BR102013033623B1 - ISOTOPIC TRANSMUTER FUSER LINEAR CELL - Google Patents
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Abstract
célula linear fusora transmutadora isotópica. a presente invenção refere-se a uma célula linear fusora transmutadora isotópica (clfti), caracterizada por constituir um dispositivo compacto ativador de nuclídeos, onde íons de deutério (d) ou trítio (t) são acelerados e transportados ao longo do eixo axial da célula, consistindo de uma câmara de plasma cilíndrica (38) alimentada por antena de radiofrequência (45) e (46); tendo, em sequência, um conjunto de eletrodos, a saber: do plasma (31), supressor (32), aterrado (33), de confinamento (34), e do alvo (35), que aceleraram íons d ou t contra o alvo (34) recoberto de hidretos metálicos depositados (34), onde reações d-d, d-t ou t-t geram nêutrons; um sistema de refrigeração e isolador do eletrodo do alvo, por fluido refrigerante (48); um moderador neutrônico em um receptáculo cilíndrico (40) de comprimento ajustável; um ou mais receptáculos (37) de amostras (37) inseridas de forma axial dentro do moderador; sendo a célula recoberta por refletor de nêutrons (42) e blindagem (41) e (43). a clfti tem a finalidade de gerar radioisótopos de meia vida curta ou longa, de produzir materiais e substâncias de interesse no diagnóstico e terapia médica; de reduzir a estabilidade de radionuclideos de meia vida longa, favorecendo a queima de rejeitos radioativos; de eliminar fontes radioativas indesejáveis; de produzir combustível nuclear a partir de elementos fissionáveis; de ser útil em análise da concentração química por ativação de gamas prontos.isotopic transmutator linear fuser cell. The present invention refers to a linear isotopic transmutator fuser cell (clfti), characterized by constituting a compact nuclide activating device, where deuterium (d) or tritium (t) ions are accelerated and transported along the axial axis of the cell , consisting of a cylindrical plasma chamber (38) fed by radio frequency antenna (45) and (46); having, in sequence, a set of electrodes, namely: plasma (31), suppressor (32), grounded (33), confinement (34), and target (35), which accelerated ions d or t against the target (34) coated with deposited metal hydrides (34), where dd, dt or tt reactions generate neutrons; a cooling system and insulator of the target electrode, by refrigerant fluid (48); a neutronic moderator in a cylindrical receptacle (40) of adjustable length; one or more sample receptacles (37) axially inserted into the moderator; the cell being covered by a neutron reflector (42) and shielding (41) and (43). clfti is intended to generate radioisotopes with short or long half-life, to produce materials and substances of interest in medical diagnosis and therapy; to reduce the stability of long half-life radionuclides, favoring the burning of radioactive waste; to eliminate unwanted radioactive sources; to produce nuclear fuel from fissile elements; to be useful in chemical concentration analysis by activation of ready ranges.
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma Célula Linear Fusora Transmutadora Isotópica (CLFTI), caracterizada por constituir um dispositivo compacto ativador de nuclídeos, cujos íons de deutério (d) são acelerados e transportados ao longo do eixo axial da célula, esta consistindo de uma câmara de plasma cilíndrica (38) que pode ser alimentada por antena de radiofrequência externa (45) ou interna (46); tendo, em sequência, um conjunto de eletrodos cilíndricos referentes: do plasma (31), supressor (32), aterrado (33), de confinamento (34), e do alvo (35), que aceleraram íons de deutério (d) ou trítio (t) contra o alvo representado por uma face de um cilindro metálico (35) recoberto de hidretos metálicos depositados (35), onde ocorrem reações de fusão d-d, d-t ou t-t, gerando nêutrons; um sistema de refrigeração e isolador do eletrodo do alvo cilíndrico, com fluido refrigerante (48), um moderador neutrônico em um receptáculo do moderador (40) cilíndrico de comprimento ajustável ao nível energético do feixe neutrônico de transmutação; um ou mais receptáculos (37) de posicionamento de amostras (37) a serem transmutadas inseridas de forma axial no moderador; e recoberta por refletor de nêutrons (41), e blindagem (42) e (43). A CLFTI tem a finalidade de ativar nuclídeos por meio de transmutações por nêutrons, de modo que possam gerar radioisótopos de meia vida curta ou longa, ricos em nêutrons, produzindo materiais e substâncias radioativas de interesse no diagnóstico e na terapia médica; gerar radionuclídeos de meia vida longa em radionuclídeos de meia vida curta ou estáveis, de interesse na queima de rejeitos radioativos ou na redução da atividade de fontes radioativas indesejadas; e gerar nuclídeos físseis a partir da transmutação de nuclídeos fissionáveis. Além disso, é útil em testes de análise da concentração química por ativação de gamas prontos.[001] The present invention refers to an Isotopic Transmuting Linear Fusing Cell (CLFTI), characterized by constituting a compact nuclide activator device, whose deuterium ions (d) are accelerated and transported along the axial axis of the cell, this consisting of a cylindrical plasma chamber (38) which can be powered by an external (45) or internal (46) radio frequency antenna; having, in sequence, a set of cylindrical electrodes referring to: plasma (31), suppressor (32), grounded (33), confinement (34), and target (35), which accelerated deuterium ions (d) or tritium (t) against the target represented by a face of a metallic cylinder (35) covered with deposited metallic hydrides (35) where dd, dt or tt fusion reactions occur, generating neutrons; a cylindrical target electrode refrigeration and insulator system, with refrigerant fluid (48), a neutron moderator in a cylindrical moderator receptacle (40) of cylindrical length adjustable to the energy level of the transmutation neutron beam; one or more sample positioning receptacles (37) to be transmuted axially inserted into the moderator; and covered by a neutron reflector (41), and shielding (42) and (43). CLFTI has the purpose of activating nuclides through neutron transmutations, so that they can generate radioisotopes of short or long half-life, rich in neutrons, producing materials and radioactive substances of interest in diagnosis and medical therapy; generate long half-life radionuclides into short-lived or stable radionuclides of interest in burning radioactive waste or reducing the activity of unwanted radioactive sources; and generate fissile nuclides from the transmutation of fissile nuclides. In addition, it is useful in chemical concentration analysis tests by activating ready-made gamma ranges.
[002] Atualmente as tecnologias de produção de radioisótopos por transmutação isotópica ocorrem, essencialmente, baseadas em quatro processos de irradiação: irradiação de nêutrons de fissão em Reatores de Fissão (RT), produzindo radioisótopos ricos em nêutrons; irradiação de partículas com carga aceleradas em Aceleradores (AC), como prótons e alfa, gerando nuclídeos ricos em prótons; irradiação por fótons, dita Foto- Transmutação (FT), emitidos de fontes seladas ou de interações de elétrons com alvos pesados, tipo reações de bremsstrahlung;e, por Geradores de Radioisótopos (GR), através do decaimento de um nuclídeo precursor “pai” em um “filho” sendo que o pai foi previamente produzido pelos processos RT ou AC. Os processos RT, AC e GR requerem aparatos específicos para produzir a transmutação.[002] Currently, radioisotope production technologies by isotope transmutation occur, essentially, based on four irradiation processes: fission neutron irradiation in Fission Reactors (RT), producing neutron-rich radioisotopes; irradiation of accelerated charged particles in Accelerators (AC), such as protons and alpha, generating proton-rich nuclides; photon irradiation, known as Photo-Transmutation (FT), emitted from sealed sources or from interactions of electrons with heavy targets, such as bremsstrahlung reactions; and, by Radioisotope Generators (GR), through the decay of a parent nuclide in a “son” where the father was previously produced by the RT or AC processes. The RT, AC and GR processes require specific apparatus to produce the transmutation.
[003] Dentre os documentos que apresentam dispositivos que propõem produzir radioisótopos por Foto-Transmutação (FT), incluem-se os seguintes:[003] Among the documents that present devices that propose to produce radioisotopes by Photo-Transmutation (FT), the following are included:
[004] O pedido de patente "Compact neutron generator for medical and commercial isotope production, fission product purification and controlled gamma reaction for direct electric power generation"- US20110268237A1 consiste de um gerador de nêutrons, aparatos para produzir radioisótopos e de métodos de uso e produção comercial de nêutrons para medicina. Este utiliza as reações (y,n) para produzir nêutrons através do bombardeamento de berílio ou deutério com fótons gama. As interações desses fótons na matéria produzem nêutrons, que são multiplicados por um conversor de fissão. Observa-se que, devido à baixa produção de nêutrons da reação (y,n), o material físsil deve ser incorporado ao dispositivo para amplificar o fluxo de nêutrons. Dessa forma, o método de produção de nêutrons estabelecido na patente US20110268237 difere significativamente da presente patente, que propõe a produção de nêutrons através de reações de fusão d-d, d-t ou t-t, e desta forma não apresenta um amplificador neutrônico.[004] The patent application "Compact neutron generator for medical and commercial isotope production, fission product purification and controlled gamma reaction for direct electric power generation" - US20110268237A1 consists of a neutron generator, apparatus to produce radioisotopes and methods of use and commercial production of neutrons for medicine. This uses (y,n) reactions to produce neutrons by bombarding beryllium or deuterium with gamma photons. The interactions of these photons in matter produce neutrons, which are multiplied by a fission converter. It is observed that, due to the low neutron production of the reaction (y,n), the fissile material must be incorporated into the device to amplify the neutron flux. Thus, the neutron production method established in patent US20110268237 differs significantly from the present patent, which proposes the production of neutrons through d-d, d-t or t-t fusion reactions, and thus does not present a neutron amplifier.
[005] O documento "Isotope generator1’ - US20070160176A1, propõe produzir radioisótopos por meio da reação (n,2n) ou (v,n). O proponente sugere empregar uma fonte neutrônica que irradia um contêiner adjacente à mesma, onde amostras são expostas a um fluxo neutrônico com o objetivo de gerar isótopos. A reação (n,2n) ocorre neste contentor e produz os radioisótopos de interesse. Uma limitação dessa patente esta associada à diminuição do fluxo neutrônico devido ao acoplamento de sistemas auxiliares constituídos de elementos pesados. A reação em questão requer nêutrons de altas energias e é limitada pela baixa probabilidade de ocorrência para a maioria dos nuclídeos estáveis. Após a produção, os nêutrons perdem suas energias por colisões elásticas (n,n’) com elementos leves; ou inelásticas, preferencialmente com elementos de número atômico intermediário, competindo com qualquer outro tipo de reação nuclear. As reações (n,2n) são esporádicas, comparadas com as reações (n,n’). Desta forma, o balanço de nêutrons se torna precário pela reações de competição de auto adsorção no próprio dispositivo em reações (n,n’) e (n,y). No caso em questão, sabe-se que as reações (n,2n) produzem radioisótopos pobres em nêutrons e ricos em prótons, e consequentemente, emissores de positrons (β+). Além disso, as reações (n,2n) possuem um alto limiar de energia e baixas seções de choque de interação (ou probabilidade de interação) para a maioria dos nuclídeos. Para atingir valores significativos de seções de choque, há a remota possibilidade de que reações com trítio possam gerar nêutrons com energias de 14,1 MeV. Ademais, espera-se que haja elevada fuga neutrônica do dispositivo compacto devido à alta energia dos nêutrons emitidos. E, mesmo a moderação inerente dos materiais incorporados reduz a energia dos nêutrons dificultando a ocorrência de reações (n,2n). O uso do trítio caracteriza o dispositivo como radioativo por natureza.[005] The document "Isotope generator1' - US20070160176A1 proposes to produce radioisotopes through the reaction (n,2n) or (v,n). The proponent suggests employing a neutron source that radiates a container adjacent to it, where samples are exposed to a neutron flux with the objective of generating isotopes. The reaction (n,2n) occurs in this container and produces the radioisotopes of interest. A limitation of this patent is associated to the decrease of the neutron flux due to the coupling of auxiliary systems constituted by heavy elements. The reaction in question requires high energy neutrons and is limited by the low probability of occurrence for most stable nuclides. After production, neutrons lose their energies by elastic (n,n') collisions with light elements; or inelastic, preferably with elements of intermediate atomic number, competing with any other type of nuclear reaction. Reactions (n,2n) are sporadic, compared to reactions (n,n'). neutron balance becomes precarious by self-adsorption competition reactions in the device itself in (n,n’) and (n,y) reactions. In the case in question, it is known that the reactions (n,2n) produce neutron-poor and proton-rich radioisotopes, and consequently, positron emitters (β+). Furthermore, reactions (n,2n) have a high energy threshold and low interaction cross sections (or interaction probability) for most nuclides. To achieve significant cross-section values, there is a remote possibility that reactions with tritium can generate neutrons with energies of 14.1 MeV. Furthermore, it is expected that there will be high neutron leakage from the compact device due to the high energy of the neutrons emitted. And, even the inherent moderation of the incorporated materials reduces the neutron energy making it difficult for reactions to occur (n,2n). The use of tritium characterizes the device as radioactive in nature.
[006] A patente 20070160176 difere da presente tecnologia por se basear em reações (n,2n), o que requer alvos específicos para tal finalidade, além dos demais inconvenientes citados.[006] The patent 20070160176 differs from the present technology because it is based on reactions (n,2n), which requires specific targets for this purpose, in addition to the other drawbacks mentioned.
[007] Em continuidade, são abaixo apresentados alguns documentos patentários associados aos processos de produção de radioisótopos, AC, RT, GR.- Produção a partir de irradiação com partículas aceleradas, AC: emm “Device and method for producing radioisotopes" - US7940881, os autores propõem transmutar isótopos a partir da irradiação de um fluido com um feixe de partículas carregadas. Tal patente se limita a descrição do alvo, sua forma e estado físico. Nota-se que os feixes de partículas carregadas são gerados por aceleradores de partículas, como cíclotrons, sincrocíclotron ou síncrotons Os radionuclídeos produzidos são ricos em prótons e, em geral, emissores β+ou decaem por captura eletrônica.- Produção a partir de irradiação com nêutrons (fissão), RT: em “Techniques for on-demand production of medical isotopes such as Mo-99/Tc- 99m and radioactive iodine isotopes including 1-131” - US20110280356, o inventor propõe irradiar amostras com nêutrons oriundos de fissão a partir do urânio. Neste caso, os nêutrons rápidos de fissão são refletidos e moderados por espalhamento, aumentando a probabilidade de novas fissões no 238U. Camadas em forma de sanduíche de urânio são utilizadas para manter a taxa de fissão e produção de nêutrons. Neste caso, a produção de nêutrons por fissão se torna a chave para suprir a produção dos radioisótopos.- Produção a partir de um radionuclídeo “pai” pré-existente que decai, transmutando-se em outro radionuclídeo “filho”, processo GR: em ‘‘Medicai isotope generator systems” - US7554098, os inventores propõem utilizar uma coluna de 90Sr para produzir 90Y e separá-lo por meio de uma solução eluente. Esta é uma típica patente que caracteriza um gerador de radioisótopo através de colunas contendo um radionuclídeo pré-existente de meia vida longa, que decai em um radionuclídeo filho de meia-vida curta e pode ser eluído da coluna. O radionuclídeo “pai” é produzido pelos métodos descritos anteriormente, isto é, em reatores nucleares ou aceleradores de partículas. Estes são quimicamente separados e confinados em dispositivos ou cápsulas, no qual sofrerão o decaimento e produzirão o nuclídeo “filho” desejado. Neste caso, o nuclídeo “pai”, 90Sr, deve estar previamente disponível, ativado por outros processos.[007] In continuity, some patent documents associated with the processes of production of radioisotopes, AC, RT, GR are presented below. - Production from irradiation with accelerated particles, AC: emm "Device and method for producing radioisotopes" - US7940881, the authors propose to transmute isotopes by irradiating a fluid with a beam of charged particles. This patent is limited to the description of the target, its shape and physical state. Note that the beams of charged particles are generated by particle accelerators, as cyclotrons, synchrocyclotron or synchrotons The radionuclides produced are rich in protons and, in general, β+ emitters or decay by electronic capture.- Production from irradiation with neutrons (fission), RT: in “Techniques for on-demand production of medical isotopes such as Mo-99/Tc-99m and radioactive iodine isotopes including 1-131” - US20110280356, the inventor proposes to irradiate samples with neutrons from fission from uranium. In this case, the fast fission neutrons are reflected and scatter-moderated, increasing the probability of further fissions in the 238U. Sandwich-shaped layers of uranium are used to maintain the rate of fission and neutron production. In this case, the production of neutrons by fission becomes the key to supply the production of radioisotopes.- Production from a pre-existing “parent” radionuclide that decays, transmuting into another “child” radionuclide, GR process: in ''Medicai isotope generator systems” - US7554098, the inventors propose to use a 90Sr column to produce 90Y and separate it by means of an eluent solution. This is a typical patent featuring a columnar radioisotope generator containing a pre-existing long half-life radionuclide, which decays into a short half-life daughter radionuclide and can be eluted from the column. The “parent” radionuclide is produced by the methods described above, that is, in nuclear reactors or particle accelerators. These are chemically separated and confined in devices or capsules, where they will decay and produce the desired “daughter” nuclide. In this case, the “parent” nuclide, 90Sr, must be previously available, activated by other processes.
[008] A literatura técnica também apresenta documentos de patente com concepções de dispositivos geradores de nêutrons:- No pedido de Patente US2013/0129027 A1, “High flux neutrons source”, de 23 de maio de 2013, é apresentado um aparato, para a produção de nêutrons térmicos e epitérmicos, posicionado no entorno de um cilindro ou moderador esférico para maximizar o fluxo de nêutrons a uma amostra centrada no centro de um vazio do moderador. No caso o sistema é dividido em um conjunto de geradores de nêutrons com eixos axiais postos no sentido radial de uma estrutura cilíndrica. Cada unidade gera nêutrons direcionados para o centro. Os fluxos de nêutrons gerados das múltiplas unidades são usados para análise de ativação neutrônica e análise por ativação neutrônica de gamas prontos, no intuito de determinar a concentração química dos elementos em um material. As absorções de nêutrons térmicos e espalhamento inelástico de nêutrons epitérmicos e rápidos em amostras geram raios gamas característicos que podem ser empregados para identificar o elemento alvo e sua concentração química. Um detector de radiação está posicionado acima do aparato na direção axial ao cilindro de amostras, rodeado por unidades geradoras de nêutrons. O documento de patente US2013/0129027 A1 difere da presente tecnologia, pois, diante da sua finalidade de análise de ativação neutrônica, as estruturas e dimensões empregadas são características para esta aplicação, tornando-a distinta. Os múltiplos módulos de irradiação, postos de forma radial ao cilindro de amostras axial, torna distante o sistema de geração de nêutrons e, assim, susceptível a fugas com redução do fluxo de nêutrons. Os espectros e fluxos gerados no dispositivo US2013/0129027 são insuficientes para a proposta de produção de radioisótopos. Consequentemente, os parâmetros geométricos divergem do contexto proposto nesta patente.- A patente US7639770B2, intitulada “cylindrical neutron generator”, apresenta um gerador de nêutrons cilíndrico com formação coaxial, tendo um plasma de antena coaxial de RF sendo produzido, onde neste plasma são gerados os íons de deutério. A geração de nêutrons é coaxial ao gerador de íons. O comprimento do cilindro é longo quanto necessário. Os nêutrons são gerados a partir da colisão dos íons com um alvo de trítio ou deutério. Este dispositivo foi projetado para produção de nêutrons para fins de aplicação na área petrolífera, análise de moléculas, investigação e varredura de explosivos em aeroportos, por exemplo. Devido à falta de moderador, tal aparelho não poderia produzir radioisótopos, pois os nêutrons produzidos são gerados pela reação d-d ou d-t, que são de 2,45 e 14,1 MeV respectivamente, sendo que nestas energias as seções de choque de absorção de nêutrons para a maioria dos nuclídeos é muito baixa, não ocorrendo reações de transmutação.- O documento US2008/0089460 A1, intitulado “Proton Generator Apparatus for Isotope Production”, 2008, está relacionada a melhorias em reatores de fusão nuclear eletrostáticos para produção de nêutrons e prótons e geração de partículas associadas. Este tem uma configuração cilíndrica dotada de estrutura interna poligonal na forma de reator que utiliza reações de fusão entre hidrogênio e seus isótopos com núcleos leves. O sistema tem um alongamento onde há uma zona de colisão na qual podem ser gerados impactos direcionados para produção de isótopos pela reação de prótons com nuclídeos apropriados. Observa-se que o documento aborda a produção de radioisótopos através de colisões com prótons. O documento US2008/0089460 difere da presente tecnologia por incluir um núcleo de reator de fusão por confinamento inercial eletrostático. Esta tecnologia é de conhecimento da área de fusão, e requer que o plasma seja produzido e mantido em confinamento inercial. Em US2008/0089460, reações de fusão são geradas por pulsos elétricos ou partículas que ajudam a aquecer o plasma. As partículas resultantes são nêutrons e prótons de forma dispersa e isotrópica. Entretanto, apenas prótons podem ser acelerados no interior do dispositivo. Neste caso, as reações de produção de radioisótopos só podem ocorrer na colisão de nuclídeos pobres em prótons, induzindo a produção de emissores β+. No caso, as interações nucleares são diferentes na tecnologia proposta. Em suma: o documento US2008/0089460 apresenta um reator de fusão com confinamento inercial, sendo que a deflexão e orientações/interações no alvo envolvem prótons que colidem com nuclídeos pobres em prótons; enquanto que no presente pedido as reações e as interações são com nêutrons e nuclídeos pobres em nêutrons. Assim, a geometria, a funcionalidade, o processo, e as tecnologias envolvidas são divergentes.[008] The technical literature also presents patent documents with conceptions of neutron generating devices: - In the patent application US2013/0129027 A1, "High flux neutrons source", of May 23, 2013, an apparatus is presented for the production of thermal and epithermic neutrons, positioned around a cylinder or spherical moderator to maximize neutron flow to a sample centered in the center of a moderator void. In this case, the system is divided into a set of neutron generators with axial axes placed in the radial direction of a cylindrical structure. Each unit generates neutrons directed towards the center. The neutron fluxes generated from the multiple units are used for neutron activation analysis and ready gamma neutron activation analysis, in order to determine the chemical concentration of elements in a material. Thermal neutron absorptions and inelastic scattering of epithermic and fast neutrons in samples generate characteristic gamma rays that can be used to identify the target element and its chemical concentration. A radiation detector is positioned above the apparatus in the axial direction of the sample cylinder, surrounded by neutron generating units. Patent document US2013/0129027 A1 differs from this technology because, given its purpose of analyzing neutron activation, the structures and dimensions used are characteristic for this application, making it distinct. The multiple irradiation modules, placed radially to the axial sample cylinder, make the neutron generation system distant and, thus, susceptible to leakage with a reduction in the neutron flux. The spectra and fluxes generated in the device US2013/0129027 are insufficient for the proposed production of radioisotopes. Consequently, the geometric parameters diverge from the context proposed in this patent. - The patent US7639770B2, entitled "cylindrical neutron generator", presents a cylindrical neutron generator with coaxial formation, having a coaxial RF antenna plasma being produced, where in this plasma are generated the deuterium ions. Neutron generation is coaxial to the ion generator. The cylinder length is as long as necessary. Neutrons are generated from the collision of ions with a tritium or deuterium target. This device was designed for the production of neutrons for application in the oil field, analysis of molecules, investigation and scanning of explosives in airports, for example. Due to the lack of a moderator, this device could not produce radioisotopes, as the neutrons produced are generated by the dd or dt reaction, which are 2.45 and 14.1 MeV respectively, and at these energies the neutron absorption cross sections for most nuclides it is very low, with no transmutation reactions occurring.- The document US2008/0089460 A1, entitled “Proton Generator Apparatus for Isotope Production”, 2008, is related to improvements in electrostatic nuclear fusion reactors for neutron production and protons and associated particle generation. It has a cylindrical configuration endowed with a polygonal internal structure in the form of a reactor that uses fusion reactions between hydrogen and its isotopes with light nuclei. The system has an elongation where there is a collision zone in which impacts directed to the production of isotopes can be generated by the reaction of protons with appropriate nuclides. It is observed that the document addresses the production of radioisotopes through collisions with protons. Document US2008/0089460 differs from the present technology in that it includes an electrostatic inertial confinement fusion reactor core. This technology is well known in the fusion field, and requires the plasma to be produced and maintained in inertial confinement. In US2008/0089460, fusion reactions are generated by electrical pulses or particles that help heat the plasma. The resulting particles are neutrons and protons in a dispersed and isotropic form. However, only protons can be accelerated inside the device. In this case, radioisotope production reactions can only occur in the collision of proton-poor nuclides, inducing the production of β+ emitters. In this case, the nuclear interactions are different in the proposed technology. In summary: the document US2008/0089460 presents a fusion reactor with inertial confinement, where the deflection and orientations/interactions in the target involve protons that collide with proton-poor nuclides; whereas in the present application the reactions and interactions are with neutrons and neutron poor nuclides. Thus, the geometry, functionality, process, and technologies involved are divergent.
[009] Nos Geradores de Radioisótopos - GR, o decaimento de um nuclídeo “pai”, em um “filho”, constitui uma transmutação natural, dita decaimento radioativo; embora, o nuclídeo “pai” deva ser produzido por meios artificiais pelos métodos RT ou AC. Esse tipo de gerador é viável somente quando o “pai” tem meia vida muito superior à do “filho”. Um exemplo típico desta tecnologia é o gerador comercial de "Mo / "mTc.[009] In Radioisotope Generators - GR, the decay of a "father" nuclide into a "son" constitutes a natural transmutation, called radioactive decay; although, the “parent” nuclide must be produced by artificial means by the RT or AC methods. This type of generator is only viable when the “father” has a half-life much longer than the “son”. A typical example of this technology is the commercial generator of "Mo / "mTc.
[0010] Na transmutação em nuclídeos ricos em nêutrons, há a necessidade de uma fonte geradora de nêutrons. A produção de nêutrons pode-se dar por reatores de fissão, RT. Em verdade, radionuclídeos ricos em nêutrons de meia vida longa tem sido produzido por RT no Brasil: como 137Cs (30 anos), 60Co (5 anos), 1311 (8 dias). Outros, ricos em prótons, gerados por AC, como 18F (2 h), 201Ta (62,5 h), 67Ga (78,3 h), são encontrados no Brasil, produzidos em cíclotrons comerciais.[0010] In transmutation into neutron-rich nuclides, there is a need for a neutron-generating source. The production of neutrons can be done by fission reactors, RT. In fact, long half-life neutron-rich radionuclides have been produced by RT in Brazil: as 137Cs (30 years), 60Co (5 years), 1311 (8 days). Others, rich in protons, generated by AC, such as 18F (2 h), 201Ta (62.5 h), 67Ga (78.3 h), are found in Brazil, produced in commercial cyclotrons.
[0011] A produção de nêutrons também pode ser estabelecida por fontes radioativas seladas emissoras de nêutrons, por exemplo, fonte de 252Cf que emite nêutrons por fissão espontânea; e, por reações de fusão d-d ou d-t, como exemplo, geradores de nêutrons tipo d-d ou d-t, projetados inicialmente para pesquisa na área de exploração de petróleo. Uma das principais vantagens desses geradores se pauta nas seções de choque das reações d-d, d-t e t-t, que atingem valores significativos a tensões de aceleração relativamente baixas (poucas centenas de kV). A essência da tecnologia de geradores de nêutrons é apresentada por Campos e Araújo (2010) (Araujo L.W.; Campos T.P.R./Vssues on beam-plasma instability - early simulations focusing on the development of a compact nêutron generator1’, Vol. 32, Julh/Set, 2010) e de forma mais detalhada na dissertação de mestrado de Araujo L. W., intitulada “Investigações em, Geradores Compactos de Nêutrons’’ (UFMG/2010).[0011] The production of neutrons can also be established by sealed radioactive sources emitting neutrons, for example, a source of 252Cf that emits neutrons by spontaneous fission; and, by d-d or d-t fusion reactions, for example, d-d or d-t type neutron generators, initially designed for research in the area of oil exploration. One of the main advantages of these generators is based on the cross sections of the d-d, d-t and t-t reactions, which reach significant values at relatively low acceleration voltages (a few hundred kV). The essence of the neutron generator technology is presented by Campos and Araújo (2010) (Araujo LW; Campos TPR/Vssues on beam-plasma instability Sept, 2010) and in more detail in Araujo LW's master's thesis entitled “Investigations in Compact Neutron Generators'' (UFMG/2010).
[0012] A transmutação não é somente utilizada para produzir radionuclídeos. Esta técnica pode ser utilizada na conversão de radionuclídeos de meia vida longa em radionuclídeos de meia vida curta ou estáveis. Assim, é utilizada para redução da atividade de rejeitos radioativos ou mesmo de fontes radioativas seladas ou líquidas indesejadas. No caso, a “queima” dos rejeitos radioativos produzidos em reatores nucleares pode ocorrer pela inserção dos mesmos em outros reatores cuja queima é produzida durante o processo de fissão do combustível e produção de energia elétrica. Outra possibilidade é o tratamento e separação química, aplicada em conjunção com a técnica de queima ou não, onde se separam os radionuclídeos em classes conforme a meia vida e a atividade dos mesmos. Estes são armazenados em locais pré-selecionados para serem mantidos por milhões de anos para decair em um estado estável.[0012] Transmutation is not only used to produce radionuclides. This technique can be used to convert long half-life radionuclides into short-lived or stable radionuclides. Thus, it is used to reduce the activity of radioactive waste or even sealed radioactive sources or unwanted liquids. In this case, the “burning” of radioactive waste produced in nuclear reactors can occur by inserting them in other reactors whose burning is produced during the process of fuel fission and production of electrical energy. Another possibility is the treatment and chemical separation, applied in conjunction with the technique of burning or not, where the radionuclides are separated into classes according to their half-life and activity. These are stored in pre-selected locations to be kept for millions of years to decay into a steady state.
[0013] A transmutação de combustíveis nucleares também tem sido pesquisada envolvendo aceleradores de prótons de altas energias (1 GeV), que através de reações de espalhamento (p,n) em núcleos de chumbo e bismuto, entre outros, produzem múltiplos nêutrons, que então são utilizados na conversão dos rejeitos radioativos.[0013] The transmutation of nuclear fuels has also been researched involving high energy (1 GeV) proton accelerators, which through scattering reactions (p,n) in lead and bismuth nuclei, among others, produce multiple neutrons, which then they are used in the conversion of radioactive waste.
[0014] A transmutação de nuclídeos fissionáveis em físseis, como 232Th em 233U pode ocorrer em reatores nucleares que empregam água pesada (D2O). Exemplos clássicos são os reatores de água pesada do tipo CANDU, que no caso transmutam 232U em 239Pu, além de 232Th em 233U, além de produzir energia elétrica.[0014] The transmutation of fissile nuclides into fissiles such as 232Th into 233U can occur in nuclear reactors that employ heavy water (D2O). Classic examples are the CANDU type heavy water reactors, which in this case transmute 232U into 239Pu, in addition to 232Th into 233U, in addition to producing electrical energy.
[0015] O processo de Geradores de Radioisótopos - GR é de fácil utilização e baixo custo. Há vários centros de medicina no Brasil que utilizam geradores de "Mo/"mTc, distribuídos pela Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN. Entretanto, o país mantém dependência da importação de "Mo irradiado, em substrato de molibdênio ligado à alumina. A ativação do substrato é obtida em reatores de alto fluxo neutrônico no Canadá, Holanda, Argentina, Rússia, Israel ou Estados Unidos, especificamente na ordem de 1013-1014 n.cm2s1. Uma recente crise mundial no fornecimento deste insumo, ocorrida entre 2009 e 2011, devido à paralisação de reatores estrangeiros de alto fluxo para manutenção, prejudicou ou mesmo paralisou temporariamente os diagnósticos feitos com radiofármacos marcados com "mTc em medicina nuclear. No caso brasileiro, a solução governamental consistiu em investir em um reator de alto fluxo para a geração de "Mo; entretanto, demorará, no mínimo, uma década para ser construído e operado.[0015] The process of Radioisotope Generators - GR is easy to use and low cost. There are several medical centers in Brazil that use "Mo/"mTc generators, distributed by the National Nuclear Energy Commission - CNEN. However, the country remains dependent on the import of irradiated "Mo, in a molybdenum substrate bound to alumina. The substrate activation is obtained in high neutron flux reactors in Canada, Netherlands, Argentina, Russia, Israel or the United States, specifically in the order 1013-1014 n.cm2s1. A recent global crisis in the supply of this input, which occurred between 2009 and 2011, due to the shutdown of foreign high-flow reactors for maintenance, impaired or even temporarily paralyzed the diagnoses made with radiopharmaceuticals labeled with "mTc in nuclear medicine. In the Brazilian case, the government solution consisted of investing in a high-flow reactor for the generation of "Mo; however, it will take at least a decade to be built and operated.
[0016] No processo de Foto-Transmutação - FT, isótopos instáveis emissores de fótons gama ou produzidos por radiação de frenagem de elétrons acelerados são fontes emissoras de alto fluxo de radiação gama. A transmutação ocorre através do bombardeamento dos núcleos alvos com fótons gama. Aceleradores lineares de elétrons ou mesmo um elevado número de fontes seladas dé alta atividade, são necessários para suprir as radiações gama para Foto-Transmutação. Em FT, as fontes seladas são constituídas de isótopos instáveis que emitem, continuamente, radiação; dessa forma, estão associados problemas logísticos devido à proteção radiológica associada a milhares de Ci (Curie) de atividade. Este fato impede a difusão desta tecnologia e consequentemente, não é utilizada na produção comercial de radioisótopos.[0016] In the process of Photo-Transmutation - FT, unstable isotopes emitting gamma photons or produced by braking radiation of accelerated electrons are emitting sources of high flux of gamma radiation. Transmutation occurs through bombardment of target nuclei with gamma photons. Linear electron accelerators or even a large number of high-activity sealed sources are needed to supply gamma radiation for Photo-Transmutation. In FT, sealed sources are made up of unstable isotopes that continuously emit radiation; therefore, logistical problems are associated due to radiological protection associated with thousands of Ci (Curie) activity. This fact prevents the diffusion of this technology and, consequently, it is not used in the commercial production of radioisotopes.
[0017] No processo por reatores nucleares - RT são necessárias instalações industriais e energéticas de grande porte, alta complexidade e custo, na ordem de bilhões de dólares, além disso, geram preocupações em termos de proteção radiológica e gerência dos rejeitos radioativos, podendo ainda ser possível a ocorrência de acidentes nucleares severos, que trazem danos às populações e ao meio ambiente.[0017] In the process by nuclear reactors - RT, large industrial and energy installations are required, with high complexity and cost, in the order of billions of dollars, in addition, they generate concerns in terms of radiological protection and management of radioactive waste, and may also be possible the occurrence of severe nuclear accidents, which bring damage to populations and the environment.
[0018] No processo de produção por Aceleradores - AC, a maioria dos aceleradores empregados na produção de radioisótopos apresenta custo na ordem de dezenas de milhões de dólares. Os radioisótopos produzidos por este processo são ricos em prótons, decaem emitindo β+ou pelo método de captura eletrônica e têm meia vida curta. Há também a necessidade de gerência de transporte da instalação produtora ao centro consumidor. Por exemplo, cíclotrons são instalações que produzem radioisótopos emissores β+, como 18F, 11Ce 15N. Tais instalações são limitadas a nuclídeos ricos em prótons, sendo impossível produzir radionuclídeos emissores β', ricos em nêutrons. A classe de radionuclídeos emissores β'é produzida unicamente com RT ou FT.[0018] In the production process by Accelerators - AC, most accelerators used in the production of radioisotopes cost in the order of tens of millions of dollars. The radioisotopes produced by this process are rich in protons, decay emitting β+ or by the electron capture method and have a short half-life. There is also a need for transport management from the production facility to the consumer center. For example, cyclotrons are facilities that produce β+ emitting radioisotopes, such as 18F, 11C and 15N. Such facilities are limited to proton-rich nuclides, making it impossible to produce β'-emitting radionuclides, which are rich in neutrons. The β'-emitting radionuclide class is produced solely with RT or FT.
[0019] A produção de radioisótopos por fontes seladas ou geradores de nêutrons não tem sido empregada como método de produção de radioisótopos emissores (β‘). A razão é que a intensidade de nêutrons produzidos pelo gerador d-d ou d-t, de forma isotrópica, está na ordem de 106 a 1011 n s'1 e é inversamente proporcional ao quadrado da distância do alvo. Consequentemente, a fluência reduziria por um valor em torno da fração de 4πd2, por exemplo, em relação à distância de 100 cm do alvo a fluência reduziria por um fator da ordem de 7,95 10’6 do mesmo. Por sua vez, a energia dos nêutrons emitidos das reações d-d ou d-t em geradores de nêutrons não é adequada para produção de radioisótopos, pois as seções de choque são muito baixas, na ordem de poucos milibarns (mb = 10'27 cm2), para grande maioria de nuclídeos de interesse. Assim, devido ao inadequado espectro energético dos nêutrons emitidos, baixa surgência e redução da intensidade com a distância ao quadrado, o uso de tal tecnologia para transmutação neutrônica de nuclídeos, para fins médicos, tem-se tornado infrutífero. Desta forma, arranjos utilizando dispositivos comerciais para produção de radioisótopos são inexistentes e impraticáveis.[0019] The production of radioisotopes by sealed sources or neutron generators has not been used as a method of producing emitting radioisotopes (β‘). The reason is that the intensity of neutrons produced by the generator d-d or d-t, in an isotropic form, is in the order of 106 to 1011 n s'1 and is inversely proportional to the square of the distance to the target. Consequently, the fluence would reduce by a value around the fraction of 4πd2, for example, in relation to the distance of 100 cm from the target, the fluence would decrease by a factor of the order of 7.95 10’6 of it. In turn, the energy of the neutrons emitted from the dd or dt reactions in neutron generators is not suitable for the production of radioisotopes, as the cross sections are very low, in the order of a few millibarns (mb = 10'27 cm2), for vast majority of nuclides of interest. Thus, due to the inadequate energetic spectrum of the emitted neutrons, low surge and intensity reduction with the squared distance, the use of such technology for neutron nuclide transmutation, for medical purposes, has become fruitless. Thus, arrangements using commercial devices for the production of radioisotopes are non-existent and impractical.
[0020] Fontes seladas de 252Cf podem atingir surgências na ordem de 1012 n s’1; entretanto, emitem radiação gama simultaneamente com nêutrons, o espectro energético dos nêutrons é de fissão com máximas energias de 14 MeV, decaem com o tempo com meia-vida de 2,7 anos, a emissão de nêutrons não pode ser interrompida, além de ser necessário a substituição das mesmas de forma periódica.[0020] Sealed sources of 252Cf can reach surges in the order of 1012 n s’1; however, they emit gamma radiation simultaneously with neutrons, the energy spectrum of the neutrons is fission with maximum energies of 14 MeV, they decay with time with a half-life of 2.7 years, the neutron emission cannot be interrupted, in addition to being necessary to replace them periodically.
[0021] No caso de inserção de rejeitos radioativos em reatores, a possibilidade de acidentes nucleares, associados a explosões químicas, tornam tais processos tecnológicos inaceitáveis para nossa sociedade. No Brasil, o tratamento de rejeitos das usinas de Angra I, II e futuramente III é problema ainda insolúvel. A transmutação por reações de “spallation” envolve aceleradores de prótons de altas energias (aproximadamente GeV) acoplados a reatores nucleares. Tais instalações são de elevado custo (bilhões de dólares) e ainda são experimentais.[0021] In the case of insertion of radioactive waste in reactors, the possibility of nuclear accidents, associated with chemical explosions, make such technological processes unacceptable to our society. In Brazil, the treatment of tailings from Angra I, II and, in the future, III plants is still an unsolvable problem. Transmutation by spallation reactions involves high-energy (approximately GeV) proton accelerators coupled to nuclear reactors. Such installations are costly (billions of dollars) and are still experimental.
[0022] No caso da transmutação de tório em urânio, os reatores de água leve, tipo pressurizado - PWR (Pressurized Water Reactor) não podem transmutar elementos fissionáveis em físseis em grande escala, devido à baixa economia de nêutrons. Para cada nêutron absorvido no 235U (combustível) emite-se 2,3 nêutrons. A continuidade da reação em cadeia necessita de 1 nêutron e o restante foge do reator ou é absorvido. Isso ocorre porque a água leve (H2O) é absorvedora de nêutrons. Desta forma, há um déficit de nêutrons para transmutar elementos de interesse dentro do reator. Apesar de o Brasil ter uma das maiores reservas mundiais de 232Th, a sua utilização ainda não ocorreu, sendo ainda inútil até o presente momento. A transmutação deste elemento em elemento físsil, no caso 233U, é de interesse para a nação, devido à possibilidade de aumentar a capacidade de produção elétrica por reatores nucleares.[0022] In the case of transmutation of thorium into uranium, light water reactors, pressurized type - PWR (Pressurized Water Reactor) cannot transmute fissile elements into fissiles on a large scale, due to the low neutron economy. For each neutron absorbed in 235U (fuel) 2.3 neutrons are emitted. Continuing the chain reaction requires 1 neutron and the remainder either escapes from the reactor or is absorbed. This is because light water (H2O) is a neutron absorber. Thus, there is a deficit of neutrons to transmute elements of interest inside the reactor. Although Brazil has one of the largest reserves of 232Th in the world, its use has not yet occurred, and it is still useless to date. The transmutation of this element into a fissile element, in the 233U case, is of interest to the nation, due to the possibility of increasing the capacity of electrical production by nuclear reactors.
[0023] Basicamente, a complexidade, elevado custo, dimensões e proteção radiológica envolvida na geração de radioisótopos pelas técnicas FT, RT e AC, limitam as aplicações de radioisótopos. Radionuclídeos ricos em nêutrons, especialmente os de meia vida curta, inferiores às 48h, por exemplo, de forma não limitante, não são produzidos. Obviamente, a distância dos centros de produção por qualquer uma das técnicas FT, RT e AC impede a utilização de radionuclídeos de meia vida curta.[0023] Basically, the complexity, high cost, dimensions and radiological protection involved in the generation of radioisotopes by FT, RT and AC techniques, limit the applications of radioisotopes. Neutron-rich radionuclides, especially those with a short half-life, less than 48 hours, for example, in a non-limiting way, are not produced. Obviously, the distance from the production centers by any of the FT, RT and AC techniques prevents the use of short half-life radionuclides.
[0024] Em adição, a eliminação de rejeitos radioativos in lócus ainda não foi resolvida no Brasil. Tais limitações podem ser contornadas pela aplicação do método de transmutação in lócus, através da ativação por nêutrons, gerados por meio de geradores compactos, suportados por reações de fusão. A principal vantagem se caracteriza pelas seções de choque das reações d-d, d-t e t-t, que atingem valores significativos a tensões de aceleração relativamente baixas (poucas centenas de kV) empregadas na aceleração dessas partículas.[0024] In addition, the disposal of radioactive waste in locus has not yet been resolved in Brazil. Such limitations can be overcome by applying the in locus transmutation method, through activation by neutrons, generated by compact generators, supported by fusion reactions. The main advantage is characterized by the cross sections of the d-d, d-t and t-t reactions, which reach significant values at relatively low acceleration voltages (a few hundred kV) used in the acceleration of these particles.
[0025] Com o objetivo de solucionar tais limitações existentes tanto na produção de radioisótopos, bem como das patentes relacionadas, a presente invenção é proposta no sentido de elevar:i) a oferta de radioisótopos ricos em nêutrons de meia vida curta;ii) a independência da tecnologia de reatores de alto fluxo na ativação de Mo-99, disponível somente em poucos países industrializados;iii) a produção de radioisótopos de meia vida curta nos hospitais ou clínicas; iv) a possibilidade de transmutação de radioisótopos de meia vida longa em radioisótopos de meia vida curta ou estáveis, in lócus, solucionando o problema dos rejeitos produzidos em reatores nucleares, ou de fontes seladas indesejáveis;v) a possibilidade de transmutação de elementos fissionáveis em físseis, permitindo o uso das reservas minerais de 232Th do pais;vi) a redução do custo de transmutação de radioisótopos;vii) a substituição de tecnologias complexas, como reatores nucleares de fissão e aceleradores de partículas, por tecnologias mais simples e compactas;viii) a manutenção da filosofia de geradores de radioisótopos compactos, mas sem dependência da pré-existência de um nuclídeo pai radioativo produzido em reatores de fissão ou aceleradores de partículas;ix) a segurança radiológica das instalações; x) e permitir o desligamento total da instalação e consequentemente interrupção da radiação produzida no dispositivo, semelhante ao equipamento de raio-X.[0025] Aiming at solving such existing limitations both in the production of radioisotopes, as well as related patents, the present invention is proposed in order to increase: i) the supply of short-lived neutron-rich radioisotopes; ii) the independence of high flux reactor technology in the activation of 99-Mo, available only in a few industrialized countries; iii) the production of short half-life radioisotopes in hospitals or clinics; iv) the possibility of transmuting long half-life radioisotopes into short-lived or stable radioisotopes, in locus, solving the problem of waste produced in nuclear reactors, or from undesirable sealed sources; v) the possibility of transmuting fissile elements into fissiles, allowing the use of the country's 232Th mineral reserves; vi) reducing the cost of transmutation of radioisotopes; vii) replacing complex technologies, such as nuclear fission reactors and particle accelerators, by simpler and more compact technologies; ) the maintenance of the philosophy of compact radioisotope generators, but without dependence on the pre-existence of a radioactive parent nuclide produced in fission reactors or particle accelerators; ix) the radiological safety of the facilities; x) and allow total shutdown of the installation and consequently interruption of radiation produced in the device, similar to X-ray equipment.
[0026] Desenvolveu-se então a presente invenção através da proposta da Célula Fusora Transmutadora Isotópica de forma Linear (CLFTI).[0026] The present invention was then developed through the proposal of the Linear Shape Isotopic Transmutator Fusor Cell (CLFTI).
[0027] A proposta da CLFTI consiste em empregar tecnologias de geração de nêutrons por fusão tipo d-d, d-t ou t-t e sistemas internos de moderação, reflexão e blindagem de nêutrons, em conjunto, compondo um sistema de transmutação nuclear. Nesse contexto, a CLFTI se distingue por constituir-se de um sistema unitário, capaz de ministrar em conjunto os principais processos eletromagnéticos e nucleares envolvidos na transmutação de nuclídeos. O sistema possui dimensões compactas, baixo custo comparado às tecnologias concorrentes, simplicidade de desenvolvimento e operação, apresentando segurança radiológica com a possibilidade de completa interrupção da radiação e disponibilidade, podendo operar de forma contínua na produção radioisótopos, no sítio de aplicação dos radioisótopos, consequentemente propiciando a produção e utilização de radionuclídeos ricos em nêutrons de meia-vida curta.[0027] The CLFTI proposal consists of employing neutron generation technologies by d-d, d-t or t-t fusion type and internal neutron moderation, reflection and shielding systems, together, composing a nuclear transmutation system. In this context, the CLFTI is distinguished by being a unitary system, capable of jointly administering the main electromagnetic and nuclear processes involved in the transmutation of nuclides. The system has compact dimensions, low cost compared to competing technologies, simplicity of development and operation, presenting radiological safety with the possibility of complete interruption of radiation and availability, being able to operate continuously in the production of radioisotopes, at the site of application of the radioisotopes, consequently enabling the production and use of neutron-rich radionuclides with a short half-life.
[0028] A presente tecnologia é compacta, mais simples (se comparada a um reator nuclear ou a um acelerador de partículas) e capaz de produzir radioisótopos, ou transmutar diversos isótopos ou radioisótopos de interesse, no local de utilização dos mesmos, por exemplo, em hospitais, clínicas, centros de pesquisa, locais de produção de rejeitos radioativos, a um baixo custo. Outro aspecto relevante em produção de radioisótopos proporcionado por esta tecnologia é a capacidade de ligar e desligar o dispositivo, alimentado por radiofrequência e altos potenciais elétricos, na ordem de 200 kV. Assim, ao desligar, o dispositivo deixa de produzir radiação, de forma equivalente a um aparelho de raios X convencional. Contrário aos reatores nucleares, que não cessam a produção de radiação, e, adverso às tecnologias que utilizam a produção de nêutrons por fontes de 252Cf, ou reações de fotodesintegração como (y,n); a CLFTI se torna atrativa por não produzir radiação quando desligada.[0028] The present technology is compact, simpler (compared to a nuclear reactor or a particle accelerator) and capable of producing radioisotopes, or transmuting several isotopes or radioisotopes of interest, in the place of use thereof, for example, in hospitals, clinics, research centers, radioactive waste production sites, at a low cost. Another relevant aspect in the production of radioisotopes provided by this technology is the ability to turn the device on and off, powered by radio frequency and high electrical potentials, in the order of 200 kV. Thus, when turning off, the device stops producing radiation, in a similar way to a conventional X-ray machine. Contrary to nuclear reactors, which do not cease the production of radiation, and adverse to technologies that use the production of neutrons by 252Cf sources, or photodisintegration reactions such as (y,n); CLFTI is attractive because it does not produce radiation when turned off.
[0029] Por fim, a presente tecnologia está na comparação da produção de radioisótopos por geradores, definido no presente pedido por GRs. Em GRs há a necessidade de um precursor, dito “pai”, radioativo, produzido antecipadamente em reatores nucleares. A distribuição dos geradores, como "Mo/"mTc são feitas semanalmente, e apresentam uma atividade eluída, decaindo no tempo da meia vida do pai, por exemplo, de 67 h do "Mo. O equilíbrio de atividades entre "Mo e "mTc é dita transiente. Na tecnologia apresentada, a CLFTI pode-se gerar continuamente o “pai”, cuja atividade interna no dispositivo, se torna constante, e consequentemente o equilíbrio entre o “pai” e “filho” se torna secular. A produção do pai, portanto, é cessada assim que a CLFTI é desligada. Além disso, é possível disponibilizar o radioisótopo “filho” de forma ilimitada, sem a necessidade de trocas periódicas dos GRs.[0029] Finally, the present technology is in comparing the production of radioisotopes by generators, defined in this application by GRs. In GRs there is a need for a precursor, called “father”, radioactive, produced in advance in nuclear reactors. The distribution of generators, such as "Mo/"mTc are done weekly, and present an eluted activity, decaying in the half-life of the father, for example, 67 h of "Mo. The balance of activities between "Mo and "mTc is said transient. In the technology presented, the CLFTI can continuously generate the "father", whose internal activity in the device becomes constant, and consequently the balance between the "father" and "son" becomes secular. father, therefore, is ceased as soon as the CLFTI is turned off.In addition, it is possible to make the “son” radioisotope available in an unlimited way, without the need for periodic exchanges of GRs.
[0030] A Figura 1 mostra a seção longitudinal da célula linear fusora transmutadora isotópica (CLFTI) e seus principais componentes e sistemas auxiliares.[0030] Figure 1 shows the longitudinal section of the linear isotopic transmutator fuser cell (CLFTI) and its main components and auxiliary systems.
[0031] A Figura 2 apresenta a vista tridimensional semitransparente da CLFTI, sem a blindagem, ilustrando a blindagem (43) e (42), refletor (41) e entrada de amostras (37).[0031] Figure 2 shows the semi-transparent three-dimensional view of the CLFTI, without the shield, illustrating the shield (43) and (42), reflector (41) and sample input (37).
[0032] A Figura 3 ilustra algumas das estruturas do CLFTI de forma isolada, de modo que (a) ilustra o receptáculo da câmara de plasma (38), o isolador elétrico (39), o receptáculo do moderador (40) e a entrada de amostras (37); (b) representa as mesmas estruturas; e (c) representa a camada de blindagem (42) e a tampa (43).[0032] Figure 3 illustrates some of the structures of the CLFTI in isolation, so that (a) illustrates the plasma chamber receptacle (38), the electrical insulator (39), the moderator receptacle (40) and the input of samples (37); (b) represents the same structures; and (c) represents the shielding layer (42) and the cover (43).
[0033] A Figura 4 ilustra as estruturas internas, como a câmara de plasma (38), o conjunto de eletrodos (31), (32), (33), (34) e (35), o moderador (36) e receptáculo de amostras (37).A Figura 5 ilustra o conjunto de eletrodos, apresentando-os de forma isolada e em conjunto.[0033] Figure 4 illustrates the internal structures, such as the plasma chamber (38), the set of electrodes (31), (32), (33), (34) and (35), the moderator (36) and sample receptacle (37). Figure 5 illustrates the set of electrodes, showing them in isolation and together.
[0034] A Figura 6 ilustra a distribuição das linhas equipotenciais do potencial elétrico gerado entre os eletrodos do plasma (31) e do eletrodo alvo (35).[0034] Figure 6 illustrates the distribution of equipotential lines of electrical potential generated between the plasma electrodes (31) and the target electrode (35).
[0035] A Figura 7 ilustra as linhas de transporte de ions entre os eletrodos do plasma (31) e o eletrodo alvo (35).[0035] Figure 7 illustrates the ion transport lines between the plasma electrodes (31) and the target electrode (35).
[0036] A Figura 8 ilustra o espectro energético dos nêutrons no moderador.[0036] Figure 8 illustrates the energy spectrum of neutrons in the moderator.
[0037] A Figura 9 ilustra as seções de choque para as reações de d-d (a) e d-t (b).[0037] Figure 9 illustrates the cross-sections for the reactions of d-d (a) and d-t (b).
[0038] A presente tecnologia é proposta por uma Célula Linear Fusora Transmutadora Isotópica (CLFTI) (Figura 1) que consiste em um arranjo de componentes ao longo de um segmento linear onde estão dispostos cinco tipos distintos de eletrodos: um eletrodo do plasma (31), um eletrodo supressor (32), um eletrodo aterrado (33), um eletrodo focalizador (34), e um eletrodo alvo (35). Basicamanete, na CLFTI existe uma câmara de plasma (38), um ambiente de aceleração onde se encontra os eletrodos, e um receptáculo para moderação (40) de nêutrons, contendo um receptáculo de amostras (37). O sistema de eletrodos foi previamente pesquisado e pode ser melhor compreendido em (Araujo L.W; Campos T.P.R, “The modeling of a linear multibeam deuteron compact accelerator for nêutron generation",Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v.679, p. 97-102, 2012).[0038] The present technology is proposed by an Isotopic Transmuting Linear Fusing Cell (CLFTI) (Figure 1) which consists of an arrangement of components along a linear segment where five distinct types of electrodes are arranged: a plasma electrode (31 ), a suppressor electrode (32), a ground electrode (33), a focusing electrode (34), and a target electrode (35). Basically, in the CLFTI there is a plasma chamber (38), an acceleration environment where the electrodes are located, and a neutron moderation receptacle (40), containing a sample receptacle (37). The electrode system was previously researched and can be better understood in (Araujo LW; Campos TPR, "The modeling of a linear multibeam deuteron compact accelerator for neutron generation", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v.679, p. 97-102, 2012).
[0039] A presente tecnologia (Figura 1) é constituída de um sistema gerador de plasma e ions, constituído de uma câmara de plasma (38) em formato e antenas de radiofrequência (RF) interna (46) ou externa (45); um arranjo geometricamente otimizado de eletrodos, ao longo de um segmento linear onde estão dispostos um eletrodo do plasma (31), em formato cilíndrico, dotado de 1 a 100 aberturas por centímetro quadrado de área, espessura entre 0,2 e 5 cm; um eletrodo supressor (32), em formato cilíndrico, com mesmo número de aberturas do eletrodo do plasma, posicionado de 0,4 a 2,5 cm do eletrodo do plasma; um eletrodo aterrado (33), em formato cilíndrico, com mesmo número de aberturas, posicionado de 0,9 a 3 cm do eletrodo do plasma; um eletrodo K focalizador (34), em formato de cilindro, com comprimento de 1 a 5 cm, com uma abertura em formato de tronco de cone, posicionado de 1 a 12 cm do eletrodo do plasma; um eletrodo alvo (35), em formato cilíndrico e espessura entre 0,1 e 2 cm, posicionado de 4 a 20 cm do eletrodo do plasma, sendo o alvo coberto de hidreto metálico na face exposta ao feixe, capaz de incorporar deutério ou trítio; sistema de refrigeração e isolador do alvo (48) com fluido refrigerante interno circulante; receptáculo do moderador (40), em formato cilíndrico, ajustável, preenchido de substância de baixo peso molecular, denominado moderador (36); um ou mais receptáculos de amostras (37), em formato cilíndrico; envolvido por um refletor neutrônico (41) e uma blindagem (44), com espessura variando entre 1 a 80 cm.[0039] The present technology (Figure 1) consists of a plasma and ion generator system, consisting of a plasma chamber (38) in format and internal (46) or external (45) radio frequency (RF) antennas; a geometrically optimized arrangement of electrodes, along a linear segment where a plasma electrode (31) is arranged, in cylindrical shape, with 1 to 100 openings per square centimeter of area, thickness between 0.2 and 5 cm; a suppressor electrode (32), in cylindrical shape, with the same number of openings as the plasma electrode, positioned from 0.4 to 2.5 cm from the plasma electrode; a ground electrode (33), in cylindrical shape, with the same number of openings, positioned 0.9 to 3 cm from the plasma electrode; a focusing K electrode (34) cylinder-shaped, 1-5 cm long, with a frusto-cone-shaped opening, positioned 1-12 cm from the plasma electrode; a target electrode (35), in cylindrical shape and thickness between 0.1 and 2 cm, positioned 4 to 20 cm from the plasma electrode, the target being covered with metal hydride on the face exposed to the beam, capable of incorporating deuterium or tritium ; target isolator and refrigeration system (48) with circulating internal refrigerant; moderator receptacle (40), cylindrical, adjustable, filled with a low molecular weight substance, called moderator (36); one or more sample receptacles (37), cylindrical in shape; surrounded by a neutron reflector (41) and a shield (44), with a thickness ranging from 1 to 80 cm.
[0040] O alvo (35) é constituído de uma película de hidretos metálicos sendo este preferencialmente de titânio-deutério (TiDx), onde x varia de 0,1 a 6, de forma não limitante, depositados sobre a placa do eletrodo metálico do alvo. O sistema de refrigeração é composto pelo trocador de calor metálico e fluido refrigerante (52). O fluido refrigerante (48) é constituído, preferencialmente de óleo mineral ou orgânico. Os eletrodos (31), (32), (33), (34) e (35) apresentarem múltiplas perfurações na forma cilíndrica e, assim como em seção de tronco de cone, ou seção de esfera, e são constituídos de cobre, alumínio, prata, ouro, titânio, ou liga metálica destes. Os eletrodos (31), (32) e (33) tem o mesmo número de aberturas e formatos e orientações de aberturas. Os isoladores elétricos (39) constituídos de material isolante elétrico, que pode recobrir a face não exposta do eletrodo do alvo, as juntas e bordas dos eletrodos, bem como nas entradas das conexões elétricas de alta tensão, entre estes materiais condutores e outras partes do dispositivo, são constituídos de material dielétrico como vidros, cerâmicas isoladoras especiais, e borracha, de forma não limitante. O moderador (36) é um invólucro que pode ser preenchido por uma ou mais substâncias de baixo peso molecular e reduzida absorção neutrônica, tais como água leve (H2O), água pesada (D2O), grafite, polímeros de alta densidade, polietileno, teflon, compostos de berílio, ou misturas dos mesmos. O refletor (41) é metálico, preferencialmente constituído de cromo, cobre, bismuto, chumbo, carbeto de tungsténio ou ligas ou misturas dos mesmos. Já a blindagem (43) e (44) pode ser composta de polietileno, água, ou grafite, misturado a um absorvedor de nêutrons, como substâncias à base de boro ou lítio, e revestida com bismuto, chumbo, ou carbeto de tungsténio; e o gás (53) da câmara de plasma (38) pode ser de deutério neutro, ou enriquecido com trítio gasoso.[0040] The target (35) consists of a film of metal hydrides, which is preferably titanium-deuterium (TiDx), where x varies from 0.1 to 6, in a non-limiting manner, deposited on the metal electrode plate of the target. The refrigeration system is composed of metallic heat exchanger and refrigerant (52). The refrigerant (48) preferably consists of mineral or organic oil. The electrodes (31), (32), (33), (34) and (35) have multiple perforations in a cylindrical shape and, as well as in a frusto-cone section, or a sphere section, and are made of copper, aluminum , silver, gold, titanium, or metal alloy of these. Electrodes (31), (32) and (33) have the same number of openings and opening shapes and orientations. Electrical insulators (39) consisting of electrical insulating material, which can cover the unexposed face of the target electrode, the joints and edges of the electrodes, as well as at the entrances of high voltage electrical connections, between these conductive materials and other parts of the device, are made of dielectric material such as glasses, special insulating ceramics, and rubber, in a non-limiting manner. The moderator (36) is a shell that can be filled with one or more substances of low molecular weight and reduced neutron absorption, such as light water (H2O), heavy water (D2O), graphite, high density polymers, polyethylene, teflon , beryllium compounds, or mixtures thereof. The reflector (41) is metallic, preferably made of chromium, copper, bismuth, lead, tungsten carbide or alloys or mixtures thereof. The shield (43) and (44) can be composed of polyethylene, water, or graphite, mixed with a neutron absorber, such as boron or lithium based substances, and coated with bismuth, lead, or tungsten carbide; and the gas (53) from the plasma chamber (38) may be neutral deuterium, or enriched with tritium gas.
[0041] De forma mais específica, a CLFTI (Figura 1) compreende uma câmara de plasma (38), em formato cilíndrico, com raio entre 2 a 100 cm e comprimento entre 3 a 30 cm e antenas de radiofrequência (RF) interna (46) ou externa (45); um arranjo de eletrodos ao longo do eixo axial, onde estão dispostos um eletrodo do plasma (31), em formato cilíndrico, com raio de 2 a 100 cm, dotado de 1 a 100 aberturas por centímetro quadrado, de modo que estas aberturas possuam raios entre 0,1 e 10 mm e espessura entre 0,2 e 5 cm; um eletrodo supressor (32), em formato cilíndrico, com raio de 2 a 100 cm e espessura entre 0,2 e 1 cm, posicionado de 0,4 a 4 cm do eletrodo do plasma; um eletrodo aterrado (33), em formato cilíndrico, com raio de 2 a 100 cm, espessura entre 0,2 e 1 cm, posicionado de 0,9 a 4 cm do eletrodo do plasma; sendo que os eletrodos do plasma (31), supressor (32), aterrado (33) mantêm o mesmo número de aberturas e dimensões, podendo cada abertura ter formato cilíndrico, ou tronco de cone ou de esfera com raios entre 0,1 a 10 mm; um eletrodo focalizador (34), em formato de cilindro, com comprimento de 1 a 5 cm, com uma abertura dem formato de tronco de cone, com raio menor entre 1 e 100 cm e maior entre 3 e 100 cm, posicionado de 1 a 12 cm do eletrodo do plasma; um eletrodo alvo (35), em formato cilíndrico com raio entre 2 e 100 cm e espessura entre 0,1 e 2 cm, posicionado de 4 a 20 cm do eletrodo do plasma, sendo o alvo coberto de hidreto metálico na face exposta ao feixe, capaz de incorporar deutério ou trítio; sistema de refrigeração e isolador do alvo (48) com fluido refrigerante interno circulante; o receptáculo do moderador (40) , em formato cilíndrico com raio variando entre 2 e 100 cm e comprimento entre 4 e 80 cm, ajustável, preenchido de substância de baixo peso molecular, denominado moderador (36); um ou mais receptáculos de amostras (37), em formato cilíndrico com raio variando entre 2 e 10 cm e comprimento entre 2 e 50 cm; envolvido por um refletor neutrônico (41) e uma blindagem (44), com espessura variando entre 1 a 80 cm; o alvo (35) é constituído de uma película de hidretos metálicos, sendo este preferencialmente de titânio-deutério (TiDx), onde x varia de 0,1 a 6, depositados sobre a placa do eletrodo metálico do alvo; o sistema de refrigeração (52) é composto pelo trocador de calor e bomba de circulação; o fluido refrigerante (48) é constituído de óleo mineral ou orgânico; os eletrodos (31), (32), (33), (34) e (35) são constituídos de cobre, alumínio, prata, ouro, titânio, ou liga metálica destes; os isoladores elétricos (39) são constituídos de material isolante elétrico, que pode recobrir a face não exposta do eletrodo do alvo, as juntas e bordas dos eletrodos, bem como nas entradas das conexões elétricas de alta tensão, entre estes materiais condutores e outras partes do dispositivo, constituídos de material dielétrico como vidros, cerâmicas isoladoras especiais ou borracha; pelo moderador (36) que é um invólucro que pode ser preenchido por uma ou mais substâncias de baixo peso molecular e reduzida absorção neutrônica, tais como água leve (H2O), água pesada (D2O), grafite, polímeros de alta densidade, polietileno, teflon, compostos de berílio ou misturas dos mesmos; pelo refletor (41) metálico, preferencialmente de cromo, cobre, bismuto, chumbo, carbeto de tungsténio ou ligas ou misturas dos mesmos; pela blindagem (43) e (44), composta de polietileno, água, ou grafite, misturado a um absorvedor de nêutrons, como substâncias à base de boro ou lítio, e revestida com bismuto, chumbo, ou carbeto de tungsténio; pelo gás (53) que preenche a câmara de plasma (38) que é de deutério neutro, ou enriquecido com trítio gasoso.[0041] More specifically, the CLFTI (Figure 1) comprises a plasma chamber (38), in cylindrical shape, with a radius between 2 to 100 cm and a length between 3 to 30 cm and internal radio frequency (RF) antennas ( 46) or external (45); an arrangement of electrodes along the axial axis, where a plasma electrode (31) is arranged, in cylindrical shape, with a radius of 2 to 100 cm, with 1 to 100 openings per square centimeter, so that these openings have radii between 0.1 and 10 mm and thickness between 0.2 and 5 cm; a suppressor electrode (32), in cylindrical shape, with a radius of 2 to 100 cm and a thickness between 0.2 and 1 cm, positioned 0.4 to 4 cm from the plasma electrode; a ground electrode (33), in cylindrical shape, with a radius of 2 to 100 cm, thickness between 0.2 and 1 cm, positioned 0.9 to 4 cm from the plasma electrode; and the plasma electrodes (31), suppressor (32), grounded (33) maintain the same number of openings and dimensions, each opening may have a cylindrical shape, or cone or sphere trunk with radii between 0.1 to 10 mm; a focusing electrode (34), in the form of a cylinder, with a length of 1 to 5 cm, with an opening in the shape of a frustum of cone, with a smaller radius between 1 and 100 cm and larger between 3 and 100 cm, positioned from 1 to 12 cm from the plasma electrode; a target electrode (35), in cylindrical shape with a radius between 2 and 100 cm and a thickness between 0.1 and 2 cm, positioned 4 to 20 cm from the plasma electrode, the target being covered with metal hydride on the face exposed to the beam , capable of incorporating deuterium or tritium; target isolator and refrigeration system (48) with circulating internal refrigerant; the moderator receptacle (40) , in cylindrical shape with a radius ranging between 2 and 100 cm and length between 4 and 80 cm, adjustable, filled with a low molecular weight substance, called moderator (36); one or more sample receptacles (37), in cylindrical shape with a radius ranging between 2 and 10 cm and a length between 2 and 50 cm; surrounded by a neutron reflector (41) and a shield (44), with a thickness ranging from 1 to 80 cm; the target (35) consists of a metal hydride film, which is preferably titanium-deuterium (TiDx), where x varies from 0.1 to 6, deposited on the target's metal electrode plate; the refrigeration system (52) is composed of the heat exchanger and circulation pump; the refrigerant fluid (48) consists of mineral or organic oil; the electrodes (31), (32), (33), (34) and (35) are made of copper, aluminum, silver, gold, titanium, or their metallic alloy; the electrical insulators (39) are made of electrical insulating material, which can cover the unexposed face of the target electrode, the joints and edges of the electrodes, as well as at the entrances of high voltage electrical connections, between these conductive materials and other parts of the device, made of dielectric material such as glasses, special insulating ceramics or rubber; by the moderator (36) which is a casing that can be filled with one or more substances of low molecular weight and reduced neutron absorption, such as light water (H2O), heavy water (D2O), graphite, high density polymers, polyethylene, teflon, beryllium compounds or mixtures thereof; by the metallic reflector (41), preferably of chromium, copper, bismuth, lead, tungsten carbide or alloys or mixtures thereof; by the shield (43) and (44), composed of polyethylene, water, or graphite, mixed with a neutron absorber, such as boron or lithium based substances, and coated with bismuth, lead, or tungsten carbide; by the gas (53) that fills the plasma chamber (38) which is either neutral deuterium, or enriched with gaseous tritium.
[0042] O invólucro do moderador (40) e o receptáculo de amostras (37) podem constituir um único elemento, de forma que os nuclídeos alvo possam ser inseridos e combinados no moderador.[0042] The moderator casing (40) and the sample receptacle (37) can constitute a single element, so that the target nuclides can be inserted and combined in the moderator.
[0043] A CLFTI pode se conectar a um sistema de potência de radiofrequência - RF (50), a um sistema de alta tensão (51) com conexões de alimentação para os eletrodos (56), e a um sistema de alimentação de gás de deutério (D2) (53) e (54).[0043] The CLFTI can connect to a radio frequency power system - RF (50), a high voltage system (51) with power connections for the electrodes (56), and a gas supply system for deuterium (D2) (53) and (54).
[0044] O presente dispositivo propõe uma estrutura geometricamente adequada, utilizando materiais adequados, isto é, as configurações e os tipos de materiais e geometrias permitem maximizar a surgência de nêutrons; reduzindo fugas por reflexão neutrônica, além de ajustar o espectro energético dos nêutrons através de moderação de nêutrons com os elementos do moderador, possibilitando a geração de um fluxo de nêutrons em um conjunto de receptáculos, capaz de transmutar núclideos produzindo radioisótopos, entre outras aplicações. Este fluxo de nêutrons modulado é originário das reações nucleares d-d ou d-t, sendo que os íons de deutério, gerados em plasma são extraídos da câmara de plasma por um eletrodo posicionado em sua face cilíndrica, acelerados por diferença de potencial presente entre um conjunto de eletrodos, e levados a colidir com um alvo constituído de hidreto deuterizados ou tritiados, promovendo as reações nucleares no alvo.[0044] The present device proposes a geometrically adequate structure, using suitable materials, that is, the configurations and types of materials and geometries allow to maximize the emergence of neutrons; reducing leakage by neutron reflection, in addition to adjusting the neutron energy spectrum through neutron moderation with the moderator elements, enabling the generation of a neutron flux in a set of receptacles, capable of transmuting nuclides producing radioisotopes, among other applications. This modulated neutron flux originates from nuclear reactions dd or dt, and the deuterium ions, generated in plasma, are extracted from the plasma chamber by an electrode positioned on its cylindrical face, accelerated by the potential difference present between a set of electrodes , and caused to collide with a target consisting of deuterated or tritiated hydrides, promoting nuclear reactions in the target.
[0045] A contenção cilíndrica do plasma permite a inserção de uma antena de radiofrequência interna ou externa, produzindo a excitação e ionização do gás de deutério, e sua remoção axial pelo eletrodo do plasma, em direção ao alvo.[0045] The cylindrical containment of the plasma allows the insertion of an internal or external radiofrequency antenna, producing the excitation and ionization of the deuterium gas, and its axial removal by the plasma electrode, towards the target.
[0046] Através de um isolamento e refrigeração do eletrodo do alvo (35) de alto potencial, pode-se aproximar o moderador (36) deste, permitindo que nêutrons percam suas energias por colisões elásticas e atinjam energias cinéticas plausíveis de ocorrer reações de absorção e captura radioativa, preferencialmente na faixa térmica, em receptáculos de amostras. Assim, processos de geração de radioisótopos como GR, FT, AC e RT tornam-se desatualizados e desnecessários.[0046] Through an isolation and refrigeration of the target electrode (35) of high potential, the moderator (36) can be brought closer to it, allowing neutrons to lose their energies by elastic collisions and reach plausible kinetic energies to occur absorption reactions and radioactive capture, preferably in the thermal range, in sample receptacles. Thus, radioisotope generation processes such as GR, FT, AC and RT become outdated and unnecessary.
[0047] A presente tecnologia é compacta, mais simples e capaz de produzir radioisótopos ou transmutar diversos isótopos ou radioisótopos de interesse no local de aplicação dos mesmos, por exemplo, em hospitais, clínicas, centros de pesquisa e locais de produção de rejeitos radioativos, a um baixo custo.[0047] The present technology is compact, simpler and capable of producing radioisotopes or transmuting various isotopes or radioisotopes of interest at the place of application thereof, for example, in hospitals, clinics, research centers and radioactive waste production sites, at a low cost.
[0048] Se tratando da produção de radioisótopos, um aspecto relevante desta invenção é a capacidade de ligar e desligar. Assim, ao desligar o dispositivo baseado em fusão d-d, deixa-se de produzir radiação. Esta característica do CHFTI lembra a possibilidade de desligar e ligar de um aparelho de raios X convencional. Contrária aos reatores nucleares, que não cessam a produção de radiação, e, adversa às tecnologias que utilizam a produção de nêutrons por fontes de 252Cf, ou reações de fotodesintegração como (y,n), a CLFTI, baseada em fusão d-d, se torna atrativa por não produzir radiação quando desligada.[0048] When dealing with the production of radioisotopes, a relevant aspect of this invention is the ability to turn on and off. Thus, by turning off the d-d fusion-based device, radiation is no longer produced. This feature of the CHFTI resembles the ability to turn a conventional X-ray machine off and on. Contrary to nuclear reactors, which do not cease the production of radiation, and, adverse to technologies that use the production of neutrons by 252Cf sources, or photodisintegration reactions such as (y,n), CLFTI, based on dd fusion, becomes attractive because it does not produce radiation when turned off.
[0049] Outro aspecto relevante da presente tecnologia está na comparação da produção de radioisótopos por geradores tipo “pai’7”filho” radioativos, definidos por GRs. Em GRs há a necessidade de um precursor, dito “pai”, radioativo, ser produzido antecipadamente em reatores nucleares. A distribuição dos geradores, como "Mo/"mTc são feitas semanalmente, e apresentam uma atividade eluída, decaindo no tempo da meia vida do pai, por exemplo, de 67 h do "Mo. O equilíbrio de atividades entre "Mo e "mTc é dita transiente pelo fato que ambos decaem e reduzem suas atividades exponencialmente em função da atividade do pai, 5 a 7 dias. Na tecnologia apresentada, a CLFTI pode gerar continuamente o “pai”, cuja atividade interna no dispositivo, se torna constante dependendo da taxa de reação de produção e, consequentemente, o equilíbrio entre o “pai” e “filho” se torna secular. Assim, é possível disponibilizar o radioisótopo “filho” de forma ilimitada, sem necessidade de trocas periódicas dos GRs.[0049] Another relevant aspect of the present technology is in the comparison of the production of radioisotopes by radioactive “father’7”son type generators, defined by GRs. In GRs there is a need for a radioactive precursor, called “father”, to be produced in advance in nuclear reactors. The distribution of generators, such as "Mo/"mTc are done weekly, and present an eluted activity, decaying in the half-life of the father, for example, 67 h of "Mo. The balance of activities between "Mo and "mTc is said transient because both decay and reduce their activities exponentially as a function of the father's activity, 5 to 7 days. In the presented technology, CLFTI can continuously generate the "father", whose internal activity in the device becomes constant depending on production reaction rate and, consequently, the balance between the “father” and “son” becomes secular, thus it is possible to make the radioisotope “son” available in an unlimited way, without the need for periodic exchanges of GRs.
[0050] Quanto aos principais componentes da CLFTI (presente invenção), bem como suas funcionalidades, a CLFTI consiste em:Gerador de plasma (50), (38), (45), (46) e (47) e extrator de íons (31) (32) (33): um gerador de plasma e fonte iônica, representado por uma câmara para contenção do plasma (38) e íons de deutério, extraídos do plasma (47) alimentado por o gás de D2 (54) provido por um sistema de armazenamento e distribuição de gás (53); antenas de radiofrequência, interna (46) ou helicoidal externa (45).Sistema de armazenamento e distribuição de gás (53) e (54): constituído de um cilindro com gás deutério pressurizado (53), válvulas de controle de pressão (53), que deverá estabelecer dentro da câmara de plasma uma pressão na ordem de aproximadamente 0,27 Pa, e tubos e conectores que alimentam a câmara de plasma (38).Conjunto de Eletrodos (31), (32), (33), (34) e (35) (Figura 5): responsáveis por definir um feixe de núcleos de isótopos de hidrogênio, íons de deutério (d) ou trítio (t). É aplicada nos eletrodos uma tensão fixa individual, variando entre 30 até -150 kV, responsável por extrair, focalizar e acelerar os íons de deutério. Este conjunto compreende um eletrodo do plasma (31), eletrodo supressor (32), eletrodo aterrado (33), eletrodo focalizador (34) e eletrodo associado ao alvo (35).Sistema de potência de radiofrequência (50): gerador de radiofrequência, rede de casamento de impedância e amplificador de potência, que alimenta a antena de RF (45) ou (46), que deve operar com potência na ordem de quilowatts (>5 kW) com freqüência de 13,56 MHz, e sistema de refrigeração.Alvo (35) refrigerado: constituído de hidretos metálicos depositados sobre a placa do eletrodo metálico do alvo (35), onde se produz reações de fusão d-d (dêuteron-dêuteron), d-t (dêuteron-tríton) ou t-t (tríton-tríton), gerando nêutrons;Sistema de refrigeração (52), (48): trocador de calor (52) e fluido refrigerante (48), constituído de óleo isolante (48), que flui sobre o metal que mantêm contato com o alvo, envolvendo-o de forma a absorver a energia térmica depositada no alvo dos íons acelerados.Receptáculo do moderador (40): um receptáculo com raio variando entre 2 e 100 cm e comprimento entre 4 e 80 cm, onde há um material de moderação neutrônica (36), de dimensões ajustáveis, de forma a aperfeiçoar o espectro energético do feixe neutrônico à transmutação de interesse, maximizando a taxa de reação de transmutação.Conjunto de receptáculo de amostras (37): local para introdução de amostras a serem transmutadas, interna ou lateral ao moderador;Refletor de nêutrons (41): um invólucro de reflexão de nêutrons, que minimiza a fuga ou absorção neutrônica de forma a confinar os nêutrons no interior do moderador;Blindagem (44) (43): invólucro externo que limita a exposição radioativa às proximidades do dispositivo, durante o período de operação.[0050] As for the main components of the CLFTI (present invention), as well as its functionalities, the CLFTI consists of: Plasma generator (50), (38), (45), (46) and (47) and ion extractor (31) (32) (33): a plasma generator and ion source, represented by a chamber for containing the plasma (38) and deuterium ions, extracted from the plasma (47) fed by the D2 gas (54) provided by a gas storage and distribution system (53); radio frequency antennas, internal (46) or external helical (45). Gas storage and distribution system (53) and (54): consisting of a cylinder with pressurized deuterium gas (53), pressure control valves (53) , which should establish a pressure in the order of approximately 0.27 Pa inside the plasma chamber, and tubes and connectors that feed the plasma chamber (38). Electrode Set (31), (32), (33), ( 34) and (35) (Figure 5): responsible for defining a bundle of nuclei of hydrogen isotopes, deuterium (d) or tritium (t) ions. An individual fixed voltage is applied to the electrodes, ranging from 30 to -150 kV, responsible for extracting, focusing and accelerating the deuterium ions. This set comprises a plasma electrode (31), suppressor electrode (32), ground electrode (33), focusing electrode (34) and electrode associated with the target (35). Radiofrequency power system (50): radiofrequency generator, impedance matching network and power amplifier, which feeds the RF antenna (45) or (46), which must operate with power in the order of kilowatts (>5 kW) with a frequency of 13.56 MHz, and cooling system .Cold (35) target: consisting of metal hydrides deposited on the target metal electrode plate (35), where dd (deuteron-deuteron), dt (deuteron-triton) or tt (triton-triton) fusion reactions are produced , generating neutrons; Cooling system (52), (48): heat exchanger (52) and refrigerant fluid (48), consisting of insulating oil (48), which flows over the metal that maintain contact with the target, surrounding it. o in order to absorb the thermal energy deposited on the target of the accelerated ions. Moderator receptacle (40): a receptacle the one with radius ranging between 2 and 100 cm and length between 4 and 80 cm, where there is a neutron moderating material (36) of adjustable dimensions, in order to improve the energy spectrum of the neutron beam to the transmutation of interest, maximizing the rate of transmutation reaction. Sample receptacle assembly (37): location for introduction of samples to be transmuted, internal or lateral to the moderator; Neutron reflector (41): a neutron reflection housing, which minimizes neutron leakage or absorption in order to confine the neutrons inside the moderator; Shield (44) (43): external casing that limits radioactive exposure to the vicinity of the device, during the period of operation.
[0051] A CLFTI se conecta a um sistema de potência de radiofrequência - RF (50), a um sistema de alta tensão (51) com conexões de alimentação para os eletrodos (56), e a um sistema de alimentação de gás de deutério (D2) (53) e (54).[0051] The CLFTI connects to a radio frequency power system - RF (50), a high voltage system (51) with power connections for the electrodes (56), and a deuterium gas supply system (D2) (53) and (54).
[0052] Entre alguns materiais que podem ser utilizados na constituição dos principais componentes da presente invenção, cita-se:Eletrodos (31), (32), (33), (34) e (35): peças metálicas sólida, com múltiplas perfurações na forma cilíndrica, seção de tronco de cone, ou seção de esfera, constituídas de cobre, alumínio, prata, ouro, titânio, ou liga metálica, de forma não limitante.Alvo (35): película depositada sobre o eletrodo do alvo, composta de hidreto metálico, sendo este de titânio, de forma não limitante.Isolador (39): material cerâmico isolador elétrico, de forma não limitante, aplicado na separação dos eletrodos e nas bordas dos mesmos, bem como nas entradas das conexões elétricas de alta tensão.Refrigerante (48): fluido refrigerante para o alvo (48), isolador elétrico, como óleo mineral ou orgânico isolante, de forma não limitante, aplicado no processo de refrigeração e isolamento elétrico do alvo (35).Moderador (36): invólucro preenchido com água leve (H2O), água pesada (D2O), grafite, polímeros de alta densidade, polietileno, teflon, compostos de berílio, ou misturas dos mesmos, de forma não limitante.Refletor (41): cromo, cobre, bismuto, chumbo, carbeto de tungsténio ou ligas ou misturas dos mesmos, de forma não limitante.Blindagem (44), (43): composta de polietileno, água, ou grafite, misturado a absorvedor de nêutrons, como substâncias a base de boro ou lítio, e revestido com bismuto, chumbo, ou carbeto de tungsténio, de forma não limitante.Gás (53): o gás de alimentação da câmara de plasma (38) é o gás de deutério neutro, ou enriquecido com trítio gasoso.[0052] Among some materials that can be used in the constitution of the main components of the present invention, the following are cited: Electrodes (31), (32), (33), (34) and (35): solid metal parts, with multiple perforations in cylindrical shape, frusto-cone section, or sphere section, made of copper, aluminum, silver, gold, titanium, or metallic alloy, in a non-limiting manner. Target (35): film deposited on the target electrode, composed of metal hydride, which is titanium, in a non-limiting manner. Insulator (39): ceramic electrical insulating material, in a non-limiting manner, applied to the separation of the electrodes and their edges, as well as to the inputs of the high electrical connections voltage.Refrigerant (48): refrigerant fluid to the target (48), electrical insulator, such as mineral or organic insulating oil, in a non-limiting manner, applied in the process of refrigeration and electrical isolation of the target (35).Moderator (36): casing filled with light water (H2O), heavy water (D2O), graphite, high density polymers, polyethylene, teflon, beryllium compounds, or mixtures thereof, in a non-limiting manner.Reflector (41): chromium, copper, bismuth, lead, tungsten carbide or alloys or mixtures thereof, in form non-limiting.Shield (44), (43): composed of polyethylene, water, or graphite, mixed with a neutron absorber, such as boron or lithium-based substances, and coated with bismuth, lead, or tungsten carbide, to form non-limiting.Gas (53): The plasma chamber feed gas (38) is neutral deuterium gas, or enriched with tritium gas.
[0053] De acordo Figura 1, a CLFT contém um conjunto de estruturas internas, a saber: o receptáculo da câmara de plasma (38); o receptáculo do moderador (40); o conjunto de eletrodos (31), (32), (33), (34) e (35), envoltos e separados por um isolador elétrico (39). Separando o receptáculo do moderador (40) do eletrodo alvo (35) há uma câmara que circula o fluido refrigerante circulante (48) que tem a função de isolamento elétrico e refrigeração do alvo (35). Os receptáculos de amostras (37) podem ser apenas um ou um conjunto distribuídos internos no moderador (36). Toda a estrutura é revestida por um refletor de nêutrons (41) e uma blindagem (44). Há a uma tampa (43), composta também de refletor e blindagem, que dá acesso aos receptáculos de amostras (37).[0053] According to Figure 1, the CLFT contains a set of internal structures, namely: the plasma chamber receptacle (38); the moderator receptacle (40); the set of electrodes (31), (32), (33), (34) and (35), wrapped and separated by an electrical insulator (39). Separating the moderator receptacle (40) from the target electrode (35) there is a chamber that circulates the circulating refrigerant (48) which has the function of electrical isolation and cooling of the target (35). The sample receptacles (37) can be just one or a set distributed internal to the moderator (36). The entire structure is covered by a neutron reflector (41) and a shield (44). There is a cover (43) also composed of a reflector and shielding, which gives access to the sample receptacles (37).
[0054] O invólucro do moderador (40) e o receptáculo de amostras (37) podem ser reestruturados em um único elemento, de modo que os nuclídeos alvo possam ser inseridos e combinados no moderador, compondo uma unidade moderadora transmutadora de radioisótopos.[0054] The moderator casing (40) and the sample receptacle (37) can be restructured into a single element, so that the target nuclides can be inserted and combined in the moderator, composing a radioisotope transmuting moderator unit.
[0055] A Figura 2 apresenta a estrutura aramada tridimensional da CLFTI, com semitransparência. Nesta estão apenas indicado a camada de refletor de nêutrons (41), a blindagem (42), a entrada do receptáculo de amostras (37), e a tampa blindada (43). Internamento pode-se ver a distribuição dos eletrodos entre a câmara de plasma e o moderador.[0055] Figure 2 shows the three-dimensional wireframe structure of CLFTI, with semi-transparency. In this only the neutron reflector layer (41), the shield (42), the sample receptacle entrance (37), and the shield cover (43) are indicated. Interning you can see the distribution of electrodes between the plasma chamber and the moderator.
[0056] A Figura 3(a) ilustra o receptáculo da câmara de plasma (38), o isolador elétrico (39), o receptáculo do moderador (40) e a entrada de amostras (37). A Figura 3(b) apresenta as mesmas estruturas. A Figura 3(c) apresenta a camada de blindagem (42) e a tampa (43).[0056] Figure 3(a) illustrates the plasma chamber receptacle (38), the electrical insulator (39), the moderator receptacle (40) and the sample inlet (37). Figure 3(b) shows the same structures. Figure 3(c) shows the shield layer (42) and the cover (43).
[0057] A Figura 4 ilustra com maior detalhe a distribuição dos eletrodos (31,32, 33, 34, e 35) entre a câmara de plasma e o moderador (36). São identificados o eletrodo supressor (32) e o eletrodo aterrado (33), cujas geometrias são equivalentes, sendo que o eletrodo supressor (32) está posicionado de 0,1 a 15 mm de distância do eletrodo do plasma (31) e do eletrodo aterrado (33). Por sua vez, o eletrodo aterrado (33) está posicionado de 0,1 a 20 mm do eletrodo do plasma (31). Os eletrodos supressor (32) e aterrado (33) têm espessuras de 1 a 10 mm, e dotados de múltiplas aberturas cilíndricas de 0,1 a 10 mm de raio e espaçados simetricamente de 2 a 30 mm, em conjunto, de medidas não limitantes.[0057] Figure 4 illustrates in greater detail the distribution of electrodes (31,32, 33, 34, and 35) between the plasma chamber and the moderator (36). The suppressor electrode (32) and the ground electrode (33) are identified, whose geometries are equivalent, and the suppressor electrode (32) is positioned 0.1 to 15 mm away from the plasma electrode (31) and the electrode grounded (33). In turn, the ground electrode (33) is positioned 0.1 to 20 mm from the plasma electrode (31). The suppressor (32) and ground (33) electrodes have thicknesses from 1 to 10 mm, and equipped with multiple cylindrical openings from 0.1 to 10 mm in radius and symmetrically spaced from 2 to 30 mm, together, of non-limiting measures .
[0058] Os eletrodos podem ser melhor identificados na Figura 5, onde são apresentados de forma individual.[0058] The electrodes can be better identified in Figure 5, where they are presented individually.
[0059] Na figura 5(a) apresenta a imagem do eletrodo do plasma (31), que tem semelhança em relação aos eletrodos de supressão (32) e aterrado (33), tendo o mesmo nurnero de perfurações e diâmetros.[0059] Figure 5(a) shows the image of the plasma electrode (31), which is similar to the suppression (32) and grounded (33) electrodes, having the same number of perforations and diameters.
[0060] A Figura 5(b) ilustrada o eletrodo focalizador (33), com uma abertura em geometria de tronco cônico com raio interno e externo diferenciado, formando um tronco de cone, posicionado posterior ao eletrodo aterrado (32) e afastado do eletrodo do plasma (31), de forma isolada.[0060] Figure 5(b) illustrates the focusing electrode (33) with an opening in conical trunk geometry with differentiated internal and external radius, forming a cone trunk, positioned posterior to the ground electrode (32) and away from the electrode of the plasma (31) in an isolated way.
[0061] Na Figura 5(c) é ilustrada a configuração conjunta dos eletrodos, de modo que: eletrodo do plasma (31), dotado, neste caso exemplo, de 6 aberturas distribuídas simetricamente, onde cada abertura possui formato circular, posicionadas após os eletrodos supressor (32), aterrado (33), focalizador (34) e eletrodo do alvo (35).[0061] In Figure 5(c) the joint configuration of the electrodes is illustrated, so that: plasma electrode (31), provided, in this example case, with 6 symmetrically distributed openings, where each opening has a circular shape, positioned after the suppressor electrodes (32), ground (33), focuser (34) and target electrode (35).
[0062] A Figura 6 ilustra a distribuição das linhas equipotenciais do potencial elétrico gerado entre os eletrodos do plasma (31) e do eletrodo alvo (35).[0062] Figure 6 illustrates the distribution of equipotential lines of electrical potential generated between the plasma electrodes (31) and the target electrode (35).
[0063] A Figura 7 ilustra as linhas de transporte de íons entre os eletrodos do plasma (31) e o eletrodo alvo (35).[0063] Figure 7 illustrates the ion transport lines between the plasma electrodes (31) and the target electrode (35).
[0064] A Figura 9 ilustra o espectro energético dos nêutrons no moderador.[0064] Figure 9 illustrates the energy spectrum of neutrons in the moderator.
[0065] No CLFTI, como foi mencionado, existe um conjunto de três eletrodos (plasma (31), supressor (32), aterrado (33)) de formato cilíndrico sólidos com espessuras de 01 a 20 mm, e raios equivalentes de 1 a 100 cm, dotado de 01 a 100 aberturas por centímetro quadrado em formato de seção de esfera, setor de tronco, ou cilíndrico, com raios entre 0,1 a 10 mm. (Figuras 1 e 3). Estes são posicionados entre si de forma paralela e espaçados de 0,1 a 30 mm, de forma não limitante. Pode-se identificar também a câmara de plasma (38) em formato cilíndrico com raio entre 2 e 100 cm e comprimento entre 3 e 50 cm. Enquanto, a estrutura para moderação de nêutrons (36), em formato cilíndrico admite raio variando entre 2 e 100 cm e comprimento entre 4 e 50 cm. O receptáculo de amostras (37), em formato cilíndrico, assume um raio variando entre 2 e 10 cm e comprimento entre 2 e 20 cm.[0065] In the CLFTI, as mentioned, there is a set of three electrodes (plasma (31), suppressor (32), grounded (33)) of solid cylindrical shape with thicknesses from 01 to 20 mm, and equivalent radii from 1 to 100 cm, with 01 to 100 openings per square centimeter in the shape of a sphere section, trunk sector, or cylindrical, with radii between 0.1 to 10 mm. (Figures 1 and 3). These are positioned parallel to each other and spaced from 0.1 to 30 mm apart, in a non-limiting manner. It is also possible to identify the plasma chamber (38) in cylindrical shape with a radius between 2 and 100 cm and a length between 3 and 50 cm. Meanwhile, the structure for moderation of neutrons (36), in cylindrical shape, admits a radius varying between 2 and 100 cm and a length between 4 and 50 cm. The sample receptacle (37), in cylindrical shape, assumes a radius varying between 2 and 10 cm and a length between 2 and 20 cm.
[0066] No eletrodo do alvo (35) ocorre as reações nucleares, d-d ou d-t como indicados nas expressões abaixo:d + 2H ->3He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV), Q = 3,270 MeV (50%) (1)d + 2H 3He + (1,01 MeV) + 1H (3,03 MeV), Q = 4,04 MeV (50%) (2) d + 3H ->4He (3,52 MeV) + n (14,06 MeV), Q = 17,590 MeV (3)onde d equivale ao isótopo do hidrogênio, 2H e tequivale ao isótopo do hidrogênio 3H, e p equivale a hidrogênio (H1), Q representa a energia cinética dos produtos da reação, onde n é emitida com 2,45 MeV em reações d-d e 14,06 MeV para d-t. As reações 1 e 2 podem ocorrer no alvo, isto é d-d, que geram (d,n') e (d,p). Entretanto somente a reação 6 apresenta como subproduto a emissão de nêutrons.[0066] In the target electrode (35) nuclear reactions occur, dd or dt as indicated in the expressions below: d + 2H ->3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV), Q = 3.270 MeV ( 50%) (1)d + 2H 3He + (1.01 MeV) + 1H (3.03 MeV), Q = 4.04 MeV (50%) (2) d + 3H ->4He (3.52 MeV ) + n (14.06 MeV), Q = 17.590 MeV (3) where d is equivalent to the isotope of hydrogen, 2H and teequivalent to the isotope of hydrogen 3H, and p is equivalent to hydrogen (H1), Q represents the kinetic energy of the products of reaction, where n is emitted with 2.45 MeV in dd reactions and 14.06 MeV for dt.
[0067] As seções de choques (probabilidade de interação) para as reações (d,n'), (d,p), (d,d), (t,n), obtidas do banco de dados ENDF/B-VI.8, são apresentadas na Figura 10.[0067] The cross sections (probability of interaction) for the reactions (d,n'), (d,p), (d,d), (t,n), obtained from the ENDF/B-VI database .8, are shown in Figure 10.
[0068] A determinação do rendimento neutrônico, y, da CLFTI pode ser avaliado por meio da equação 1.
[0069] Depois de obtido o rendimento de nêutrons, Eq.1, referente a fonte de emissão de nêutrons distribuída no alvo, calcula-se a distribuição espacial de nêutrons e seu espectro no volume do moderador, na tentativa de avaliar a degradação do espectro rápido (2,45 MeV emitidos por d-d, por exemplo) no espectro térmico. Nas regiões onde estão as amostras, obtém-se a seção de choque macroscópica do material a ser irradiado, multiplicando a seção de choque microscópica de transmutação (em geral, de captura radioativa, (n,v)), dependente da energia, pelo espectro neutrônico, normalizado pelo rendimento de nêutrons pela fonte, e, por fim, pela densidade volumétrica de átomos a ser transmutados, em átomos-cm3 Então, calcula-se a taxa temporal e volumétrica de transmutação de radioisótopos, definida como Rv, em unidades de nuclídeo produzidos “ nr” por unidade de volume, cm3 , por unidade de fluência emitida pela fonte, isto é n.s’1. Esta é multiplicada pelo rendimento y da CLFTI e inserida na equação 3, a fim de definir a atividade da amostra em função do tempo tde irradiação.
[0070] Em relação ao plasma (47) não-termalizado, produzido na câmara de plasma (38) de baixa temperatura, estes podem ser gerados por descargas elétricas, em operação continua (CW) ou pulsada, de forma capacitiva e indutiva acoplados a descargas de radiofrequência, descargas de antenas, e descargas por microondas em cavidades fechadas, ou mesmo em estruturas abertas. A descarga capacitiva acoplada pode ocorrer entre duas placas paralelas ou eletrodos transversais em que é aplicada uma diferença de potencial alternada. A descarga indutiva acoplada é gerada pela indução de uma bobina. O plasma (47) pode também ser gerado por um campo eletromagnético forte aplicado com um laser ou um gerador de micro-ondas, ou aplicação de um campo elétrico forte em um gás onde o processo de avalanche de Townsend ocorre. O processo de descarga de Townsend é um processo de ionização onde elétrons livres são acelerados pelo campo elétrico, forte o suficiente para gerar uma condução elétrica no gás na forma de uma multiplicação em avalanche causada pelos impactos de íons e moléculas ionizadas. Geração de plasma por radiofrequência RF é de interesse quando há necessidade de operação em longo tempo. Descargas elétricas aplicadas pelo gerador de plasma podem ser classificadas pela frequência do campo excitado, podendo variar de kHz a MHz, classificadas como: por descargas de corrente diretas (DC); descargas DC pulsadas (kHz); descargas de radiofrequência (MHz), suportadas por mecanismos de aquecimento de elétrons por meio ôhmico e estocástico; por descargas de micro-ondas (GHz); por plasma gerado por laser; ou por descargas de feixes de elétrons orientados. Em resumo, são várias as formas de geração de plasma, cuja ciência e tecnologia são de domínio público. A alteração da forma de geração do plasma na câmara de plasma, descrita nesta patente, mantendo semelhante geometria, material ou componentes, e preservando o uso, não caracterizam uma nova invenção, mas representam apenas modificações na forma de ionização do gás de deutério, suportada por informações científicas e técnicas de conhecimento comum.[0070] Regarding the non-thermalized plasma (47), produced in the low temperature plasma chamber (38), these can be generated by electrical discharges, in continuous (CW) or pulsed operation, in a capacitive and inductive way coupled to radio frequency discharges, antenna discharges, and microwave discharges in closed cavities, or even in open structures. Capacitive coupled discharge can occur between two parallel plates or transverse electrodes where an alternating potential difference is applied. Inductive coupled discharge is generated by the induction of a coil. The plasma (47) can also be generated by a strong electromagnetic field applied with a laser or microwave generator, or by applying a strong electric field to a gas where the Townsend avalanche process takes place. The Townsend discharge process is an ionization process where free electrons are accelerated by the electric field, strong enough to generate an electrical conduction in the gas in the form of an avalanche multiplication caused by the impacts of ions and ionized molecules. RF radio frequency plasma generation is of interest when long-term operation is required. Electrical discharges applied by the plasma generator can be classified by the frequency of the excited field, which may vary from kHz to MHz, classified as: by direct current discharges (DC); pulsed DC discharges (kHz); radio frequency (MHz) discharges, supported by electron heating mechanisms through ohmic and stochastic means; by microwave discharges (GHz); by laser generated plasma; or by oriented electron beam discharges. In summary, there are several forms of plasma generation, whose science and technology are in the public domain. Changing the way in which the plasma is generated in the plasma chamber, described in this patent, while maintaining similar geometry, material or components, and preserving its use, does not characterize a new invention, but merely represents changes in the form of ionization of deuterium gas, supported by scientific and technical information of common knowledge.
[0071] A CLFTI pode transmutar e produzir radionuclídeos ricos em neutrons, preferencialmente do grupo compreendendo: Na-24, P-32, S-35, CI-38,Ar-41, K-42, Ca-47, Ca-49, Ti-51, V-52, Cr-55, Mn-56, Fe-59, Co-60, Ni-65, Cu-64, Cu-66, Zn-69, Zn-71, Zn-72, Ga-70, Ga-72, Ge-72, Ge-75, As-76, Se-81, Se- 83, Br-80, Br-82, Kr-87, Kr-85, Kr-81, Kr-79, Rb-86, Rb-88, Sr-85, Sr-87, Sr-89, Sr-90, Y-90, Mo-99, Ru-105, Ru-106, Rh-104, Pd-103, Pd-107, Ag-108, Ag-110, Ag-111, Ag-113, Cd-111, Cd-115, Cd-117, ln-114, ln-116, ln-114,ln-116, Sn- 125, Sn 121, Sn-123, Sb122, Sb123, Sb125, Te-121, Te123, Te125, Te-127, Te-129, Te-131, 1-128, 1-131, Xe-125, Xe-127, Xe-129, Xe-131, Xe-133, Xe135, Xe-137, Cs-134, Ba-133, Ba-135, Ba-139, Ba-130, La-140, Ce-137, Ce-139, Ce-141, Ce-143, Pr-142, Pr-143, Nd-147 Nd-149, Nd-151, Sm-151, Sm-153, Sm-155, Eu-152, Eu-154, Eu-155, Eu-156, Gd-153, Gd-159, Gd-161, Tb-160, Dy-157, Dy-159, Dy-165, Dy-166, Ho-166, Er-169, Er-171, Tm-170, Yb-169, Yb- 175, Yb-177, Lu-177, Hf-175, Hf-181, Hf182, Hf-177, Hf-178, Hf-179, Ta-182, W181, W185, W-187, W188, Re-188, Os-193, lr-192,lr-193,lr-194, Pt-191, Pt- 193, Pt-195, Pt-197, Pt-199, Au-1998, Au-199, Hg-197, Hg-199, Hg-203, Hg- 205, Ti-204, Ti-206, Pb-205, Pb-209, Bi-201, Bi-211, Th-233, U-239.[0071] CLFTI can transmute and produce neutron-rich radionuclides, preferably from the group comprising: Na-24, P-32, S-35, CI-38, Ar-41, K-42, Ca-47, Ca-49 , Ti-51, V-52, Cr-55, Mn-56, Fe-59, Co-60, Ni-65, Cu-64, Cu-66, Zn-69, Zn-71, Zn-72, Ga -70, Ga-72, Ge-72, Ge-75, As-76, Se-81, Se-83, Br-80, Br-82, Kr-87, Kr-85, Kr-81, Kr-79 , Rb-86, Rb-88, Sr-85, Sr-87, Sr-89, Sr-90, Y-90, Mo-99, Ru-105, Ru-106, Rh-104, Pd-103, Pd -107, Ag-108, Ag-110, Ag-111, Ag-113, Cd-111, Cd-115, Cd-117, ln-114, ln-116, ln-114, ln-116, Sn-125 , Sn 121, Sn-123, Sb122, Sb123, Sb125, Te-121, Te123, Te125, Te-127, Te-129, Te-131, 1-128, 1-131, Xe-125, Xe-127, Xe-129, Xe-131, Xe-133, Xe135, Xe-137, Cs-134, Ba-133, Ba-135, Ba-139, Ba-130, La-140, Ce-137, Ce-139, Ce-141, Ce-143, Pr-142, Pr-143, Nd-147, Nd-149, Nd-151, Sm-151, Sm-153, Sm-155, Eu-152, Eu-154, Eu-155 , Eu-156, Gd-153, Gd-159, Gd-161, Tb-160, Dy-157, Dy-159, Dy-165, Dy-166, Ho-166, Er-169, Er-171, Tm -170, Yb-169, Yb-175, Yb-177, Lu-177, Hf-175, Hf-181, Hf182, Hf-177, Hf-178, Hf-179, Ta-182, W181, W185, W-187, W188, Re-188, Os-193, lr-192, lr-193,lr- 194, Pt-191, Pt-193, Pt-195, Pt-197, Pt-199, Au-1998, Au-199, Hg-197, Hg-199, Hg-203, Hg-205, Ti-204, Ti-206, Pb-205, Pb-209, Bi-201, Bi-211, Th-233, U-239.
[0072] A célula CLFTI pode também transmutador de um ou mais dos radionuclídeos de meia vida longa, precursor de um radionuclídeo de meia vida curta, sendo este par, definido no grupo: Mo-99/Tc-99m, Sr-90/Y-90, Rb-81/Kr- 81 m, Hg-195/Au-195m; W-188/Re-188, SÍ-32/P-32, de forma não limitante.[0072] The CLFTI cell can also transmute one or more of the long half-life radionuclides, precursor of a short half-life radionuclide, this pair being defined in the group: Mo-99/Tc-99m, Sr-90/Y -90, Rb-81/Kr-81m, Hg-195/Au-195m; W-188/Re-188, SI-32/P-32, in a non-limiting manner.
[0073] A célula CLFTI pode elimitar rejeitos radioativos, produzindo nuclídeos de meia vida curta, na transmutação de nuclídeos de meia vida longa do grupo do califórnio, berquélio, cúrio, amerício, plutônio, netúnio, urânio, protactínio, tório, actinídeo, radio, estrôncio, iodo, césio, cobalto, ferro, sódio, de forma não limitante, comumente existente e produzido em combustíveis nucleares em reatores nucleares. A CLFTI pode também transmutar nuclídeos fissionáveis em físseis, como Th-232 em U-233 e U-238 em Pu-239.[0073] The CLFTI cell can eliminate radioactive waste, producing short half-life nuclides, in the transmutation of long half-life nuclides from the group of californium, berkelium, curium, americium, plutonium, netunium, uranium, protactinium, thorium, actinide, radio , strontium, iodine, cesium, cobalt, iron, sodium, in a non-limiting form, commonly existing and produced in nuclear fuels in nuclear reactors. CLFTI can also transmute fissile into fissile nuclides, such as Th-232 to U-233 and U-238 to Pu-239.
[0074] Além disso, este dispositivo pode ser útil em testes de análise da concentração química por ativação de gamas prontos. Esta é uma unidade que o moderador está superposto ao alvo cilíndrico, que se encontra em sua face cilíndrica inferior, tendo uma face superior livre e de fácil acesso. Nesta fase pode-se esperar um espectro de partículas com menos contaminação gama e de nêutrons, podendo inclusive ser filtrado por filtros de nêutrons térmicos e gamas. Pode-se então utilizar parte desta área para coleta de gamas prontos produzidos pelas amostras irradiadas no interior do moderador, a partir do posicionamento de detores de raios gamas associados a um sistema de espectrometria gama. Os raios gamas característicos emitidos imediatamente (prontos) após a captura de nêutrons nos núcleos dos átomos das amostras posicionadas no moderador permitem a caracterização química e nuclear dos elementos presentes.[0074] In addition, this device can be useful in chemical concentration analysis tests by activating ready ranges. This is a unit that the moderator is superimposed on the cylindrical target, which is on its lower cylindrical face, having a free and easily accessible upper face. At this stage, a spectrum of particles with less gamma and neutron contamination can be expected, and can even be filtered by thermal and gamma neutron filters. One can then use part of this area to collect ready gamma produced by the irradiated samples inside the moderator, from the positioning of gamma ray detectors associated with a gamma spectrometry system. The characteristic gamma rays emitted immediately (ready) after the capture of neutrons in the nuclei of the atoms of the samples positioned in the moderator allow the chemical and nuclear characterization of the elements present.
[0075] A presente tecnologia pode ser melhor compreendida através dos seguintes exemplos, não limitantes.[0075] The present technology can be better understood through the following non-limiting examples.
[0076] Como exemplo da avaliação eletromagnética, apresenta-se a distribuição potencial elétrico de uma CLFTI simulada no código CST (Computer Simulation Technology). Neste, foram empregados um potencial elétrico de 30 kV no eletrodo do plasma (31), -900 V no eletrodo supressor (32), 0 V no eletrodo aterrado (33), 30 kV no eletrodo focalizador (34) e -150 kV no eletrodo alvo (35). O perfil das linhas equipotenciais é apresentado na Figura 14.[0076] As an example of the electromagnetic evaluation, the electrical potential distribution of a CLFTI simulated in the CST code (Computer Simulation Technology) is presented. In this, an electrical potential of 30 kV in the plasma electrode (31), -900 V in the suppressor electrode (32), 0 V in the ground electrode (33), 30 kV in the focusing electrode (34) and -150 kV in the target electrode (35). The profile of equipotential lines is shown in Figure 14.
[0077] Como resultado da simulação, a Figura 15 mostra o perfil energético dos feixes de dêuterons, representando suas trajetórias em direção ao alvo. A configuração apresentada permitiu alcançar uma corrente de 198,5 mA de dêuterons no alvo.[0077] As a result of the simulation, Figure 15 shows the energy profile of the deuteron beams, representing their trajectories towards the target. The configuration presented allowed to reach a current of 198.5 mA of deuterons in the target.
[0078] O cálculo do rendimento neutrônico yfoi avaliado por meio da equação 1. Os valores do poder de frenagem foram obtidos por meio do código Srim. A CLFTI adotada de 6 aberturas nos eletrodos do plasma atingiu-se um rendimento de nêutrons de 1012 n s’1.[0078] The calculation of the neutron efficiency y was evaluated through equation 1. The values of the braking power were obtained through the Srim code. The adopted CLFTI of 6 openings in the plasma electrodes reached a neutron yield of 1012 n s’1.
[0079] Como exemplo de avaliação nuclear, foi construído um modelo da CLFTI, simulado no código MCNP5 (Monte Cario N-Particle). Os materiais empregados nesta avaliação foram: ar seco (ambiente externo), blindagem (de polietileno borado, densidade de 1,12 g.cm’3), refletor (de cromei, densidade 10,27 g.cm’3), receptáculos (de aço inox, densidade 8,0 g.cm’3), isolador (de kaolinite, 2,50 g.cm’3), câmara de plasma preenchida com gás de deutério (de densidade 0,01 g.cm’3), eletrodos do plasma e alvo (de cobre, densidade 8,50 g.cm’3), ambiente de aceleração com gás de deutério (de 0,001 g.cm3), alvo (cobre, titânio deutério, 8,50 g.cm’3), refletor (liga de bismuto e chumbo, densidade 10,27 g.cm’3), e moderador (grafite, 1,70 g.cm’3, e água leve, 1,0 g.cm’3). Como fonte de nêutrons, foi adotada a surgência avaliada no Exemplo 2, distribuído no alvo.[0079] As an example of nuclear evaluation, a model of the CLFTI was built, simulated in the MCNP5 code (Monte Cario N-Particle). The materials used in this evaluation were: dry air (external environment), shielding (of boron polyethylene, density of 1.12 g.cm'3), reflector (of chrome, density 10.27 g.cm'3), receptacles ( stainless steel, density 8.0 g.cm'3), insulator (from kaolinite, 2.50 g.cm'3), plasma chamber filled with deuterium gas (density 0.01 g.cm'3) , plasma and target electrodes (copper, density 8.50 g.cm'3), acceleration environment with deuterium gas (from 0.001 g.cm3), target (copper, titanium deuterium, 8.50 g.cm'). 3), reflector (alloy of bismuth and lead, density 10.27 g.cm'3), and moderator (graphite, 1.70 g.cm'3, and light water, 1.0 g.cm'3). As a source of neutrons, the surge evaluated in Example 2, distributed in the target, was adopted.
[0080] O fluxo de nêutrons no moderador foi gerada na simulação com o código MCNP5, que executou o transporte de nêutrons no moderador da CLFTI, cujas energias rápidas, 2,45 MeV, atingem a faixa térmica no volume moderador.[0080] The neutron flux in the moderator was generated in the simulation with code MCNP5, which performed the neutron transport in the moderator of CLFTI, whose fast energies, 2.45 MeV, reach the thermal range in the moderator volume.
[0081] A Figura 8 apresenta o espectro do fluxo neutrônico (normalizado em função da nêutrons incidentes do alvo) no centro do moderador. Observa-se que no centro do moderador, a quantidade de nêutrons rápidos, de 2,5 MeV, reduzem significativamente e a quantidade de nêutrons termalizados, <0,1 eV, aumentam. O espectro emitido pelo alvo é monoenergético em 2,5 MeV, não apresentado no gráfico. Esta alteração no espectro de nêutrons auxilia no aumento da taxa de transmutação dos isótopos de interesse.[0081] Figure 8 shows the neutron flux spectrum (normalized as a function of the incident neutrons of the target) in the center of the moderator. It is observed that in the center of the moderator, the amount of fast neutrons, of 2.5 MeV, significantly decreases and the amount of thermalized neutrons, <0.1 eV, increases. The spectrum emitted by the target is monoenergetic at 2.5 MeV, not shown in the graph. This change in the neutron spectrum helps to increase the transmutation rate of the isotopes of interest.
[0082] A Figura 9 apresenta a seção de choque para reações de d-d e d-t que produzem neutrons.[0082] Figure 9 presents the cross-section for d-d and d-t reactions that produce neutrons.
[0083] O lr-192 possui meia vida de 74,2 dias, decai por emissão beta e gama para um isótopo estável, Pt-192. Os raios betas emitidos apresentam energia na faixa de 530 keV a 670 keV, a média de seus raios gama emitida é equivalente a 370 keV. O irídio-191 possui alta secção de choque térmica de absorção para nêutrons (910 barns).[0083] The lr-192 has a half-life of 74.2 days, decays by beta and gamma emission to a stable isotope, Pt-192. The beta rays emitted present energy in the range of 530 keV to 670 keV, the average of their emitted gamma rays is equivalent to 370 keV. Iridium-191 has a high thermal absorption shock section for neutrons (910 barns).
[0084] Ligas de iridio na forma de fios para implantes em braquiterapia podem ser produzidos. Considere o nuclídeo lr-191, com abundancia isotópica de 37,3%, em liga platina-irídio (40% Ir / 60% Pt), com densidade mássica de 22,00 g.cm3, na forma de fios de 0,2 cm de diâmetro, e 1 cm de comprimento, por exemplo. A densidade atômica do nuclideo Z a ser transmutado será 1,1590 1021 at.cm3. O volume do fio tem 0,031415 cm3. Assim, teremos 3,6411.1019 átomos de lr-191.Iridium alloys in the form of wires for implants in brachytherapy can be produced. Consider the nuclide lr-191, with an isotopic abundance of 37.3%, in a platinum-iridium alloy (40% Ir / 60% Pt), with a mass density of 22.00 g.cm3, in the form of 0.2 wires cm in diameter, and 1 cm in length, for example. The atomic density of the Z nuclide to be transmuted will be 1.1590 1021 at.cm3. The yarn volume is 0.031415 cm3. So we have 3.6411,1019 atoms of lr-191.
[0085] Os resultados da taxa de transmutação temporal e volumétrica Rv para as amostras de lrídio-191, transmutando em lr-192, por reações de captura radioativa (n,g) podem ser calculadas pelas equações 3 e 4.[0085] The results of the temporal and volumetric transmutation rate Rv for the samples of Iridium-191, transmuting into lr-192, by radioactive capture reactions (n,g) can be calculated by
[0086] No caso, o termo (<oz(E)Φ(E,r)>/y) avaliado no código MCNP, baseando-se em um modelo geométrico de CLFTI, atingiu o valor de 3,01329 1/cm2-b (utilizando a biblioteca 77191.66c de seção de choques da ENDF-B.8, onde b= barn), em unidades de nêutron emitido no alvo, na posição de maior taxa de reação, no eixo axial, e dentro do receptáculo do moderador.[0086] In this case, the term (<oz(E)Φ(E,r)>/y) evaluated in the MCNP code, based on a geometric model of CLFTI, reached the value of 3.01329 1/cm2- b (using the ENDF-B.8 cross section library 77191.66c, where b= barn), in units of neutron emitted at the target, in the position of highest reaction rate, on the axial axis, and inside the moderator receptacle .
[0087] Neste caso, Rv (eq.3) é de 0,0034925 nuclideos de Ir192 por cm3 por segundo, por unidade de rendimento do alvo; ou 1,09717.10‘4 nuclideos de lr- 192 produzidos por segundo no fio ativado por nêutron da fonte. Considerando uma surgencia de 1012 n.s'1, teremos 110 MBq ou 3,0 mCi por fio. Esta atividade é atingida após 100 dias de operação. Centenas de fios de irídio podem ser produzidas neste período, atendendo toda uma demanda hospitalar de pacientes com cancer.[0087] In this case, Rv (eq.3) is 0.0034925 Ir192 nuclides per cm3 per second, per target yield unit; or 1,09717.10‘4 nuclides of lr-192 produced per second in the source's neutron-activated wire. Considering a surge of 1012 n.s'1, we will have 110 MBq or 3.0 mCi per wire. This activity is achieved after 100 days of operation. Hundreds of iridium threads can be produced during this period, meeting the entire hospital demand of cancer patients.
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