Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНА  Хе ИЗ ЧИСТОГО ЙОДА  J

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к ядерным технологиям получения газов в чистом виде и касается, в частности, получения инертного газа ксенон ¹²⁸₅₄Хе, и может быть использовано в: медицине, как анестетика и средства диагностики при обследованиях мозга (ксенон поглощает рентгеновское излучение и помогает выявить места поражения); области регистрации слабовзаимодействующих излучений (нейтрино, антинейтрино например, РЭД-100 и т.д.); газоразрядных лампах и импульсных источниках света; лазерной технике и электрореактивных двигателях космических аппаратов (ионных и плазменных) и металлургии (фториды ксенона используют для пассировки металла).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Развитие наукоемких технологий требует совершенствования и упрощения технологий получения редких элементов. При нормальных условиях в м³ воздуха содержится всего 0,086 см³ ксенона (Хе) [1. 2].

Обычно ксенон получают из воздуха как второстепенный продукт ректификации (разделения воздуха на кислород и азот) на металлургических предприятиях. После такого разделения получившийся жидкий кислород содержит небольшие количества криптона и ксенона. Дальнейшая ректификация обогащает жидкий кислород до содержания 0.1-0.2% ксеноно-криптоновой смеси, которая отделяется адсорбированием на силикагель или дистилляцией. После чего ксеноно-криптоновый концентрат разделяется дистилляцией на криптон и ксенон [3].

Недостатками способа являются:

- основными источниками ксеноно-криптоновой смеси, полученной ректификацией воздуха, являются кислородные производства экологически грязных металлургических комбинатов;

- высокая энергоемкость и сложность процесса производства ксенона ректификацией воздуха. Необходимость применять дополнительные технологии, разделения и очистки ксеноно-криптоновой смеси приводит к удорожанию конечного продукта [3].

Существуют также ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНА, ОСНОВАННЫЕ НА МЕМБРАННОМ РАЗДЕЛЕНИИ ГАЗОВ, которые по всем своим характеристикам (экологическим, экономическим, эксплуатационным) предпочтительнее производства ксенона методом прямой ректификации воздуха [4].

Недостатками данной технологии являются:

- мембранное разделение газов - очень сложный и высокотехнологичный процесс;

- оборудование, используемое в процессе производства ксенона, должно исключать присутствие в конечном продукте вредных примесей, таких как CF₄, S₂F₆, наличие которых приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования, работающего в контакте с этими газами [4].

Наиболее близким техническим решением, выбранный в качестве прототипа, является СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНА ¹²⁸₅₄ХЕ ИЗ ЧИСТОГО ЙОДА ¹²⁷₅₃J, (патент на полезную модель UA57922, Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности, 2011). Входным продуктом является чистый йод ¹²⁷₅₃J. Йод в жидком состоянии помещают в сосуд и размещают в экспериментальном канале исследовательского реактора. При облучении йода ¹²⁷₅₃J тепловыми нейтронами образуется йод ¹²⁸₅₃J, который является β-радиоактивным нуклидом с периодом полураспада 25 мин. Вследствие β-распада йода ¹²⁸₅₃J образуется чистый газ ксенон ¹²⁸₅₄Хе.

Для осуществления ядерной реакции образования чистого стабильного газа ¹²⁸₅₄Хе из чистого йода ¹²⁷₅₃J энергия нейтронов должна быть меньше 0,5 эВ. Выход ядерной реакции зависит от плотности потока нейтронов, времени облучения и объема входного продукта.

Таким образом, в результате облучения йода ¹²⁷₅₃J тепловыми нейтронами, а потом выдержки облученного продукта в течение 12 часов для полного распада ¹²⁸₅₃J получаем чистый газ ксенон ¹²⁸₅₄Хе.

Недостатками данной технологии являются:

- йод в жидком виде невозможно использовать для получения химически чистого ксенона ¹²⁸₅₄Хе, любой растворитель из существующих приведет к образованию примесей и радиоактивных отходов;

- сосуд с кристаллическим йодом необходимо охлаждать, при высокой температуре начинается возгонка газообразного йода, что ведет к загрязнению ксенона и снижению скорости образования ¹²⁸₅₃J;

- сосуд необходимо вакуумировать до давления значительно ниже атмосферного, сосуды высокого давления нельзя использовать в ядерных реакторах;

- сосуд должен быть изготовлен из материала, не поглощающего нейтроны и химически нейтрального к йоду ¹²⁷₅₃J и ксенону ¹²⁸₅₄Хе:

- плотность потока тепловых нейтронов в исследовательском реакторе слишком мала для получения приемлемого количества ксенона.

Существующие способы получения ксенона ¹²⁸₅₄Хе имеют существенные недостатки: очень дорогие, энергоемкие и требуют создания сложных технологических процессов.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей изобретения является создание высокоэффективного, надежного способа получения ксенона ¹²⁸₅₄Хе из чистого йода ¹²⁷₅₃J на основе ядерной технологии, позволяющего снизить энергоемкость технологического процесса, при одновременном упрощении и удешевлении реализации способа производства ксенона ¹²⁸₅₄Хе.

Поставленная техническая задача реализуется следующим образом. Способ получения ксенона ¹²⁸₅₄Хе из чистого йода ¹²⁷₅₃J, основанный на ядерной технологии, по изобретению:

1) химически чистый кристаллический йод J¹²⁷ помещают в сосуд из материала, не поглощающего нейтроны и химически нейтрального к йоду ¹²⁷₅₃J и ¹²⁸₅₄Хе, оставляя малую часть объема свободным;

2) сосуд, оборудованный системой отвода газа, химически нейтральной в отношении йода ¹²⁷₅₃J и ксенона ¹²⁸₅₄Хе, вакуумируют и размещают в тепловой колонне ядерного реактора с плотностью потока тепловых нейтронов не менее ϕ_тн≥10¹³ (н⋅см^-2⋅с^-1);

3) в ходе облучения в поле тепловых нейтронов сосуд с кристаллическим йодом ¹²⁷₅₃J охлаждают до температуры не возгонки йода, из контейнера непрерывно выкачивают газообразные продукты распада йода J¹²⁸ и направляют на выдержку.

Устройство для осуществления заявленного способа состоит из герметичного контейнера из материала, не поглощающего нейтроны и химически нейтрального к йоду ¹²⁷₅₃J, ксенону ¹²⁸₅₄Хе.

Контейнер имеет герметично закрываемую крышку с разъемом для вакуумирования и подключения системы отвода газообразных продуктов распада ¹²⁸₅₃J.

Контейнер с кристаллическим йодом ¹²⁷₅₃J размещается в тепловой колонне ядерного реактора с максимальной плотностью потока тепловых нейтронов.

В процессе облучения в потоке тепловых нейтронов происходит активация йода ¹²⁷₅₃J и распад йода ¹²⁸₅₃J с получением ксенона ¹²⁸₅₄Хе по известной физической модели:

где: ¹²⁷₅₃J - природный йод (исходное сырье - ядро-мишень); ¹₀n - нейтрон тепловой энергии; E_n - энергия нейтрона, при которой возможно протекание реакции, эВ; ¹²⁸₅₃J - радиоактивный йод, претерпевающий бета-распад; -β^- - ионизирующая частица, испускаемая радиоактивным йодом; ¹²⁸₅₄Хе - ксенон-продукт распада радиоактивного йода.

Преимуществом заявленного изобретения является получение химически чистого и операбельного ксенона ¹²⁸₅₄Хе высокой изотопной чистоты, исключение образования радиоактивных отходов.

Для осуществления ядерной реакции образования чистого стабильного ксенона ¹²⁸₅₄Хе из чистого йода ¹²⁷₅₃J энергия нейтронов должна быть менее 0,5 эВ.

Скорость образования выходного продукта ядерной реакции зависит от плотности потока тепловых нейтронов, микроскопического сечения активации, числа ядер входного продукта йода ¹²⁷₅₃J и описывается следующей математической моделью:

где: - микроскопическое сечение активации нуклида, см²;

ϕ_тн - плотность потока тепловых нейтронов (0,005 - 0,5 эВ), н⋅см^-2⋅с^-1;

N - число ядер нуклида в 1 см³, ядер⋅см^-3;

λ - постоянная распада радионуклида, с^-1.

Анализ математической модели позволяет заключить, что заявляемый способ дает возможность генерировать чистый ксенон без примесей. Таким образом, в результате облучения йода J¹²⁷ тепловыми нейтронами, и полного распада ¹²⁸₅₃J получаем чистый газ ксенон ¹²⁸₅₄Хе.

При облучении чистого йода ¹²⁷₅₃J в кристаллическом состоянии, отсутствуют токсические свойства выходного продукта - ксенона ¹²⁸₅₄Хе. В несколько раз снижается энергоемкость технологического процесса, так как основное потребление электрической энергии при использовании предлагаемого способа затрачивается на поддержание заданного уровня мощности ядерного реактора. Упрощается и удешевляется реализация технологии производства ксенона ¹²⁸₅₄Хе. Исключается необходимость использования специальных технологий очистки от примесей выходного продукта - ксенона ¹²⁸₅₄Хе.

Предлагаемый способ производства ксенона ¹²⁸₅₄Хе, в отличие от существующих методов, наиболее приемлем и оправдан, так как не требует больших капиталовложений при реализации, достаточно прост и надежен в плане получения чистого ксенона ¹²⁸₅₄Хе в промышленных масштабах.

Следует учитывать, что в мире стратегическая роль использования ксенона в различных областях науки, техники и народного хозяйства непрерывно растет:

- в газоразрядных лампах и импульсных источниках света;

- в лазерной технике и электрореактивных двигателях космических аппаратов (ионных и плазменных);

- в металлургии (фториды ксенона используют для пассировки металла);

- в медицине как анестетик и средство диагностики и т.д.

Кроме использования ксенона как анестетика при хирургических операциях, существует спрос на применение этого газа при обследованиях мозга. Ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В качестве примера реализации предложенного способа рассмотрим следующий вариант. Реализация целесообразна в активной зоне реактора с плотностью потока тепловых нейтронов ϕ_тн≥1⋅10¹⁵ н⋅см^-2⋅с^-1 (например, ИР-8).

Активная зона реактора «ИР-8» состоит из 16 тепловыделяющих сборок (ТВС) типа ИРТ-ЗМ. Длина активной части ТВС 580 мм, содержание урана ²³⁵U - 90 грамм, а его обогащение - 90%.

Боковая поверхность активной зоны окружена слоями металлического бериллия толщиной 300 мм, причем внутренние слои сменные. Использование бериллия позволяет уменьшить объем активной зоны и получить в отражателе максимальную плотность нейтронов.

Химически чистый, кристаллический йод ¹²⁷₅₃J массой 10 кг помещают в герметичный сосуд из материала, не поглощающего нейтроны и химически нейтрального к йоду ¹²⁷₅₃J и ксенону ¹²⁸₅₄Хе (например, алюминий), оставляя малую часть объема свободным. Сосуд имеет герметично закрываемую крышку со штуцерным разъемным соединением для вакуумирования и подключения системы отвода газообразных продуктов распада йода ¹²⁸₅₃J. Сосуд, оборудованный герметичной системой отвода газа, химически нейтральной в отношении йода ¹²⁷₅₃J и ксенона ¹²⁸₅₄Хе, вакуумируют и размещают в активной зоне ядерного реактора с максимальной плотностью потока тепловых нейтронов ϕ_тн≥10¹⁵ нейтр⋅см^-2⋅с^-1. Реактор выводят на мощность и облучают сосуд с кристаллическим йодом ¹²⁷₅₃J в течение длительного времени, при облучении в поле тепловых нейтронов сосуд с кристаллическим йодом ¹²⁷₅₃J (при необходимости) охлаждают до температуры не возгонки йода. Из контейнера непрерывно выкачивают газообразные продукты распада йода ¹²⁸₅₃J.

В процессе облучения йода ¹²⁷₅₃J в потоке тепловых нейтронов образуется йод ¹²⁸₅₃J который является β-активным радионуклидом с периодом полураспада 25 мин. В процессе β-распада йода ¹²⁸₅₃J образуется химически чистый газ ксенон ¹²⁸₅₄Хе по схеме (1). За время облучения 24 ч, при плотности потока тепловых нейтронов ϕ_тн≥10¹⁵ нейтр⋅см^-2⋅с^-1, образуется 6,4 грамма ¹²⁸₅₄Хе объемом не менее 1100 см³.

Предлагаемая ядерная технология получения чистого ксенона ¹²⁸₅₄Хе из чистого йода ¹²⁷₅₃J отличается экологической чистотой, простотой реализации (по сравнению с существующими в данный момент технологиями), отсутствием специальной системы очистки и не требует привлечения крупных капиталовложений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Легасов В.Α., Соколов В.Б. Ксенон // Химическая энциклопедия: в 5 т.

2. И.Л. Кнунянц (гл. ред.). - М.: Советская энциклопедия, 1990. - Т.; Даффа - Меди. - С.548 - 549. - 671 с. - 100 000 экз. - ISBN 5-85270-035-5.

3. Головко Г.А., Ручкин А.В. Разделение воздуха. Л., 1982.

4. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. М.: Химия, 1991.