26-0,4 МэВ (патент RU №2196364, G21G 4/04 «Способ изготовления источника гамма-излучения на основе селена-75»), включающий операции прессования, герметизации обогащенного селена-74 в капсулу из ванадия, облучения полученной ампулы в атомном реакторе и последующей герметизации облученной ампулы с селеном в капсуле из легированной стали. Отличие заключается в том, что прессуют таблетку селена-74 до плотности не менее 80% от теоретической, помещают ее в ампулу, внутренний объем которой рассчитывают так, чтобы при минимальных размерах ампулы обеспечить свободный объем, который позволит компенсировать без деформации избыточное давление, создающееся внутри герметичной ампулы при облучении, и обеспечить требуемую потребителем гамма-активность источников, облучают в реакторе в режиме, обеспечивающем достижение удельной активности селена-75 не менее 1000 Ки/г, и герметизируют во второй ампуле, причем в качестве материала первой ампулы используют металлы, у которых при облучении в реакторе образуются лишь изотопы, имеющие энергию гамма-излучения меньше энергии гамма-излучения селена-75, или образуются радиоактивные изотопы с периодом полураспада менее 1 ч.

Однако указанный способ характеризуется недостаточно высокой плотностью прессованной таблетки активируемого сердечника (по сравнению с теоретической) и, соответственно, недостаточной абсолютной активностью полученного излучателя. Другим важным недостатком данного способа является нестабильность получаемых геометрических параметров фокального пятна излучателя, которая обусловлена неконтролируемым формоизменением активной части ИИИ. Данное формоизменение обусловлено разогревом ампулы в процессе облучения до температуры ~400°С, которая превышает температуру плавления селена. В этих условиях селен реагирует со многими металлами, пригодными для изготовления ампулы, в том числе с титаном и ванадием, что и приводит к неконтролируемому изменению формы активной части ИИИ и последующему искажению формы его фокального пятна, уменьшению толщины стенок и снижению прочности ампулы-мишени, что, в последующем, отрицательно влияет на разрешающую способность гамма-дефектоскопии.

Известен способ изготовления источника гамма-излучения (патент RU №2221293, G21G 4/04 «Источник гамма-излучения», 2000 г.), по которому получают селенид металла смешиванием известного количества порошка обогащенного селена-74 с соответствующим количеством порошкообразного металла, размещением в герметичном контейнере (кварцевой ампуле) смеси, имеющей формулу M_xSe_y (где у/х принимает значение от 1 до 3, М - один из приемлемых металлов или смесь двух или более приемлемых металлов) и нагреванием, причем первоначально нагревают смесь до температуры (450-550)°С в течение 4 часов, а затем - при 800°С в течение 100 часов. После этого, полученный селенид металла прессуют в таблетки или гранулы требуемой формы для получения в последующем требуемого фокального пятна ИИИ, помещают в капсулу и облучают в реакторе.

Недостатками данного способа являются его трудоемкость, энергозатратность и длительность проведения процесса получения селенида ванадия. Помимо этого, ввиду проведения термообработки при температурах, превышающих температуру плавления селена (~220°С), внутри герметичного контейнера, представляющего собой кварцевую ампулу, происходит испарение паров селена, что приводит к росту давления внутри ампулы и может вызвать ее последующее разрушение с потерей целевого продукта.

Задачей предлагаемого технического решения является сокращение трудоемкости и времени протекания процесса получения селенида ванадия VSe₂, упрощение технологического оборудования, повышение безопасности процесса, а также - в получении конечного продукта в виде порошка VSe₂ с достаточно хорошей текучестью и сыпучестью, обеспечивающих заполнение пресс-форм сложной формы для последующего получения таблеток с высокой плотностью без спекания.

Указанный технический результат в предлагаемом способе получения селенида ванадия для изготовления активной части источника гамма-излучения достигается за счет получения однородной смеси порошков селена и ванадия при массовом отношении селена к ванадию M_xSe_y, где у/х принимает значение от 1 до 3, путем смешивания тонкодисперсных порошков селена и ванадия с размером частиц не более 200 мкм, и последующей двухступенчатой термической обработкой смеси в герметичном контейнере с инертной атмосферой. Способ включает стадию нагревания смеси до температуры не более 230°С с выдержкой при этой температуре не менее четырех часов, и последующее нагревание до 440°С с выдержкой при этой температуре в течение не менее пяти часов. Средняя скорость возрастания температуры не должна превышать 1,5 град./мин для каждого из этапов нагревания.

Экспериментально доказано, что смешивание тонкодисперсных порошков с размером частиц не более 200 мкм после термической обработки позволяет получить материал с гексагональным типом кристаллической решетки. При нагревании смеси порошков до 230°С с заданной скоростью, обеспечивается равномерность и однородность нагревания смеси, происходит переход селена в жидкую фазу, и он начинает взаимодействовать с частицами порошка ванадия. Последующая выдержка смеси при данной температуре позволяет обеспечить образование в смеси селенида ванадия без значительного роста давления паров селена внутри нагреваемой кварцевой капсулы. Дальнейшее нагревание смеси до температуры 440°С и выдержка при этой температуре в течение пяти часов, помимо полного взаимодействия компонентов смеси, обеспечивает образование селенида ванадия (VSe₂) с гексагональным типом кристаллической решетки.

Данный способ (синтез из простых веществ) является наиболее удобным и обеспечивающим минимальные потери дорогостоящего обогащенного изотопа селена-74 при обработке.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где:

на фиг. 1 - Экспериментальный рентгеновский спектр полученной таблетки селенида ванадия (1) и эталонный спектр селенида ванадия (2);

на фиг. 2 - результаты рентгеновского просвечивания капсул с селенидом ванадия до (а) и после (б) проведения термоиспытаний.

Для проверки технической реализуемости способа выбор количества смешиваемых материалов осуществлялся в соответствии с приведенным уравнением:

где m=1 и n=2 количество молей смешиваемых материалов (ванадия и селена). Для получения однородной смеси взяты тонкодисперсные порошки с размером частиц не более 200 мкм с массами 0,509 г (ванадий) и 1,58 г (селен), смешивали порошки в закрытом объеме на вибрационном столе с помощью просеивающей машины. Таким образом, была подготовлена однородная смесь из селена и порошкообразного ванадия с массовым отношением Se/V=3/1.

Из полученной смеси были отпрессованы таблетки, которые герметично запаяли в кварцевые ампулы, заполненные гелием. Запаянные ампулы с образцами поместили в контейнер из нержавеющий стали и подвергли термической обработке в лабораторной муфельной печи: подъем температуры -1,5°С/мин. до температуры 225°С с выдержкой в печи при этой температуре 4 часа. При такой температуре таблетка теряет свою форму (селен переходит в жидкую фазу) и принимает компактную форму сферического конца кварцевой ампулы. В дальнейшем производили подъем температуры до 440°С со скоростью 1,5°С/мин и выдерживали при этой температуре в течение 5 часов. В результате такой термообработки получили порошок серо-черного цвета с достаточно хорошей текучестью и сыпучестью, которые обеспечивают хорошее заполнение пресс-форм сложной формы, получению таблеток с достаточно высокой плотностью без спекания (5,42…5,46 г/см³).

Для идентификации фазового состава полученного материала был использован метод рентгенофазового анализа, который подтвердил, что при описанном выше термическом воздействии произошло образование селенида ванадия (VSe₂) с кристаллической решеткой гексагонального типа, что подтверждается приведенным на фиг. 1 экспериментальным рентгеновским спектром полученных таблеток (1), который полностью совпадает с эталонным для селенида ванадия (2).

Дополнительно, были проведены исследования по изготовлению активной части ИИИ из VSe₂ и их сравнение с сердечниками серийно изготавливаемых источников из порошка селена. Из полученного порошка VSe₂ были отпрессованы таблетки диаметром 3 мм с использованием пресс-инструмента, предназначенного для изготовления серийных сердечников для штатной капсулы ИИИ. Масса разовой навески ограничена объемом приемной полости матрицы пресс-инструмента и насыпной плотностью используемого порошка. Насыпная плотность синтезированного порошка селенида ванадия - не менее 1,2 г/см³. Это обстоятельство позволяет установить разовую навеску для приемной полости матрицы перед прессованием до 125-130 мг порошка селенида. При усилии прессования ~(6…7)кН были получены таблетки, аналогичные по размерам таблеткам серийных источников. В составе селенида ванадия VSe₂ массовая доля селена равняется 75,5%, то есть количество активируемого материала (селена) в одной таблетке составляло 94,4-98,2 мг, что больше, чем в штатной таблетке, которое равно 85 мг (Каталог радионуклидных источников ионизирующего излучения и препаратов. Димитровград: АО «ГНЦ НИИАР», 2017, 45 с.).

Для подтверждения термической стабильности геометрических размеров полученных таблеток селенида ванадия VSe₂ они были подвержены термическим испытаниям, в ходе которых таблетки помещались непосредственно в капсулу из ванадия, и выдерживались при температуре 550°С. Результаты рентгеновского исследования (фиг. 2) капсул до (а) и после (б) термических испытаний показывают стабильность геометрических размеров активной части ИИИ из VSe₂. Данные исследования подтверждают исключение возможности произвольного формоизменения таблетки в процессе нейтронного облучения в атомном реакторе, являющегося причиной неконтролируемого изменения фокального пятна ИИИ.