CZ35440U1 - Jaderný terčík a zařízení pro výrobu radioizotopů obsahující tento jaderný terčík - Google Patents

Description

Jaderný terčík a zařízení pro výrobu radioizotopů obsahující tento jaderný terčík

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká jaderného terčíku.

V dalším provedení se předkládané technické řešení týká zařízení, které je schopné provádět způsoby s pomocí jaderného terčíku podle předkládaného technického řešení.

Dosavadní stav techniky

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.

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 fuze.

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.

US 20160172065 AI 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)ⁿC; 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.

Systém podle US 20160172065 AI obsahuje:

1) prostředek nastavený pro převedení terčíku do stavu plazmatu; např. laser nebo z-pinch;

2) zdroj částic nastavený tak, aby ozařoval terčík v plazmatickém stavu částicemi, které vyvolají výše uvedené jaderné reakce; a

3) regenerační prostředky izotopů nastavené tak, aby regenerovaly izotopy generované jadernými reakcemi.

Použití systému podle US 20160172065 AI je výhradně zveřejněno pro výrobu radioizotopů. Rovněž předkládané řešení je značně energeticky náročné a bezztrátová výroba energie je v kontextu současného stavu techniky nemožná.

Dalším zveřejněným řešením produkce vysoko-energetických částic pro řízené jaderné reakce za použití vysoko-intenzitního laseru je US 20020172317 AI. Zařízení obsahuje dva planámí terčíky.

-1 CZ 35440 UI

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.

Příkladem zveřejněného jaderného terčíku, zařízení a způsobu řízení fúzních jaderných reakcí je EP 2833365 AI. Terčík je planámí a obsahuje dvě vrstvy. První vrstva obsahuje vodíkem obohacený křemík tak, aby při zásahu laserového pulsu docházelo k emisi protonů do druhé vrstvy. Druhá vrstva obsahuje bor, který v jistém případě indukuje exotermickou jadernou reakci.

Rovněž existují terčíky ve tvaru kapsle, jak je např. popsáno v US 20120114088 AI, přičemž v důsledku mechanismu interakce laserového záření dochází ke kompresi obalu jaderného terčíku. Jakmile atomová jádra dosáhnou jisté vzdálenosti, dochází k jejich fůzi uvnitř daného terčíku.

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 fůzi 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 předkládané technické řešení do jisté míry řeší, spočívá ve způsobu efektivnější výroby radioizotopů, resp. efektivnějším způsobu indukce jaderné reakce.

Podstata technického řešení

První provedení předkládaného technického řešení 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.

Jaderný terčík podle tohoto technického řešení 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 výsledného 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

- 2 CZ 35440 Ul 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.

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.

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.

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.

Prekurzorem označujeme v kontextu předkládaného technického řešení 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 obsahujícího 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 svíce prekurzory se pak 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; ⁿB; přírodní směs boru; ¹³C; ¹⁴N; ¹⁵N; ¹⁶O; ¹⁸O; ²⁰Ne; radiofarmaka Mo,¹⁸⁶W, produkty štěpných reakcí, ²³³U,²³⁵U,²³⁹Pu. V jistém provedení lze celý blok materiálu jaderného terčíku z příslušného materiálu prekurzoru vyrobit.

Projektilové částice jsou částice, které ostřelují jaderný terčík. Projektilové částice mohou být např. protony, neutrony, deuterony, α-částice, lehké ioty - například ¹⁴C, ¹⁶O, středně těžké ionty (např. ²⁷A1) 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

-3CZ 35440 UI techniky, nebo mohou být emitovány přírodními radioemitory, např. AmBe anebo PuBe, anebo mohou být vyrobeny laserem řízeným urychlovačem.

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.

Indukovanou jadernou reakcí může být v kontextu předkládaného technického řešení transmutace jádra, tříštivánebo štěpná jaderná reakce, fuzní reakce, nebo reakce přes složené jádro. Příklady vhodných indukovaných jaderných reakcí se nacházejí níže.

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 obsahujícího elektricky vodivý materiál. Laserový puls emitovaný např. vysoko-výkonovým pulsním 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 pulzuje možné převzít z EP 2833365 AI.

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. Pojistě době se však díky jaderné interakci s prekurzorem objeví i produkty této reakce, které také vstoupí do probíhajících interakcí.

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 ovlivnění 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.

V souladu s konvencí IAEA budeme nadále užívat tzv. zkrácený zápis jaderných reakcí, tj. reakci projektil P + terč T —> emitovaná částice X + reziduální jádro R zapíšeme jako T(P,X)R. Izotopy 'H. ²H, ³H a ⁴He takto značíme, pokud vystupují v reakci jako terč, tj. prekurzor, nebo reziduální jádro. ²Ηά W někdy též značíme v souladu s konvencí jako D respektive T. Pokud izotopy 'H. ²H, ³H a ⁴He vystupují jako projektilová nebo emitovaná částice, budeme je značit v souladu s konvencí p, d, t respektive a. Ostatní izotopy značíme standardně ve všech rolích v reakci.

-4CZ 35440 UI

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: Ή, 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.

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 obsahují doposud nespotřebovaný prekurzor.

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 ⁿB, 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 je materiál jaderného terčíku tvořen z izotopů s delším poločasem rozpadu. Mezi takové 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, ⁿB, ¹⁵N nebo jejich směs.

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 subatomámí 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.

S pomocí terčíku podle předkládaného technického řešení lze poskytovat způsob indukce jaderné reakce. Způsob je zcela univerzální a lze jej aplikovat na řadu průmyslových problémů, které jsou uvedeny výše.

Způsob obsahuje krok poskytnutí svazku projektilových částic dopadajících na jaderný terčík z bloku materiálu obsahující prekurzory. Podstata způsobu spočívá v tom, že je svazek projektilových částic fokusován do dutiny jaderného terčíku podle tohoto technického řešení, 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.

-5CZ 35440 UI

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.

V dalším výhodném provedení způsobu s využitím jaderného terčíku podle tohoto technického řešení lze vyrábět radiofarmaka, přičemž projektilové částice a prekurzory jsou vybrány podle následujících jaderných reakcí ⁿB(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 ⁹⁸Μο(η,γ)^99πιΤο. Možné jsou také reakce ¹⁸⁵Re(n,y)¹⁸⁶Re , ¹⁸⁷Re(n,y)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.

V dalším výhodném provedení lze za pomocí způsobu transmute vat 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,y)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.

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,a)⁴He, ⁷Li(p,a)⁴He, ¹⁰B(p,a)⁷Be, ⁿB(p,2a)⁴He, ¹⁵N(p,a)¹²C, nebo ⁶Li(p,³He)⁴He s následnými sekundárními reakcemi '‘Lii'HcVaj'H a ³He(³He,2p)⁴He. Další možné reakce jsou ³H(d,n)⁴He, ²H(t,n)⁴He, ²Η(η,γ)³Η, 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. V ještě výhodnějším provedení se odvádí teplo z jaderného terčíku za pomocí tepelného výměníku.

Druhé provedení předkládaného technického řešení se týká zařízení vhodného, tj. nikoliv výlučně používaného, pro konání způsobu podle druhého provedení tohoto technického řešení, resp. výhodných provedení. Zařízení podle tohoto technického řešení je definované v nároku 12.

Zařízení obsahuje zdroj projektilových částic a jaderný terčík podle předkládaného technického řešení, přičemž zdroj projektilových částic je nastavitelný tak, aby deponoval projektilové částice do dutiny jaderného terčíku podle předkládaného technického řešení.

Ve výhodném provedení obsahuje zařízení jaderný a laserový terčík, přičemž jaderný terčík je jaderný terčík podle předkládaného technického řešení a laserový terčík je schopný emitovat projektilové částice po zásahu laserovým pulsem. Laserový terčík může být pevnolátkový, jako je např. laserový terčík zveřejněný v EP 2833365 AI, nebo se rovněž dá použít plynný ve formě plynové trysky (EN: gas jet target), přičemž se využije jevu EN: laser-wakefield acceleration.

V dalších výhodných provedeních je zařízení nastavitelné tak, aby provádělo způsoby podle předkládaného technického řešení.

Objasnění výkresů

Obr. la až If představují schématické nákresy prvního provedení jaderného terčíku podle předkládaného technického řešení v různých alternativách umístění prekurzoru v terčíku.

-6CZ 35440 UI

Obr. 2a a 2b představují schématické nákresy druhého, výhodného, provedení jaderného terčíku podle předkládaného technického řešení s první a druhou částí dutiny.

Obr. 3a, 3b a 3c představují schématické nákresy dalšího, výhodného, provedení jaderného terčíku podle předkládaného technického řešení obsahující laserový terčík, který je schopný generovat projektilové částice, přičemž obr. 3b představuje výhodnější provedení s předsazením laserového terčíku a obr. 3c představuje výhodné provedení obsahující prekurzor v kapalné nebo plynné formě, kde prekurzor je obsažený v dutině jaderného terčíku.

Obr. 4 představuje schématický nákres provedení dutiny jaderného terčíku podle tohoto technického řešení, přičemž dutina je opatřena vrstvou, která emituje sekundární projektilové částice po interakci s primární projektilovou částicí.

Obr. 5 představuje schématický nákres provedení kontinuálního pásu opatřeného jadernými terčíky podle předkládaného technického řešení.

Obr. 6a a 6b představují schématické nákresy provedení jaderného terčíku opatřeného luminoforem.

Obr. 7 představuje schématický nákres provedení jaderného terčíku v kombinaci s tepelným výměníkem.

Obr. 8a až 8e představují různá provedení geometrie dutiny jaderného terčíku podle tohoto technického řešení.

Obr. 9a a 9b představují schématické nákresy zařízení obsahující laserem řízený urychlovač generující projektilové částice obsahující jaderný terčík podle tohoto technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

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 to 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 technického řešení 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 j_, 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. Příklad chemické metody separace přeměněných radioizotopů sestává v rozpuštění jaderného terčíku 1, nebo obsahu dutiny 12 terčíku 1, v silné kyselině s následující filtrací radioizotopů a jejich vy srážením.

Jaderný terčík 1 podle předkládaného technického řešení obsahuje alespoň jedno jádro prekurzorů 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 prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23. V případě uspořádání podle obr. 1b to může být některý z izotopů prekurzorů 21 a/nebo 22 nebo prekurzor 23 sám, dokud se kinetická energie projektilové částice 3 nerovná energii některého kanálu reakce. Příkladem takových materiálů může být např. ¹⁰B jako jádro prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23. p jako

-7 CZ 35440 UI 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. la), přičemž výsledná jaderná reakce je ¹⁰B(p,a)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. la, 1b, Id, le a 1 f), a/nebo jej umístit do dutiny 12 jaderného terčíku 1 (prekurzor 23. obr. 1c, Id, lealf). Rovněž je možné kombinovat výše uvedené umístění prekurzorů 21 a/nebo 22 a 23 tak, jak je schematicky znázorněno na obr. Id až If.

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. laje 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, aleje 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. Id schematicky znázorňuje možnou kombinaci umístění dvou prekurzorů 22 a 23. Podobně je možné poskytnou provedení podle obr. le, 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. If může být stejné atomové jádro. V jiném provedení se izotopické složení prvního a druhého prekurzoru 21 a/nebo 22, a 23, podle obr. If liší. Výhodného provedení podle obr. Id až If 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 LÍD 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.

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. Id až If.

Jaderný terčík 1 může být v podstatě planámího 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. la až If 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.

Ve výhodném provedení, které je schématický 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

-8CZ 35440 UI deponuje a pružně rozptyluje na jádrech izotopů 4, resp. vyvolává jadernou reakci na konkrétním prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23. Výhoda užší 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 projektilových částic 3 byl fokusován kolmo k jadernému terčíku E 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.

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.

Objem jaderného terčíku 1, tloušťky stěn jaderného terčíku 1, velikost a tvar dutiny 12, distribuce prekurzorů 21 a/nebo 22 a/nebo 23, ajiné 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.

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.

V provedeních podle obr. 3a a 3b, lze jaderný terčík 1 dále opatřit laserovým terčíkem 5 obsahujícím 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 technického řešení. V provedení zobrazeném na obr. 3a je před otvorem 11 jaderného terčíku 1 těsně umístěn laserový terčík 5 opatřený vrstvou 50. Po zásahu laserovým pulsem 52 se emitují projektilové částice 3 přímo do dutiny 12 jaderného terčíku 1, kde indukují 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). Vjiném 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 E 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 pulsu 52 a využití laserového mechanismu urychlování EN: laser wake field acceleration. Výhodné provedení rovněž představuje odsazení laserového terčíku 5 s vrstvou 50, které poskytuje stínění mezi elektromagnetickým pulsem laserového záření a jaderným terčíkem 1, v případě, že materiál jaderného terčíku 1 je elektricky

-9CZ 35440 UI 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 ainteragovat 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, Μ. & Krasa, Josef & Kiir, Daniel. (2014). D-D nuclear fusion induced by laser-generated plasma at Ι0^Ιή 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.

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.

Obr. 3c dále schématický znázorňuje další provedení, které obsahuje jaderný terčík 1 a laserový terčík 5. Prostor mezi laserovým terčíkem 5 a jaderným terčíkem 1 je uzavřený tak, aby nedocházelo k výměně tekutin s okolním prostředím. Uzavřený prostor je následně možné naplnit kapalinou nebo plynem, obsahující nebo obsahujícím prekurzory 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 vtom, 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, Μ. & 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.

Na příkladu, zobrazeném na obr. 4, je vnitřní strana 123 dutiny 12 jaderného terčíku 1 opatřena vrstvou 32. Vrstva 32 obsahuje atomovájádra, kterájsou schopná emitovat sekundární 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. la až If 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

-10CZ 35440 UI 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: High-density 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.

Obr. 5 představuje pás s množstvím jaderných terčíků 1 podle předkládaného technického řešení 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 L Další výhoda tohoto provedení spočívá vtom, 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.

Obr. 6a a 6b představují provedení jaderného terčíku 1, který je opatřen luminoforem 8 naneseným na otvoru 11. Konkrétněji, vnější strana 110 otvoru 11. je opatřena luminoforem 8. Lze využít běžně používané luminofory 8, např. GdsGasALO^CeMg. Obr. 6 představuje situaci, kdy projektilové částice 3 jsou generovány z laserového terčíku 5 pomocí laserem řízeného urychlovače, přičemž laserový puls 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 s teplem 9 jako sekundárního produktu interakcí, nebo v důsledku ne zcela optimálního tvaru dutiny způsobí velký zpětný tok částic proti směru pulsu 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 subatomámí částice, resp. projektilové zpětně rozptýlené 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 pulsu 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 - 8e. Obr. 8e představuje výhodné provedení tvaru dutiny 12 jaderného terčíku j_, přičemž tvar dutiny 12 je optimalizován tak, aby se zpětně odražené částice 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 L 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.

Výše uvedená provedení lze kombinovat s výhodnými jadernými reakcemi zvolenými podle použití předkládaného technického řešení. 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

-11 CZ 35440 UI

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 E Projektilové částice 3 se srážejí s jádry prekurzoru 21 a/nebo 22 a/nebo 23, který je obsažený v dutině 12 jaderného terčíku E 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.

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: B(p.n)C 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, folii 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, ^Ι8Το(η.γ)^Ι88Ρο k produkci radionuklidů ¹⁸⁶Re a ¹⁸⁸Re s poločasy rozpadu 90 a 17 hodin, využívaných v medicíně podobně jako ^99mTc.

V dalším příkladu je možné využít reakce ²H(³He,p)⁴He, ²H(⁶Li,a)⁴He, ¹H(⁷Li,a)⁴He, ¹H(¹⁰B,a)⁷Be, ¹H(¹¹B,2a)⁴He, Ή^Ν,α)¹^ nebo ¹ H(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, ²Η(η,γ)³Η, 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. 6 a 7 j sou 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. Tepelný výměník 91 pak může být následně napojen na parogenerátor sloužící k výrobě elektrické energie. Jaderný terčík 1 může být společně s výměníkem 91 umístěn v kontejnmentu 92 podle příslušných regulí jaderné bezpečnosti.

V následujících příkladech uskutečnění se popisují s pomocí jaderného terčíku 1 podle tohoto technického řešení 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 tohoto technického řešení 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.

-12 CZ 35440 UI

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 L V jednom provedení lze využít jaderné reakce ¹⁰B(p,a)⁷Be, přičemž se detekuje gama záření zdeexcitace ⁷Be. Monitorování gama záření pak může sloužit jako indikátor počtu indukovaných jaderných reakcí.

Urychlené projektilové částice 3 mohou být také pozitivní ionty, které mohou indukovat jadernou fůzi, nebo jaderné štěpení s jinými materiály uvnitř dutiny 12 jaderného terčíku 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.

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.

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 fůze ¹⁸O(p, n)¹⁸F, přičemž ¹⁸F je radioizotop s poločasem rozpadu 109 minut.

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.

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.

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.

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.

V jiné 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,a)¹⁸F, přičemž ¹⁸F je radioizotop s krátkým poločasem rozpadu.

V dalších příkladech lze použít neutron jako projektilovou částici 3, přičemž může být urychlen pomocí dvoustupňového laserového terče 5, kdy protony generované v prvním laserovém terči dopadají na druhý laserový terč zhotovený např. z UiF. Dále jako součást deuteronu, pokud v reakcích s prekurzorem 21 a/nebo 22 a/nebo 23 se 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.

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.

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

-13 CZ 35440 Ul projcktilovými částicemi 3 - deuterony, vytvoří puls neutronů, které štěpí jádra těžkých jader v reakcích ²³³U(n,fission), ²³⁵U(n,fission), ²³⁹Pu(n,fission).

Obr. 9a schematický znázorňuje laserem řízený urychlovač emitující laserový svazek, který ozařuje laserový terčík 5 laserovými pulsy 52. Laserový terčík 5 se sestává z odvrácené vrstvy 51. která je vystavena laserovému pulsu 52, přičemž je laserový terčík 5 opatřen vrstvou 50, 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. užší částí 121 dutiny 12 do širší části 122 dutiny 12. V dutině 12 se projektilové částice 3 buď srážejí s jádry prekurzoru 23. nebo pružně rozptylují na izotopech 4. Užší část 121 dutiny 12 brání projektilovým zpětně rozptýleným 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.

V jiném příkladu uskutečnění, schematicky znázorněném podle obr. 9b, je možné předem doplnit 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 pulsu 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 pulsu způsobeném vysoko-výkonovým pulsním laserem. Toto uspořádání rovněž umožňuje použití tekutých prekurzorů 23.

Průmyslová využitelnost

Předkládané technické řešení nachází uplatnění v několika průmyslových odvětvích, neboť v jisté míře představuje univerzální způsob indukce jaderných reakcí. V jisté průmyslové aplikaci je možné využít předkládané technické řešení k výrobě radioizotopů, zejména radiofarmak. V další průmyslové aplikaci je možné využít předkládané technické řešení 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 předkládané technické řešení využít k produkci tepla z řízené jaderné reakce.

Claims (13)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Jaderný terčík (1), tvořící blok materiálu, přičemž jaderný terčík (1) obsahuje prekurzory (21 a/nebo 22 a/nebo 23), které jsou schopné po interakci s projektilovou částicí (3) indukovat jadernou reakci, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jeden otvor (11) pro průchod svazku projektilových částic (3); a je opatřen dutinou (12) v bloku materiálu jaderného terčíku (1) umístěnou za otvorem (11), přičemž dutina (12) je určená pro obdržení svazku projektilových částic (3) procházejících otvorem (11) a obsahuje a/nebo je tvořena a/nebo je obklopena prekurzorem (21 a/nebo 22 a/nebo 23);

   a že dále obsahuje alespoň jeden izotop (4), na kterém se projektilová částice (3) pružně rozptyluje.
2. 2. Jaderný terčík podle nároku 1, vyznačující se tím, že izotopem (4), na kterém se projektilová částice (3) pružně rozptyluje, je izotop (4), který je odlišné atomové jádro od atomového jádra prekurzoru (21 a/nebo 22 a/nebo 23), nebo izotop (4), který je stejné atomové jádro jako atomové jádro prekurzoru (21 a/nebo 22 a/nebo 23), přičemž má dopadající projektilová částice (3) kinetickou energii, která je odlišná od minimální energie pro indukci jaderné reakce.
3. 3. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že alespoň část jaderného terčíku (1) se sestává z prekurzoru (22) obklopující dutinu (12) a/nebo obsahuje prekurzor (23) v dutině (12).
4. 4. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že jaderný terčík (1) obsahuje alespoň dva stejné, nebo různé prekurzory (21 a/nebo 22 a/nebo 23) různě umístěné v jaderném terčíku (1).
5. 5. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že sestává ze dvou izotopů, přičemž prvním izotopem je prekurzor (21 a/nebo 22 a/nebo 23) a druhým izotopem je izotop (4), na kterém se projektilové částice (3) pružně rozptylují.
6. 6. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že je dále opatřen laserovým terčíkem (5) schopným emise projektilových částic (3) po interakci s laserovým zářením.
7. 7. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že vnitřní strana (123) dutiny (12) je opatřena vrstvou (32) materiálu a/nebo dutina (12) obsahuje materiál, který emituje sekundární projektilové částice (320) v případě interakce s projektilovou částicí (3) nebo jinou částicí vzniklou na základě interakce v dutině (12).
8. 8. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že je opatřen množstvím otvorů (11) a odpovídajícím množstvím dutin (12).
9. 9. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že materiál jaderného terčíku (1) obsahuje izotopy (4) vybrané ze skupiny atomových jader, u kterých práh neelastických interakcí s projektilovými částicemi (3) nebo jádry prekurzoru/ů (21 a/nebo 22

   -15 CZ 35440 UI a/nebo 23), nebo jádry produktů reakcí projektilových částic (3) s prekurzory (21 a/nebo 22 a/nebo 23) je vyšší než energie interagujících jader.
10. 10. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že otvor (11) a/nebo část dutiny (12) je opatřen/a luminoforem (8) a/nebo scintilátorem.
11. 11. Jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že sestává z množství segmentů (13) sestavených tak, že tvoří blok materiálu a tvar vytvořené dutiny (12) brání rozptylu projektilových částic (3) mimo oblast této dutiny (12).
12. 12. Zařízení pro výrobu radioizotopů, obsahující zdroj projektilových částic (3) nastavitelný tak, aby projektilové částice (3) dopadaly do dutiny (12) jaderného terčíku (1), vyznačující se tím, že jaderným terčíkem (1) je jaderný terčík (1) podle kteréhokoliv z nároků 1 až 11.
13. 13. Zařízení pro výrobu radioizotopů podle nároku 12, vyznačující se tím, že laserový terčík (5), schopný emitovat projektilové částice (3) po zásahu laserovým pulsem (52), je umístěn před otvorem (11) jaderného terčíku (1) tak, aby emitované projektilové částice (3) dopadaly do dutiny (12) jaderného terčíku (1).