CN108977859A - 一种制备镍-63放射源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备镍‑63放射源的方法，依次包括：溶解辐照后镍金属、添加钴载体、转换镍溶液的酸体系、去除镍溶液中的杂质、转换溶液的酸体系、电沉积制备⁶³Ni放射源。本发明流程简化，便于实施，对辐照后镍靶件中的杂质去除率高，对镍的回收率高，所制备的⁶³Ni放射源致密、均匀。

Description

一种制备镍-63放射源的方法

技术领域

本发明涉及放射源制备技术领域，特别是涉及一种制备镍-63放射源的方法。

背景技术

⁶³Ni(镍-63)放射源是将高纯度的⁶³Ni均匀固定在金属衬底上，形成致密、均匀的纯β放射源。⁶³Ni放射源是目前世界上应用最广泛的低能β放射源之一，是研发辐射伏特效应同位素电池的关键原材料，能为空间及深海等特殊环境的装置提供稳定能源，具有重要而广泛的应用前景。特别是目前新能源核电池开发应用、气相色谱分析和液相色谱分析电子俘获探测器、海关用爆炸物质谱探测器和高灵敏的泄漏探测器等多个应用领域迫切需要⁶³Ni纯β放射源。

⁶³Ni放射源的制备，既需要高纯度的⁶³Ni同位素产品，又需要解决⁶³Ni的制源工艺。⁶³Ni同位素产品的生产是由反应堆辐照镍金属靶件，经⁶²Ni(n,γ)⁶³Ni反应后获得⁶³Ni。镍金属靶件辐照完成后，还需进行一系列化学制备流程，如溶解、提纯、制源等，才能获得可用于同位素电池的⁶³Ni放射源。因此，从辐照后靶件到放射源制源完成的化学制备方法，是⁶³Ni放射源制备的关键。

目前，美国橡树岭国家实验室(ORNL)是⁶³Ni同位素产品全球唯一供应商。ORNL利用富集度约为96％的⁶²Ni进行制靶，辐照后靶件经切割解体，溶于盐酸中。由于ORNL采用的是高富集度的⁶²Ni，其杂质含量低，对纯化工艺要求不高。

⁶³Ni放射源的制源方法主要有：直接活化法、粉末冶金法、电沉积法。其中，电沉积法较易实施。国内征对电沉积法开展了相关研究，取得了一定的研究成果，但技术成熟度不高，得到的放射源质量不稳定。

本发明针对辐照后的天然镍靶件，解决现有⁶³Ni提纯技术和电沉积技术不成熟的问题，建立反应堆辐照后镍靶件制备⁶³Ni放射源的完整化学处理流程和方法。

发明内容

针对上述提出的⁶³Ni放射源制备问题，本发明提供了一种制备镍-63放射源的方法，本方法提供了一种通过反应堆辐照后镍靶件制备⁶³Ni放射源的完整方法。

为解决上述问题，本发明提供的一种制备镍-63放射源的方法通过以下技术要点来解决问题：一种制备镍-63放射源的方法，括顺序进行的以下步骤：

S1、溶解反应堆辐照后的镍靶件，得到镍溶液；

S2、对步骤S1所得溶液进行提纯；

S3、制备放射源；

所述步骤S1为将镍靶件溶解在硝酸溶液中；

所述步骤S2的实现步骤为：

S2-1、向步骤S1所得溶液中添加钴载体：向步骤S1所得溶液中加入⁵⁹Co溶液，使镍溶液中所有钴元素总质量浓度为50mg/L～200mg/L；

S2-2、转换镍溶液的酸体系：将步骤S2-1所得镍溶液转换成盐酸体系；

S2-3、去除镍溶液中的杂质：对步骤S2-2所得镍溶液进行杂质去除，具体杂质去除方法为：采用阴离子交换树脂除杂，所述阴离子交换树脂为凝胶交联结构的苯乙烯-二乙烯苯共聚体上带有季铵基[-N(CH₃)₃OH]；

所述步骤S3的实现步骤为：

S3-1、转换步骤S2-3所得的除杂后的镍溶液的酸体系：转换为硫酸体系；

S3-2、电沉积制备⁶³Ni放射源：将镍电沉积在片状金属衬底上。

更进一步的技术方案为：

所述步骤S1的具体实现方法为：采用5mol/L～6mol/L的硝酸溶解镍靶件得到镍溶液，硝酸溶液用量按照：每1g镍靶件加入10mL～200mL硝酸溶液；

所述步骤S2-2的具体实现方法为：对步骤S2-1所得镍溶液进行加热并蒸干；在蒸干所得固体物质冷却后加入浓盐酸并使得固体完全溶解，浓盐酸的用量按照：每1g镍靶件加入10mL～200mL浓盐酸溶液；

所述步骤S3-1的具体实现方法为：对步骤S2-3所得镍溶液进行加热并蒸干；在蒸干所得固体物质冷却后加入浓硫酸并使得固体完全溶解，浓硫酸的用量按照：每1g镍靶件加入0.7mL～2.0mL浓硫酸溶液。

所述步骤S3-2的具体实现方法包括：配制电沉积液、电沉积衬底预处理和电沉积，所述配制电沉积液为：加入步骤S3-1所得镍溶液、H₃BO₃溶液、浓硫酸溶液、十二烷基硫酸钠，控制电沉积液中镍浓度为1.5g/L～100g/L，H₃BO₃浓度为20g/L～50g/L，硫酸浓度为0.2g/L～15g/L，十二烷基硫酸钠浓度为0.05g/L～0.45g/L。加入NaOH和盐酸溶液调节pH至3～6。

电沉积衬底预处理的方法为：不锈钢衬底用丙酮浸泡10min～30min后，采用无水乙醇浸泡5min～20min，而后用去离子水冲洗，而后将不锈钢衬底安装至电沉积仪上；

量取5mL～10mL预电沉积液，其中，预电沉积液中NiSO₄·6H₂O含量为100g/L～500g/L、HCl含量为100g/L～400g/L，将不锈钢衬底在室温下浸泡5min～10min；

开启电沉积仪，电流为8mA～15mA、铂电极转速30r/min～60r/min、阴阳极间距0.8cm～1.2cm，电沉积时间3min～5min。

所述电沉积为采用电沉积仪进行镍的电沉积，电沉积条件为：电流为45mA～55mA、铂电极转速40r/min～60r/min、阴阳极间距0.8cm～1.2cm，电沉积时间1.5h～5.5h，电沉积完成后，将放射源清洗干净并烘干。

还包括验证步骤：完成步骤S2-3后，计算镍溶液中γ核素总活度、⁶³Ni活度；

在γ核素总活度与⁶³Ni活度之比小于或等于5×10^-4时，步骤S2所得镍溶液满足要求，进行步骤S3；在γ核素总活度与⁶³Ni活度之比大于5×10^-4时，步骤S2所得镍溶液不满足要求，将步骤S2所得溶液再次按照步骤S2提供的具体步骤进行提纯，继续提纯时，完成提纯的条件为：镍溶液中γ核素总活度与⁶³Ni活度之比小于或等于5×10^-4。

在步骤S2-3中，所采用的阴离子交换树脂柱的高径比为：10:1～60:1，柱体积为：每1g镍靶件对应70mL～300mL柱体积；

采用阴离子交换树脂进行镍溶液提纯时，镍溶液的流速为0.5mL/min～1.5mL/min；在镍溶液流至树脂上端液面时，加入浓盐酸，浓盐酸加入体积与镍溶液体积比为：1.5～4；

收集所有流出液，得到纯化后的镍溶液。

本发明具有以下有益效果：

本发明针对辐照后的镍靶件，解决现有⁶³Ni提纯技术和电沉积技术不成熟的问题，建立反应堆辐照后镍靶件制备⁶³Ni放射源的完整化学处理流程和方法。

本发明流程简化，便于实施，适合在屏蔽箱体内对放射性样品进行操作。采用本发明，可成功提取出高纯度⁶³Ni溶液，并成功制备⁶³Ni放射源；

本发明对辐照后镍靶件中的杂质去除率高，一次纯化γ去除率可达99.9％以上；

本发明对镍的回收率高，一次纯化回收率高于85％；

本发明所制备的⁶³Ni放射源致密、均匀。

附图说明

图1为本发明所述的一种制备镍-63放射源的方法一个具体实施例的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种具体的实现方式，如图1所示：

第一步、称量辐照后镍金属，准确称量辐照后镍金属质量，所述镍金属即为镍靶件，镍金属质量即为镍靶件质量。

1.1称量镍金属质量。设备为电子天平，量感小于0.1mg。

1.2金属质量为70.3mg。

第二步、溶解辐照后镍金属。将镍金属完全溶解。

2.1加入10mL浓度为6mol/L的硝酸溶解金属镍。

2.2静置时间10小时，镍金属完全溶解，得到镍溶液。

第三步、测定所得镍溶液中γ核素。准确测量镍辐照后的γ核素种类及活度。

3.1在镍溶液中定量移取50μL溶液，稀释10³倍。

3.2采用γ谱仪测量稀释后溶液中的γ核素种类及活度。根据取样体积及稀释倍数计算辐照后镍金属中的γ核素种类及活度。

第四步、添加钴载体。在镍溶液中加入⁵⁹Co溶液。

4.1根据3.2测量得到的⁵⁷Co、⁵⁸Co、⁶⁰Co活度，计算溶液中钴元素的质量浓度。

4.2加入⁵⁹Co含量为1000mg/L的天然⁵⁹Co溶液1mL，使分离时钴浓度为100mg/L。

第五步、转换镍溶液的酸体系。将镍溶液转换成盐酸体系。

5.1将镍溶液置于电热板或电炉上，加热蒸干。

5.2冷却后加入浓盐酸10mL，静置时间4小时，待固体完全溶解。

第六步、去除镍溶液中的杂质。将镍溶液中的杂质去除，提高镍的纯度。

6.1采用离子交换法去除镍溶液中的杂质。树脂为阴离子交换树脂，优选采用核级阴离子交换树脂，具体阴离子交换树脂为：在凝胶交联结构的苯乙烯-二乙烯苯共聚体上带有季铵基[-N(CH₃)₃OH]。阴离子交换树脂具体尺寸为：柱高为13cm，柱体积10mL，柱径为1cm。

6.2将镍溶液加入离子交换柱进行分离。镍溶液流速0.9mL/min，镍溶液流至树脂上端液面时，加入26mL浓盐酸。

收集所有流出液，得到纯化后的镍溶液。

第七步、检测及评价纯化后的镍溶液。测量镍溶液中γ核素种类及活度、镍元素质量浓度、镍同位素丰度、⁶³Ni活度浓度。

7.1在纯化后镍溶液中定量移取20μL溶液，稀释2.5×10³倍。

7.2采用γ谱仪测量稀释后溶液中的γ核素种类及活度。根据取样体积及稀释倍数计算纯化后镍溶液中的γ核素种类及活度。

7.3采用电感耦合等离子体光谱仪测量稀释后溶液中的镍元素质量浓度。根据取样体积及稀释倍数计算纯化后镍溶液中的镍元素质量浓度。

7.4采用热电离质谱仪或电感耦合等离子体质谱仪测量稀释后溶液中的镍同位素丰度。

7.5采用液体闪烁仪测量稀释后溶液中的⁶³Ni活度浓度。根据取样体积及稀释倍数计算纯化后镍溶液中的⁶³Ni活度。

7.6计算纯化后镍溶液中γ核素比例：即7.2所测γ核素总活度与7.5所测⁶³Ni活度之比，该值小于等于5×10^-4，满足要求，可进行后续操作。

第八步、转换溶液的酸体系。将镍溶液转换成硫酸体系。

8.1将镍溶液置于电热板或电炉上，加热蒸干。

8.2冷却后加入浓硫酸50μL。

第九步、电沉积制备⁶³Ni放射源。将镍电沉积在片状金属衬底上。

9.1配制电沉积液，电沉积液为：上步所得样品中加入10mL 35g/L的H₃BO₃，200μL50％的NaOH溶液，调节pH至3.5。加入300μL 5％的十二烷基硫酸钠溶液。

9.2电沉积衬底预处理，方法为：不锈钢衬底用丙酮浸泡10min，无水乙醇浸泡5min，用去离子水反复冲洗，安装至电沉积仪上。量取10mL预电沉积液(NiSO₄·6H₂O含量为300g/L、HCl含量为200g/L)，将衬底在室温下浸泡5min。开启电沉积仪，电流为10mA、铂电极转速50r/min、阴阳极间距1.0cm，电沉积时间3min。完成预电沉积后，用去离子水反复冲洗衬底。

9.3采用电沉积仪进行镍的电沉积，电沉积条件为：电流为50mA、铂电极转速50r/min、阴阳极间距1.0cm，电沉积时间4h。电沉积完成后，将放射源清洗干净，并烘干。

第十步、检测电沉积液。检测电沉积后的电沉积液中镍元素质量浓度、⁶³Ni活度浓度。

10.1在电沉积后的电沉积液中定量移取20μL溶液，稀释2.5×10³倍。

10.2采用电感耦合等离子体光谱仪测量稀释后溶液中的镍元素质量浓度。根据取样体积及稀释倍数计算纯化后镍溶液中的镍元素质量浓度。

10.3采用液体闪烁仪测量稀释后溶液中的⁶³Ni活度浓度。根据取样体积及稀释倍数计算纯化后镍溶液中的⁶³Ni活度。

第十一步、检测⁶³Ni放射源。检测⁶³Ni放射源的表面β发射率。

11.1称量电沉积后的⁶³Ni放射源，得到衬底在电沉积后增加的质量，即为镍的电沉积质量。

11.2采用流气式正比计数器测量⁶³Ni放射源的β表面发射率。

作为本领域技术人员，以上第一步和第二步对应本方案中公开的步骤S1，以上第三步用于本发明提供的技术方案的效果验证，以上第四步对应本方案中公开的步骤S2-1，以上第五步对应本方案中公开的步骤S2-2，以上第六步对应本方案中公开的步骤S2-3，以上第七步对应本方案中公开的验证步骤，在以上公开的验证步骤中，虽然仅采用到7.2所测γ核素总活度与7.5所测⁶³Ni活度，以上第七步中包括多个其他数值，以上其他数值用于本方法的其他效果验证，以上第八步对应本方案中公开的步骤S3-1，以上9.1对应本方案中公开的配制电沉积液步骤，以上9.2对应本方案中公开的电沉积衬底预处理步骤，以上9.3对应本方案中公开的电沉积步骤，以上第十步和第十一步并非为实现本方法的必要技术特征，进行相应操作仅仅是用于对本方法的镍靶件中杂质去除率、对镍的回收率、所制备的⁶³Ni放射源致密和均匀性进行效果验证。

同时，本实施例还结合以上公开的第一步、第三步、第七步、第十步和第十一步得出采用本方法，在镍纯化过程即镍提纯中γ核素去除率如下表所示：

镍纯化过程的γ核素去除率

得出镍回收率如下表所示：

化学制备过程中的镍回收率

得出电沉积液中⁶³Ni比活度如下表所示：

电沉积液中⁶³Ni比活度

得出⁶³Ni纯β源片信息如下表所示：

⁶³Ni纯β源片信息

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种制备镍-63放射源的方法，包括顺序进行的以下步骤：

S1、溶解反应堆辐照后的镍靶件，得到镍溶液；

S2、对步骤S1所得溶液进行提纯；

S3、制备放射源；

其特征在于，所述步骤S1为将镍靶件溶解在硝酸溶液中；

所述步骤S2的实现步骤为：

S2-1、向步骤S1所得溶液中添加钴载体：向步骤S1所得溶液中加入⁵⁹Co溶液，使镍溶液中所有钴元素总质量浓度为50mg/L～200mg/L；

S2-2、转换镍溶液的酸体系：将步骤S2-1所得镍溶液转换成盐酸体系；

S2-3、去除镍溶液中的杂质：对步骤S2-2所得镍溶液进行杂质去除，具体杂质去除方法为：采用阴离子交换树脂除杂，所述阴离子交换树脂为凝胶交联结构的苯乙烯-二乙烯苯共聚体上带有季铵基[-N(CH₃)₃OH]；

所述步骤S3的实现步骤为：

S3-1、转换步骤S2-3所得的除杂后的镍溶液的酸体系：转换为硫酸体系；

S3-2、电沉积制备⁶³Ni放射源：将镍电沉积在片状金属衬底上。

2.根据权利要求1所述的一种制备镍-63放射源的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现方法为：采用5mol/L～6mol/L的硝酸溶解镍靶件得到镍溶液，硝酸溶液用量按照：每1g镍靶件加入10mL～200mL硝酸溶液；

所述步骤S2-2的具体实现方法为：对步骤S2-1所得镍溶液进行加热并蒸干；在蒸干所得固体物质冷却后加入浓盐酸并使得固体完全溶解，浓盐酸的用量按照：每1g镍靶件加入10mL～200mL浓盐酸溶液；

所述步骤S3-1的具体实现方法为：对步骤S2-3所得镍溶液进行加热并蒸干；在蒸干所得固体物质冷却后加入浓硫酸并使得固体完全溶解，浓硫酸的用量按照：每1g镍靶件加入0.7mL～2.0mL浓硫酸溶液。

3.根据权利要求1所述的一种制备镍-63放射源的方法，其特征在于，所述步骤S3-2的具体实现方法包括：配制电沉积液、电沉积衬底预处理和电沉积，所述配制电沉积液为：加入步骤S3-1所得镍溶液、H₃BO₃溶液、浓硫酸溶液、十二烷基硫酸钠，控制电沉积液中镍浓度为1.5g/L～100g/L，H₃BO₃浓度为20g/L～50g/L，硫酸浓度为0.2g/L～15g/L，十二烷基硫酸钠浓度为0.05g/L～0.45g/L，加入NaOH和盐酸溶液调节pH至3～6。

4.根据权利要求3所述的一种制备镍-63放射源的方法，其特征在于，电沉积衬底预处理的方法为：不锈钢衬底用丙酮浸泡10min～30min后，采用无水乙醇浸泡5min～20min，而后用去离子水冲洗，而后将不锈钢衬底安装至电沉积仪上；

量取5mL～10mL预电沉积液，其中，预电沉积液中NiSO₄·6H₂O含量为100g/L～500g/L、HCl含量为100g/L～400g/L，将不锈钢衬底在室温下浸泡5min～10min；

开启电沉积仪，电流为8mA～15mA、铂电极转速30r/min～60r/min、阴阳极间距0.8cm～1.2cm，电沉积时间3min～5min。

5.根据权利要求4所述的一种制备镍-63放射源的方法，其特征在于，所述电沉积为采用电沉积仪进行镍的电沉积，电沉积条件为：电流为45mA～55mA、铂电极转速40r/min～60r/min、阴阳极间距0.8cm～1.2cm，电沉积时间1.5h～5.5h，电沉积完成后，将放射源清洗干净并烘干。

6.根据权利要求1所述的一种制备镍-63放射源的方法，其特征在于，还包括验证步骤：完成步骤S2-3后，计算镍溶液中γ核素总活度、⁶³Ni活度；

在γ核素总活度与⁶³Ni活度之比小于或等于5×10^-4时，步骤S2所得镍溶液满足要求，进行步骤S3；在γ核素总活度与⁶³Ni活度之比大于5×10^-4时，步骤S2所得镍溶液不满足要求，将步骤S2所得溶液再次按照步骤S2提供的具体步骤进行提纯，继续提纯时，完成提纯的条件为：镍溶液中γ核素总活度与⁶³Ni活度之比小于或等于5×10^-4。

7.根据权利要求1所述的一种制备镍-63放射源的方法，其特征在于，在步骤S2-3中，所采用的阴离子交换树脂柱的高径比为：10:1～60:1，柱体积为：每1g镍靶件对应70mL～300mL柱体积；

采用阴离子交换树脂进行镍溶液提纯时，镍溶液的流速为0.5mL/min～1.5mL/min；在镍溶液流至树脂上端液面时，加入浓盐酸，浓盐酸加入体积与镍溶液体积比为：1.5～4；

收集所有流出液，得到纯化后的镍溶液。