RU2276817C2 - Method for producing strontium-89 radioisotope - Google Patents

Method for producing strontium-89 radioisotope Download PDF

Info

Publication number
RU2276817C2
RU2276817C2 RU2004121205/06A RU2004121205A RU2276817C2 RU 2276817 C2 RU2276817 C2 RU 2276817C2 RU 2004121205/06 A RU2004121205/06 A RU 2004121205/06A RU 2004121205 A RU2004121205 A RU 2004121205A RU 2276817 C2 RU2276817 C2 RU 2276817C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
krypton
strontium
fuel
radioisotope
reactor
Prior art date
Application number
RU2004121205/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004121205A (en
Inventor
Леонид Иеронимович Меньшиков (RU)
Леонид Иеронимович Меньшиков
Александр Николаевич Удовенко (RU)
Александр Николаевич Удовенко
Дмитрий Юрьевич Чувилин (RU)
Дмитрий Юрьевич Чувилин
Original Assignee
Дмитрий Юрьевич Чувилин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Юрьевич Чувилин filed Critical Дмитрий Юрьевич Чувилин
Priority to RU2004121205/06A priority Critical patent/RU2276817C2/en
Publication of RU2004121205A publication Critical patent/RU2004121205A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2276817C2 publication Critical patent/RU2276817C2/en

Links

Abstract

FIELD: nuclear engineering.
SUBSTANCE: proposed method for producing strontium-89 radioisotope includes irradiation of fuel in the form of aqueous solution of uranium salts in nuclear reactor core to obtain fragments of fission of which one is krypton-89 (predecessor of strontium-89 in disintegration chain of fission fragments with atomic mass of 89). Krypton-89 is cleaned of accompanying krypton radioisotopes, including krypton-90 (predecessor of long-living radioisotope strontium-90) due to natural decay. In the process krypton-89 is cleaned by extending residence time of fission fragments in fuel up to disintegration of short-living radioisotopes, including krypton-90, therein due to raising pressure within nuclear reactor vessel and reducing specific energy intensity of fuel. Cleaned krypton-89 is conveyed for weathering till its complete decay to target radioisotope.
EFFECT: facilitated procedure, enhanced reliability of method.
1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к реакторной технологии получения радиоизотопов.The invention relates to a reactor technology for producing radioisotopes.

Настоящее изобретение может быть использовано для производства радиоизотопа стронций-89, нашедшего широкое применение в ядерной медицине при терапии онкологических заболеваний.The present invention can be used for the production of the strontium-89 radioisotope, which has found wide application in nuclear medicine in the treatment of cancer.

Уровень техникиState of the art

Более чем полувековой опыт применения радиоизотопов в ядерной медицине для диагностики и терапии позволил определить их место и основные показания, при которых использование радиофармпрепаратов (РФП) для лечения онкологических и других заболеваний является эффективным. Производство медицинских радиоизотопов превратилось в важную отрасль индустрии, на которую приходится более 50% годового производства радиоизотопов во всем мире. О масштабах использования радиоизотопов в медицине говорит, например, тот факт, что сегодня каждый четвертый пациент, обращающийся в США в поликлинику, и каждый третий, поступающий в больницу, направляется на диагностические и терапевтические процедуры с использованием радиоактивных изотопов. Общее число таких процедур составляет десятки миллионов в год.More than half a century of experience in the use of radioisotopes in nuclear medicine for diagnosis and therapy has made it possible to determine their place and main indications in which the use of radiopharmaceuticals (RFP) for the treatment of cancer and other diseases is effective. The production of medical radioisotopes has become an important industry sector, which accounts for more than 50% of the annual production of radioisotopes worldwide. The scale of the use of radioisotopes in medicine is evidenced, for example, by the fact that today, one in four patients who go to the polyclinic in the United States and one in three who go to the hospital are referred for diagnostic and therapeutic procedures using radioactive isotopes. The total number of such procedures is tens of millions per year.

Стремительное развитие радиоизотопной диагностики и терапии в мировой практике обусловлено продолжающимися разработками новых модификаций регистрирующей аппаратуры и особенно новых радиофармпрепаратов.The rapid development of radioisotope diagnostics and therapy in world practice is due to the ongoing development of new modifications of recording equipment and especially new radiopharmaceuticals.

Одним из наиболее эффективных терапевтических радиоизотопов является стронций-89. Он применяется как альтернативный метод или дополнение к наружной лучевой терапии для лечения болевого синдрома при костных метастазах.One of the most effective therapeutic radioisotopes is strontium-89. It is used as an alternative method or addition to external radiation therapy for the treatment of pain in bone metastases.

Стронций-89 имеет следующие радиационные характеристики:Strontium-89 has the following radiation characteristics:

период полураспада T1/2=50,5 сут;half-life T 1/2 = 50.5 days;

способ распада - β- (распадается в стабильный изотоп 89Y);the decay method is β - (decays into a stable isotope 89 Y);

максимальная энергия β--частиц Еβ=1463 кэВ;maximum energy of β - particles E β = 1463 keV;

энергия сопутствующего γ-излучения Еγ=909,1 кэВ;energy of concomitant γ-radiation E γ = 909.1 keV;

выход γ-квантов - 9,30·10-5 (Бк·с)-1.the output of γ-quanta is 9.30 · 10 -5 (Bq · s) -1 .

Впервые стронций-89 был применен для обезболивания еще в начале 40-х годов прошлого века [Pecher С. Biological investigations with radioactive calcium and strontium: preliminary report on the use of radioactive strontium in the treatment of metastatic bone cancer. //Univ. Calif. Publ. Pharmacol. 1942; 2, pp. 1117-1149]. Стронций, являясь биохимическим аналогом кальция, имеет тот же механизм переноса в организме человека. При внутривенном введении хлорида стронция его накопление идет преимущественно в костных метастазах, где происходят активные остеобластные процессы. В настоящее время РФП на его основе - хлорид стронция-89 используется в медицинских целях при паллиативном лечении больных, страдающих от сильных болей из-за метастазов опухолей в костную систему. К числу злокачественных новообразований, имеющих тенденцию к метастазированию в скелет, относятся: рак молочной железы, толстой кишки, легкого, щитовидной железы, почки, предстательной железы и кожи. Максимальный пробег β--частиц стронция-89 в костной ткани не превышает 7 мм и таким образом его радиационное воздействие можно локализовать в достаточно малой области скелета, снижая дозовую нагрузку на костный мозг и соседние участки мягких тканей.Strontium-89 was first used for pain relief in the early 1940s [Pecher C. Biological investigations with radioactive calcium and strontium: preliminary report on the use of radioactive strontium in the treatment of metastatic bone cancer. // Univ. Calif. Publ. Pharmacol 1942; 2, pp. 1117-1149]. Strontium, being a biochemical analogue of calcium, has the same transport mechanism in the human body. With intravenous administration of strontium chloride, its accumulation occurs mainly in bone metastases, where active osteoblastic processes occur. Currently, radiopharmaceutical based on it - strontium chloride-89 is used for medical purposes in the palliative treatment of patients suffering from severe pain due to tumor metastases in the bone system. Malignant neoplasms with a tendency to metastasize to the skeleton include: breast, colon, lung, thyroid, kidney, prostate and skin cancers. The maximum range of β - particles of strontium-89 in bone tissue does not exceed 7 mm and thus its radiation exposure can be localized in a sufficiently small region of the skeleton, reducing the dose load on the bone marrow and adjacent areas of soft tissues.

Фракция препарата, остающаяся в костях, пропорциональна объему костного метастазного поражения и составляет от 20 до 80% от введенной активности. Будучи встроенным в минеральную структуру пораженного участка, стронций-89 не метаболизирует и остается в ней около 100 дней. Нормальная же кость включает незначительную часть введенной дозы и активно теряет ее в течение первых 14 дней. Проведенные клинические испытания препарата показали, что 65÷75% пациентов сообщают о значительном уменьшении болевого эффекта, а в 20%-ax случаев речь идет о полном обезболивании. Более того, медики считают, что хлорид стронция-89 оказывает терапевтическое действие, то есть не только блокирует метастазы, но и подавляет их.The fraction of the drug remaining in the bones is proportional to the volume of bone metastatic lesion and ranges from 20 to 80% of the administered activity. Being embedded in the mineral structure of the affected area, strontium-89 does not metabolize and remains in it for about 100 days. Normal bone includes an insignificant part of the administered dose and actively loses it during the first 14 days. Clinical trials of the drug showed that 65 ÷ 75% of patients report a significant decrease in pain effect, and in 20% -ax cases we are talking about complete pain relief. Moreover, doctors believe that strontium chloride-89 has a therapeutic effect, that is, it not only blocks metastases, but also suppresses them.

Известен реакторный способ получения стронция-89, основанный на пороговой реакции захвата нейтрона с вылетом заряженной частицы 89Y(n,p)89Sr [Звонарев А.В., Матвеенко И.П., Павлович В.Б. и др. "Получение стронция-89 в быстрых реакторах" //Атомная энергия, т.82, вып.5, май 1997, стр. 396-399; Toporov Yu.G., Filiminov V.T., Kuznetsov R.A. et all. "Production of 89Sr Using (n,γ)- and (n,p)-Reactions". //Proc. Third Int. Confer. "On Isotopes Isotope Production and Applications in the 21st Century", Vancouver, Canada, September 6-10, 1999].A known reactor method for producing strontium-89, based on a threshold neutron capture reaction with the release of a charged particle 89 Y (n, p) 89 Sr [Zvonarev A.V., Matveenko I.P., Pavlovich VB and others. "Obtaining strontium-89 in fast reactors" // Atomic energy, vol. 82, issue 5, May 1997, pp. 396-399; Toporov Yu.G., Filiminov VT, Kuznetsov RA et all. "Production of 89 Sr Using (n, γ) - and (n, p) -Reactions". // Proc. Third Int. Conffer. "On Isotopes Isotope Production and Applications in the 21 st Century", Vancouver, Canada, September 6-10, 1999].

В этом способе мишень, содержащую природный моноизотоп иттрий-89, облучают в потоке нейтронов ядерного реактора с быстрым спектром нейтронов, а затем подвергают радиохимической переработке экстракционным методом. При оптимальных условиях облучения выход стронция-89 может составлять ~ 10-15 мКи на грамм иттрия. Мишень представляет собой оксид иттрия Y2О3 высокой чистоты, спрессованный и прокаленный при температуре 1600°С. Способ удобен тем, что при его реализации практически отсутствуют радиоактивные отходы, а конечный продукт не содержит вредных примесей - количество сопутствующего радиоизотопа стронций-90 менее 2·10-4 ат.%.In this method, a target containing the natural yttrium-89 monoisotope is irradiated in a neutron flux of a fast neutron nuclear reactor, and then subjected to radiochemical processing by extraction method. Under optimal irradiation conditions, the yield of strontium-89 can be ~ 10-15 mCi per gram of yttrium. The target is high purity yttrium oxide Y 2 O 3 , compressed and calcined at a temperature of 1600 ° C. The method is convenient because during its implementation there is practically no radioactive waste, and the final product does not contain harmful impurities - the amount of the accompanying radioisotope of strontium-90 is less than 2 · 10 -4 at.%.

Однако этот способ имеет крайне низкую производительность из-за малого сечения (n,р)-реакции на 89Y, значение которого для нейтронов спектра деления не превышает величины 0.3·10-27 см2, а его осуществление возможно только в реакторах с быстрым спектром нейтронов, число которых очень незначительно. Кроме того, для облучения необходимо использовать иттрий, прошедший глубокую очистку от примесного урана (содержание урана в таблетках Y2O3 не должно превышать 10-5% по массе).However, this method has an extremely low productivity due to the small cross section of the (n, p) reaction at 89 Y, the value of which for the neutrons of the fission spectrum does not exceed 0.3 · 10 -27 cm 2 , and its implementation is possible only in reactors with a fast spectrum neutrons, the number of which is very small. In addition, for irradiation, it is necessary to use yttrium, which has undergone deep purification from impurity uranium (the uranium content in Y 2 O 3 tablets should not exceed 10 -5 % by weight).

За прототип выбран способ получения радиоизотопа стронций-89 в растворном реакторе [Патент РФ №2155399, МПК G 21 G 1/08, БИ №24, 2000 г.]. В этом способе топливо в виде водного раствора уранил-сульфата UO2SO4, облучают в нейтронном потоке ядерного реактора. В результате деления урана образуются осколки, один из которых - криптон-89, являющийся предшественником стронция-89 в цепочке распада осколков деления с атомной массой 89, удаляют из активной зоны реактора потоком радиолитического газа - водорода и кислорода, образующегося в топливном растворе вследствие радиолиза воды под действием осколков деления. Вышедшие из топлива газообразные осколки транспортируют в систему предварительной выдержки, где криптон-89 удерживают в течение времени, достаточного для естественного распада сопутствующих ему короткоживущих радиоизотопов криптона, а затем криптон-89 направляют в систему улавливания, где его выдерживают до полного распада в целевой радиоизотоп стронций-89.For the prototype, a method was selected for producing the strontium-89 radioisotope in a solution reactor [RF Patent No. 2155399, IPC G 21 G 1/08, BI No. 24, 2000]. In this method, fuel in the form of an aqueous solution of uranyl sulfate UO 2 SO 4 is irradiated in a neutron flux of a nuclear reactor. As a result of uranium fission, fragments are formed, one of which is krypton-89, which is the precursor of strontium-89 in the decay chain of fission fragments with an atomic mass of 89, and is removed from the reactor core by a stream of radiolytic gas - hydrogen and oxygen generated in the fuel solution due to water radiolysis under the influence of fission fragments. The gaseous fragments that have escaped from the fuel are transported to a pre-exposure system, where krypton-89 is held for enough time for the natural decay of the short-lived krypton radioisotopes accompanying it, and then krypton-89 is sent to a capture system, where it is kept until the decay into the target strontium radioisotope -89.

В качестве делящегося материала в топливном растворе может быть использован уран-233, и/или уран-235, и/или плутоний-239.Uranium-233, and / or uranium-235, and / or plutonium-239 can be used as fissile material in the fuel solution.

В указанном способе производства радиоизотопа стронций-89 используется возможность в процессе нейтронного облучения растворного ядерного топлива воздействовать не только на целевой радиоизотоп, но и на его генетические предшественники, образующиеся в результате ядерных превращений осколков в цепочке распада элементов с массовым числом 89 89Se→89Br→89Kr→89Rb→89Sr. Как видно из этой схемы, одним из элементов цепочки распада является 89Kr - радиоактивный изотоп инертного газа криптона. В результате так называемого «радиолитического кипения» топливного раствора под действием осколков деления криптон-89, не вступая в химическое взаимодействие с топливом, покидает раствор, накапливаясь в свободном пространстве над зеркалом жидкости. Транспортировка осколочного криптона в специальные емкости, изолированные от нейтронного облучения, и выдержка, организованная в два этапа, обеспечивают не только полный распад криптона-89 в целевой радиоизотоп стронций-89, но и его очистку от сопутствующих радиоизотопов криптона, в том числе и от криптона-90, дающего при распаде наиболее регламентируемый примесный радиоизотоп стронций-90. Существенное отличие периодов полураспада радиоизотопов криптон-89 и криптон-90, составляющих соответственно 190,7 и 32,2 сек, позволяет за счет выдержки газовой фазы, удаленной из топливного раствора, снизить содержание примеси стронция-90 в целевом радиоизотопе до уровня ~ 10-4 ат.% и таким образом обеспечить высокую радиоизотопную чистоту стронция-89.In this method for the production of the strontium-89 radioisotope, the possibility is used in the process of neutron irradiation of solution nuclear fuel to influence not only the target radioisotope, but also its genetic predecessors, resulting from nuclear transformations of fragments in the decay chain of elements with a mass number of 89 89 Se → 89 Br → 89 Kr → 89 Rb → 89 Sr. As can be seen from this scheme, one of the elements of the decay chain is 89 Kr, the radioactive isotope of the inert gas of krypton. As a result of the so-called “radiolytic boiling” of the fuel solution under the influence of fission fragments, krypton-89, without entering into chemical interaction with the fuel, leaves the solution, accumulating in free space above the liquid mirror. The transportation of fragmentation krypton to special containers isolated from neutron irradiation, and the shutter organized in two stages, provide not only the complete decay of krypton-89 into the target radioisotope of strontium-89, but also its purification from the accompanying radioisotopes of krypton, including krypton -90, giving the decay of the most regulated impurity radioisotope strontium-90. A significant difference in the half-lives of the krypton-89 and krypton-90 radioisotopes, amounting to 190.7 and 32.2 sec, respectively, allows, by holding the gas phase removed from the fuel solution, the content of strontium-90 impurity in the target radioisotope can be reduced to ~ 10 - 4 at.% And thus ensure high radioisotope purity of strontium-89.

Большая производительность рассматриваемого способа получения радиоизотопа стронций-89 обусловлена высоким сечением реакции деления (n,f) на таких ядрах, как 235U, 233U или 239Pu, достигающим величины 600-800·10-24 см2 для тепловых нейтронов, и выходом осколка криптон-89 - около 4-5% в акте деления.The high productivity of the considered method for producing the strontium-89 radioisotope is due to the high cross section of the fission reaction (n, f) on such nuclei as 235 U, 233 U or 239 Pu, reaching 600-800 · 10 -24 cm 2 for thermal neutrons, and the yield Krypton-89 fragment - about 4-5% in the act of division.

Возможность использования в ядерных реакторах гомогенного жидкого топлива была продемонстрирована еще в 50-60-х годах прошлого века. По публикациям тех лет известно, что в мире действовало более 20 исследовательских реакторов с топливом на основе водных растворов солей урана. К ним относятся реакторы HRE-1, HRE-2, LOPO, HYPO, SUPO и др. [Тищенко В.А., Смирнов Ю.В., Раевский И.И. Исследовательские реакторы США: обзорная информация АИНФ, 588, М., ЦнииАтоминформ, 1984]. Все эти реакторы в качестве топлива используют водный раствор уранил-сульфата UO2SO4 с различным обогащением по изотопу 235U, отражателем служит графит, замедлителем и теплоносителем - вода.The possibility of using homogeneous liquid fuels in nuclear reactors was demonstrated back in the 1950s and 1960s. According to publications of those years, it is known that more than 20 research reactors with fuel based on aqueous solutions of uranium salts operated in the world. These include the reactors HRE-1, HRE-2, LOPO, HYPO, SUPO, etc. [Tishchenko VA, Smirnov Yu.V., Raevsky II US Research Reactors: AINF Review, 588, M., ZniAtominform, 1984]. All these reactors use an aqueous solution of uranyl sulfate UO 2 SO 4 with various enrichment in the 235 U isotope as fuel, graphite is a reflector, water is a moderator and a coolant.

Реакторы с гомогенным растворным топливом имеют ряд преимуществ по сравнению с реакторами на твердом топливе. Они обладают отрицательным температурным и мощностным эффектами реактивности, что обеспечивает их высокую ядерную безопасность. Значительно упрощается конструкция активной зоны: отсутствуют оболочки ТВЭЛов, дистанционирующие и другие детали, ухудшающие нейтронные характеристики реактора. Процедура приготовления раствора существенно дешевле изготовления ТВЭ Лов. Загрузка (заливка) растворного топлива также намного проще, что позволяет при необходимости изменять концентрацию делящегося материала в топливе или объем раствора. В активной зоне растворного реактора благодаря хорошим условиям переноса тепла невозможно образование локальных перегревов, вызываемых перекосом полей энерговыделения. Эти реакторы просты и надежны в эксплуатации, не требуют для обслуживания многочисленного персонала.Homogeneous liquid fuel reactors have several advantages over solid fuel reactors. They have negative temperature and power effects of reactivity, which ensures their high nuclear safety. The design of the core is greatly simplified: there are no claddings of fuel elements, spacers and other parts that degrade the neutron characteristics of the reactor. The solution preparation procedure is significantly cheaper than the manufacture of TVE Fishing. Loading (pouring) mortar fuel is also much simpler, which allows you to change the concentration of fissile material in the fuel or the volume of the solution if necessary. In the active zone of the solution reactor, due to the good heat transfer conditions, it is impossible to form local overheating caused by the distortion of the energy release fields. These reactors are simple and reliable in operation, do not require numerous personnel for maintenance.

Сегодня в России действуют несколько реакторов с растворным топливом - ИИН, ВИР, ИГРИК, "Аргус". Наиболее мощный среди них - исследовательский растворный реактор "Аргус", работающий в стационарном режиме на мощности 20 кВт. Реактор разработан в Российском научном центре "Курчатовский институт" и пущен в эксплуатацию в 1981 г. [Афанасьев Н.М., Беневоленский A.M., Венцель О.В. и др. Реактор "Аргус" для лабораторий ядерно-физических методов анализа и контроля. // Атомная энергия, т.61, вып.1, июль 1986, стр. 7-9].Today in Russia there are several reactors with liquid fuel - IIN, VIR, IGRIC, Argus. The most powerful among them is the Argus research mortar reactor, which operates in a stationary mode at a power of 20 kW. The reactor was developed at the Russian Research Center Kurchatov Institute and put into operation in 1981 [Afanasyev N.M., Benevolensky A.M., Wenzel O.V. and others. Argus reactor for laboratories of nuclear physical methods of analysis and control. // Atomic energy, t.61, issue 1, July 1986, pp. 7-9].

Однако сложная многоступенчатая технология получения стронция-89 по способу, выбранному за прототип, необходимость использования высокоэффективной системы фильтрации для улавливания летучих и аэрозольных примесей, нуждающейся в периодической регенерации, являются главными сдерживающими факторами при расширенном производстве радиоизотопа стронций-89 указанным способом.However, the complex multistage technology for producing strontium-89 according to the method chosen for the prototype, the need to use a highly efficient filtration system to capture volatile and aerosol impurities that need periodic regeneration, are the main constraints in the expanded production of the strontium-89 radioisotope in this way.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение способа получения радиоизотопа стронций-89 на стадии облучения топлива в активной зоне растворного ядерного реактора и его последующей очистки от примесей сопутствующих радиоизотопов, в том числе и от криптона-90, дающего при распаде наиболее жестко регламентируемый примесный радиоизотоп стронций-90.The problem to which the invention is directed, is to simplify the method of producing the strontium-89 radioisotope at the stage of fuel irradiation in the active zone of a solution nuclear reactor and its subsequent purification from the impurities of the accompanying radioisotopes, including krypton-90, which gives the most stringent decay regulated strontium-90 impurity radioisotope.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения радиоизотопа стронций-89, включающем облучение активной зоны ядерного реактора с топливом в виде водного раствора солей урана с получением осколков деления, один из которых - криптон-89, являющийся предшественником стронция-89 в цепочке распада осколков деления с атомной массой 89, и очистку криптона-89 за счет естественного распада от сопутствующих ему радиоизотопов криптона, в том числе криптона-90, предшественника долгоживущего радиоизотопа стронция-90, отличающийся тем, что очистку криптона-89 осуществляют путем увеличения времени нахождения осколков деления в топливе до распада в нем короткоживущих радиоизотопов, в том числе криптона-90, за счет повышения давления в корпусе ядерного реактора и снижения удельной энергонапряженности топлива, а очищенный криптон-89 направляют на выдержку до его полного распада в целевой радиоизотп.The problem is solved in that in the method for producing a radioisotope of strontium-89, which includes irradiating the core of a nuclear reactor with fuel in the form of an aqueous solution of uranium salts to produce fission fragments, one of which is krypton-89, which is the precursor of strontium-89 in the fragment decay chain fission with an atomic mass of 89, and the purification of krypton-89 due to the natural decay of the accompanying radioisotopes of krypton, including krypton-90, the precursor of the long-lived radioisotope strontium-90, characterized in that the purification of cr pton-89 is carried out by increasing the time spent by fission fragments in the fuel before decaying short-lived radioisotopes in it, including krypton-90, by increasing the pressure in the body of the nuclear reactor and reducing the specific energy density of the fuel, and the purified krypton-89 is sent for exposure to it complete decay in the target radioisotope.

Существенное отличие периодов полураспада радиоизотопов криптон-89 и криптон-90, составляющих соответственно 190,7 и 32,2 сек, позволяет за счет увеличения времени выхода осколочных газов из топливного раствора до ≈ 400 секунд снизить содержание примеси стронция-90 в целевом радиоизотопе до уровня ~10-4 ат.% и таким образом обеспечить высокую радиоизотопную чистоту целевого продукта - стронция-89 медицинского назначения.A significant difference in the half-lives of the krypton-89 and krypton-90 radioisotopes, which are 190.7 and 32.2 sec, respectively, allows reducing the content of strontium-90 impurity in the target radioisotope to the level by up to ≈ 400 seconds ~ 10 -4 at.% And thus ensure high radioisotope purity of the target product - strontium-89 for medical purposes.

Из опыта работы растворных реакторов известно, что радиоактивные благородные газы не образуют в растворном топливе устойчивых химических соединений и большей частью выходят из раствора, оставаясь в газовой фазе над поверхностью жидкости [Лобода С.В., Петрунин Н.В., Чарнко В.Е., Хвостионов В.Е. Вынос продуктов деления из топлива растворного реактора //Атомная энергия, т.67, вып.6, декабрь 1989, стр. 432-433]. Механизм выноса благородных газов осколочного происхождения из топливного раствора связан с «радиолитическим кипением» в растворных реакторных системах, которое предполагает образование зародышей газовых пузырьков на треках осколков деления. Согласно этой модели, подтвержденной экспериментально, вначале на треках осколков деления зарождаются паровые пузырьки, которые, остывая и сжимаясь, переходят в газовые, содержащие продукты радиолитического разложения воды - водород и кислород. Атомы радиоактивных газов - продуктов деления урана, диффундируя в газовые пузырьки, выносятся из топливного раствора. При нормальном атмосферном давлении время выхода пузырьков радиолитического газа составляет всего несколько секунд [Атомная энергия, т.67, вып.6, декабрь 1989, стр. 432-433], что обеспечивает возможность выноса и относительно короткоживущих радиоизотопов, в том числе и таких, как криптон-89. Оказавшись в газовой оболочке криптон-89 "всплывает" к границе раздела «жидкость-газ» и переходит в свободный объем над поверхностью растворного топлива.It is known from the experience of solution reactors that radioactive noble gases do not form stable chemical compounds in solution fuel and for the most part leave the solution, remaining in the gas phase above the liquid surface [Loboda S.V., Petrunin N.V., Charnko V.E. ., Khvostionov V.E. Removal of fission products from the fuel of a solution reactor // Atomic Energy, vol. 67, issue 6, December 1989, pp. 432-433]. The mechanism for the removal of noble gases of fragmentation origin from the fuel solution is associated with “radiolytic boiling” in solution reactor systems, which involves the formation of gas bubble nuclei on the tracks of fission fragments. According to this model, which was confirmed experimentally, first vapor bubbles form on the tracks of fission fragments, which, cooling and contracting, pass into gas bubbles containing the products of radiolytic decomposition of water - hydrogen and oxygen. Atoms of radioactive gases - uranium fission products, diffusing into gas bubbles, are carried out from the fuel solution. At normal atmospheric pressure, the release time of radiolytic gas bubbles is only a few seconds [Atomic energy, vol. 67, issue 6, December 1989, pp. 432-433], which allows the removal of relatively short-lived radioisotopes, including those like krypton 89. Once in the gas shell, krypton-89 “pops up” to the “liquid-gas” interface and passes into the free volume above the surface of the liquid fuel.

Длина торможения осколков деления в воде L составляет ≈ 0,002 см [Физические величины: Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. //Москва, Энергоатомиздат, 1991]. Здесь и далее считается, что характеристики воды и топливного раствора не различаются. Энергия осколков (Еf≈170 МэВ) за время ~10-10 с переходит во внутреннюю энергию парового пузырька, который в начальный момент представляет собой цилиндрический трек длиной 2L=0,004 см и радиусом 3·10-5 см [Колесов В.Ф. Апериодические импульсные реакторы, г. Саров, РФЯЦ ВНИИЭФ, 1999]. Внутри пузырька находится Nм молекул водяного пара (Н2О) при температуре 100°С и давлении Р=Р0.The drag length of fission fragments in water L is ≈ 0.002 cm [Physical quantities: Reference. Ed. Grigoryeva I.S., Meilikhova E.Z. // Moscow, Energoatomizdat, 1991]. Hereinafter, it is considered that the characteristics of water and fuel solution do not differ. The energy of the fragments (Е f ≈170 MeV) for a time of ~ 10 -10 s passes into the internal energy of the vapor bubble, which at the initial moment is a cylindrical track 2L = 0.004 cm long and a radius of 3 · 10 -5 cm [V. Kolesov. Aperiodic pulse reactors, Sarov, RFNC VNIIEF, 1999]. Inside the bubble is N m molecules of water vapor (H 2 O) at a temperature of 100 ° C and a pressure of P = P 0 .

NM~Ef/q~108, (2)N M ~ E f / q ~ 10 8 , (2)

где q=500 кал/г - теплота испарения.where q = 500 cal / g is the heat of vaporization.

Кроме того, в пузырьке находятся молекулы радиолитического газа, образующиеся в результате ионизации или возбуждения молекул воды. Состав радиолитического газа в основном определяется молекулами водорода Н2 [Пикаев А.К. Современная радиационная химия, т.1-3, Москва, Наука, 1985, 1986, 1987]. Наряду с водородом будет образовываться Н2О2 и кислорода.In addition, in the bubble are the radiolytic gas molecules formed as a result of ionization or excitation of water molecules. The composition of the radiolytic gas is mainly determined by hydrogen molecules H 2 [Pikaev AK Modern radiation chemistry, t.1-3, Moscow, Science, 1985, 1986, 1987]. Along with hydrogen, H 2 O 2 and oxygen will be formed.

Скорость образования водорода, моль/(л·с), может быть выражена уравнением [Бяков В.М., Ничипоров Ф.Г. Радиолиз воды в ядерных реакторах. М., Энергоатомиздат, 1990]:The rate of hydrogen production, mol / (l · s), can be expressed by the equation [Byakov V.M., Nichiporov F.G. Radiolysis of water in nuclear reactors. M., Energoatomizdat, 1990]:

Figure 00000002
Figure 00000002

где GH2 - выход водорода; Q - мощность реактора, кВт/л. Индексы f, p и e относятся соответственно к осколкам деления, протонам, возникающим при рассеянии нейтронов, и электронам, образующимся при поглощении γ-излучения и распаде продуктов деления. В гомогенном реакторе, по крайней мере, около 96% всего водорода, образующегося в растворе, получается за счет энергии осколков деления, 2% - за счет энергии быстрых нейтронов и 2% - за счет энергии γ-излучения. Поэтому двумя последними членами в уравнении (1) можно пренебречь.where G H2 is the yield of hydrogen; Q - reactor power, kW / l. The indices f, p, and e refer, respectively, to fission fragments, protons arising from neutron scattering, and electrons formed upon absorption of γ radiation and decay of fission products. In a homogeneous reactor, at least about 96% of all the hydrogen generated in the solution is obtained from the energy of fission fragments, 2% from the energy of fast neutrons, and 2% from the energy of γ radiation. Therefore, the last two terms in equation (1) can be neglected.

Число молекул радиолитического газа в одном пузырьке достигает NРГ~5·105. Отсюда следует, что удельный выход радиолитического газа составляетThe number of radiolytic gas molecules in one bubble reaches N RG ~ 5 · 10 5 . It follows that the specific yield of radiolytic gas is

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
,
Figure 00000005
=W/W0, W - удельное тепловыделение в активной зоне растворного реактора, W0=1 кВт/л,
Figure 00000006
Свойства воды практически не меняются с ростом давления, поэтому масса радиолитического газа, образующегося в единицу времени, постоянна, следовательно, объем радиолитического газа обратно пропорционален Р, что и отражено в (3).Where
Figure 00000004
,
Figure 00000005
= W / W 0 , W - specific heat in the active zone of the solution reactor, W 0 = 1 kW / l,
Figure 00000006
The properties of water practically do not change with increasing pressure, therefore, the mass of the radiolytic gas generated per unit time is constant, therefore, the volume of the radiolytic gas is inversely proportional to P, which is reflected in (3).

Молекулы воды, ударяющиеся о стенку пузырька в топливном растворе, поглощаются с вероятностью ~1 [Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975], а сам паровой пузырек исчезает за время ~10-7 с. Из опытов известно, что на его месте остается в среднем ~1,5 начальных пузырьков радиусом R0=1,5·10-5 см, наполненных радиолитическим газом [Колесов В.Ф. Апериодические импульсные реакторы, г. Саров, РФЯЦ ВНИИЭФ, 1999].Water molecules hitting the wall of the bubble in the fuel solution are absorbed with a probability of ~ 1 [Y.I. Frenkel Kinetic theory of liquids. Leningrad, Nauka, 1975], and the vapor bubble itself disappears in a time of ~ 10 -7 s. From experiments it is known that in its place on average ~ 1.5 initial bubbles remain with a radius of R 0 = 1.5 · 10 -5 cm, filled with radiolytic gas [Kolesov V.F. Aperiodic pulse reactors, Sarov, RFNC VNIIEF, 1999].

Радиус начального пузырька меняется по закону [Зельдович Я.Б. //ЖЭТФ 12 (1942), стр. 525]:The radius of the initial bubble changes according to the law [Zeldovich Ya.B. // JETP 12 (1942), p. 525]:

Figure 00000007
Figure 00000007

Первое слагаемое описывает диффузию радиолитического газа из пузырька. Здесь D~10-5 см/с - коэффициент диффузии радиолитического газа в воде, С - концентрация радиолитического газа, RС - радиус критического пузырька.The first term describes the diffusion of a radiolytic gas from a bubble. Here D ~ 10 -5 cm / s is the diffusion coefficient of the radiolytic gas in water, C is the concentration of the radiolytic gas, R C is the radius of the critical bubble.

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
=0,035, что соответствует насыщенному раствору радиолитического газа в воде [Киреев В.А. Курс физической химии. Москва. Госхимиздат, 1955]. Радиус критического пузырька определяется выражениемWhere
Figure 00000009
= 0.035, which corresponds to a saturated solution of radiolytic gas in water [V. Kireev Course of physical chemistry. Moscow. Goskhimizdat, 1955]. The radius of the critical bubble is determined by the expression

Figure 00000010
Figure 00000010

где α=70 дн/см - коэффициент поверхностного натяжения воды, Х=ΔС/

Figure 00000009
- степень пересыщения раствора. Здесь и далее концентрация С определена как отношение объема радиолитического газа, получающегося при полном выделении его из жидкости при данном давлении Р, к объему жидкости. При таком определении согласно закону Генри величина
Figure 00000009
слабо зависит от давления.where α = 70 days / cm is the coefficient of surface tension of water, X = ΔС /
Figure 00000009
- the degree of supersaturation of the solution. Hereinafter, the concentration C is defined as the ratio of the volume of the radiolytic gas obtained when it is completely released from the liquid at a given pressure P, to the volume of the liquid. With this definition, according to Henry's law, the quantity
Figure 00000009
weakly dependent on pressure.

Второе слагаемое в (4) описывает коагуляцию (слияние) пузырьков в процессе их всплытия под действием выталкивающей силы. Здесь а~0,5; g=980 см/с2; ν=η/ρ=0,01 см2/c - кинематическая вязкость воды, η - обычная вязкость воды, ρ - плотность. При Х~1 имеемThe second term in (4) describes the coagulation (fusion) of bubbles during their ascent under the action of a buoyancy force. Here a ~ 0.5; g = 980 cm / s 2 ; ν = η / ρ = 0.01 cm 2 / s is the kinematic viscosity of water, η is the usual viscosity of water, ρ is density. For X ~ 1 we have

RC~2·10-4/

Figure 00000011
R C ~ 2 · 10 -4 /
Figure 00000011

Поэтому при R~R0, когда последним слагаемым в (4) (коагуляцией) можно пренебречь, из формулы (4) получаем, что начальный пузырек исчезает за время 2·10-5 с. Этот вывод остается справедливым и при учете присущих диффузии флуктуаций, вызывающих отклонения от средних значений R, описываемых уравнением (4). Согласно [Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975] при R0<RС вероятность выживания начального пузырька исчезающе мала, а при R0>RС она близка к единице, возрастая от нуля до единицы в узком интервале изменения R0:Therefore, for R ~ R 0 , when the last term in (4) (coagulation) can be neglected, from formula (4) we find that the initial bubble disappears in a time of 2 × 10 -5 s. This conclusion remains valid even taking into account fluctuations inherent in diffusion, causing deviations from the average values of R described by equation (4). According to [Frenkel Ya.I. Kinetic theory of liquids. Leningrad, Nauka, 1975] at R 0 <R С the probability of survival of the initial bubble is vanishingly small, and at R 0 > R С it is close to unity, increasing from zero to unity in a narrow range of R 0 :

Figure 00000012
Figure 00000012

Вследствие (5), (6) начальные пузырьки с неизбежностью рассасываются и поэтому спонтанное образование устойчивых зародышей в обычных условиях эксплуатации растворного реактора, например реактора "Аргус" (Р~1 ата, Х~1, Т<100°С), исключено.Due to (5), (6), the initial bubbles inevitably dissolve, and therefore the spontaneous formation of stable nuclei under normal operating conditions of a solution reactor, for example, an Argus reactor (P ~ 1 ata, X ~ 1, T <100 ° C), is excluded.

В этих условиях пузырьки радиолитического газа образуются по механизму гетерогенной нуклеации [Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. Москва, Наука, 1986], то есть на мельчайших (R~RС) твердых взвешенных частичках, неизбежно присутствующих в топливном растворе, на которых происходит безбарьерная нуклеация радиолитического газа вследствие адсорбции радиолитического газа и последующего образования пленки на поверхностях частиц.Under these conditions, radiolytic gas bubbles are formed by the mechanism of heterogeneous nucleation [Volmer M. Kinetics of the formation of a new phase. Moscow, Nauka, 1986], that is, on the smallest (R ~ R C ) solid suspended particles that are inevitably present in the fuel solution, on which the barrier-free nucleation of the radiolytic gas occurs due to the adsorption of the radiolytic gas and subsequent film formation on the surfaces of the particles.

При стационарном режиме работы реактора уравнение баланса радиолитического газа имеет видIn a stationary reactor operating mode, the radiolytic gas balance equation has the form

Figure 00000013
Figure 00000013

откуда из (1), (3) получаем соотношение для te - времени выхода радиолитического газа из жидкостиwhence from (1), (3) we obtain the relation for t e - time of radiolytic gas exit from the liquid

Figure 00000014
Figure 00000014

Гетерогенная нуклеация - быстрый процесс, поэтому пересыщение невелико (X=0,1÷0,5), следовательно,Heterogeneous nucleation is a fast process, therefore, the supersaturation is small (X = 0.1 ÷ 0.5), therefore,

te~10·Q, c

Figure 00000015
t e ~ 10 Q, s
Figure 00000015

Отсюда видно, в частности, что при Р=1 атм, W=1 кВт/л время удержания РГ в жидкости составляет ~10 с, а при Р=3 атм и W=0,3 кВт/л оно достигает уже ~100 с. В последнем случае величина te оптимальна для наработки изотопа 89Kr с малым содержанием 90Kr.This shows, in particular, that at P = 1 atm, W = 1 kW / l, the retention time of the RG in the liquid is ~ 10 s, and at P = 3 atm and W = 0.3 kW / l it already reaches ~ 100 s . In the latter case, the value of t e is optimal for the production of the 89 Kr isotope with a low content of 90 Kr.

Физическая причина увеличения te с ростом Q состоит в следующем. При гетерогенной нуклеации отсутствует чрезвычайно медленная стадия роста подкритических пузырьков (R<RC), которая имеется при гомогенной флуктуационной нуклеации. Последующая стадия роста закритических пузырьков (R>RC) происходит в том и другом случаях практически одинаково, поскольку полностью определяется объемной диффузией радиолитического газа к растущим околокритическим (R~RC) пузырькам, происходящей за времяThe physical reason for the increase in t e with increasing Q is as follows. With heterogeneous nucleation, there is no extremely slow stage of subcritical vesicle growth (R <R C ), which occurs with homogeneous fluctuation nucleation. The subsequent stage of the growth of supercritical vesicles (R> R C ) occurs in both cases almost identically, since it is completely determined by the volume diffusion of radiolytic gas to growing near-critical (R ~ R C ) vesicles, which takes place over time

tD~RC2/(D·ΔC)

Figure 00000016
t D ~ R C 2 / (D · ΔC)
Figure 00000016

Согласно формуле (4) скорость роста пузырьков имеет минимум при R=R1, гдеAccording to formula (4), the bubble growth rate has a minimum at R = R 1 , where

Figure 00000017
Figure 00000017

При R>R1 пузырьки быстро увеличиваются в размерах и всплывают под действием выталкивающей силы, поэтому длительность второй стадии (всплытия) определяется размерами R~R1:At R> R 1, the bubbles rapidly increase in size and emerge under the action of a buoyancy force, therefore, the duration of the second stage (ascent) is determined by the sizes R ~ R 1 :

Figure 00000018
Figure 00000018

Радиус всплывающих пузырьков у поверхности жидкости составляетThe radius of the pop-up bubbles at the surface of the liquid is

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
где L - вертикальный размер сосуда, L0=25 см. Таким образом,
Figure 00000020
where L is the vertical size of the vessel, L 0 = 25 cm. Thus,

Figure 00000021
Figure 00000021

При увеличении параметра Q время выхода радиолитического газа te растет в основном за счет роста времени диффузии tD. В частности, при W=0,5 кВт/л и Р=1 атм, Х=0,45; tD=8 с; t0=9 с; te=17 с, а уже при Р=5 атм, Х=0,09; tD=47 с; t0=18 с; te=65 с. Отсюда видно, что с ростом Q пересыщение Х уменьшается. Согласно (4) пузырьки при этом в среднем становятся крупнее, а их концентрация падает. В результате уменьшается отношение суммарной площади их поверхности к объему, а время диффузии растет.With increasing parameter Q, the radiolytic gas exit time t e increases mainly due to the increase in diffusion time t D. In particular, with W = 0.5 kW / l and P = 1 atm, X = 0.45; t D = 8 s; t 0 = 9 s; t e = 17 s, and already at P = 5 atm, X = 0.09; t D = 47 s; t 0 = 18 s; t e = 65 s. This shows that with increasing Q, the supersaturation of X decreases. According to (4), the bubbles become larger on average, and their concentration decreases. As a result, the ratio of the total surface area to volume decreases, and the diffusion time increases.

Как следует из приведенных оценок, скорость образования радиолитического газа зависит только от мощности растворного реактора, а время выхода пузырьков газа из топливного раствора является функцией давления, линейно повышаясь с его ростом, что подтверждается данными экспериментальных работы, например [Колосов В.Ф. Апериодические импульсные реакторы, стр. 626, 627]. При очень высоких давлениях в корпусе реактора «радиолитическое кипение» раствора и, соответственно, выход радиолитических газов из топлива вообще подавляется. Варьируя давление в реакторе, можно регулировать размер паровых пузырьков и темп их роста за счет диффузии радиолитических газов. Повышая давление в реакторе, можно увеличить время пребывания газообразных осколков деления в топливном растворе. Таким образом, сдерживая «радиолитическое кипение» раствора за счет вариации давления в корпусе реактора, можно регулировать радиоизотопный состав газа в свободном объеме растворного реактора.As follows from the above estimates, the rate of formation of a radiolytic gas depends only on the power of the solution reactor, and the time for gas bubbles to escape from the fuel solution is a function of pressure, linearly increasing with its growth, which is confirmed by experimental data, for example [Kolosov V.F. Aperiodic pulse reactors, pp. 626, 627]. At very high pressures in the reactor vessel, the "radiolytic boiling" of the solution and, accordingly, the release of radiolytic gases from the fuel are generally suppressed. By varying the pressure in the reactor, it is possible to control the size of the vapor bubbles and their growth rate due to the diffusion of radiolytic gases. By increasing the pressure in the reactor, it is possible to increase the residence time of gaseous fission fragments in the fuel solution. Thus, restraining the “radiolytic boiling” of the solution by varying the pressure in the reactor vessel, the radioisotope composition of the gas in the free volume of the solution reactor can be controlled.

Кроме того, скорость накопления радиолитических газов в растворных реакторах зависит от удельной энергонапряженности топлива. При одинаковой мощности реактора, но с разными концентрациями урана в топливе скорость накопления радиолитических газов в реакторе может различаться в несколько раз [Бяков В.М., Ничипоров Ф.Г. Радиолиз воды в ядерных реакторах, М., Энергоатомиздат, 1990 г., стр. 147]. Изменяя концентрацию урана в растворе, можно подобрать оптимальную удельную энергонапряженность топлива, которая будет соответствовать заданному времени выхода газообразных осколков из топливного раствора, обеспечивая очистку стронция-89 от примесных радиоизотопов за счет их радиоактивного распада. В частности, увеличивая время пребывания газообразных осколков деления в растворном топливе до ≈ 400 секунд, можно свести к минимуму примесь радиоизотопа криптон-90 в свободном объеме реактора, который в результате распада дает наиболее регламентируемый радиоизотоп стронций-90.In addition, the rate of accumulation of radiolytic gases in solution reactors depends on the specific energy intensity of the fuel. At the same reactor power, but with different concentrations of uranium in the fuel, the rate of accumulation of radiolytic gases in the reactor can vary several times [Byakov VM, Nichiporov F.G. Radiolysis of water in nuclear reactors, M., Energoatomizdat, 1990, p. 147]. By changing the concentration of uranium in the solution, it is possible to select the optimal specific energy intensity of the fuel, which will correspond to the specified time for the exit of gaseous fragments from the fuel solution, ensuring the purification of strontium-89 from impurity radioisotopes due to their radioactive decay. In particular, by increasing the residence time of gaseous fission fragments in mortar fuel to ≈ 400 seconds, it is possible to minimize the admixture of the krypton-90 radioisotope in the free volume of the reactor, which as a result of decay gives the most regulated radioisotope of strontium-90.

При давлении в корпусе реактора Р=3 ат и удельной энергонапряженности 0,3 кВт/литр время пребывания радиолитических газов в топливе τ превысит 100 секунд, а при давлении ≈10 ат τ достигнет 300-400 секунд, что обеспечит допустимый уровень примеси радиоизотопа стронций-90 в целевом радиоизотопе.At a pressure in the reactor vessel P = 3 at and a specific energy intensity of 0.3 kW / liter, the residence time of radiolytic gases in the fuel τ will exceed 100 seconds, and at a pressure of ≈10 at τ it will reach 300-400 seconds, which will provide an acceptable level of impurity of the strontium radioisotope 90 in the target radioisotope.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На чертеже представлена схема реализации способа получения радиоизотопа стронций-89 в растворном реакторе под давлением.The drawing shows a diagram of an implementation of a method for producing a radioisotope of strontium-89 in a solution reactor under pressure.

Активная зона реактора 1 представляет собой цельнометаллический сварной корпус цилиндрической формы с полусферическим дном. Диаметр корпуса 500 мм, высота 1000 мм, толщина стенки 25 мм. Корпус соединен с газовым контуром, содержащим циркуляционный насос 2 и объем 3 для выдержки газообразных осколков, удаленных из реактора, а также клапаны с дистанционным управлением 4. Внутри корпуса расположен змеевик охлаждения 5 и трасса 6 подачи топливного раствора с клапаном 7. Элементы активной зоны, находящиеся в длительном контакте с топливным раствором, и газовый контур выполнены из нержавеющей стали ОХ18Н10Т. Корпус реактора окружен боковым и нижним торцевым графитовым отражателем.The active zone of the reactor 1 is an all-metal welded shell of cylindrical shape with a hemispherical bottom. Case diameter 500 mm, height 1000 mm, wall thickness 25 mm. The casing is connected to a gas circuit containing a circulation pump 2 and a volume 3 for holding gaseous fragments removed from the reactor, as well as valves with remote control 4. Inside the casing there is a cooling coil 5 and a route 6 for supplying fuel solution with valve 7. Elements of the core, in continuous contact with the fuel solution, and the gas circuit is made of stainless steel OX18H10T. The reactor vessel is surrounded by a lateral and lower end graphite reflector.

Топливом реактора служит водный раствор уранил-сульфата UO2SO4, обогащенный по изотопу 235U до 20%, с концентрацией урана 73,2 г/л. Объем топливного раствора 100 л. Максимальная мощность реактора 20 кВт.The reactor fuel is an aqueous solution of uranyl sulfate UO 2 SO 4 enriched in the isotope 235 U to 20%, with a uranium concentration of 73.2 g / l. The volume of the fuel solution is 100 l. The maximum power of the reactor is 20 kW.

Водный раствор уранил-сульфата с выбранной заранее концентрацией урана, по трассе подачи топливного раствора 6 заливают в активную зону ядерного реактора 1. Корпус реактора подсоединяют к петлевому газовому контуру и герметизируют. Реактор выводят на заданный уровень мощности, поддерживая условия протекания цепной реакции деления в растворном топливе. В результате деления урана-235 или ядер других расщепляющихся материалов в растворном топливе нарабатывается газообразный радиоизотоп криптон-89, который, не вступая в химическую реакцию с топливом или осколочными элементами, поступает в свободное пространство над поверхностью жидкости за счет «радиолитического кипения» раствора.An aqueous solution of uranyl sulfate with a pre-selected concentration of uranium is poured along the fuel solution supply path 6 into the core of nuclear reactor 1. The reactor vessel is connected to a loop gas circuit and sealed. The reactor is brought to a predetermined power level, maintaining the conditions of the chain reaction of fission in the solution fuel. As a result of the fission of uranium-235 or the nuclei of other fissile materials in solution fuel, a gaseous radioisotope krypton-89 is produced, which, without entering into a chemical reaction with fuel or fragmentation elements, enters the free space above the surface of the liquid due to the "radiolytic boiling" of the solution.

Удаление газовой фракции из свободного объема реактора осуществляют с помощью циркуляционного насоса. С газовым потоком радиоизотопы по герметичному контуру направляют в камеру выдержки, в которой в результате распада криптона-89 образуется и улавливается целевой радиоизотоп стронций-89. Затем газовый поток с помощью циркуляционного насоса 2 возвращают в корпус реактора.Removing the gas fraction from the free volume of the reactor is carried out using a circulation pump. With a gas stream, the radioisotopes in a sealed circuit are sent to a holding chamber, in which the target strontium-89 radioisotope is formed and trapped as a result of the decay of krypton-89. Then the gas flow using the circulation pump 2 is returned to the reactor vessel.

Осажденный в камере выдержки стронций-89 смывают раствором кислоты и направляют на радиохимическую очистку для получения целевого продукта кондиционного качества.The strontium-89 precipitated in the holding chamber is washed off with an acid solution and sent for radiochemical purification to obtain the target product of conditional quality.

Для регенерации продуктов радиолиза водорода и кислорода используются каталитический рекомбинатор 8, теплообменник 9 и трубопровод 10.For the regeneration of the products of hydrogen and oxygen radiolysis, a catalytic recombiner 8, a heat exchanger 9, and a pipe 10 are used.

Для уменьшения количества примесей, образовавшихся в результате деления ядер и поступающих с газовым потоком в объем выдержки, на входе в объем 3 установлена система фильтров 11.To reduce the amount of impurities formed as a result of fission of nuclei and entering the holding volume with a gas stream, a filter system 11 is installed at the entrance to the volume 3.

Выбранная величина рабочего давления в корпусе реактора 1 поддерживается за счет напуска инертного газа, например аргона, из баллонов высокого давления 12 через клапан 13.The selected value of the working pressure in the reactor vessel 1 is supported by the inlet of an inert gas, such as argon, from high pressure cylinders 12 through the valve 13.

Пример 1. Растворный ядерный реактор с газовым контуром.Example 1. A solution of a nuclear reactor with a gas circuit.

В качестве реакторной установки, предназначенной для использования в области производства радиоизотопов, выбран импульсный исследовательский реактор «Гидра» с замкнутым газовым контуром. Корпус реактора рассчитан на давление до 100 ат.As a reactor installation, intended for use in the field of production of radioisotopes, a pulse research reactor "Hydra" with a closed gas circuit was selected. The reactor vessel is designed for pressures up to 100 atm.

Рассмотрим более детальную схему получения радиоизотопа стронций-89 в растворном ядерном реакторе под давлением.Let us consider a more detailed scheme for producing the strontium-89 radioisotope in a pressurized solution nuclear reactor.

Водный раствор UO2SO4 с выбранной заранее концентрацией урана по трассе подачи топливного раствора 6 через клапан 7 заливают в активную зону ядерного реактора 1.An aqueous solution of UO 2 SO 4 with a pre-selected concentration of uranium along the supply path of the fuel solution 6 through valve 7 is poured into the active zone of nuclear reactor 1.

После переходных процессов, связанных с выводом реактора на заданную мощность, в результате деления ядер 235U в топливе нарабатывают газообразные радиоизотопы, поступающие в свободное пространство над поверхностью раствора за счет механизма «радиолитического кипения». Отвод тепла, выделяющегося в процессе работы реактора, осуществляют с помощью змеевика охлаждения 5.After transients associated with the output of the reactor at a given power, as a result of fission of 235 U nuclei in the fuel, gaseous radioisotopes are produced that enter the free space above the solution surface due to the “radiolytic boiling” mechanism. The heat released during the operation of the reactor is removed using a cooling coil 5.

Варьируя давление Р в корпусе реактора, подбирают время пребывания газообразных осколков деления в топливном растворе τ, достигающее ≈ 400 секунд, которое достаточно для распада короткоживущих газообразных осколков, в том числе и криптона-90. Газообразные продукты деления, вышедшие из топливного раствора в свободный объем реактора, удаляют с помощью циркуляционного насоса 2 и через открытые вентили 4 и фильтрующий элемент 11 направляют по газовому контуру в объем 3 для выдержки и получения целевого радиоизотопа стронций-89.By varying the pressure P in the reactor vessel, the residence time of gaseous fission fragments in the fuel solution τ, reaching ≈ 400 seconds, which is sufficient for the decay of short-lived gaseous fragments, including krypton-90, is selected. Gaseous fission products released from the fuel solution into the free volume of the reactor are removed using a circulation pump 2 and through open valves 4 and the filter element 11 are sent along the gas circuit to the volume 3 for holding and obtaining the target radioisotope of strontium-89.

Осажденный в объеме 3 стронций-89 смывают раствором кислоты и направляют на радиохимическую очистку для получения целевого продукта кондиционного качества.Precipitated in a volume of 3 strontium-89 is washed off with an acid solution and sent for radiochemical purification to obtain the target product of conditional quality.

Продукты радиолиза топливного раствора - водород и кислород регенерируются с помощью устройства, включающего каталитический рекомбинатор 8, теплообменник 9 и трубопровод 10, которые вместе с корпусом реактора образуют герметичную систему.The products of the radiolysis of the fuel solution — hydrogen and oxygen — are regenerated using a device including a catalytic recombiner 8, a heat exchanger 9, and a pipe 10, which together with the reactor vessel form a sealed system.

Предложенный способ получения радиоизотопа стронций-89 с использованием исследовательского ядерного реактора с растворным топливом под давлением по сравнению с другими проще в реализации и эксплуатации, обслуживание реактора и установки в целом не требует многочисленного персонала, а также обеспечивается надежность выполнения требований радиационной безопасности и экологии.The proposed method for the production of a strontium-89 radioisotope using a research nuclear reactor with solution fuel under pressure is easier to implement and operate than others, maintenance of the reactor and the installation as a whole does not require numerous personnel, and it also ensures the reliability of fulfilling the requirements of radiation safety and the environment.

Claims (1)

Способ получения радиоизотопа стронций-89, включающий облучение топлива в виде водного раствора солей урана в активной зоне ядерного реактора с получением осколков деления, один из которых - криптон-89, являющийся предшественником стронция-89 в цепочке распада осколков деления с атомной массой 89, и очистку криптона-89 за счет естественного распада от сопутствующих ему радиоизотопов криптона, в том числе криптона-90, предшественника долгоживущего радиоизотопа стронция-90, отличающийся тем, что очистку криптона-89 осуществляют путем увеличения времени нахождения осколков деления в топливе до распада в нем короткоживущих радиоизотопов, в том числе криптона-90, за счет повышения давления в корпусе ядерного реактора и снижения удельной энергонапряженности топлива, а очищенный криптон-89 направляют на выдержку до его полного распада в целевой радиоизотоп.A method for producing a strontium-89 radioisotope, comprising irradiating fuel in the form of an aqueous solution of uranium salts in a nuclear reactor core to produce fission fragments, one of which is krypton-89, which is the precursor of strontium-89 in the decay chain of fission fragments with atomic mass 89, and purification of krypton-89 due to the natural decay of the accompanying radioisotopes of krypton, including krypton-90, the precursor of the long-lived radioisotope strontium-90, characterized in that the purification of krypton-89 is carried out by increasing webbings finding fission fuel to collapse it short-lived radioisotopes, including krypton-90, due to the pressure increase in the reactor vessel, and reducing the specific power density of fuel, and a purified krypton-89 is sent to a passage to its complete decay of the target radioisotope.
RU2004121205/06A 2004-07-13 2004-07-13 Method for producing strontium-89 radioisotope RU2276817C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004121205/06A RU2276817C2 (en) 2004-07-13 2004-07-13 Method for producing strontium-89 radioisotope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004121205/06A RU2276817C2 (en) 2004-07-13 2004-07-13 Method for producing strontium-89 radioisotope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004121205A RU2004121205A (en) 2006-01-10
RU2276817C2 true RU2276817C2 (en) 2006-05-20

Family

ID=35872185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004121205/06A RU2276817C2 (en) 2004-07-13 2004-07-13 Method for producing strontium-89 radioisotope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2276817C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101469374B (en) * 2007-12-29 2011-03-02 中国核动力研究设计院 Method and equipment for extracting medical strontium-89 from homogenous water solution nuclear reactor gas loop

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101469374B (en) * 2007-12-29 2011-03-02 中国核动力研究设计院 Method and equipment for extracting medical strontium-89 from homogenous water solution nuclear reactor gas loop

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004121205A (en) 2006-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6456680B1 (en) Method of strontium-89 radioisotope production
JP6279656B2 (en) Method and apparatus for producing radioisotopes
CA2321183C (en) Method and apparatus for the production and extraction of molybdenum-99
JP4317269B2 (en) Method of exposure to neutron flux, method of generating useful isotopes, and method of converting long-lived isotopes
US9076561B2 (en) Methods and apparatus for selective gaseous extraction of molybdenum-99 and other fission product radioisotopes
KR101353730B1 (en) Radioisotope production and treatment of solution of target material
RU2490737C1 (en) Method for obtaining molybdenum-99 radioisotope
Lee et al. Development of fission 99Mo production process using HANARO
JP6873484B2 (en) Manufacturing method of radioactive substances by muon irradiation
RU2276817C2 (en) Method for producing strontium-89 radioisotope
RU2276816C2 (en) Method for producing strontium-89 radioisotope
Chuvilin et al. Production of 89Sr in solution reactor
Chuvilin et al. An interleaved approach to production of 99 Mo and 89 Sr medical radioisotopes
RU2498434C1 (en) Method to produce radionuclide bismuth-212
RU2270488C2 (en) Method for radiation treatment of parts and materials by hard gamma-rays
RU2155399C1 (en) Strontium-89 radioisotope production process
RU2181914C1 (en) Radioisotope production process
RU2155398C1 (en) Radioisotope strontium-89 production process
Lee et al. Progress of Kijang Research Reactor Construction for the Mo-99 Production
Vereshchagin et al. 89 Sr production in a reactor with solution fuel
Malikov et al. Prospects for the application of nuclear reactor with homogeneous solution fuel for the production of medical radioisotopes
Hayes Applications of Fission
Vega Design of a Subcritical Aqueous Target System for Medical Isotope Production
Gerstenberg et al. A brief overview of the research reactor FRM II
CN115171942A (en) System and method for producing helium-3 from tritium-containing heavy water of heavy water reactor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070714

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090714