Способ получения обогащенного радиоактивного изотопа криптон-85

Изобретение относится к области разделения изотопов и касается создания технологии получения обогащенного радиоактивного изотопа криптон-85 газоцентрифужным методом из малого количества исходной изотопной смеси.

Криптон - химический элемент VIII группы Периодической таблицы, имеет 33 изотопа, из них 6 стабильных изотопов. Криптон-85 - радиоактивный изотоп с периодом полураспада 10,8 лет, он распадается с испусканием β-частиц и γ-квантов и превращается в стабильный изотоп рубидий-85. Криптон-85 присутствует в природных условиях в пренебрежимо малом количестве 0,5⋅10^-15%, он образуется в результате естественных процессов (взаимодействие нейтронов космического излучения с криптоном-84, деление урана в земной коре) и искусственным путем (при испытаниях ядерных устройств, производстве плутония-239 и работе ядерных реакторов). В ядерных реакторах при делении урана-235 в тепловыделяющих элементах образуется криптон с содержанием криптона-85 не менее 4% (таблица 1).

Криптон-85 используется для изготовления радиолюминесцентных источников света с высокими светотехническими характеристиками, газоразрядных стабилизаторах напряжения, а также в дефектоскопии. Для этих целей используется обогащенный криптон-85 (с содержанием более 30%).

Для обогащения криптона-85 может быть использован газоцентрифужный метод, который первоначально разрабатывался для разделения изотопов урана. Позднее этот метод стал использоваться для разделения стабильных и радиоактивных изотопов различных химических элементов. Для осуществления разделения изотопная смесь в виде газа 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]. В каскаде исходная изотопная смесь разделяется на тяжелую фракцию, обогащенную тяжелыми изотопами, и легкую фракцию с повышенным содержанием легких изотопов.

Известен способ разделения изотопов в малом количестве [заявка №026824/14/2296861 от 11.09.1981]. Он основан на проведении нестационарного процесса разделения, в ходе которого исходная изотопная смесь подается в каскад газовых центрифуг, производится отбор одной из фракций (легкой или тяжелой), другая фракция смешивается с исходной изотопной смесью и снова подается в каскад. Применение этого метода для получения обогащенного криптона-85 характеризуется низкой производительностью и низкой степенью извлечения криптона-85 из исходной смеси изотопов.

Известны способы разделения изотопов [заявка №029118/14/2297258 от 27.07.1983, авторское свидетельство №204382 по заявке 026736/14 от 06.08.1981], основанные на подаче в каскад исходной изотопной смеси и одного или двух газов-носителей, накоплении целевого изотопа и его дискретном отборе из каскада в потоке одной из фракций (легкой или тяжелой) вместе с газом-носителем. Недостатками этих способов для получения обогащенного криптона-85 является сложность (или невозможность) подбора газа-носителя с подходящей молярной массой. К газам-носителям также предъявляются те же требования, что и для рабочих веществ, используемых для разделения изотопов в газовых центрифугах (давление насыщенных паров, термическая устойчивость, инертность к рабочему веществу и конструкционным материалам газовой центрифуги и т.д.). Помимо этого, при использовании этого метода имеется необходимость в проведении этапа отделения обогащенного криптона-85 от газов-носителей, а также образуется дополнительное количество радиоактивных веществ в виде смеси газа-носителя с криптоном-85.

Известен способ получения обогащенного криптона-85 в ходе проведения двух последовательных этапов в стационарном режиме [Баранов В.Ю. Изотопы: свойства, получение, применение. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2005]: на первом этапе в каскад подается исходная изотопная смесь, в потоке легкой фракции отбирается изотопная смесь с повышенным содержанием криптона-85 и пониженным содержанием криптона-86. На втором этапе эта смесь подается потоком питания в каскад и обогащенный криптон-85 отбирается в потоке тяжелой фракции. Упомянутый способ использован в качестве прототипа.

Недостатком прототипа для получения криптон-85 в малых количествах является наличие потерь времени работы каскада (порядка нескольких часов) и потерь исходной изотопной смеси при заполнении каскада, настройке его оптимальных параметров, как следствие, низкое извлечение криптона-85 из исходной смеси.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются: получение обогащенного криптон-85, снижение потерь исходной изотопной смеси, повышение извлечения криптона-85 из исходной смеси.

Эти задачи решаются за счет использования изотопной смеси, не содержащей криптон-85, для заполнения каскада и настройки его оптимальных параметров перед проведением каждого этапа обогащения криптона-85. В качестве изотопной смеси используется криптон с природным изотопным составом. В связи с тем, что содержание криптона-85 в изотопной смеси пренебрежимо мало (0,5⋅10^-15%), дозовая нагрузка на обслуживающий персонал минимизирована.

В процессе заполнения и настройки каскада изотопная смесь подается в ту же ступень, в которую в дальнейшем подается исходная смесь, содержащая криптон-85. При этом величины внешних потоков каскада (питание, легкая и тяжелая фракция), давлений в ступенях и, как следствие, межступенных потоков в процессе настройки каскада на изотопной смеси устанавливаются такие же, как и для режима обогащения криптона-85. Это позволяет избежать дополнительных регулировок после подачи в каскад исходной изотопной смеси, содержащей криптон-85, и уменьшить потери целевого изотопа.

Заявляемый способ получения обогащенного криптон-85 осуществляют в следующей последовательности. Изотопную смесь подают в каскад, заполняют его, устанавливают величины потоков и давлений такие же, как и для первого этапа обогащения криптона-85, проводят настройку оптимальных параметров каскада. Для случая, когда в качестве изотопной смеси используется криптон с природным изотопным составом, в таблице 2 приведено содержание изотопов криптона во внешних потоках каскада после его заполнения и настройки.

После настройки каскада прекращают подачу в каскад изотопной смеси, подают исходную изотопную смесь с содержанием криптона-85 не менее 4%, после чего происходит выведение из каскада изотопов смеси и одновременно увеличение концентрации криптона-85 до 9,37% в потоке легкой фракции каскада (таблица 3).

В случае, когда в качестве изотопной смеси используется криптон с природным изотопным составом, средневзвешенное массовое число криптона в каскаде составляет 83,09-84,69 а.е.м. После подачи исходной изотопной смеси криптон-85 начинает концентрироваться в ступенях от подачи потока питания до отбора тяжелой фракции. Это обусловлено тем, что массовое число криптона-85 больше средневзвешенного массового числа криптона в каскаде. После выведения из каскада легких изотопов (криптон-78, криптон-80 и криптон-82) средневзвешенное массовое число криптона в каскаде увеличивается и криптон-85 переносится к отбору легкой фракции (фиг. 1).

Аналогично проводится настройка каскада с использованием изотопной смеси (криптона с природным изотопным составом) перед вторым этапом обогащения криптона-85, в ходе которого в потоке тяжелой фракции каскада отбирается криптон с содержанием криптона-85 не менее 30% (Фиг. 2).

Заявляемый способ получения обогащенного криптон-85 расширяет технологические возможности газоцентрифужного метода разделения изотопов, обеспечивая возможность получения обогащенного криптона-85 из малого количества исходной изотопной смеси с меньшими потерями криптона-85, что приводит к увеличению степени его извлечения. Изобретение не требует использования дополнительных устройств и может быть реализовано на имеющемся оборудовании. Промышленная осуществимость предлагаемого технического решения вытекает из разработанности и практического осуществления обогащения криптона-85. [Баранов В.Ю. Изотопы: свойства, получение, применение, М., ФИЗМАТЛИТ, 2005].

Техническим результатом использования заявляемого способа явилось получение криптона с содержанием криптона-85 более 30% из малого количества исходной смеси. Степень извлечения криптона-85 из исходной изотопной смеси составила 93%.