DE2231156A1

DE2231156A1 - Neutronenquelle

Info

Publication number: DE2231156A1
Application number: DE2231156A
Authority: DE
Inventors: Edward Leo Albenesius; Burton Leigh Dahlen; Jun Wilbur Clanton Mosley; Paul Kent Smith
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1971-07-01
Filing date: 1972-06-26
Publication date: 1973-01-11
Also published as: US3787321A; FR2143929A1; AU4241672A; SE386208B; FR2143929B1; CA950709A; GB1341175A

Description

Anmelderini United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Neutronenquelle

Die Erfindung betrifft Neutronenquelle^ insbesondere als Neutronenquelle geeignete Stoffe, die seltene Radioisotope wie Californium-252 enthalten, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bei der spontanen Spaltung von Galifornium-252 entsteht ein erheblicher Neutronenfluss. Es ist daher als Neutronenquelle sehr geeignet, jedoch ist seine Herstellung schwierig und aufwendig, weil, ausgehend von U-238 im Kernreaktor ein wiederholter, zeitraubender Neutroneneinfang erforderlich ist.

Auch die Handhabung ist wegen der Neutronen- und Alphaemission gefährlich und schwierig. Es muss daher eingekapselt werden, wobei aber eine genaue Eindosierung von Million- oder Mikro-

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grammengen erforderlich ist und Verluste des teuren Materials vermieden werden müssen.

Bekannte Neutronenquellen enthalten meist die Salze der Radioisotope in Lösung als Ausfällung oder Oxid. Transport und Lagerung von Californium-252 sind in Form einer saueren wässerigen Lösung von Californiumnitrat, als Californiumoxalatausfällung, gegebenenfalls mit einem Metalloxalat als Träger, möglich oder auch in Form des durch Brennen eines Californiumionen enthaltenden Ionenaustauschharzes dargestellten Californiumoxids oder -oxysulfats. Da die Verluste des teuren Californium-252 ausgeschaltet werden müssen, ist die Herstellung der verkapselten Neutronenquelle sehr umständlich und aufwendig. (Vgl. die Veröffentlich.SRO-I53 des U. S. Department of Commerce, "Guide for Fabricating and Handlung 252-Cf Sources", S. 4-3-4-9, 1971).

Die Erfindung hat eine mit geringen Radioisotopverlusten und Eontaminierung herstellbare und gegebenenfalls lagerfähige Neutronenquelle sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zur Aufgabe.

Die Aufgabe wird durch den als Neutronenquelle geeigneten Stoff dadurch gelöst, dass er einen grösseren Atomanteil eines ein Gefüge bildenden Edelmetalls und einen kleineren Atomanteil in dem Gefüge gleichmässig dispergiertes Californium-252 enthält.

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Wach dem Verfahren der Erfindung wird eine Californium-252 -als solches oder in Verbindung enthaltende Lösung mit einem Edelmetallpulver gemischt, zu einem Kompaktkörper verdichtet und bis zur Bildung eines Gefüges grosser Dichte mit dispergiertem Californium-252 erhitzt.

Zur Herstellung des als Neutronenquelle geeigneten Materials wird eine Californium-252 Werte enthaltende saure, wässerige Lösung in ein Metallpulver eingemischt. Californium ist in verdünnter Salpetersäure leicht lösbar, während die meisten Edelmetalle durch diese nicht angegriffen werden. Durch einen Zusatz verdünnter Ameisensäure wird die Salpetersäure zersetzt, bevor bei der anschliessenden Verdampfung eine konzentrierte Säurelösung entsteht, so dass keine Umsetzung des Edelmetalls mit der konzentrierten Salpetersäure eintreten kann.

Edelmetallpulver wie Palladium, Platinum, Euthenium, Rhodium, Silber, Osmium, Iridium und Gold sind als Ausgangsmaterial zur Bildung eines Gefüges geeignet. Besonders günstig ist Palladium, weil es oxidationsfest ist, einen hohen Schmelzpunkt besitzt (1552°), mit Californium und anderen Elementen gut legierungsfähig, ziehbar und in konzentrierter Salpetersäure zur Rückgewinnung des Californium lösbar ist, ferner bei Neutronenaktivierung nur geringe Gammainterferenz zeigt und schliesslich billiger als viele andere Edelmetalle ist.

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Die Lösung kann dem Pulver abschnittsweise zugesetzt und jedesmal abgedampft werden, so dass ein Überzug oder Rückstand der Galifornium-252 Verte verbleibt. Pulver und Californium werden nach. Trocknung durch Rühren gemischt, so dass das beim Nassmischen häufige Verspritzen unterbleibt. Die gleichmässige Mischung aus Californium und Edelmetallpulver wird unter hinreichendem Druck kaltgepresst, so dass ein integraler Kompaktkörper der gewünschten Form erzeugt wird.

Das in dem Kompaktkörper als Cf(NO,), enthaltene Californium wird durch Erhitzen in träger oder leicht reduzierender Atmosphäre zu CfpO,, bei niedrigerer Temperatur als der der anschliessenden Sinterung zersetzt, damit die Verflüchtigung des ungebundenen Californium in Grenzen bleibt. Californiumoxid ist eine nicht flüchtige Keramik ähnliche Verbindung mit geschätztem Schmelzpunkt von 2300°. Diese beständige Form des Californium ist daher·zur Dispersion in einem gefügebildenden Material besonders geeignet, weil die Verluste des seltenen Radioisotops und Kontaminierung niedrig gehalten werden.

Der Kompaktkörper wird anschliessend bei erhöhter Temperatur in trägem Gas zu hoher Dichte gesintert. Hierbei wird das Gefüge um das gleichmässig dispergierte Californiumoxid geschlossen, wodurch Californiumverluste verhütet werden.

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Nach anderer Ausgestaltung wird der Kompaktkörper in reduzierender Atmosphäre (Wasserstoffgas) auf I3OO - 1400° erhitzt, die Califoraiumlegierung sehr hoher Dichte im Edelmetallgefüge entsteht dann durch gekoppelte Reduktion. Diese Verfahrensausgestaltung vermeidet die höhere !Temperatur anderer Reduktionsverfahren, die zu erhöhten Verlusten von CaIiforniumdämpfen führen. Zu erwarten ist eine feste Löslichkeit von Californium in Palladium und einigen anderen Edelmetallen von wenigstens 10 Atom-%. Wird die feste Lösbarkeit überschritten, so können Californium-Edelmetallverbindungen entstehen und gleichmässig im Gefüge verteilt werden. Da Californium in Legierungsform im Gefüge atomar gebunden ist, ist eine stark gebundene Verteilung gegeben, und die Gefahr der Verflüchtigung von Californium und radioaktiver Kontaminierung wird herabgemindert.

Nach Einbau der gewünschten Menge Californium in das erhitzte oder gesinterte Gefügematerial wird es verkapselt oder auf eine langgestreckte Form gebracht, z» B. durch mechanische Bearbeitung als Stange, Draht oder dergleichen beliebigen Querschnitts, Zur Vermeidung von Kontaminierung der Formvorrichtung wird das gefügebildende Material in eine das Material engumschliessende Edelmetallhülse eingeschlossen. An beiden Enden der Hülse wird ein die Längendehnung beim Strecken bzw. der Formung aufnehmender Raum gelassen. Die Formung erfolgt

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durch Extrudieren, Stauchen, Walzen, Ausziehen und dergleichen, gegebenenfalls auch in wiederholter Folge als Kombination verschiedener Bearbeitungen.

Bei erheblicher Längenstreckung und Querschnittsverringerung kann zwischen den einzelnen Bearbeitungsstufen durch Anlassen die innere Spannung abgebaut werden.

Die langgestreckte, verkapselte Neutronenquelle kann bis zum Bedarf einer Quelle bestimmter Stärke gelagert werden. Bei Eintritt des Bedarfsfalls kann dann eine der Neutronenquellenstärke entsprechende Länge abgeschnitten werden.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung ohne Be schränkung.

BEISPIEL I

Es wird aus Palladiumpulver und einer Salp%ersäurelösung von Cer und Galifornium eine gleichmässige Dispersion von etwa 1 Atom-% Californium und Ger als CfpO, und CeO₂ in Palladium hergestellt. Etwa 28 ecm von 0,1 M HNO₅ und 0,15 M HCO₂H enthaltend etwa 1 mg Galifornium und 13 mg Cer als Californiumersatz werden mit etwa 1 g Palladiumpulver der Korngrösse -525 mesh in der folgenden Weise gemischt. Etwa 2 ecm der Lösung wird über das Pulver gegossen und bei 80-90 trockenge-

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dampft. Dies wird wiederholt, la is die gesamte Flüssigkeit verbraucht ist. Die getrocknete Mischung wird mit einem Drehrührer bis zur Gleichmässigkeit gründlich durchmischt und in einer Form mit kreisförmigem Querschnitt bei 15.000 psi zu zylindrischen Kompaktkörpern mit etwa 50% der theoretischen Dichte gepresst. Der Kompaktkörper wird dann in einer 4% Hp 96% He Gasatmosphäre auf einer Keramikunterlage auf 1000° erhitzt, um das Gf(NO,,), zu CfpO, zu zersetzen. Die Temperatur wird in einer Argongasatmosphäre auf I3OO⁰ erhöht und der Kompaktkörper zur Steigerung der Dichte bis auf über 95% der theoretischen gesteigert. Anschliessend wird der Kompaktkörper in einer eng auf den Körper passenden, aber freie Endräume lassenden Palladiumhülse mit einem äusseren Durchmesser von 9,5 mm verkapselt und sodann kalt gestaucht, bis der Querschnitt um 20% verringert ist. Der verkapselte Kompaktkörper wird dann während 10 Min. in Argon bei 900° zur Spannungsentlastung angelassen. Sodann wird zur weiteren Querschnittsverringerung um 20% erneut gestaucht und nochmals angelassen. Dies wird 10-mal wiederholt, bis ein 6 inch Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,025 inch entsteht. Die Strahlungsmessung ergibt einen Einbau von mehr als 90% der ursprünglichen Californiummenge in den Draht, bei einer Konzentrationsänderung über die Drahtlänge von nicht mehr als 10%.

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BEISPIEL II

Eine Dispersion von etwa 5% Samarium als Oaliforniumersatz wird mit etwa 0,5 Nanogramm Californium-252 als Spurenanzeiger in einem Palladiumgefüge entsprechend dem Beispiel I dispergierto Nach gründlicher Durchmischung von Samarium- und Calif omiumnitrat mit Palladiumpulver der Korngrösse -100 mesh wird ein Kompaktkörper hergestellt und dieser in Argon bei etwa 1300° auf nahezu theoretische Dichte gesintert. Der Sinterling wird dann in einer Walzmühle durch wiederholten Durchgang "bei einer Querschnittsverringerung von etwa 20-40% bei jedem Durchgang zu einem Draht mit einem Durchmesser von 1,27 mm geformt, wobei wiederholt angelassen wird. Die Messung ergibt einen Einbau von °A% des ursprünglichen Californium bei einer Konzentrationsänderung über die Drahtlänge von etwa 2%. Das Samarium ist mit einer Gleichmässigkeit von etwa 8% über etwa 2 mg pro inch über die Drahtlänge verteilt. Durch Auslaugen der Gefässe und Werkzeuge mit verdünnter Salpetersäure wird nahezu 100% des ursprünglichen Californium wiedergewonnen.

Es wird angenommen, dass als Neutronenquelle geeignete Stoffe mit bis zu etwa 10 Atom-% Californium ohne Ersatzelemente hergestellt werden können. Jedoch können den Beispielen ähnliche Elemente zugesetzt werden.

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Die Erfindung ermöglicht eine genaue Dosierung zur Herstellung von Neutronenquellen genauer Grosse und Intensität. Calif orniumver lust e und Kontaminierung durch, dieses werden
weitgehendst vermieden.

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Claims

Patentansprüche

IJ Als Neutronenquelle geeigneter Stoff, dadurch gekennzeichnet, dass er einen grösseren Atomanteil eines ein Gefüge bildenden Edelmetalls und einen kleineren Atomanteil in dem Gefüge gleichmässig dispergiertes Californium-252 enthält.
2. Stoff gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall Palladium enthält.
3· Stoff gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Californium als Californiumoxid dispergiert ist.
4-. Stoff gemäss Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass das Californium und das Edelmetall eine Legierung bilden.
5. Stoff gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Californium in einer Konzentration von 10 Atom-% vorliegt.
6. Verfahren zum Herstellen des Stoffs gemäss irgend einem

der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Californium-252 als solches oder in Verbindung enthaltende Lösung mit einem Edelmetallpulver gemischt, zu einem Kompaktkörper verdichtet und bis zur Bildung eines Gefüges grosser
Dichte mit dispergiertem Californium-252 erhitzt wird.

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7. Verfahren gemäss Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung Salpetersäure und Ameisensäure enthält und der Mischung durch abschnittsweisen Zusatz und Trocknen nach jedem Zusatz bis zur Bildung eines Calif omiumruckstands auf dem Edelmetallpulverteilchen und gründliches Rühren vorgenommen wird.
8. Verfahren gemäss Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Kompaktkörper auf 800 - 1000° bis zur Bildung von Californiumoxid erhitzt und bei I3OO⁰ in träger Atmosphäre gesintert wird.
9. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompaktkörper in reduzierender Gasatmosphäre auf I3OO 1400° bis zur Bildung einer Californium-Edelmetallegierung erhitzt wird.

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