CZ309802B6 - A nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and a device for the production of radioisotopes using this nuclear target - Google Patents
A nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and a device for the production of radioisotopes using this nuclear target Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309802B6 CZ309802B6 CZ2021-189A CZ2021189A CZ309802B6 CZ 309802 B6 CZ309802 B6 CZ 309802B6 CZ 2021189 A CZ2021189 A CZ 2021189A CZ 309802 B6 CZ309802 B6 CZ 309802B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- nuclear
- target
- projectile
- cavity
- particles
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 151
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 225
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 152
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 49
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000009377 nuclear transmutation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000004992 fission Effects 0.000 claims description 30
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 8
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 20
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 10
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 5
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 239000012217 radiopharmaceutical Substances 0.000 description 5
- 229940121896 radiopharmaceutical Drugs 0.000 description 5
- 230000002799 radiopharmaceutical effect Effects 0.000 description 5
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 description 5
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 3
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 3
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 3
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- 239000011163 secondary particle Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 235000001674 Agaricus brunnescens Nutrition 0.000 description 1
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005041 Mylar™ Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000012705 liquid precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 description 1
- 238000001959 radiotherapy Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
- G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
- G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
- G21G1/10—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators by bombardment with electrically charged particles
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
- G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
- G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
- G21G1/06—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators by neutron irradiation
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
- G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
- G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
- G21G1/12—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators by electromagnetic irradiation, e.g. with gamma or X-rays
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K5/00—Irradiation devices
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Jaderný terčík, způsob indukce jaderné reakce s tímto jaderným terčíkem a zařízení na výrobu radioizotopů s tímto jaderným terčíkemA nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction with this nuclear target and a device for the production of radioisotopes with this nuclear target
Oblast technikyField of technology
Předkládaný vynález se týká jaderného terčíku, způsobu indukce jaderné reakce pomocí tohoto jaderného terčíku a řízených jaderných reakcí. Ve výhodném provedení se provádí způsob výroby izotopů pomocí laserem řízeného urychlovače.The present invention relates to a nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and controlled nuclear reactions. In an advantageous embodiment, the isotope production method is carried out using a laser-controlled accelerator.
V dalších provedeních se předkládaný vynález týká exotermických jaderných reakcí a způsobu transformace jaderné energie v teplo, způsobu výroby radioizotopů, zejména radiofarmak a způsobu úpravy vyhořelého jaderného paliva, konkrétněji způsobu transmutace produktů štěpných jaderných reakcí.In other embodiments, the present invention relates to exothermic nuclear reactions and a method of transforming nuclear energy into heat, a method of producing radioisotopes, especially radiopharmaceuticals, and a method of treating spent nuclear fuel, more specifically a method of transmutation of the products of nuclear fission reactions.
V dalším provedení se předkládaný vynález týká zařízení, které je schopné provádět způsoby podle předkládaného vynálezu.In another embodiment, the present invention relates to a device capable of performing the methods of the present invention.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
V současnosti se používá řada radioizotopů, které nacházejí uplatnění v lékařství, energetice anebo diagnostických metodách využívajících ionizujícího záření. Některé radioizotopy, zejména pak ty, které se využívají v lékařství, mají často relativně krátký poločas rozpadu. Proto zde existuje obecná potřeba způsobu výroby radioizotopů, které by byly produkovány buď na místech, kde budou použity, nebo v místech relativně blízko k nim. Na druhou stranu, produkty štěpných jaderných reakcí 235U mají poločas rozpadu několik desítek let. Proto zde existuje potřeba způsobu transmutace radioaktivního materiálu (odpadu), který je výsledným produktem štěpné jaderné reakce, s výhodou zpracování odpadu na místě, nebo v místě relativně blízkém.Currently, a number of radioisotopes are used, which find application in medicine, energy or diagnostic methods using ionizing radiation. Some radioisotopes, especially those used in medicine, often have a relatively short half-life. Therefore, there is a general need for a method of producing radioisotopes that would be produced either at or relatively close to the locations where they will be used. On the other hand, the fission products of 235 U have a half-life of several decades. Therefore, there is a need for a method of transmutation of radioactive material (waste), which is the final product of a nuclear fission reaction, with the advantage of processing the waste on site or in a relatively close location.
Rovněž existuje stále přetrvávající potřeba poskytnutí čistého zdroje energie. Jednou z možností, jak dosáhnout takového čistého zdroje energie, je použití exotermických jaderných reakcí. V současném stavu techniky existují dva technické směry dosažení produkce energie z nich. Jedním z nich je jaderné štěpení, druhé je pak jaderná fúze.There is also an ever-present need to provide a clean source of energy. One way to achieve such a clean source of energy is the use of exothermic nuclear reactions. In the current state of the art, there are two technical directions for achieving energy production from them. One of them is nuclear fission, the other is nuclear fusion.
Laser je běžně používán v průmyslových, vědeckých a inženýrských aplikacích. Avšak pro řízené jaderné reakce je stále novinkou, neboť stále přetrvává celá řada technických mezer, které je potřeba vyřešit.Laser is commonly used in industrial, scientific and engineering applications. However, it is still a novelty for controlled nuclear reactions, as there are still a number of technical gaps that need to be resolved.
Dokument US 20160172065 A1 popisuje jaderný terčík, zařízení a způsob vytváření izotopů v tomto terčíku. Terčík obsahuje dutinu, přičemž do dutiny je namířen laserový paprsek, který vytváří plazma na povrchu jaderného terčíku. Terčík je následně, avšak stále během plazmatického stavu, ozařován svazkem projektilových částic, jako jsou např. protony. Materiál terčíku a druh částic je zvolen podle potřeby jaderné reakce. Uveřejněnými příklady jsou např. 14N(p,a)11C; nB(p,n)nC; 18O(p,n)18F; 20Ne(d, n)18F - jak je uvedeno v patentové přihlášce; 16O(p,a)13N; 13C(p,n)13N; 14N(d,n)15O; 15N(p,n)15O.Document US 20160172065 A1 describes a nuclear target, a device and a method of creating isotopes in this target. The target contains a cavity, and a laser beam is directed into the cavity, which creates plasma on the surface of the nuclear target. The target is subsequently, but still during the plasma state, irradiated with a beam of projectile particles, such as protons. The material of the target and the type of particles is chosen according to the needs of the nuclear reaction. Published examples are eg 14 N(p,a) 11 C; n B(p,n) n C; 18 O(p,n) 18 F; 20 Ne(d, n) 18 F - as stated in the patent application; 16 O(p,a) 13 N; 13 C(p,n) 13 N; 14 N(d,n) 15 O; 15 N(p,n) 15 O.
Systém podle dokumentu US 20160172065 A1 obsahuje:The system according to document US 20160172065 A1 includes:
1) prostředek nastavený pro převedení terčíku do stavu plazmatu; např. laser nebo z-pinch;1) a means set up to convert the target into a plasma state; eg laser or z-pinch;
2) zdroj částic nastavený tak, aby ozařoval terčík v plazmatickém stavu částicemi, které vyvolají výše uvedené jaderné reakce; a2) a particle source set to irradiate the target in the plasma state with particles that will cause the aforementioned nuclear reactions; and
- 1 CZ 309802 B6- 1 CZ 309802 B6
3) regenerační prostředky izotopů nastavené tak, aby regenerovaly izotopy generované jadernými reakcemi.3) isotope recovery means set up to regenerate isotopes generated by nuclear reactions.
Použití systému podle dokumentu US 20160172065 A1 je výhradně zveřejněno pro výrobu radioizotopů. Předkládané řešení je rovněž značně energeticky náročné a bezztrátová výroba energie je v kontextu současného stavu techniky nemožná.The use of the system according to document US 20160172065 A1 is exclusively disclosed for the production of radioisotopes. The presented solution is also very energy-intensive, and lossless energy production is impossible in the context of the current state of the art.
Dalším zveřejněným řešením produkce vysoko-energetických částic pro řízené jaderné reakce za použití vysoko-intenzitního laseru je dokument US 20020172317 A1. Zařízení obsahuje dva planární terčíky. První terčík, který obsahuje tenkou vrstvu z Mylaru, je ozářen laserovým svazkem. První terčík, v odezvě na laserové ozáření, emituje energetické částice, např. protony nebo deuterony, emitované směrem k druhému terčíku. Druhý terčík obsahuje 10B, na kterém dochází k jaderným reakcím v důsledku ozáření protony nebo deuterony emitované z prvního terčíku.Another published solution to the production of high-energy particles for controlled nuclear reactions using a high-intensity laser is document US 20020172317 A1. The device contains two planar targets. The first target, which contains a thin layer of Mylar, is irradiated with a laser beam. The first target, in response to laser irradiation, emits energetic particles, eg protons or deuterons, emitted towards the second target. The second target contains 10 B, on which nuclear reactions occur due to the irradiation of protons or deuterons emitted from the first target.
Příkladem zveřejněného jaderného terčíku, zařízení a způsobu řízení fúzních jaderných reakcí je dokument EP 2833365 A1. Terčík je planární a obsahuje dvě vrstvy. První vrstva obsahuje vodíkem obohacený křemík tak, aby při zásahu laserového pulzu docházelo k emisi protonů do druhé vrstvy. Druhá vrstva obsahuje bor, který v jistém případě indukuje exotermickou jadernou reakci.An example of a disclosed nuclear target, device and method of controlling fusion nuclear reactions is document EP 2833365 A1. The target is planar and contains two layers. The first layer contains hydrogen-enriched silicon so that when a laser pulse hits, protons are emitted into the second layer. The second layer contains boron, which in certain cases induces an exothermic nuclear reaction.
Rovněž existují terčíky ve tvaru kapsle, jak je např. popsáno v dokumentu US 20120114088 A1, přičemž v důsledku mechanismu interakce laserového záření dochází ke kompresi obalu jaderného terčíku. Jakmile atomová jádra dosáhnou jisté vzdálenosti, dochází k jejich fúzi uvnitř daného terčíku.There are also targets in the shape of a capsule, as e.g. described in the document US 20120114088 A1, whereby as a result of the interaction mechanism of laser radiation, the shell of the nuclear target is compressed. As soon as the atomic nuclei reach a certain distance, their fusion takes place inside the given target.
Výše uvedená řešení však poskytují malou efektivitu výroby radioizotopů, neboť je potřeba vždy dodávat do terčíku podstatnou část energie, např. prostřednictvím laserového záření a/nebo externího ohřevu. V případě, kdy zařízení má vést k fúzi jader, je technicky náročné dosáhnout žádoucí hustoty vytvářeného plazmatu. Vzhledem k rostoucímu uplatnění radioizotopů v různých oblastech techniky roste i potřeba po jejich výrobě za pomocí řízených jaderných reakcí. Technický problém, který předkládaný vynález do jisté míry řeší, spočívá ve způsobu efektivnější výroby radioizotopů, resp. efektivnějším způsobu indukce jaderné reakce.However, the above-mentioned solutions provide little efficiency in the production of radioisotopes, as it is always necessary to supply a substantial part of the energy to the target, e.g. through laser radiation and/or external heating. In the case where the device is to lead to the fusion of nuclei, it is technically challenging to achieve the desired density of the created plasma. Due to the increasing use of radioisotopes in various fields of technology, the need for their production with the help of controlled nuclear reactions is also increasing. The technical problem, which the present invention solves to a certain extent, consists in the method of more efficient production of radioisotopes, or a more efficient way of inducing a nuclear reaction.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
První provedení předkládaného vynálezu spočívá v jaderném terčíku, který je vhodný pro zvýšení efektivity indukce jaderných reakcí, a tudíž i pro výrobu radioizotopů, zejména radiofarmak, nebo transmutaci vyhořelého jaderného paliva a/nebo jako prostředek schopný efektivně indukovat exotermické jaderné reakce s významnou produkcí tepelné energie.The first embodiment of the present invention consists in a nuclear target, which is suitable for increasing the efficiency of induction of nuclear reactions, and therefore also for the production of radioisotopes, especially radiopharmaceuticals, or the transmutation of spent nuclear fuel and/or as a means capable of effectively inducing exothermic nuclear reactions with a significant production of thermal energy .
Jaderný terčík podle tohoto vynálezu je definovaný v nároku 1. Jaderný terčík podle předkládaného má charakter bloku materiálu (EN: bulk) a obsahuje dutinu, přičemž tvar dutiny je výhodně optimalizovaný vzhledem k účelu sekundárních jaderných reakcí. Jaderný terčík je tvořen materiálem, který obsahuje prekurzory. V jistém provedení může být prekurzor implantován v pevnolátkovém materiálu terčíku, zatímco v jiném provedení může být prekurzor umístěn do dutiny terčíku v pevné (např. práškové), kapalné, nebo plynné formě. V dalším provedení je alespoň jistá část terčíku tvořena prekurzorem. V dalších výhodných provedeních je možné kombinovat umístění prekurzoru podle výše uvedeného, tj. umístit např. práškový prekurzor do dutiny jaderného terčíku, přičemž část jaderného terčíku obklopující dutinu je tvořena stejným nebo jiným prekurzorem. Prekurzor je tvořen konkrétním předem určeným izotopem, který po srážce s projektilovou částicí vytváří požadovaný produkt jaderné reakce, např. radioizotop. Materiál jaderného terčíku, konkrétněji prekurzor, nebo množství prekurzorů, se zvolí tak, aby se jadernou reakcí prekurzoru/ů a projektilových/é částic/e dosáhlo výslednéhoThe nuclear target according to this invention is defined in claim 1. The nuclear target according to the present has the character of a block of material (EN: bulk) and contains a cavity, the shape of the cavity being preferably optimized with respect to the purpose of secondary nuclear reactions. A nuclear target is made of material that contains precursors. In one embodiment, the precursor may be implanted in the solid material of the target, while in another embodiment, the precursor may be placed in the cavity of the target in solid (eg, powder), liquid, or gaseous form. In another embodiment, at least a certain part of the target is formed by a precursor. In other advantageous embodiments, it is possible to combine the placement of the precursor according to the above, i.e. to place, for example, the powder precursor in the cavity of the nuclear target, while the part of the nuclear target surrounding the cavity is formed by the same or a different precursor. The precursor is made up of a specific, predetermined isotope, which after a collision with a projectile particle creates the desired product of a nuclear reaction, e.g. a radioisotope. The material of the nuclear target, more specifically the precursor or a number of precursors, is chosen so that the nuclear reaction of the precursor(s) and projectile(s) particles(es) achieves the resulting
- 2 CZ 309802 B6 produktu/ů, nejčastěji radioizotopů. Jaderný terčík dále obsahuje alespoň jeden otvor pro průchod svazku projektilových částic a je dále opatřen dutinou v bloku materiálu umístěnou za otvorem, která slouží k dopadu projektilových částic. Projektilové částice procházející otvorem a dopadající do dutiny materiálu se buď pružně rozptylují na alespoň jednom jádru/jádrech izotopu v dutině, nebo dochází k požadované jaderné reakci s izotopem v závislosti na energii projektilové částice. Některé projektilové částice mohou být odraženy zpět - ven z dutiny, přičemž zpětně odražené částice tvoří ztráty. Ztráty mohou být minimalizovány tvarem dutiny, zejména pak geometrií, např. polohou otvoru a dutiny. Pružný rozptyl projektilových částic na izotopech/jádrech v dutině poskytuje alespoň dva technické efekty. První technický efekt vede k disipaci energie uvnitř dutiny a tím k ohřevu materiálu jaderného terčíku. Druhý technický efekt spočívá v přenosu kinetické energie na jádra terčíku/izotopu, která se tak mohou dostat nad kinetický práh požadovaných reakcí.- 2 CZ 309802 B6 product/s, most often radioisotopes. The nuclear target also contains at least one hole for the passage of a beam of projectile particles and is further equipped with a cavity in the block of material located behind the hole, which is used for the impact of projectile particles. Projectile particles passing through the hole and entering the cavity of the material are either elastically scattered on at least one isotope nucleus/nuclei in the cavity, or the desired nuclear reaction with the isotope occurs depending on the energy of the projectile particle. Some projectile particles may be reflected back - out of the cavity, with the reflected particles constituting losses. Losses can be minimized by the shape of the cavity, especially the geometry, e.g. the position of the opening and the cavity. Elastic scattering of projectile particles on isotopes/nuclei in the cavity provides at least two technical effects. The first technical effect leads to the dissipation of energy inside the cavity and thus to the heating of the material of the nuclear target. The second technical effect consists in the transfer of kinetic energy to the nuclei of the target/isotope, which can thus reach above the kinetic threshold of the required reactions.
Výše uvedené technické efekty pak poskytují synergický technický efekt spočívající ve zvýšené účinnosti produkce radioizotopů nebo výtěžku jiné požadované jaderné reakce, například četnosti exotermických reakcí nebo transmutovaných jader.The above-mentioned technical effects then provide a synergistic technical effect consisting in the increased efficiency of radioisotope production or the yield of another desired nuclear reaction, for example the frequency of exothermic reactions or transmuted nuclei.
Jak bylo uvedeno výše, jaderný terčík je tvořen blokem materiálu, přičemž tvar dutiny je optimalizován vzhledem k průběhu požadovaných jaderných reakcí. V jistém provedení může být řešený blok jednolitým blokem. V jiném provedení může tvořit jednodílný blok množství segmentů. V dalším provedení může být otvor terčíku směřující do dutiny lehce zakřivený a/nebo obsahovat texturu na vnitřní straně dutiny. Jaderný terčík však vždy musí obsahovat alespoň jeden otvor, výhodně právě jeden otvor, pro vstup projektilových částic do dutiny jaderného terčíku. Dutina jaderného terčíku tak není nikdy zcela obklopena materiálem obsahujícím prekurzor/y a izotopy, na kterých se projektilová částice pružně rozptyluje. Výše zmíněné výhodné provedení právě jednoho otvoru přináší výhodu v efektivním uvěznění rozptýlených projektilových částicích, sekundárních částic a jimi urychlených částic prekurzoru. Pravděpodobnost úniku projektilových částic z dutiny, v důsledku zpětného rozptylu, lze minimalizovat vhodnou geometrií tvaru dutiny.As mentioned above, the nuclear target is made of a block of material, while the shape of the cavity is optimized with regard to the course of the required nuclear reactions. In a certain embodiment, the solved block may be a single block. In another embodiment, a number of segments can form a one-piece block. In another embodiment, the hole of the target facing the cavity may be slightly curved and/or include a texture on the inside of the cavity. However, a nuclear target must always contain at least one hole, preferably just one hole, for the entry of projectile particles into the cavity of the nuclear target. Thus, the cavity of a nuclear target is never completely surrounded by material containing the precursor/s and isotopes on which the projectile particle is elastically scattered. The above-mentioned advantageous design of just one opening brings an advantage in the effective confinement of dispersed projectile particles, secondary particles and precursor particles accelerated by them. The probability of escape of projectile particles from the cavity, as a result of backscatter, can be minimized by a suitable geometry of the cavity shape.
Dutina může nabývat libovolného tvaru. V jistém provedení může být tvar dutiny část elipsoidu nebo koule. Optimalizovaný tvar dutiny s výhodou složitějšího tvaru lze vyrobit pomocí segmentů, které po spojení tvoří jediný blok materiálu. Ve výhodném provedení se dutina skládá z alespoň dvou částí. První část se sestává z užšího průchodu, zatímco druhá část se sestává z širšího a objemnějšího prostoru. První část může být ve tvaru válce, kvádru nebo mnohostěnu, zatímco druhá část pak plynule navazuje ve tvaru části elipsoidu, koule nebo např. mnohostěnu. Geometrie dutiny, která je rozdělená do alespoň dvou částí, přináší technickou výhodu spočívající v efektivním uvěznění projektilových části v dutině, přičemž značně omezuje zpětný rozptyl projektilových částic. V ještě výhodnějším provedení odpovídá velikost průřezu první části dutiny příčné velikosti svazku projektilových částic.The cavity can take on any shape. In certain embodiments, the shape of the cavity may be a portion of an ellipsoid or a sphere. An optimized cavity shape with the advantage of a more complex shape can be produced using segments that, when connected, form a single block of material. In an advantageous embodiment, the cavity consists of at least two parts. The first part consists of a narrower passage, while the second part consists of a wider and more voluminous space. The first part can be in the shape of a cylinder, cuboid or polyhedron, while the second part then continues smoothly in the shape of a part of an ellipsoid, a sphere or, for example, a polyhedron. The geometry of the cavity, which is divided into at least two parts, brings the technical advantage of effectively trapping the projectile parts in the cavity, while greatly limiting the backscatter of the projectile particles. In an even more advantageous embodiment, the cross-sectional size of the first part of the cavity corresponds to the transverse size of the beam of projectile particles.
Prekurzorem označujeme v kontextu předkládaného vynálezu atomové jádro, které interaguje s projektilovou částicí, zejména dochází k srážce projektilové částice s tímto atomovým jádrem, přičemž vlivem jaderné interakce dochází k indukci jaderné reakce. Výsledný produkt nebo meziprodukt může představovat radioizotop, který se dále rozpadá, např. alfa, beta a/nebo gama přechodem, přičemž tento přechod se dále využije v konkrétní průmyslové aplikaci, např. při diagnostice průběhu jaderné reakce. Meziprodukty mohou být rovněž neutrony potřebné k dosažení požadovaných jaderných reakcí. V jistém provedení může být prekurzor implementovaný v materiálu, např. iontovou implementací atomů, nebo CVD, nebo PVD metodami nanášení atomárních soustav do substrátu. V jiném provedení se může samotný terčík sestávat z materiálu obsahující prekurzor obklopující dutinu, přičemž v materiálu terčíku je dále přítomen alespoň jeden izotop, na kterém se projektilová částice pružně rozptyluje. V dalším provedení může prekurzor tvořit část dutiny tak, aby jí do jistého objemu vyplnil. V dalším provedení může být prekurzor obsažen jak v materiálu, tak i součástí výplně dutiny, tj. lze kombinovat všechna výše uvedená provedení. V provedeních s více prekurzory se pakPrecursor in the context of the present invention refers to an atomic nucleus that interacts with a projectile particle, in particular a collision of a projectile particle with this atomic nucleus, whereby a nuclear reaction is induced due to nuclear interaction. The resulting product or intermediate may represent a radioisotope that further decays, e.g. by an alpha, beta and/or gamma transition, while this transition is further used in a specific industrial application, e.g. in the diagnosis of the course of a nuclear reaction. The intermediates can also be the neutrons needed to achieve the desired nuclear reactions. In a certain embodiment, the precursor can be implemented in the material, e.g. by ionic implementation of atoms, or by CVD or PVD methods of applying atomic systems to the substrate. In another embodiment, the target itself may consist of a material containing a precursor surrounding the cavity, while at least one isotope is also present in the target material, on which the projectile particle is elastically scattered. In another embodiment, the precursor can form part of the cavity in such a way as to fill it to a certain volume. In another embodiment, the precursor can be contained both in the material and in the cavity filling, i.e. all the above-mentioned embodiments can be combined. In embodiments with multiple precursors, then
- 3 CZ 309802 B6 nemusí jednat o jeden konkrétní prekurzor, ale první prekurzor může být implementován ve stěně dutiny nebo může dutinu tvořit, zatímco druhý prekurzor může být součástí výplně. Prekurzorem může být např. 10B; 11B; přírodní směs boru; 13C; 14N; 15N; 16O; 18O; 20Ne; radiofarmaka 99Mo,186W, produkty štěpných reakcí, 233U,235U,239Pu. V jistém provedení lze celý blok materiálu jaderného terčíku z příslušného materiálu prekurzoru vyrobit.- 3 CZ 309802 B6 does not have to be one specific precursor, but the first precursor can be implemented in the wall of the cavity or can form the cavity, while the second precursor can be part of the filling. The precursor can be, for example, 10 B; 11B; natural mixture of boron; 13 C; 14 N; 15 N; 16 About; 18 O; 20 No; radiopharmaceuticals 99 Mo, 186 W, products of fission reactions, 233 U, 235 U, 239 Pu. In one embodiment, an entire block of nuclear target material can be produced from the appropriate precursor material.
Projektilové částice jsou částice, které ostřelují jaderný terčík. Projektilové částice mohou být např. protony, neutrony, deuterony, α-částice, lehké ionty - například 14C, 16O, středně těžké ionty (např. 27Al) nebo i těžká jádra jako 197Au v případě použití a v závislosti na materiálu laserového terčíku. Projektilové částice mohou být vyrobeny urychlovačem částic podle dosavadního stavu techniky, nebo mohou být emitovány přírodními radioemitory, např. AmBe anebo PuBe, anebo mohou být vyrobeny laserem řízeným urychlovačem.Projectile particles are particles that fire at a nuclear target. Projectile particles can be e.g. protons, neutrons, deuterons, α-particles, light ions - for example 14 C, 16 O, medium ions (e.g. 27 Al) or even heavy nuclei such as 197 Au if used and depending on the material laser target. Projectile particles can be produced by a particle accelerator according to the state of the art, or they can be emitted by natural radio emitters, eg AmBe or PuBe, or they can be produced by a laser controlled accelerator.
Izotopy, na kterých dochází k pružným srážkám s projektilovými částicemi, mohou být jádra jaderného terčíku, jádra prekurzoru i jádra sekundárních produktů již proběhlých reakcí pokud energie projektilových částic neodpovídá rezonanční šířce povolených kanálů. Pokud prekurzor není implementován v materiálu jaderného terčíku, je žádoucí, aby možná reakce projektilových a sekundárních částic s jádry jaderného terčíku byla pružný rozptyl. Tyto částice jsou tak zčásti odraženy zpět a mohou interagovat s jádry prekurzoru. Například jaderný terčík z wolframu obsahuje izotopy 180W, 182W, 183W, 184W a 186W, přičemž v případě protonů coby projektilových částic, až do hodnoty energie protonů do 6 MeV, nastává prakticky pouze pružný rozptyl. Energie protonů tak násobným pružným rozptylem může disipovat, až dosáhne rezonanční energie některé možné reakce s prekurzorem.Isotopes on which elastic collisions with projectile particles occur can be nuclei of a nuclear target, precursor nuclei, and nuclei of secondary products of reactions that have already taken place if the energy of the projectile particles does not correspond to the resonance width of the permitted channels. If the precursor is not implemented in the material of the nuclear target, it is desirable that the possible reaction of the projectile and secondary particles with the cores of the nuclear target is elastic scattering. These particles are thus partially reflected back and can interact with the precursor nuclei. For example, a tungsten nuclear target contains isotopes 180 W, 182 W, 183 W, 184 W and 186 W, while in the case of protons as projectile particles, up to a proton energy value of up to 6 MeV, practically only elastic scattering occurs. The energy of the protons can dissipate by multiple elastic scattering until it reaches the resonance energy of some possible reaction with the precursor.
Indukovanou jadernou reakcí může být v kontextu předkládaného vynálezu transmutace jádra, tříštivá nebo štěpná jaderná reakce, fúzní reakce, nebo reakce přes složené jádro. Příklady vhodných indukovaných jaderných reakcí se nacházejí níže.In the context of the present invention, an induced nuclear reaction may be a nuclear transmutation, a nuclear fission or fragmentation reaction, a fusion reaction, or a reaction via a compound nucleus. Examples of suitable induced nuclear reactions are found below.
Ve výhodném provedení je jaderný terčík dále opatřen laserovým terčíkem emitujícím projektilové částice po zásahu laserového záření. Tento laserový terčík může být umístěn s výhodou na otvor jaderného terčíku. V jiném provedení lze laserový terčík umístit před otvor jaderného terčíku tak, aby mezi laserovým terčíkem emitujícím projektilové částice a otvorem jaderného terčíku byl prostor. Prostor se dá s výhodou využít pro odfiltrování jiných částic vzniklých při zásahu laserového záření na laserový terčík. V jiném provedení může být otvor mezi laserovým terčíkem a jaderným terčíkem uzavřen a vyplněn tekutinou, např. kapalinou obsahující jádra prekurzorů. Výše zmíněné provedení s předsazeným laserovým terčíkem dále poskytuje výhodu v případě materiálu jaderného terčíku obsahující elektricky vodivý materiál. Laserový pulz emitovaný např. vysoko-výkonovým pulzním laserem může způsobit generování elektrického proudu uvnitř elektricky vodivého jaderného terčíku. Předsazení laserového terčíku je v tomto případě výhodné z hlediska jisté izolace elektromagnetického záření ovlivňující elektricky vodivý jaderný terčík. Parametry laserového pulzu je možné převzít z dokumentu EP 2833365 A1.In an advantageous embodiment, the nuclear target is further equipped with a laser target emitting projectile particles after being hit by laser radiation. This laser target can be placed with advantage on the opening of the nuclear target. In another embodiment, the laser target can be placed in front of the hole of the nuclear target so that there is a space between the laser target emitting projectile particles and the hole of the nuclear target. The space can be advantageously used to filter out other particles created when laser radiation hits the laser target. In another embodiment, the opening between the laser target and the nuclear target can be closed and filled with a liquid, e.g., a liquid containing precursor nuclei. The above-mentioned embodiment with a pre-set laser target further provides an advantage in the case of a nuclear target material containing electrically conductive material. A laser pulse emitted by, for example, a high-power pulsed laser can cause the generation of an electric current inside an electrically conductive nuclear target. In this case, the offset of the laser target is advantageous from the point of view of certain isolation of electromagnetic radiation affecting the electrically conductive nuclear target. The parameters of the laser pulse can be taken from the document EP 2833365 A1.
V jistém provedení lze materiál jaderného terčíku vhodně zvolit tak, aby se sestával jen z materiálu obsahujícího právě dva izotopy. První izotop je prekurzor a druhý izotop je takový izotop, na kterém se pružně rozptylují projektilové částice. Technická výhoda tohoto provedení spočívá v tom, že v dutině jaderného terčíku tak dochází bezprostředně po ozáření jen ke dvěma interakcím. První interakce indukuje jadernou reakci prekurzoru s projektilovou částicí. Druhá interakce představuje pružný rozptyl projektilu na izotopu. Dochází tak k zvýšení účinnosti indukce jaderné reakce, resp. výrobě radioizotopů. Po jisté době se však díky jaderné interakci s prekurzorem objeví i produkty této reakce, které také vstoupí do probíhajících interakcí.In a certain embodiment, the material of the nuclear target can be suitably chosen so that it consists only of material containing exactly two isotopes. The first isotope is the precursor and the second isotope is the isotope on which the projectile particles are elastically scattered. The technical advantage of this design is that only two interactions occur in the cavity of the nuclear target immediately after irradiation. The first interaction induces a nuclear reaction of the precursor with the projectile particle. The second interaction represents the elastic scattering of the projectile on the isotope. This results in an increase in the efficiency of nuclear reaction induction, or production of radioisotopes. However, after a certain time, thanks to the nuclear interaction with the precursor, the products of this reaction also appear, which also enter into the ongoing interactions.
V dalším provedení lze výhodně zvolit materiál laserového terčíku tak, aby obsahoval více izotopů. Pokud se laserový terčík sestává z více izotopů, budou jejich emitované ionty tvořící projektilové částice dopadat na jaderný terčík v určitém sledu. Toho lze využít k ovlivněníIn another embodiment, the material of the laser target can be advantageously chosen so that it contains more isotopes. If the laser target consists of several isotopes, their emitted ions forming projectile particles will hit the nuclear target in a certain sequence. This can be used to influence
- 4 CZ 309802 B6 kinetiky probíhajících reakcí. Výše uvedený sled dopadajících projektilových částic poskytující sekvenci indukovaných jaderných reakcí v dutině jaderného terčíku je možné zajistit prostřednictvím provedení jaderného terčíku opatřeného laserovým terčíkem s předsazením. Velikost předsazení lze rovněž vhodně zvolit v závislosti na kinetice jaderných reakcí.- 4 CZ 309802 B6 kinetics of ongoing reactions. The above-mentioned sequence of falling projectile particles providing a sequence of induced nuclear reactions in the cavity of a nuclear target can be ensured by designing a nuclear target equipped with a laser target with an offset. The size of the bias can also be appropriately chosen depending on the kinetics of the nuclear reactions.
V souladu s konvencí IAEA budeme nadále užívat tzv. zkrácený zápis jaderných reakcí, tj. reakci projektil P + terč T^ emitovaná částice X + reziduálníjádro R zapíšeme jako T(P,X)R. Izotopy 1H, 2H, 3H a 4He takto značíme, pokud vystupují v reakci jako terč, tj. prekurzor, nebo reziduální jádro. 2H a 3H někdy též značíme v souladu s konvencí jako D respektive T. Pokud izotopy 1H, 2H, 3H a 4He vystupují jako projektilová nebo emitovaná částice, budeme je značit v souladu s konvencí p, d, t respektive α. Ostatní izotopy značíme standardně ve všech rolích v reakci.In accordance with the IAEA convention, we will continue to use the so-called abbreviated notation of nuclear reactions, i.e. we will write the reaction projectile P + target T^ emitted particle X + residual nucleus R as T(P,X)R. The isotopes 1 H, 2 H, 3 H and 4 He are labeled as such if they appear in the reaction as a target, i.e. a precursor, or a residual nucleus. 2 H and 3 H are sometimes also labeled in accordance with convention as D and T respectively. If the isotopes 1H, 2 H, 3 H and 4 He appear as projectile or emitted particles, we will label them in accordance with the convention p, d, t and α respectively . We mark the other isotopes as standard in all roles in the reaction.
V dalším výhodném provedení je vnitřní stěna dutiny opatřena vrstvou obsahující materiál emitující sekundární projektilové částice, které se emitují z této vrstvy v případě interakce primární projektilové částice nebo jiné částice s dostatečnou hybností. V dalším provedení lze i samotnou dutinu opatřit, v jejím objemu, materiálem schopným emise sekundárních projektilových částic v případě interakce projektilové a/nebo jiné částice. Rovněž lze výše uvedené přístupy kombinovat. Příklady těchto materiálů jsou: 1H, 2H které mohou být z praktických důvodů přítomny ve formě sloučenin, např. polyetylén nebo HDPE (EN: high density polythylene). Vnitřní stěna dutiny nemusí být opatřena celá touto vrstvou, stačí jen část. Výhoda tohoto provedení spočívá v řetězovém nárůstu projektilových částic v dutině. Primární projektilové částice a sekundární projektilové částice nemusí být stejné, např. primární projektilová částice může být proton a sekundární projektilová částice může být např. alfa částice nebo neutron.In another advantageous embodiment, the inner wall of the cavity is provided with a layer containing material emitting secondary projectile particles, which are emitted from this layer in the event of interaction of a primary projectile particle or another particle with sufficient momentum. In another embodiment, the cavity itself can be provided, in its volume, with a material capable of emitting secondary projectile particles in the event of interaction between the projectile and/or another particle. The above approaches can also be combined. Examples of these materials are: 1 H, 2 H which for practical reasons can be present in the form of compounds, e.g. polyethylene or HDPE (EN: high density polyethylene). The inner wall of the cavity does not have to be covered entirely with this layer, only a part is sufficient. The advantage of this design lies in the chain growth of projectile particles in the cavity. The primary projectile particle and the secondary projectile particle may not be the same, eg the primary projectile particle may be a proton and the secondary projectile particle may be eg an alpha particle or a neutron.
V dalším výhodném provedení lze jaderný terčík opatřit množstvím otvorů, které navazují na korespondující množství dutin. Toto výhodné provedení představuje výhodu v kontinuálním provozu indukovaných exotermických jaderných reakcí a/nebo výrobě radioizotopů. Samotný jaderný terčík může být umístěn na motorizovaném držáku, který s jaderným terčíkem pohybuje v libovolném směru a/nebo jej i může natáčet. Jakmile dojde k výrobě dostatečného množství radioizotopů podle příslušné indukované jaderné reakce, nebo se spotřebuje veškerý prekurzor v dutině jaderného terčíku, dojde k pohybu jaderného terčíku tak, aby dopadající projektilové částice nově dopadaly do následující dutiny, resp. dutiny obsahující dosud nespotřebovaný prekurzor.In another advantageous embodiment, the nuclear target can be equipped with a number of holes that connect to a corresponding number of cavities. This preferred embodiment represents an advantage in the continuous operation of induced exothermic nuclear reactions and/or the production of radioisotopes. The nuclear target itself can be placed on a motorized holder, which moves the nuclear target in any direction and/or can also rotate it. As soon as a sufficient amount of radioisotopes is produced according to the relevant induced nuclear reaction, or all the precursor in the cavity of the nuclear target is consumed, the nuclear target moves so that the projectile particles fall into the following cavity, or cavities containing as yet unconsumed precursor.
V dalším výhodném provedení lze materiál jaderného terčíku, resp. prekurzory vybrat podle příslušné průmyslové aplikace. V jistém provedení, které je výhodné pro produkci radioizotopů, lze volit následující prekurzory 11B, 98Mo, 186W nebo směs prekurzorů 98Mo a 2H. V jiném provedení, výhodném pro výrobu izotopů vhodných pro diagnostické metody využívající ionizující záření, lze zvolit prekurzory z následující skupiny 185Re, 187Re nebo přírodní směs NatRe. V dalším provedení, které je výhodné pro průmyslové aplikace transmutace vyhořelého jaderného odpadu, se zvolí prekurzor jaderného terčíku. Výhodně materiál jaderného terčíku je tvořen z izotopů s delším poločasem rozpadu. Mezi takovéto izotopy patří produkty štěpení 233U,235U,239Pu. V tomto případě je vhodné jako další prekurzor použít rovněž materiál poskytující neutrony po ozáření projektilovými částicemi, např. 2H při ozáření protony nebo 3H při ozáření deuterony. V jiném provedení, výhodném pro přeměnu jaderné energie v teplo, se zvolí jako prekurzor 2H, 6Li, 7Li, 10B, 11B, 15N nebo jejich směs.In another advantageous embodiment, the material of the nuclear target, or select precursors according to the relevant industrial application. In a certain embodiment, which is advantageous for the production of radioisotopes, the following precursors 11B, 98 Mo, 186 W, or a mixture of 98 Mo and 2 H precursors can be selected. In another embodiment, advantageous for the production of isotopes suitable for diagnostic methods using ionizing radiation, the precursors can be selected from the following group 185 Re, 187 Re or natural mixture Nat Re. In another embodiment, which is advantageous for industrial applications of spent nuclear waste transmutation, a nuclear target precursor is chosen. Preferably, the material of the nuclear target is formed from isotopes with a longer half-life. Such isotopes include fission products 233 U, 235 U, 239 Pu. In this case, it is also appropriate to use as another precursor a material that provides neutrons after irradiation with projectile particles, e.g. 2 H when irradiated with protons or 3 H when irradiated with deuterons. In another embodiment, advantageous for the conversion of nuclear energy into heat, 2 H, 6 Li, 7 Li, 10 B, 11 B, 15 N or a mixture thereof is chosen as a precursor.
V dalším výhodném provedení lze na otvor a/nebo do části dutiny nanést luminofor, resp. scintilátor. Luminofor, resp. scintilátor, přináší dvojí technickou funkci. První funkce spočívá v kontrole emise radioaktivních částic z dutiny jaderného terčíku. Emise radioaktivních částic nemusí být nutně subatomární nebo atomární částice, ale mohou rovněž tvořit makroskopickou část dutiny, která v důsledku mechanismu reakcí vymrštila část materiálu mimo dutinu. Druhá technická funkce spočívá v kontrole fokusace svazku projektilových částic a jeho deponování do dutiny jaderného terčíku, popř. v kontrole optimálního tvaru dutiny.In another advantageous embodiment, a phosphor can be applied to the hole and/or part of the cavity, or scintillator. Luminophore, or scintillator, brings a double technical function. The first function consists in controlling the emission of radioactive particles from the cavity of the nuclear target. Emissions of radioactive particles are not necessarily subatomic or atomic particles, but may also form a macroscopic part of the cavity, which, as a result of the reaction mechanism, has ejected part of the material outside the cavity. The second technical function consists in checking the focusing of the beam of projectile particles and its deposition into the cavity of the nuclear target, or in controlling the optimal shape of the cavity.
- 5 CZ 309802 B6- 5 CZ 309802 B6
Druhé provedení předkládaného vynálezu se týká způsobu indukce jaderné reakce, který je definovaný nárokem 12. Způsob podle předkládaného vynálezu je zcela univerzální a lze jej aplikovat na řadu průmyslových problémů, které jsou uvedeny výše.The second embodiment of the present invention relates to a method of inducing a nuclear reaction, which is defined by claim 12. The method according to the present invention is completely universal and can be applied to a number of industrial problems, which are mentioned above.
Způsob obsahuje krok poskytnutí svazku projektilových částic dopadajících na jaderný terčík z bloku materiálu obsahující prekurzory. Podstata vynálezu pro konání tohoto způsobu spočívá v tom, že je svazek projektilových částic fokusován do dutiny jaderného terčíku podle vynálezu, přičemž projektilové částice se pružně rozptylují na jádrech alespoň jednoho izotopu uvnitř dutiny, výhodně probíhá pružný rozptyl na izotopech obsažených v náplni dutiny a/nebo na izotopech ve stěně jaderného terčíku. Projektilové částice se pružně rozptylují až do doby, než indukují jadernou reakci na prekurzoru, resp. dojde k interakci mezi projektilovou částicí a prekurzorem.The method includes the step of providing a beam of projectile particles impinging on a nuclear target from a block of material containing precursors. The essence of the invention for carrying out this method is that a beam of projectile particles is focused into the cavity of the nuclear target according to the invention, while the projectile particles are elastically scattered on the nuclei of at least one isotope inside the cavity, preferably elastic scattering takes place on the isotopes contained in the cavity filling and/or on isotopes in the wall of a nuclear target. Projectile particles are elastically dispersed until they induce a nuclear reaction on the precursor, or an interaction will occur between the projectile particle and the precursor.
V jistém výhodném provedení se projektilové částice generují v laserem řízeném urychlovači. Laserem řízený urychlovač se obecně považuje za kompaktnější a levnější variantu oproti běžně užívaným urychlovačům.In a certain preferred embodiment, the projectile particles are generated in a laser controlled accelerator. The laser-controlled accelerator is generally considered to be a more compact and cheaper variant compared to commonly used accelerators.
V dalším výhodném provedení lze za pomocí způsobu podle vynálezu vyrábět radiofarmaka, přičemž projektilové částice a prekurzory jsou vybrány podle následujících jaderných reakcí 11B(p, n)nC, 98Mo(p,n)99mTc, 186W(p,n)186Re nebo směs prekurzorů 98Mo a 2H tak, aby při použití projektilů d docházelo současně k reakcím 2H(d,n+p)2H a/nebo 2H(d,n)3He s následnou reakcí 98Mo(p,n)99mTc a 98Mo(n,γ)99mTc. Možné jsou také reakce 185Re(n,γ)186Re , 187Re(n,γ)188Re, opět ve výhodném provedení s použitím deuteria jako projektilové částice, ještě výhodněji deuteria generovaného z laserového terčíku a/nebo deuteria přítomného v dutině jaderného terčíku a aktivovaného pružnou srážkou s jakoukoliv projektilovou částicí.In another advantageous embodiment, radiopharmaceuticals can be produced using the method according to the invention, while the projectile particles and precursors are selected according to the following nuclear reactions 11B(p,n) n C, 98 Mo(p,n) 99m Tc, 186 W(p,n) 186 Re or a mixture of 98 Mo and 2 H precursors so that when d projectiles are used, 2 H(d,n+p) 2 H and/or 2 H(d,n) 3 He reactions occur simultaneously with the subsequent reaction of 98 Mo( p,n) 99m Tc and 98 Mo(n,γ) 99m Tc. Reactions 185 Re(n,γ) 186 Re , 187 Re(n,γ) 188 Re are also possible, again in a preferred embodiment using deuterium as a projectile particle, even more preferably deuterium generated from a laser target and/or deuterium present in the nuclear cavity target and activated by elastic collision with any projectile particle.
V dalším výhodném provedení lze za pomocí způsobu transmutovat jádra vyhořelého jaderného odpadu, přičemž projektilové částice a prekurzory jsou vybrány podle následujících jaderných reakcí 233U(p,fission), 235U(p,fission), 239Pu(p,fission) a zejména 233U(n,fission), 235U(n,fission), 239Pu(n,fission), případně 60Co(n,γ)61Co. Při štěpení neutrony musí dojít k produkci neutronů při interakci neutronů jako projektilových částic s prekurzorem. V jistém provedení lze produkce neutronů dosáhnout například za pomocí další projektilové částice a prekurzoru, který obsahuje deuterony. Při interakci částic tohoto provedení dochází k reakcím 2H(d,n)3He a/nebo 2H(d,n+p)2H, případně 2H(d,p)3H a následně k 2H(t,n)4He, nebo prekurzor bude obsahovat tritium 3H, přičemž dochází k reakci 3H(d,n)4He.In another advantageous embodiment, the cores of spent nuclear waste can be transmuted using the method, while projectile particles and precursors are selected according to the following nuclear reactions 233 U(p,fission), 235 U(p,fission), 239 Pu(p,fission) and especially 233 U(n,fission), 235 U(n,fission), 239 Pu(n,fission), possibly 60 Co(n,γ) 61 Co. In neutron fission, neutrons must be produced when neutrons interact as projectile particles with a precursor. In one embodiment, the production of neutrons can be achieved, for example, with the help of another projectile particle and a precursor that contains deuterons. When the particles of this embodiment interact, the reactions 2 H(d,n) 3 He and/or 2 H(d,n+p) 2 H, or 2 H(d,p) 3 H and subsequently to 2 H(t, n) 4 He, or the precursor will contain tritium 3 H, whereby the reaction 3 H(d,n) 4 He occurs.
V dalším výhodném provedení lze za pomocí způsobu transformovat jadernou energii v teplo, přičemž projektilové částice a prekurzory jsou vybrány podle následujících jaderných reakcí 3He(d,p)4He, 6Li(d,α)4He, 7Li(p,α)4He, 10B(p,α)7Be, 11B(p,2n)4He, 15N(p,n)12C, nebo 6Li(p,3He)4He s následnými sekundárními reakcemi 6Li(3He,2α)1H a 3He(3He,2p)4He. Další možné reakce jsou 3H(d,n)4He, 2H(t,n)4He, 2H(n,γ)3H, 6Li(n,3He)4He, 10B(n,α)7Li, 7Be(n,p)7Li, 13C(n,γ)14C, 14N(n,p)14C, 17O(n,α)14C, 21Ne(n,α)18O, 22Na(n,p)22Ne nebo 37Ar(n,α)34S. V ještě výhodnějším provedení se odvádí teplo z jaderného terčíku za pomocí tepelného výměníku.In another advantageous embodiment, nuclear energy can be transformed into heat using the method, while projectile particles and precursors are selected according to the following nuclear reactions 3 He(d,p) 4 He, 6 Li(d,α) 4 He, 7 Li(p, α) 4 He, 10 B(p,α) 7 Be, 11 B(p,2n) 4 He, 15 N(p,n) 12 C, or 6 Li(p, 3 He) 4 He with subsequent secondary reactions 6 Li( 3 He,2α) 1 H and 3 He( 3 He,2p) 4 He. Other possible reactions are 3 H(d,n) 4 He, 2 H(t,n) 4 He, 2 H(n,γ) 3 H, 6 Li(n, 3 He) 4 He, 10 B(n, α) 7 Li, 7 Be(n,p) 7 Li, 13 C(n,γ) 14 C, 14 N(n,p) 14 C, 17 O(n,α) 14 C, 21 Ne(n, α) 18 O, 22 Na(n,p) 22 Ne or 37 Ar(n,α) 34 S. In an even more advantageous embodiment, heat is removed from the nuclear target using a heat exchanger.
Třetí provedení předkládaného vynálezu se týká zařízení vhodného, tj. nikoliv výlučně používaného, pro konání způsobu podle druhého provedení tohoto vynálezu, resp. výhodných provedení. Zařízení podle tohoto vynálezu je definované v nároku 19.The third embodiment of the present invention relates to a device suitable, i.e. not exclusively used, for carrying out the method according to the second embodiment of the present invention, or advantageous designs. The device according to the present invention is defined in claim 19.
Zařízení obsahuje zdroj projektilových částic a jaderný terčík podle předkládaného vynálezu, přičemž zdroj projektilových částic je nastavitelný tak, aby deponoval projektilové částice do dutiny jaderného terčíku podle předkládaného vynálezu.The device includes a projectile particle source and a nuclear target according to the present invention, wherein the projectile particle source is adjustable to deposit projectile particles into the cavity of the nuclear target according to the present invention.
Ve výhodném provedení obsahuje zařízení jaderný a laserový terčík, přičemž jaderný terčík je jaderný terčík podle předkládaného vynálezu a laserový terčík je schopný emitovat projektilové částice po zásahu laserovým pulzem. Laserový terčík může být pevnolátkový, jako je např.In a preferred embodiment, the device contains a nuclear and laser target, wherein the nuclear target is a nuclear target according to the present invention and the laser target is capable of emitting projectile particles after being hit by a laser pulse. The laser target can be solid, such as
- 6 CZ 309802 B6 laserový terčík zveřejněný v EP 2833365 A1, nebo se rovněž dá použít plynný ve formě plynové trysky (EN: gas jet target), přičemž se využije jevu EN: laser-wakefield acceleration.- 6 CZ 309802 B6 laser target published in EP 2833365 A1, or a gaseous one can also be used in the form of a gas jet target (EN: gas jet target), whereby the phenomenon EN: laser-wakefield acceleration is used.
V dalších výhodných provedeních je zařízení nastavitelné tak, aby provádělo způsoby podle předkládaného vynálezu.In other preferred embodiments, the device is adjustable to perform the methods of the present invention.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Obr. 1a až 1f představují schématické nákresy prvního provedení jaderného terčíku podle předkládaného vynálezu v různých alternativách umístění prekurzoru v terčíku.Giant. 1a to 1f represent schematic drawings of the first embodiment of a nuclear target according to the present invention in different alternatives of placing the precursor in the target.
Obr. 2a a 2b představují schématické nákresy druhého, výhodného, provedení jaderného terčíku podle předkládaného vynálezu s první a druhou částí dutiny.Giant. 2a and 2b are schematic drawings of a second, advantageous, embodiment of a nuclear target according to the present invention with a first and a second part of the cavity.
Obr. 3a, 3b a 3c představují schématické nákresy dalšího, výhodného, provedení jaderného terčíku podle předkládaného vynálezu obsahující laserový terčík, který je schopný generovat projektilové částice, přičemž obr. 3b představuje výhodnější provedení s předsazením laserového terčíku a obr. 3 c představuje výhodné provedení obsahující prekurzor v kapalné nebo plynné formě, kde prekurzor je obsažený v dutině jaderného terčíku.Giant. 3a, 3b and 3c represent schematic drawings of another preferred embodiment of a nuclear target according to the present invention containing a laser target capable of generating projectile particles, while Fig. 3b represents a more preferred embodiment with a projection of the laser target and Fig. 3c represents a preferred embodiment containing a precursor in liquid or gaseous form, where the precursor is contained in the cavity of the nuclear target.
Obr. 4 představuje schématický nákres provedení dutiny jaderného terčíku podle vynálezu, přičemž dutina je opatřena vrstvou, která emituje sekundární projektilové částice po interakci s primární projektilovou částicí.Giant. 4 is a schematic drawing of an embodiment of a nuclear target cavity according to the invention, wherein the cavity is provided with a layer that emits secondary projectile particles after interaction with a primary projectile particle.
Obr. 5 představuje schématický nákres provedení kontinuálního pásu opatřeného jadernými terčíky podle předkládaného vynálezu.Giant. 5 is a schematic drawing of an embodiment of a continuous belt equipped with nuclear targets according to the present invention.
Obr. 6a a 6b představují schématické nákresy provedení jaderného terčíku opatřeného luminoforem.Giant. 6a and 6b are schematic drawings of an embodiment of a nuclear target equipped with a phosphor.
Obr. 7 představuje schématický nákres provedení jaderného terčíku v kombinaci s tepelným výměníkem.Giant. 7 is a schematic diagram of a nuclear target in combination with a heat exchanger.
Obr. 8a až 8e představují různá provedení geometrie dutiny jaderného terčíku podle vynálezu.Giant. 8a to 8e represent various embodiments of the cavity geometry of the nuclear target according to the invention.
Obr. 9a a 9b představují schématické nákresy zařízení obsahující laserem řízený urychlovač generující projektilové částice obsahující jaderný terčík podle vynálezu.Giant. 9a and 9b are schematic drawings of a device comprising a laser controlled accelerator generating projectile particles containing a nuclear target according to the invention.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention
Radioizotopy se vyrábějí bombardováním nebo ozařováním jaderného terčíku 1 obsahujícího prekurzor/y 21 nebo 22 a/nebo 23. Prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23 označujeme a je obecně v této oblasti techniky známo atomové jádro, které interaguje s projektilovou částicí 3 za účelem dosažení výsledného produktu. Výsledný produkt je často nestabilní radioizotop, který se dále rozpadá alfa, beta a/nebo gama přechody. Výroba produktů za pomocí indukovaných jaderných reakcí podle předkládaného vynálezu probíhá v podstatě uvnitř dutiny 12 jaderného terčíku 1, přičemž alespoň část přítomných prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23 v dutině 12 interaguje s projektilovými částicemi 3 a vytváří za pomocí jaderných reakcí výsledný produkt. Ve většině případů je vytvořený produkt, nejčastěji radioizotop, ve výsledku smíchán s dalším materiálem tvořící jaderný terčík 1, přičemž nespotřebovaný prekurzor 21 a/nebo 22 a/nebo 23 zůstává v uvedeném jaderném terčíku 1 náhodně distribuován. Určitou část přeměněných prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23 na výsledný/é produkt/y lze separovat chemickými metodami.Radioisotopes are produced by bombarding or irradiating a nuclear target 1 containing precursor/s 21 or 22 and/or 23. Precursor 21 and/or 22 and/or 23 refers to, and is generally known in this field of technology, an atomic nucleus that interacts with a projectile particle 3 behind in order to achieve the final product. The resulting product is often an unstable radioisotope that further decays through alpha, beta and/or gamma transitions. The production of products using induced nuclear reactions according to the present invention takes place essentially inside the cavity 12 of the nuclear target 1, while at least part of the precursors 21 and/or 22 and/or 23 present in the cavity 12 interact with the projectile particles 3 and create the final product using nuclear reactions . In most cases, the product formed, most often a radioisotope, is ultimately mixed with other material forming the nuclear target 1, while the unconsumed precursor 21 and/or 22 and/or 23 remains randomly distributed in said nuclear target 1. A certain part of the converted precursors 21 and/or 22 and/or 23 to the resulting product(s) can be separated by chemical methods.
- 7 CZ 309802 B6- 7 CZ 309802 B6
Příkladem chemické metody separace přeměněných radioizotopů je rozpuštění jaderného terčíku 1 nebo obsahu dutiny 12 terčíku 1 v silné kyselině s následující filtrací radioizotopů a jejich vysrážením.An example of a chemical method of separating converted radioisotopes is the dissolution of the nuclear target 1 or the contents of the cavity 12 of the target 1 in a strong acid with subsequent filtration of the radioisotopes and their precipitation.
Jaderný terčík 1 podle předkládaného vynálezu obsahuje alespoň jedno jádro prekurzoru 21 nebo 22 v plášti jaderného terčíku 1 a/nebo prekurzor 23 uvnitř dutiny 12, které se jadernou reakcí přemění v jádro produktu; a izotop 4, na kterém se projektilová částice 3 pružně rozptyluje až do interakce s jádrem prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. V případě uspořádání podle obr. 1b to může být některý z izotopů prekurzoru 21 a/nebo 22 nebo prekurzor 23 sám dokud se kinetická energie projektilové částice 3 nerovná energii některého kanálu reakce. Příkladem takovýchto materiálů může být např. 10B jako jádro prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, p jako projektilová částice 3, přičemž izotop 4, na kterém se projektilová částice 3 pružně rozptyluje je některý ze stabilních izotopů 4 W (180W,182W,183W,184W,186W; respektive jejich přírodní směs v uspořádání podle obr. 1a), přičemž výsledná jaderná reakce je 10B(p,α)7Be. V dalším příkladu lze volit nB(p,a)8Be, přičemž 8Be se dále rozpadá podle 8Be ^ 2α, přičemž izotopy 4 W slouží jako jádra, na kterých se projektilové částice 3 pružně rozptylují. Dalším příkladem může být jaderná reakce 98Mo(p,n)99mTc, přičemž izotopy 4, na kterých se pružně rozptylují projektilové částice 3 jsou izotopy 4 W tvořící plášť jaderného terčíku 1. V dalším provedení lze využít možnosti umístit prekurzor 21 nebo 22 do těla jaderného terčíku 1, např. jako součást pláště dutiny 12 (obr. 1a, 1b, 1d, 1e a 1f), a/nebo jej umístit do dutiny 12 jaderného terčíku 1 (prekurzor 23, obr. 1c, 1d, 1e a 1f). Rovněž je možné kombinovat výše uvedené umístění prekurzorů 21 a/nebo 22 a 23 tak, jak je schematicky znázorněno na obr. 1d až 1f.The nuclear target 1 according to the present invention contains at least one precursor core 21 or 22 in the shell of the nuclear target 1 and/or precursor 23 inside the cavity 12, which is transformed into a product core by a nuclear reaction; and the isotope 4, on which the projectile particle 3 is elastically scattered until it interacts with the nucleus of the precursor 21 and/or 22 and/or 23. In the case of the arrangement according to Fig. 1b, it can be any of the isotopes of the precursor 21 and/or 22 or the precursor 23 itself until the kinetic energy of the projectile particle 3 is equal to the energy of some reaction channel. An example of such materials can be e.g. 10 B as the nucleus of the precursor 21 and/or 22 and/or 23, p as the projectile particle 3, while the isotope 4 on which the projectile particle 3 is elastically scattered is one of the stable isotopes 4 W ( 180 W , 182 W, 183 W, 184 W, 186 W; or their natural mixture in the arrangement according to Fig. 1a), while the resulting nuclear reaction is 10 B(p,α) 7 Be. In another example, n B(p,a) 8 Be can be chosen, with 8 Be further decaying according to 8 Be ^ 2α, with 4 W isotopes serving as nuclei on which projectile particles 3 are elastically scattered. Another example can be the nuclear reaction 98 Mo(p,n) 99m Tc, while the isotopes 4 on which the projectile particles 3 are elastically scattered are the 4 W isotopes forming the shell of the nuclear target 1. In another embodiment, the possibility of placing the precursor 21 or 22 in body of the nuclear target 1, e.g. as part of the shell of the cavity 12 (Figs. 1a, 1b, 1d, 1e and 1f), and/or place it in the cavity 12 of the nuclear target 1 (precursor 23, Figs. 1c, 1d, 1e and 1f ). It is also possible to combine the aforementioned placement of precursors 21 and/or 22 and 23 as schematically shown in Figs. 1d to 1f.
Podle dalšího příkladu uskutečnění může jaderný terčík 1 obsahovat přírodní směs boru, tj. 20 % 10B a 80 % nB, jako jádra prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. Na obr. 1a je schematicky znázorněna uspořádaná distribuce prekurzorů 21, která odpovídá v řezu kružnicím. Příslušné prekurzory 21 mohou být v tomto provedení implantovány do těla jaderného terčíku 1 různými chemicko-fyzikálními procesy, např. chemickou nebo fyzikální depozicí z par (CVD, resp. PVD). Na obr. 1b je schematicky zobrazena situace, kdy je prekurzor 22 umístěn do vymezené oblasti a tvoří blok materiálu (EN: bulk), ve kterém je dutina 12. Na obr. 1c je zobrazeno provedení, kdy prekurzor 23 je přímo umístěn do dutiny 12 jaderného terčíku 1, tj. prekurzor 23 není implantován do materiálu jaderného terčíku 1, ale je umístěn do části dutiny 12 jaderného terčíku 1 a slouží jako náplň v dutině 12. Samotný prekurzor 23 lze rovněž umístit přímo do dutiny 12 jaderného terčíku 1 i za pomocí známých metod PVD, CVD nebo iontovou implantací nebo jako blok materiálu. Obr. 1d schematicky znázorňuje možnou kombinaci umístění dvou prekurzorů 22 a 23. Podobně je možné poskytnou provedení podle obr. 1e , kde jsou současně přítomny prekurzory 21 a 23, kdy první prekurzor 21 tvoří součást bloku materiálu. Druhý prekurzor 23 je umístěn do dutiny 12. První a druhý prekurzor 21 a/nebo 22 a 23 podle obr. 1f může být stejné atomové jádro. V jiném provedení se izotopické složení prvního a druhého prekurzoru 21 a/nebo 22, a 23, podle obr. 1f liší. Výhodného provedení podle obr. 1d až 1f může být využito zejména v oblasti výroby tepla prostřednictví štěpné jaderné reakce. V tomto výhodném provedení může jaderný terčík 1 obsahovat v plášti prekurzory 21 a/nebo 22, obsahující např. izotopy 233U, 235U a 239Pu. Současně obsahuje jaderný terčík 1 dutinu 12, která je naplněna prekurzorem 23 alespoň z části sloužící jako náplň. Druhý prekurzor 23 může být 3H nebo LiD tak, aby při interakci s projektilovou částicí 3 emitoval neutrony schopné iniciovat štěpnou jadernou reakci na prekurzoru 21 a/nebo 22. V konečném důsledku dochází při interakci s výše vybranými prekurzory 21 a/nebo 22 a 23 s projektilovými částicemi 3 k exotermickým jaderným reakcím.According to another embodiment, the nuclear target 1 may contain a natural mixture of boron, i.e. 20% 10 B and 80% n B, as precursor cores 21 and/or 22 and/or 23. Fig. 1a schematically shows the ordered distribution of precursors 21, which corresponds in cross-section to circles. In this embodiment, the relevant precursors 21 can be implanted into the body of the nuclear target 1 by various chemical-physical processes, e.g. chemical or physical vapor deposition (CVD or PVD). Fig. 1b schematically shows the situation when the precursor 22 is placed in a defined area and forms a block of material (EN: bulk) in which there is a cavity 12. Fig. 1c shows an embodiment when the precursor 23 is directly placed in the cavity 12 of the nuclear target 1, i.e. the precursor 23 is not implanted in the material of the nuclear target 1, but is placed in part of the cavity 12 of the nuclear target 1 and serves as a filling in the cavity 12. The precursor 23 itself can also be placed directly in the cavity 12 of the nuclear target 1 with the help of by known PVD, CVD or ion implantation methods or as a block of material. Giant. 1d schematically shows a possible combination of placement of two precursors 22 and 23. Similarly, it is possible to provide an embodiment according to Fig. 1e, where precursors 21 and 23 are simultaneously present, when the first precursor 21 forms part of a block of material. The second precursor 23 is placed in the cavity 12. The first and second precursors 21 and/or 22 and 23 according to Fig. 1f can be the same atomic nucleus. In another embodiment, the isotopic composition of the first and second precursors 21 and/or 22, and 23, according to Fig. 1f, is different. The preferred embodiment according to Fig. 1d to 1f can be used especially in the field of heat production by means of a nuclear fission reaction. In this advantageous embodiment, the nuclear target 1 can contain precursors 21 and/or 22 in the shell, containing, for example, isotopes 233 U, 235 U and 239 Pu. At the same time, the nuclear target 1 contains a cavity 12, which is filled with a precursor 23 at least in part serving as a filling. The second precursor 23 can be 3 H or LiD so that, upon interaction with the projectile particle 3, it emits neutrons capable of initiating a nuclear fission reaction on the precursor 21 and/or 22. Ultimately, upon interaction with the above-selected precursors 21 and/or 22 and 23 with projectile particles 3 to exothermic nuclear reactions.
V jiném provedení může být jaderný terčík 1 obohacen, například koncentrací 10B až do 90 %, což indukuje příslušné reakční schéma podle jaderné reakce uvedené výše. Rovněž je možné volit distribuci prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23, např. větší koncentraci prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23 na okrajích jaderného terčíku 1 v souladu s jeho účelem použití. Je také možné použití dvou typů prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23, nebo současné umístění, například uspořádání podle obr. 1d až 1f.In another embodiment, the nuclear target 1 can be enriched, for example, with a concentration of 10 B up to 90%, which induces the appropriate reaction scheme according to the nuclear reaction mentioned above. It is also possible to choose the distribution of precursors 21 and/or 22 and/or 23, e.g. a greater concentration of precursors 21 and/or 22 and/or 23 at the edges of the nuclear target 1 in accordance with its purpose of use. It is also possible to use two types of precursors 21 and/or 22 and/or 23, or to place them simultaneously, for example the arrangement according to Figs. 1d to 1f.
- 8 CZ 309802 B6- 8 CZ 309802 B6
Jaderný terčík 1 může být v podstatě planárního tvaru, přičemž je opatřen otvorem 11 a dutinou 12 v bloku materiálu, která se nachází za otvorem 11. Dutina 12 může nabývat kteréhokoliv tvaru. Na obr. 1a až 1f jsou zobrazeny schématické řezy jaderného terčíku 1, kde část průřezu dutinou 12 odpovídá v podstatě tvaru kruhu. V jiném provedení, např. podle obr. 8a až 8e, může odpovídat tvar řezu dutiny 12 výseči elipsy, obdélníku, tvaru houby anebo mnohoúhelníku se zúženým otvorem 11. Jaderné terčíky 1 však vždy obsahují otvory 11 pro průlet projektilových částic 3 do dutiny 12 jaderného terčíku 1.The nuclear target 1 can be essentially planar in shape, while it is provided with an opening 11 and a cavity 12 in the block of material, which is located behind the opening 11. The cavity 12 can take on any shape. Fig. 1a to 1f show schematic sections of the nuclear target 1, where part of the cross-section through the cavity 12 corresponds essentially to the shape of a circle. In another embodiment, e.g. according to Figs. 8a to 8e, the cross-sectional shape of the cavity 12 can correspond to the section of an ellipse, rectangle, mushroom shape or polygon with a narrowed opening 11. Nuclear targets 1, however, always contain openings 11 for the passage of projectile particles 3 into the cavity 12 of the nuclear target 1.
Ve výhodném provedení, které je schematicky zobrazeno na obr. 2a, lze dutinu 12 vytvořit ze dvou částí. První část 121 představuje užší část dutiny 12, kterou prochází projektilová částice 3. V druhé části 122 dutiny 12, která je v porovnání s první částí 121 objemnější, se projektilová částice 3 deponuje a pružně rozptyluje na jádrech izotopů 4, resp. vyvolává jadernou reakci na konkrétním prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. Výhoda užší první části 121 dutiny 12 jaderného terčíku 1 spočívá v minimalizaci zpětně rozptýlených částic 31 vycházejících z jaderného terčíku 1 mimo oblast dutiny 12. Další výhoda dutiny 12 mající části 121 a 122 spočívá v tom, že není nutné, aby svazek 3 projektilových částic 3 byl fokusován kolmo k jadernému terčíku 1. Svazek projektilových částic 3 lze deponovat do dutiny 12 např. podle obr. 2b pod jistým úhlem. Pružný rozptyl projektilových částic 3 v dutině 12 zajistí dostatečné množství uvězněných projektilových částic 3 tak, aby indukovaly dostatečné množství jaderných reakcí na prekurzorech 21 a/nebo 22 a/nebo 23.In a preferred embodiment, which is shown schematically in Fig. 2a, the cavity 12 can be made of two parts. The first part 121 represents a narrower part of the cavity 12, through which the projectile particle 3 passes. In the second part 122 of the cavity 12, which is more voluminous compared to the first part 121, the projectile particle 3 is deposited and elastically scattered on the nuclei of the isotopes 4, respectively. induces a nuclear reaction on a specific precursor 21 and/or 22 and/or 23. The advantage of the narrower first part 121 of the cavity 12 of the nuclear target 1 consists in minimizing the backscattered particles 31 coming from the nuclear target 1 outside the region of the cavity 12. Another advantage of the cavity 12 having parts 121 and 122 consists in the fact that it is not necessary for the bundle 3 of projectile particles 3 to be focused perpendicularly to the nuclear target 1. The bundle of projectile particles 3 can be deposited in the cavity 12, for example according to Fig. 2b at a certain angle. The elastic dispersion of the projectile particles 3 in the cavity 12 ensures a sufficient number of trapped projectile particles 3 so as to induce a sufficient number of nuclear reactions on the precursors 21 and/or 22 and/or 23.
Otvor 11 jaderného terčíku 1 slouží pro vstup projektilových částic 3, jako jsou např. protony, deuterony, lehká jádra, která mohou být urychlena v běžně využívaných částicových urychlovačích. V jiném provedení lze využít laserově řízené urychlovače. V dalším provedení lze využít i kolimovaný svazek projektilových částic 3 ze statických emitorů, jako je např. AmBe, RaBe nebo PuBe. V případě neutronů, použitých jako projektilové částice 3, lze i využít spalační zdroje, nebo kolimovaný svazek neutronů pocházející ze štěpného reaktoru. Projektilové částice 3 procházející otvorem 11 jaderného terčíku 1 se deponují v jeho dutině 12. V ideálním případě dochází v dutině 12 k právě dvěma možným interakcím. První interakce se sestává z indukované jaderná reakce projektilové částice 3 s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23, přičemž projektilová částice 3 a prekurzor 21 a/nebo 22 a/nebo 23 se vhodně zvolí podle průmyslové aplikace. V druhém případě žádané interakce dochází k pružnému rozptylu projektilových částic 3 na izotopech 4, přičemž kinetická energie projektilových částic 3 se disipuje až do doby, kdy projektilová částice 3 interaguje požadovanou jadernou reakcí vybranou z možných interakčních kanálů a dojde k jaderné reakci na prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23.The opening 11 of the nuclear target 1 serves for the entry of projectile particles 3, such as protons, deuterons, light nuclei, which can be accelerated in commonly used particle accelerators. In another embodiment, laser-controlled accelerators can be used. In another embodiment, a collimated beam of projectile particles 3 from static emitters such as AmBe, RaBe or PuBe can also be used. In the case of neutrons used as projectile particles 3, spallation sources or a collimated beam of neutrons originating from a fission reactor can also be used. Projectile particles 3 passing through the opening 11 of the nuclear target 1 are deposited in its cavity 12. In the ideal case, exactly two possible interactions occur in the cavity 12. The first interaction consists of an induced nuclear reaction of the projectile particle 3 with the precursor 21 and/or 22 and/or 23, wherein the projectile particle 3 and the precursor 21 and/or 22 and/or 23 are suitably chosen according to the industrial application. In the second case of the desired interaction, elastic scattering of projectile particles 3 on isotopes 4 occurs, while the kinetic energy of projectile particles 3 is dissipated until the time when projectile particle 3 interacts with the desired nuclear reaction selected from the possible interaction channels and a nuclear reaction occurs on the precursor 21 and /or 22 and/or 23.
Objem jaderného terčíku 1, tloušťky stěn jaderného terčíku 1, velikost a tvar dutiny 12, distribuce prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23, a jiné běžně potřebné parametry jaderného terčíku 1 se vhodně volí podle požadované jaderné reakce a příslušné průmyslové aplikace. K určení výše uvedených parametrů lze využít běžně užívané počítačové programy.The volume of the nuclear target 1, the thickness of the walls of the nuclear target 1, the size and shape of the cavity 12, the distribution of the precursors 21 and/or 22 and/or 23, and other commonly needed parameters of the nuclear target 1 are suitably selected according to the desired nuclear reaction and the relevant industrial application. Commonly used computer programs can be used to determine the above parameters.
Výsledným produktem reakce projektilových částic 3 s jádry prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23 mohou být např. radioizotopy používané v radiační terapii, radioizotopy používané k zobrazování v lékařských aplikacích a/nebo diagnostice materiálů. V jiném provedení může být výsledným produktem stabilní izotop 4, který má krátký a/nebo střednědobý poločas rozpadu. V jiném provedení může být výsledným produktem stabilní izotop 4 vznikající v exotermické jaderné reakci, kterou lze následně převést na teplo 9 ve výměníku 91.The resulting product of the reaction of the projectile particles 3 with the precursor nuclei 21 and/or 22 and/or 23 can be, for example, radioisotopes used in radiation therapy, radioisotopes used for imaging in medical applications and/or materials diagnostics. In another embodiment, the resulting product may be a stable isotope 4 that has a short and/or intermediate half-life. In another embodiment, the resulting product can be a stable isotope 4 formed in an exothermic nuclear reaction, which can then be converted to heat 9 in the exchanger 91.
V provedeních podle obr. 3a a 3b lze jaderný terčík 1 dále opatřit laserovým terčíkem 5 obsahující vrstvu 50 emitující projektilové částice 3 v případě, že odvrácená strana 51 vrstvy 50 je vystavena laserovým paprskům. Z vrstvy 50 je tedy emitován svazek urychlených projektilových částic 3, které lze použít k vyvolání jaderných reakcí v dutině 12 jaderného terčíku 1 podle předkládaného vynálezu. V provedení zobrazeném na obr 3a je před otvorem 11 jaderného terčíku 1 těsně umístěn laserový terčík 5 opatřený vrstvou 50. Po zásahu laserovým pulzem 52 se emitují projektilové částice 3 přímo do dutiny 12 jaderného terčíku 1, kde indukujíIn the embodiments according to Fig. 3a and 3b, the nuclear target 1 can be further equipped with a laser target 5 containing a layer 50 emitting projectile particles 3 in the event that the reverse side 51 of the layer 50 is exposed to laser beams. Thus, a beam of accelerated projectile particles 3 is emitted from the layer 50, which can be used to induce nuclear reactions in the cavity 12 of the nuclear target 1 according to the present invention. In the embodiment shown in Fig. 3a, a laser target 5 equipped with a layer 50 is placed closely in front of the opening 11 of the nuclear target 1. After being hit by a laser pulse 52, the projectile particles 3 are emitted directly into the cavity 12 of the nuclear target 1, where they induce
- 9 CZ 309802 B6 jadernou reakci, nebo se pružně rozptylují. Emise projektilových částic 3 může být zajištěna prostřednictvím TNSA mechanismu (M. Roth, M. Schollmeier. Ion Acceleration-Target Normal Sheath Acceleration. Vol. 1 (2016): Proceedings of the 2014 CAS-CERN Accelerator School: Plasma Wake Acceleration, DOI: https://doi.org/10.5170/CERN-2016-001.231). V jiném provedení, zobrazeném na obr. 3b, je možné laserový terčík 5 umístit k dutině 12 jaderného terčíku 1 s předsazením před otvor 11 tak, aby se projektilové částice 3 urychlovaly směrem do dutiny 12 jaderného terčíku 1. Výhoda předsazení mezi laserovým terčíkem 5 a otvorem 11 jaderného terčíku 1 poskytuje možnost umístění vakuového čerpadla 6, které odsává nečistoty emitované z laserového terčíku 5, vlivem laserového pulzu 52 a využití laserového mechanizmu urychlování EN: laser wake field acceleration. Výhodné provedení rovněž představuje odsazení laserového terčíku 5 s vrstvou 50, které poskytuje stínění mezi elektromagnetickým pulzem laserového záření a jaderným terčíkem 1 v případě, že materiál jaderného terčíku 1 je elektricky vodivý. V případě, že projektilové částice 3 představují směs izotopů 4, předsazení umožňuje nastavit časovou sekvenci, v jaké budou projektilové částice 3 dopadat na prekurzor 21 a/nebo 22 a/nebo 23 a interagovat s ním, resp. s produkty interakcí předchozí vlny projektilových částic 3 s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23. Takové příkladné provedení s časovou sekvencí dopadu projektilových částic 3 do dutiny 12 lze převzít z Torrisi, Lorenzo & Cavallaro, Stefano & Cutroneo, M. & Krasa, Josef & Klir, Daniel. (2014). D-D nuclear fusion induced by lasergenerated plasma at 1016 Wcm-2 intensity. Physica Scripta. 2014. 014026. 10.1088/00318949/2014/T161/014026. Sekvenci dopadajících projektilových částic 3 a samotnou interakci s prekurzory 21 a/nebo 22 a/nebo 23 umožňuje složitější konfigurace laserového terčíku 5, jako např. „catcher - pitcher“ uvedenou v D. Margarone, et. al. (2020). Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser System. Frontiers in Physics, September 2020, Vol B, Article 343.- 9 CZ 309802 B6 nuclear reaction, or they scatter elastically. The emission of projectile particles 3 can be ensured through the TNSA mechanism (M. Roth, M. Schollmeier. Ion Acceleration-Target Normal Sheath Acceleration. Vol. 1 (2016): Proceedings of the 2014 CAS-CERN Accelerator School: Plasma Wake Acceleration, DOI: https://doi.org/10.5170/CERN-2016-001.231). In another embodiment, shown in Fig. 3b, it is possible to place the laser target 5 to the cavity 12 of the nuclear target 1 with a projection in front of the opening 11 so that the projectile particles 3 are accelerated towards the cavity 12 of the nuclear target 1. The advantage of the projection between the laser target 5 and the opening 11 of the nuclear target 1 provides the possibility of placing a vacuum pump 6, which extracts impurities emitted from the laser target 5, due to the laser pulse 52 and the use of the EN: laser wake field acceleration laser mechanism. A preferred embodiment also presents an offset of the laser target 5 with a layer 50, which provides shielding between the electromagnetic pulse of laser radiation and the nuclear target 1 in the event that the material of the nuclear target 1 is electrically conductive. In the event that the projectile particles 3 represent a mixture of isotopes 4, the offset allows setting the time sequence in which the projectile particles 3 will hit the precursor 21 and/or 22 and/or 23 and interact with it, respectively. with the products of the interaction of the previous wave of projectile particles 3 with the precursor 21 and/or 22 and/or 23. Such an exemplary embodiment with the time sequence of the impact of projectile particles 3 in the cavity 12 can be taken from Torrisi, Lorenzo & Cavallaro, Stefano & Cutroneo, M. & Krasa , Josef & Klir, Daniel. (2014). DD nuclear fusion induced by laser-generated plasma at 10 16 Wcm -2 intensity. Physica Scripta. 2014. 014026. 10.1088/00318949/2014/T161/014026. The sequence of the incident projectile particles 3 and the very interaction with the precursors 21 and/or 22 and/or 23 is made possible by a more complex configuration of the laser target 5, such as the "catcher - pitcher" presented in D. Margarone, et. al. (2020). Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser System. Frontiers in Physics, September 2020, Vol B, Article 343.
Výhodná provedení opatřena laserovým terčíkem 5 jsou schopná poskytovat vysokoenergetický hadronový svazek, jako je např. svazek protonů, lehkých jader, těžkých jader (např. Au), neutronů, ale i elektronový svazek bez nutnosti složitého beam-transportu. Mimo jiné, výhodné provedení zobrazené na obr. 3a, resp. 3b, umožňuje využít laserem řízené urychlovače, které se obecně považují za kompaktnější a levnější variantu ke klasickým urychlovačům.Advantageous designs equipped with a laser target 5 are capable of providing a high-energy hadron beam, such as a beam of protons, light nuclei, heavy nuclei (e.g. Au), neutrons, but also an electron beam without the need for complex beam-transport. Among other things, the preferred embodiment shown in Fig. 3a, respectively 3b, makes it possible to use laser-controlled accelerators, which are generally considered a more compact and cheaper alternative to classic accelerators.
Obr. 3c dále schematicky znázorňuje další provedení, které obsahuje jaderný terčík 1 a laserový terčík 5. Prostor mezi laserovým terčíkem 5 a jaderným terčíkem 1 je uzavřen tak, aby nedocházelo k výměně tekutin s okolním prostředím. Uzavřený prostor je následně možné naplnit kapalinou nebo plynem obsahující prekurzory 23.Giant. 3c also schematically shows another embodiment that includes a nuclear target 1 and a laser target 5. The space between the laser target 5 and the nuclear target 1 is closed so that there is no fluid exchange with the surrounding environment. The closed space can subsequently be filled with liquid or gas containing precursors 23.
V dalším výhodném provedení lze materiál laserového terčíku 5, jeho strukturu a jeho tloušťku zvolit tak, aby při vhodně zvolené fokusaci pulsu laseru (příčného průřezu pulsu) docházelo při využití mechanismu TNSA k produkci optimálního spektra projektilových částic 3, a to jak v intenzitě, tak ve spektru energií částic. V jistém příkladu uskutečnění se izotopické složení jaderného terčíku 1 zvolí tak, aby se sestával právě ze dvou izotopů. První izotop je prekurzor 21 a/nebo 22 a/nebo 23, který je umístěn do dutiny 12 jaderného terčíku 1. Druhý izotop je jádro, na kterém se pružně rozptylují projektilové částice 3. Toto provedení poskytuje výhodu v tom, že bezprostředně po výstřelu projektilových částic 3 je umožněna interakce pouze s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23, nebo se projektilové částice 3 pružně rozptylují na izotopech 4 až do doby, než dojde k interakci s jádrem prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. V další fázi mohou do procesu vstoupit i produkty probíhajících jaderných reakcí s projektilovými částicemi 3, např. ionty s menším poměrem náboj/hmota, které dorazí do dutiny 12 s určitým zpožděním tak, jak je uvedeno Torrisi, Lorenzo & Cavallaro, Stefano & Cutroneo, M. & Krasa, Josef & Klir, Daniel. (2014). D-D nuclear fusion induced by laser-generated plasma at 1016 Wcm-2 intensity. Physica Scripta. 2014. 014026. 10.1088/0031-8949/2014/T161/014026. V konečném důsledku pak dochází k zvýšení výtěžnosti jaderné reakce.In another advantageous embodiment, the material of the laser target 5, its structure and its thickness can be chosen so that, with an appropriately chosen focus of the laser pulse (cross-section of the pulse), when the TNSA mechanism is used, an optimal spectrum of projectile particles 3 is produced, both in intensity and in the particle energy spectrum. In a certain exemplary embodiment, the isotopic composition of nuclear target 1 is chosen to consist of exactly two isotopes. The first isotope is the precursor 21 and/or 22 and/or 23, which is placed in the cavity 12 of the nuclear target 1. The second isotope is the core on which the projectile particles 3 are elastically scattered. This embodiment provides the advantage that immediately after the projectiles are fired particles 3 are allowed to interact only with precursor 21 and/or 22 and/or 23, or projectile particles 3 elastically scatter on isotopes 4 until interaction with the nucleus of precursor 21 and/or 22 and/or 23 occurs. In the products of the ongoing nuclear reactions with projectile particles 3 can also enter the next phase, e.g. ions with a smaller charge/mass ratio, which arrive in the cavity 12 with a certain delay as indicated by Torrisi, Lorenzo & Cavallaro, Stefano & Cutroneo, M .& Krasa, Josef & Klir, Daniel. (2014). DD nuclear fusion induced by laser-generated plasma at 10 16 Wcm -2 intensity. Physica Scripta. 2014. 014026. 10.1088/0031-8949/2014/T161/014026. Ultimately, the yield of the nuclear reaction increases.
Na příkladu, zobrazeném na obr. 4, je vnitřní strana 123 dutiny 12 jaderného terčíku 1 opatřena vrstvou 32. Vrstva 32 obsahuje atomová jádra, která jsou schopná emitovat sekundárníIn the example shown in Fig. 4, the inner side 123 of the cavity 12 of the nuclear target 1 is provided with a layer 32. The layer 32 contains atomic nuclei that are capable of emitting secondary
- 10 CZ 309802 B6 projektilové částice 320 po interakci s projektilovou částicí 3. Obr. 4 představuje konkrétní provedení opatřené laserovým terčíkem 5, avšak odborníkovi v oboru je jasné, že technická funkce vrstvy 32 je zcela oddělitelná od technické funkce laserového terčíku 5 a může tak být implementována, bez jakýchkoliv dalších technických obtíží, do kteréhokoliv provedení, např. podle obr. 1a až 1f a/nebo 2a, 2b, resp. lze kombinovat výhodné technické účinky s jakýmkoliv výše uvedeným příkladem. Konkrétněji lze například využít technickou funkci vrstvy 32 podle provedení na obr. 4 a implementovat jí do provedení podle obr. 2a nebo 3b, tj. lze zkonstruovat dutinu 12 jaderného terčíku 1 o první části 121 a druhé části 122 tak, aby zpětně rozptýlené částice 31 dopadaly na vrstvu 32, resp. opatřit jaderný terčík 1 s vrstvou 32 laserovým terčíkem 5. Technické funkce zůstávají zcela oddělitelné, včetně poskytnutých výhod. Vrstva 32 je pak schopná emitovat další sekundární projektilové částice 320 v důsledku interakce s primární projektilovou částicí 3. Toto výhodné provedení poskytuje možnost řetězové reakce, tj. uvolnění většího množství projektilových částic 3 do dutiny 12, než jich bylo původně deponováno svazkem primárních projektilových částic 3. Podobně lze této výhody docílit i vhodnou kombinací prekurzorů 23 v dutině 12. Například je-li laserový terčík 5 tvořen HDPE (EN: Highdensity polyethylene), budou mezi projektilovými částicemi 3 protony i ionty uhlíku 12C. Je-li vodík obsažen také v prekurzoru 23 spolu s např. nB, budou sekundárními reakcemi s projektilovými částicemi 3 jeho jádra - protony, postupně urychleny na energii 150 keV a výše, přičemž v důsledku toho umožní další reakce, např. nB(p,2a)4He. Jádra vodíku v prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23 budou rovněž urychlena α-částicemi vzniklými v předchozích reakcích pnB.- 10 CZ 309802 B6 projectile particles 320 after interaction with projectile particle 3. Fig. 4 represents a specific embodiment provided with a laser target 5, but it is clear to a person skilled in the art that the technical function of the layer 32 is completely separable from the technical function of the laser target 5 and can thus be implemented, without any further technical difficulties, in any embodiment, e.g. according to fig. 1a to 1f and/or 2a, 2b, respectively advantageous technical effects can be combined with any of the above examples. More specifically, for example, the technical function of the layer 32 according to the embodiment in Fig. 4 can be used and implemented in the embodiment according to Fig. 2a or 3b, i.e. the cavity 12 of the nuclear target 1 can be constructed with the first part 121 and the second part 122 so that the backscattered particles 31 fell on layer 32, or provide nuclear target 1 with layer 32 laser target 5. The technical functions remain completely separable, including the benefits provided. The layer 32 is then capable of emitting additional secondary projectile particles 320 as a result of interaction with the primary projectile particle 3. This advantageous embodiment provides the possibility of a chain reaction, i.e. the release of a larger amount of projectile particles 3 into the cavity 12 than was originally deposited by the primary projectile particle bundle 3 Similarly, this advantage can be achieved by a suitable combination of precursors 23 in the cavity 12. For example, if the laser target 5 is made of HDPE (EN: High-density polyethylene), there will be protons and carbon ions 12 C among the projectile particles 3. If hydrogen is also contained in of precursor 23 together with e.g. n B, secondary reactions with projectile particles 3 of its nucleus - protons, will be gradually accelerated to an energy of 150 keV and above, thereby enabling further reactions, e.g. n B(p,2a) 4 He. The hydrogen nuclei in the precursor 21 and/or 22 and/or 23 will also be accelerated by the α-particles produced in the previous p n B reactions.
Obr. 5 představuje pás s množstvím jaderných terčíků 1 podle předkládaného vynálezu obsahující množství otvorů 11 a dutin 12. Toto provedení představuje výhodu posunu jaderného terčíku 1 ve směru 7. V případě vyčerpání jistého množství jader prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23 v oblasti první dutiny 12 dochází k posunu jaderného terčíku 1 v takovém směru 7, při kterém svazek projektilových částic 3 bude dopadat do následující dutiny 12 s nevyčerpaným prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23, v důsledku čehož umožní kontinuitu indukce jaderné reakce. Tohoto příkladu lze např. využít v případě exotermických jaderných reakcí s tepelným výměníkem 91 umístěným kolem jaderného terčíku 1. Další výhoda tohoto provedení spočívá v tom, že jaderný terčík 1 může tvořit nekonečný pás, který je ozařován jedním zdrojem projektilových částic 3, přičemž se jaderný terčík 1 posouvá ve směru 7 podle potřeby.Giant. 5 represents a belt with a number of nuclear targets 1 according to the present invention containing a number of holes 11 and cavities 12. This embodiment presents the advantage of moving the nuclear target 1 in the direction 7. In the event of exhaustion of a certain number of precursor nuclei 21 and/or 22 and/or 23 in the area of the first of the cavity 12, the nuclear target 1 is moved in such a direction 7 that the beam of projectile particles 3 will fall into the following cavity 12 with the unexhausted precursor 21 and/or 22 and/or 23, as a result of which the induction of the nuclear reaction will be allowed to continue. This example can be used, for example, in the case of exothermic nuclear reactions with a heat exchanger 91 located around the nuclear target 1. Another advantage of this design is that the nuclear target 1 can form an endless belt that is irradiated by one source of projectile particles 3, while the nuclear target 1 moves in direction 7 as needed.
Obr. 6a a 6b představují provedení jaderného terčíku 1, který je opatřen o luminofor 8 nanesený na otvoru 11. Konkrétně je vnější strana 110 otvoru 11 opatřena luminoforem 8. Lze využít běžně používané luminofory 8, např. CklGa.-íAlO^CeMg. Obr. 6 představuje situaci, kdy projektilové částice 3 jsou generovány z laserového terčíku 5 pomocí laserem řízeného urychlovače, přičemž laserový pulz 52 je fokusován na laserový terčík 5. Projektilové částice 3 jsou emitovány do dutiny 12 jaderného terčíku 1, přičemž interagují s jádry prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. V jistém provedení může být interakce mezi projektilovými částicemi 3 a jádry prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23 exotermickou jadernou reakcí. Rovněž může nastat okolnost, při které se uvolní v dutině 12 jaderného terčíku 1 příliš velké množství plynu jako sekundárního produktu interakcí, nebo v důsledku ne zcela optimálního tvaru dutiny způsobí velký zpětný tok částic proti směru pulzu 52. V důsledku toho mohou být části vnitřku dutiny 12 odtrženy a emitovány ven ve směru 81. Emise ve směru 81 nemusí nutně představovat atomární a/nebo subatomární částice, resp. zpětně rozptýlené projektilové částice 31, ale může se rovněž jednat o malé, okem pozorovatelné částečky. Luminofor 8, v případě výše uvedeného scénáře, poskytuje bezpečnostní funkci, která je schopná odhalit, zdali se část jaderného terčíku 1 odtrhla a dopadla mimo oblast dutiny 12. Rovněž je možné využít tohoto výhodného provedení v případě zacházení s nebezpečnými izotopy 4, jako jsou např. produkty jaderného štěpení. Provedení na obr. 6a znázorňuje luminofor 8, který může být též smíšen s prekurzorem 23 v dutině 12. Podobně je na obr. 6b znázorněno nanesení luminoforu 8, které může pomoci při optimalizaci intenzity a energetického spektra projektilových částic 3. Při tom dochází k záměrnému rozostření svazku laseru. Při chybném zaměření laseru se stopa pulzu 52 nemusí optimálně krýt s otvorem 11. Následné rozložení luminoforu 8 po ozáření lze využít k optimalizaci vnitřního tvaru dutiny 12 podle účelu použití, např. optimalizaci tvaru dutiny 12 podle obr. 8a až 8e. Obr. 8e představujeGiant. 6a and 6b represent an embodiment of the nuclear target 1, which is equipped with a luminophore 8 applied to the opening 11. Specifically, the outer side 110 of the opening 11 is provided with a luminophore 8. Commonly used luminophores 8 can be used, e.g. CklGa.-íAlO^CeMg. Giant. 6 represents a situation where the projectile particles 3 are generated from the laser target 5 by means of a laser-controlled accelerator, while the laser pulse 52 is focused on the laser target 5. The projectile particles 3 are emitted into the cavity 12 of the nuclear target 1, while interacting with the precursor nuclei 21 and/ or 22 and/or 23. In a certain embodiment, the interaction between projectile particles 3 and precursor nuclei 21 and/or 22 and/or 23 may be an exothermic nuclear reaction. There may also be a circumstance in which too much gas is released in the cavity 12 of the nuclear target 1 as a secondary interaction product, or due to the not entirely optimal shape of the cavity, it causes a large backflow of particles against the direction of the pulse 52. As a result, parts of the interior of the cavity may be 12 are torn off and emitted outward in the direction 81. The emission in the direction 81 does not necessarily represent atomic and/or subatomic particles, or backscattered projectile particles 31, but it can also be small, eye-observable particles. The luminophore 8, in the case of the above scenario, provides a safety function that is able to detect if a part of the nuclear target 1 has broken off and fallen outside the region of the cavity 12. It is also possible to use this advantageous embodiment in the case of handling dangerous isotopes 4, such as .products of nuclear fission. The embodiment in Fig. 6a shows the luminophore 8, which can also be mixed with the precursor 23 in the cavity 12. Similarly, Fig. 6b shows the deposition of the luminophore 8, which can help in optimizing the intensity and energy spectrum of the projectile particles 3. laser beam defocusing. If the laser is misaligned, the pulse track 52 may not optimally coincide with the opening 11. The subsequent distribution of the phosphor 8 after irradiation can be used to optimize the internal shape of the cavity 12 according to the purpose of use, e.g. optimization of the shape of the cavity 12 according to Fig. 8a to 8e. Giant. 8e presents
- 11 CZ 309802 B6 výhodné provedení tvaru dutiny 12 jaderného terčíku 1, přičemž tvar dutiny 12 je optimalizován tak, aby zpětně odražené částice se dále odrážely do dutiny 12. Jaderný terčík 1 podle obr. 8e je sestaven z několika segmentů 13, které poskytují výhodu při výrobě v podstatě libovolného tvaru dutiny 12 jaderného terčíku 1. Jednotlivé segmenty 13 jaderného terčíku 1 jsou sestavené tak, že efektivně brání rozptylu projektilových částic 3 mimo oblast dutiny 12. Tvar dutiny 12 je tak optimalizován vůči případným ztrátám výtěžnosti jaderných reakcí.- 11 CZ 309802 B6 advantageous embodiment of the shape of the cavity 12 of the nuclear target 1, whereby the shape of the cavity 12 is optimized so that the reflected particles are further reflected into the cavity 12. The nuclear target 1 according to Fig. 8e is assembled from several segments 13, which provide an advantage in the production of an essentially arbitrary shape of the cavity 12 of the nuclear target 1. The individual segments 13 of the nuclear target 1 are assembled in such a way that they effectively prevent the dispersion of projectile particles 3 outside the region of the cavity 12. The shape of the cavity 12 is thus optimized against possible losses in the yield of nuclear reactions.
Výše uvedená provedení lze kombinovat s výhodnými jadernými reakcemi zvolenými podle použití předkládaného vynálezu. V jistém provedení lze využít jaderný terčík 1 dále opatřený laserovým terčíkem 5, který se může např. sestávat z vrstvy 50 polymeru (CD2)n — polyethylenu, kde jádra vodíku jsou nahrazena jádry deuteria, např. podle Torrisi, L. and Cutroneo, M., “Triple nuclear reactions (d,n) in laser-generated plasma from deuterated targets”, Physics of Plasmas, vol. 24, no. 6. 2017. doi: 10.1063/1.4984997. Jaderný terčík 1 může být vyroben z wolframu a je vyplněný prekurzorem 21 nebo 22 a 23 6LiD a/nebo 7LiD nebo NatLiD. Svazek urychlených deuteronů, jader uhlíku a příměsi protonů, který tvoří svazek projektilových částic 3, je emitován z laserového terčíku 5 směrem k dutině 12 jaderného terčíku 1. Projektilové částice 3 se srážejí s jádry prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, který je obsažený v dutině 12 jaderného terčíku 1. Tím jsou indukovány příslušné jaderné reakce uvnitř dutiny 12 jaderného terčíku 1, které v případě reakcí D-D a Li-D (7Li(d,n)8Be) produkují neutrony. Projektilové částice 3, které se nesrazí s jádry prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, se pružně rozptylují na izotopech 4, nebo na jádrech produktů proběhlých reakcí projektilových částic 3 s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23 až do té doby, kdy dojde k příslušné jaderné reakci na prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23.The above embodiments can be combined with preferred nuclear reactions selected according to the use of the present invention. In a certain embodiment, a nuclear target 1 further equipped with a laser target 5 can be used, which can e.g. consist of a layer 50 of polymer (CD2)n — polyethylene, where the hydrogen nuclei are replaced by deuterium nuclei, e.g. according to Torrisi, L. and Cutroneo, M ., “Triple nuclear reactions (d,n) in laser-generated plasma from deuterated targets”, Physics of Plasmas, vol. 24, no. 6. 2017. doi: 10.1063/1.4984997. The nuclear target 1 may be made of tungsten and is filled with precursor 21 or 22 and 23 6 LiD and/or 7 LiD or Nat LiD. A beam of accelerated deuterons, carbon nuclei and admixture of protons, which forms a beam of projectile particles 3, is emitted from the laser target 5 towards the cavity 12 of the nuclear target 1. The projectile particles 3 collide with the nuclei of the precursor 21 and/or 22 and/or 23, which is contained in the cavity 12 of the nuclear target 1. This induces the respective nuclear reactions inside the cavity 12 of the nuclear target 1, which in the case of DD and Li-D reactions ( 7 Li(d,n) 8 Be) produce neutrons. Projectile particles 3 that do not collide with precursor nuclei 21 and/or 22 and/or 23 are elastically scattered on isotopes 4, or on the nuclei of the products of reactions of projectile particles 3 with precursor 21 and/or 22 and/or 23 until times when the respective nuclear reaction on precursor 21 and/or 22 and/or 23 occurs.
V dalším příkladu se může laserový terčík 5 sestávat z vrstvy 50 HDPE. Podle tohoto příkladu jsou generovány z laserového terčíku 5 urychlené projektilové částice 3, protony, přičemž dochází k indukované jaderné reakci s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23 ve formě např. práškového amorfního 10B a/nebo nB nebo NatB. V tomto příkladu jsou možné následující reakce: nB(p,n)nC s paralelně probíhajícími reakcemi nB(p,a)8Be a 10B(p,a)7Be. Výsledné radioizotopy lze následně odseparovat chemickými cestami, přičemž jeden z výsledných produktů, konkrétně nC, je čistě pozitronový emitor s poločasem 20 minut a lze jej použít pro diagnostiku v medicíně nebo diagnostiku defektů v materiálech. V jiném provedení může laserový terčík 5 představovat vrstvu 50 emitující projektilové částice 3, fólii z polymeru (CD2)n schopnou emitovat deuterony, přičemž jako prekurzor 21 a/nebo 22 a/nebo 23 v jaderném terčíku 1 může být použito 185Re, 187Re, nebo přírodní směs NatRe. Přírodní rhenium se sestává ze dvou izotopů, 185Re a 187Re v poměru 37,4:62,6. Podle tohoto příkladu jsou generovány z laserového terčíku 5 projektilové částice 3, deuterony, a pokud jsou deuterony obsaženy v prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23 v dutině 12 jaderného terčíku 1, dochází v indukovaných jaderných reakcích 2H(d,n)3He nebo 2H(d,n+p)2H k produkci neutronů a následně při reakcích 185Re(n,Y)186Re, 187Re(n,Y)188Re k produkci radionuklidů 186Re a 188Re s poločasy rozpadu 90 a 17 hodin, využívaných v medicíně podobně jako 99mTc.In another example, the laser target 5 may consist of a layer 50 of HDPE. According to this example, accelerated projectile particles 3, protons, are generated from the laser target 5, while an induced nuclear reaction occurs with the precursor 21 and/or 22 and/or 23 in the form of, for example, powdered amorphous 10 B and/or n B or Nat B. In this example, the following reactions are possible: n B(p,n) n C with parallel reactions n B(p,a) 8 Be and 10 B(p,a) 7 Be. The resulting radioisotopes can then be separated by chemical means, with one of the resulting products, namely n C, being a pure positron emitter with a half-life of 20 minutes, and can be used for medical diagnostics or the diagnosis of defects in materials. In another embodiment, the laser target 5 can represent a layer 50 emitting projectile particles 3, a film of polymer (CD2)n capable of emitting deuterons, while 185 Re, 187 Re can be used as a precursor 21 and/or 22 and/or 23 in the nuclear target 1 , or a natural mixture of Nat Re. Natural rhenium consists of two isotopes, 185 Re and 187 Re in the ratio 37.4:62.6. According to this example, projectile particles 3, deuterons, are generated from the laser target 5, and if the deuterons are contained in the precursor 21 and/or 22 and/or 23 in the cavity 12 of the nuclear target 1, induced nuclear reactions 2 H(d,n) occur 3 He or 2 H(d,n+p) 2 H to produce neutrons and subsequently in reactions 185 Re(n,Y) 186 Re, 187 Re(n,Y) 188 Re to produce radionuclides 186 Re and 188 Re with half-lives decay of 90 and 17 hours, used in medicine similarly to 99m Tc.
V dalším příkladu je možné využít reakce 2H(3He,p)4He, 2H(6Li,a)4He, 1H(7Li,a)4He, 'H(10B,a)7Be, 1H(11B,2a)4He, 1H(15N,a)12C nebo 1H(6Li,3He)4He s následnými sekundárními reakcemi 3He(6Li,2a)1H a 3He(3He,2p)4He pro účely indukce exotermické jaderné reakce. Další možné exotermické jaderné reakce jsou 2H(t,n)4He, 2H(n,Y)3H, 6Li(n,3He)4He, 10B(n,a)7Li, 7Be(n,p)7Li, 13C(n,Y)14C, 14N(n,p)14C, 17O(n,a)14C, 21Ne(n,a)18O, 22Na(n,p)22Ne nebo 37Ar(n,a)34S. Uvolněnou energii lze transformovat v teplo 9. Na obr. 6a, 6b a 7 jsou schematicky znázorněny příklady, při kterých se v jaderném terčíku 1 generuje teplo 9. Obr. 7 schématický znázorňuje projektilové částice 3 generované ze synchrotronu 301. S ohledem na výše uvedená výhodná provedení lze jako generátor projektilových částic 3 použít běžně používané urychlovače projektilových částic 3. Projektilová částice 3 indukuje exotermickou jadernou reakci v jaderném terčíku 1 při srážce s jádrem prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, při které se v dutině 12 jaderného terčíku 1 generuje teplo 9. Teplo 9 se následně odvádí za pomocí tepelného výměníku 91 mimo jaderný terčík 1. Teplený výměník 91 pak může být následně napojen na parogenerátorIn another example, it is possible to use the reactions 2 H( 3 He,p) 4 He, 2 H( 6 Li,a) 4 He, 1H( 7 Li,a) 4 He, 'H( 10 B,a) 7 Be, 1 H( 11 B,2a) 4 He, 1H( 15 N,a) 12 C or 1H( 6 Li, 3 He) 4 He with subsequent secondary reactions 3 He( 6 Li,2a)1H and 3 He( 3 He ,2p) 4 He for the purpose of inducing an exothermic nuclear reaction. Other possible exothermic nuclear reactions are 2 H(t,n) 4 He, 2 H(n,Y) 3 H, 6 Li(n, 3 He) 4 He, 10 B(n,a) 7 Li, 7 Be( n,p) 7 Li, 13 C(n,Y) 14 C, 14 N(n,p) 14 C, 17 O(n,a) 14 C, 21 Ne(n,a) 18 O, 22 Na( n,p) 22 Ne or 37 Ar(n,a) 34 S. The released energy can be transformed into heat 9. Fig. 6a, 6b and 7 schematically show examples in which heat 9 is generated in the nuclear target 1. Fig. . 7 schematically shows the projectile particles 3 generated from the synchrotron 301. With regard to the above-mentioned advantageous embodiments, commonly used projectile particle accelerators 3 can be used as the projectile particle generator 3. The projectile particle 3 induces an exothermic nuclear reaction in the nuclear target 1 upon collision with the precursor nucleus 21 and /or 22 and/or 23, during which heat 9 is generated in the cavity 12 of the nuclear target 1. The heat 9 is subsequently removed using the heat exchanger 91 outside the nuclear target 1. The heat exchanger 91 can then be connected to the steam generator
- 12 CZ 309802 B6 sloužící k výrobě elektrické energie. Jaderný terčík 1 může být společně s výměníkem 91 umístěn v kontejnmentu 92 podle příslušných regulí jaderné bezpečnosti.- 12 CZ 309802 B6 used to produce electricity. The nuclear target 1 can be placed together with the exchanger 91 in the containment 92 according to the relevant nuclear safety regulations.
V následujících příkladech uskutečnění poskytuje vynález způsoby indukce jaderných reakcí. V prvním kroku se poskytne svazek projektilových částic 3. Projektilové částice 3 ve výhodném provedení mají spektrum a intenzitu optimalizované vzhledem k požadovaným reakcím. Tyto projektilové částice 3 se deponují v dutině 12 jaderného terčíku 1 obsahující jádra prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23. Projektilové částice 3 buď indukují jadernou reakci, nebo se pružně rozptylují na izotopu 4 materiálu, ze kterého je jaderný terčík 1 vyroben. V jistém kroku způsobu vynálezu pak po vyhasnutí indukované reakce způsob výroby radioizotopů končí, nebo může být opakován, přičemž opakování může nastat ve stejné dutině 12 jaderného terčíku 1, nebo se jaderný terčík 1 může dále posunout a projektilové částice 3 se fokusují do nové dutiny 12 obsahující doposud nespotřebované prekurzory 21 a/nebo 22 a/nebo 23.In the following exemplary embodiments, the invention provides methods of inducing nuclear reactions. In the first step, a bundle of projectile particles 3 is provided. The projectile particles 3 in a preferred embodiment have a spectrum and intensity optimized with respect to the desired reactions. These projectile particles 3 are deposited in the cavity 12 of the nuclear target 1 containing the precursor nuclei 21 and/or 22 and/or 23. The projectile particles 3 either induce a nuclear reaction or are elastically scattered on the isotope 4 of the material from which the nuclear target 1 is made. In a certain step of the method of the invention, after the induced reaction is extinguished, the radioisotope production method ends, or it can be repeated, while the repetition can occur in the same cavity 12 of the nuclear target 1, or the nuclear target 1 can move further and the projectile particles 3 are focused into a new cavity 12 containing precursors 21 and/or 22 and/or 23 not yet consumed.
Jedním způsobem, jak detekovat počet proběhlých jaderných reakcí na prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, je měřit ionizující záření vycházející z jaderného terčíku 1. V jednom provedení lze využít jaderné reakce 10B(p,a)7Be, přičemž se detekuje gama záření z deexcitace 7Be. Monitorování gama záření pak může sloužit jako indikátor počtu indukovaných jaderných reakcí.One way to detect the number of nuclear reactions on the precursor 21 and/or 22 and/or 23 is to measure the ionizing radiation emanating from the nuclear target 1. In one embodiment, the nuclear reactions 10 B(p,a) 7 Be can be used, whereby detects gamma radiation from the deexcitation of 7 Be. Gamma radiation monitoring can then serve as an indicator of the number of induced nuclear reactions.
Urychlené projektilové částice 3 mohou být také pozitivní ionty, které mohou indukovat jadernou fúzi, nebo jaderné štěpení s jinými materiály uvnitř dutiny 12 jaderného terčíku 1.The accelerated projectile particles 3 can also be positive ions that can induce nuclear fusion or nuclear fission with other materials inside the cavity 12 of the nuclear target 1.
V jistém příkladu je možné kombinací materiálů ozařovacího jaderného terčíku 1, s výhodou generování urychlených projektilových částic 3 za pomocí laserového terče 5, indukovat mnoho jiných reakcí, než ty, které jsou uvedené výše.In a certain example, it is possible by combining the materials of the irradiating nuclear target 1, with the advantage of generating accelerated projectile particles 3 with the help of the laser target 5, to induce many other reactions than those mentioned above.
Jiné kombinace zahrnují srážky protonů, jako projektilových částic 3 s vysokou energií, s jádry 16O v prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. Srážka může vyvolat jadernou reakci 16O(p,a)13N, přičemž 13N je radioizotop s krátkým poločasem a může se dále rozpadat alfa přechodem.Other combinations include collisions of protons, as high-energy projectile particles 3, with 16 O nuclei in the precursor 21 and/or 22 and/or 23. The collision can produce the nuclear reaction 16 O(p,a) 13 N, 13 N being a radioisotope with a short half-life and can further decay through an alpha transition.
V jiném provedení dochází k srážkám protonů, jako urychlených projektilových částic 3, s jaderným terčíkem 1 obsahujícím jádra 18O v prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, přičemž dochází vyvolání jaderná fúze 18O(p,n)18F, přičemž 18F je radioizotop s poločasem rozpadu 109 minut.In another embodiment, protons, as accelerated projectile particles 3, collide with a nuclear target 1 containing 18 O nuclei in the precursor 21 and/or 22 and/or 23, inducing nuclear fusion 18 O(p,n) 18 F, whereby 18 F is a radioisotope with a half-life of 109 minutes.
V dalším příkladu dochází k srážkám protonů, jako urychlených projektilových částic 3, s jaderným terčíkem 1 obsahujícím 10B, který indukuje jadernou reakci 10B(p,a)7Be, přičemž 7Be je radioizotop s poločasem rozpadu 53 dní.In another example, protons, as accelerated projectile particles 3, collide with a nuclear target 1 containing 10 B, which induces the nuclear reaction 10 B(p,a) 7 Be, 7 Be being a radioisotope with a half-life of 53 days.
V dalším příkladu dochází k srážkám protonů, jako urychlených projektilových částic 3, s jaderným terčíkem 1 obsahujícím 15N, který indukuje jadernou reakci 15N(p,n)15O, přičemž 15O je radioizotop s krátkým poločasem rozpadu.In another example, protons, as accelerated projectile particles 3, collide with a nuclear target 1 containing 15 N, which induces the nuclear reaction 15 N(p,n) 15 O, 15 O being a radioisotope with a short half-life.
Použitím jiných projektilových částic 3, resp. použitím jiného laserového terčíku 5, je možné generovat pozitivní iontové projektilové částice 3. V jistém provedení se může jednat o deuteron o vysoké energii dopadající do dutiny 12 jaderného terčíku 1 obsahující jádra 12C prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, který může indukovat jadernou reakci 12C(d,n)13N, přičemž 13N je radioizotop s krátkým poločasem rozpadu.By using other projectile particles 3 or using another laser target 5, it is possible to generate positive ion projectile particles 3. In a certain embodiment, it can be a high-energy deuteron falling into the cavity 12 of the nuclear target 1 containing the nuclei 12 C of the precursor 21 and/or 22 and/or 23, which can induce the nuclear reaction 12 C(d,n) 13 N, 13 N being a radioisotope with a short half-life.
V jiném příkladu lze srážkou deuteronů, jako urychlených projektilových částic 3, s jádrem 14N v prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23 indukovat jadernou reakci 14N(d,n)15O, přičemž 15O je radioizotop s krátkým poločasem rozpadu.In another example, the collision of deuterons, as accelerated projectile particles 3, with the 14 N nucleus in the precursor 21 and/or 22 and/or 23 can induce the nuclear reaction 14 N(d,n) 15 O, 15 O being a radioisotope with a short half-life .
- 13 CZ 309802 B6- 13 CZ 309802 B6
V jiném příkladu lze srážkou deuteronů, jako urychlených projektilových částic 3, s jádrem 20Ne prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23 indukovat jadernou reakci 20Ne(d,α)18F, přičemž 18F je radioizotop s krátkým poločasem rozpadu.In another example, the collision of deuterons, as accelerated projectile particles 3, with the nucleus 20 of the Ne precursor 21 and/or 22 and/or 23 can induce the nuclear reaction 20 Ne(d,α) 18 F, wherein 18 F is a radioisotope with a short half-life.
V dalších příkladech lze použít neutron jako projektilovou částici 3, přičemž buď může být urychlen pomocí dvoustupňového laserového terče 5, kdy protony generované v prvním laserovém terči dopadají na druhý laserový terč zhotovený např. z LiF. Dále jako součást deuteronu, pokud se v reakcích s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23 využijí stripingové reakce, nebo je možné neutrony produkovat přímo v dutině 12, například pomocí reakcí 2H(d,n)3He, 2H(d,n+p)2H, a zejména 2H(t,n)4He.In other examples, a neutron can be used as a projectile particle 3, whereby either it can be accelerated using a two-stage laser target 5, where the protons generated in the first laser target fall on the second laser target made, for example, of LiF. Furthermore, as part of the deuteron, if stripping reactions are used in the reactions with the precursor 21 and/or 22 and/or 23, or it is possible to produce neutrons directly in the cavity 12, for example using the reactions 2 H(d,n) 3 He, 2 H( d,n+p) 2 H, and especially 2 H(t,n) 4 He.
V dalším provedení lze využít i neutrony, jako projektilové částice 3 k jadernému štěpení podle schématu pomocí reakcí 2H(d,n)3He, 2H(d,n+p)2H, a zejména 2H(t,n)4He.In another embodiment, neutrons can also be used as projectile particles 3 for nuclear fission according to the scheme using the reactions 2 H(d,n) 3 He, 2 H(d,n+p) 2 H, and especially 2 H(t,n) 4 He.
V dalším příkladu lze jaderný terčík 1 obohatit o jádra vyhořelého jaderného paliva, nebo jej z vyhořelého paliva vyrobit, přičemž v dutině 12 umístěný tritiový prekurzor 23 bombardovaný projektilovými částicemi 3 - deuterony, vytvoří puls neutronů, které štěpí jádra těžkých jader v reakcích 233U(n,fission), 235U(n,fission), 239Pu(n,fission).In another example, the nuclear target 1 can be enriched with nuclei of spent nuclear fuel, or it can be produced from spent fuel, while the tritium precursor 23 located in the cavity 12, bombarded with projectile particles 3 - deuterons, creates a pulse of neutrons that splits the nuclei of heavy nuclei in reactions 233 U( n,fission), 235 U(n,fission), 239 Pu(n,fission).
Obr. 9a schematický znázorňuje laserem řízený urychlovač emitující laserový svazek, který ozařuje laserový terčík 5 laserovými pulzy 52. Laserový terčík 5 se sestává z odvrácené vrstvy 51, která je vystavena laserovému pulzu 52, přičemž je laserový terčík 5 opatřen vrstvou 50 emitující projektilové částice 3, která generuje urychlené projektilové částice 3 směrem do dutiny 12 jaderného terčíku 1 mechanizmem TNSA. Urychlené projektilové částice 3 procházejí do dutiny 12 přes otvor 11 a užší první částí 121 dutiny 12 do širší druhé části 122 dutiny 12. V dutině 12 se projektilové částice 3 buď srážejí s jádry prekurzoru 23, nebo pružně rozptylují na izotopech 4. Užší první část 121 dutiny 12 brání zpětně rozptýleným projektilovým částicím 31 v opuštění dutiny 12. V příkladu podle obr. 9a je jaderný terčík 1 separován od laserového terčíku 5, který je součástí laserového urychlovače.Giant. 9a schematically shows a laser-controlled accelerator emitting a laser beam that irradiates a laser target 5 with laser pulses 52. The laser target 5 consists of a facing layer 51 which is exposed to a laser pulse 52, while the laser target 5 is provided with a layer 50 emitting projectile particles 3, which generates accelerated projectile particles 3 towards the cavity 12 of the nuclear target 1 by the TNSA mechanism. The accelerated projectile particles 3 pass into the cavity 12 through the opening 11 and through the narrower first part 121 of the cavity 12 into the wider second part 122 of the cavity 12. In the cavity 12, the projectile particles 3 either collide with the nuclei of the precursor 23 or elastically scatter on the isotopes 4. The narrower first part 121 of the cavity 12 prevents backscattered projectile particles 31 from leaving the cavity 12. In the example according to Fig. 9a, the nuclear target 1 is separated from the laser target 5, which is part of the laser accelerator.
V jiném příkladu uskutečnění, schematicky znázorněném podle obr. 9b, je možné předem opatřit jaderný terčík 1 o laserový terčík 5, tj. fixně upevnit k jadernému terčíku 1 tak, aby se projektilové částice 3 emitovaly z laserového terčíku 5 po zásahu laserové pulzu 52 do dutiny 12 jaderného terčíku 1. V příkladu podle obr. 9b je dále zařízení opatřeno o jaderný terčík 1 obsahující luminofor 8, který je nanesený na vnější straně 110 otvoru 11. Vrstva 50 emitující projektilové částice 3 tak nemusí být součástí laserového urychlovače a může být dodávaná společně s jaderným terčíkem 1 jako jeden produkt. Přednastavený laserový terčík 5 poskytuje výhodu v alespoň částečném odstínění elektromagnetického pulzu způsobeném vysokovýkonovým pulzním laserem. Toto uspořádání rovněž umožňuje použití tekutých prekurzorů 23.In another implementation example, shown schematically according to Fig. 9b, it is possible to equip the nuclear target 1 with a laser target 5 in advance, i.e. fix it fixedly to the nuclear target 1 so that the projectile particles 3 are emitted from the laser target 5 after the laser pulse 52 hits the cavity 12 of the nuclear target 1. In the example according to Fig. 9b, the device is also equipped with a nuclear target 1 containing a phosphor 8, which is applied on the outer side 110 of the opening 11. The layer 50 emitting projectile particles 3 does not have to be part of the laser accelerator and can be supplied together with nuclear target 1 as a single product. The preset laser target 5 provides the advantage of at least partial shielding of the electromagnetic pulse caused by the high-power pulsed laser. This arrangement also allows the use of liquid precursors 23.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Předkládaný vynález nachází uplatnění v několika průmyslových odvětvích, neboť v jisté míře představuje univerzální způsob indukce jaderných reakcí. V jisté průmyslové aplikaci je možné využít předkládaný vynález k výrobě radioizotopů, zejména radiofarmak. V další průmyslové aplikaci je možné využít předkládaný vynález pro transmutaci vyhořelého jaderného paliva tak, aby nebezpečný jaderný odpad byl přeměněn na stabilní izotopy, nebo alespoň izotopy s krátkým poločasem rozpadu. V třetí, nikoliv však poslední, průmyslové aplikaci lze předkládaný vynález využít k produkci tepla z řízené jaderné reakce.The present invention finds application in several industries, as it represents to some extent a universal method of inducing nuclear reactions. In a certain industrial application, it is possible to use the present invention for the production of radioisotopes, especially radiopharmaceuticals. In another industrial application, it is possible to use the present invention for the transmutation of spent nuclear fuel so that dangerous nuclear waste is converted into stable isotopes, or at least isotopes with a short half-life. In the third, but not the last, industrial application, the present invention can be used to produce heat from a controlled nuclear reaction.
Claims (20)
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2021-189A CZ309802B6 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | A nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and a device for the production of radioisotopes using this nuclear target |
| LU102817A LU102817B1 (en) | 2021-04-16 | 2021-06-04 | A nuclear target, method for inducing a nuclear reaction and a device suitable for carrying out the method |
| JP2023563308A JP2024518717A (en) | 2021-04-16 | 2022-04-19 | Nuclear target, method for inducing a nuclear reaction and device suitable for carrying out the method - Patents.com |
| EP22719502.1A EP4324005A1 (en) | 2021-04-16 | 2022-04-19 | A nuclear target, method for inducing a nuclear reaction and a device suitable for carrying out the method |
| KR1020237035939A KR20230172496A (en) | 2021-04-16 | 2022-04-19 | Nuclear targets, methods for inducing nuclear reactions, and devices suitable for carrying out the methods |
| PCT/CZ2022/050041 WO2022218452A1 (en) | 2021-04-16 | 2022-04-19 | A nuclear target, method for inducing a nuclear reaction and a device suitable for carrying out the method |
| US18/555,534 US20240212875A1 (en) | 2021-04-16 | 2022-04-19 | A nuclear target, method for inducing a nuclear reaction and a device suitable for carrying out the method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2021-189A CZ309802B6 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | A nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and a device for the production of radioisotopes using this nuclear target |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2021189A3 CZ2021189A3 (en) | 2022-12-14 |
| CZ309802B6 true CZ309802B6 (en) | 2023-10-25 |
Family
ID=76943063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2021-189A CZ309802B6 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | A nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and a device for the production of radioisotopes using this nuclear target |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ309802B6 (en) |
| LU (1) | LU102817B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130163708A1 (en) * | 2010-06-01 | 2013-06-27 | Bernard Lambert | Apparatus For Producing A Radioisotope Comprising Means For Maintenance And Method Of Maintenance For Said Apparatus |
| US20160172065A1 (en) * | 2013-07-22 | 2016-06-16 | Ecole Polytechnique | Creation of isotopes using laser beams |
| US20170213614A1 (en) * | 2014-07-10 | 2017-07-27 | Nanomarker Sprl | Container, method for obtaining same and target assembly for the production of radioisotopes using such a container |
| WO2018115705A1 (en) * | 2016-12-22 | 2018-06-28 | P M B | Gas targeting system for producing radioisotopes |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5870447A (en) * | 1996-12-30 | 1999-02-09 | Brookhaven Science Associates | Method and apparatus for generating low energy nuclear particles |
| DE69735898T2 (en) * | 1997-06-19 | 2007-04-19 | European Organization For Nuclear Research | Method for element transmutation by neutrons |
| CA2325362A1 (en) | 2000-11-08 | 2002-05-08 | Kirk Flippo | Method and apparatus for high-energy generation and for inducing nuclear reactions |
| US7831009B2 (en) * | 2003-09-25 | 2010-11-09 | Siemens Medical Solutions Usa, Inc. | Tantalum water target body for production of radioisotopes |
| PT104656A (en) * | 2009-07-01 | 2011-01-03 | Ray Johnson Richard | TECHNICAL-99 METHODS PRODUCTION PROCESS IN LOW ENERGY CYCLOTHES AND MOLINDEN-100 TARGET USED IN THE PROCESS |
| JP5904207B2 (en) | 2010-11-08 | 2016-04-13 | ローレンス リバモア ナショナル セキュリティー， エルエルシー | Horam |
| EP2833365B1 (en) | 2013-07-30 | 2018-03-21 | Fyzikalni Ustav Av Cr, V. V. I. | Laser fusion system and method |
-
2021
- 2021-04-16 CZ CZ2021-189A patent/CZ309802B6/en unknown
- 2021-06-04 LU LU102817A patent/LU102817B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130163708A1 (en) * | 2010-06-01 | 2013-06-27 | Bernard Lambert | Apparatus For Producing A Radioisotope Comprising Means For Maintenance And Method Of Maintenance For Said Apparatus |
| US20160172065A1 (en) * | 2013-07-22 | 2016-06-16 | Ecole Polytechnique | Creation of isotopes using laser beams |
| US20170213614A1 (en) * | 2014-07-10 | 2017-07-27 | Nanomarker Sprl | Container, method for obtaining same and target assembly for the production of radioisotopes using such a container |
| WO2018115705A1 (en) * | 2016-12-22 | 2018-06-28 | P M B | Gas targeting system for producing radioisotopes |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2021189A3 (en) | 2022-12-14 |
| LU102817B1 (en) | 2022-10-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2325362A1 (en) | Method and apparatus for high-energy generation and for inducing nuclear reactions | |
| Podgorsak | Basic radiation physics | |
| JP2002107494A (en) | Method and device for inducing nuclear reaction | |
| US20240212875A1 (en) | A nuclear target, method for inducing a nuclear reaction and a device suitable for carrying out the method | |
| CZ309802B6 (en) | A nuclear target, a method of inducing a nuclear reaction using this nuclear target and a device for the production of radioisotopes using this nuclear target | |
| Ledingham | Laser induced nuclear physics and applications | |
| Wei et al. | Proton-boron fusion yield increased by orders of magnitude with foam targets | |
| Sadighi et al. | The evaluation of transmutation of hazardous nuclear waste of 90Sr, into valuable nuclear medicine of 89Sr by ultraintense lasers | |
| CZ35440U1 (en) | Nuclear target and radioisotope production equipment containing that nuclear target | |
| CN117413322A (en) | Nuclear target, method for inducing nuclear reaction and device suitable for implementing the method | |
| US6252921B1 (en) | Nuclear isomers as neutron and energy sources | |
| Aydin et al. | Investigation of the (n, p) reaction cross-sections of some nuclei in the rare-earth elements for an incident energy range of 8–24 MeV | |
| Galy et al. | High-intensity lasers as radiation sources: An overview of laser-induced nuclear reactions and applications | |
| Diget et al. | Structure of excited states in Mg 21 studied in one-neutron knockout | |
| Zhang et al. | Developments in Neutron Sources for Boron Neutron Capture Therapy | |
| ARIOLI | Compact laser-driven neutron sources: a theoretical investigation | |
| TENTORI | Laser-driven neutron sources: a first numerical investigation | |
| Gudima et al. | Extension of the LAQGSM03. 01 Code to Describe Photo-Nuclear Reactions up to Tens of GeV | |
| Jastrzebski et al. | Investigation of the production of the auger electron emitter 135La using medical cyclotrons | |
| Zhao et al. | Proton-Boron Fusion: A Dark Horse in the Fusion Race Shows Yield Much Beyond Expectation | |
| Magill et al. | Laser transmutation of nuclear materials | |
| Kadiri | Shielding Upgrade and Beam Dump Design Analysis for a 40-MeV Electron Linear Accelerator at Idaho Accelerator Center | |
| Möller et al. | Secondary Particle Generation with Accelerators | |
| Roso | Radioisotope Production and Application | |
| Tigner | Future Prospects for Accelerator R&D |