RU2660872C1 - Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз - Google Patents

Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз Download PDF

Info

Publication number
RU2660872C1
RU2660872C1 RU2017118655A RU2017118655A RU2660872C1 RU 2660872 C1 RU2660872 C1 RU 2660872C1 RU 2017118655 A RU2017118655 A RU 2017118655A RU 2017118655 A RU2017118655 A RU 2017118655A RU 2660872 C1 RU2660872 C1 RU 2660872C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diamonds
radioactive
diamond
grown
isotope
Prior art date
Application number
RU2017118655A
Other languages
English (en)
Inventor
Борис Евгеньевич Бураков
Сергей Николаевич Бочаров
Сергей Валентинович Шулепов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СИНТЕЗ" (ООО "СИНТЕЗ")
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 Общество с ограниченной ответственностью "СИНТЕЗ" (ООО "СИНТЕЗ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СИНТЕЗ" (ООО "СИНТЕЗ")
Priority to RU2017118655A priority Critical patent/RU2660872C1/ru
Priority to PCT/RU2018/000312 priority patent/WO2018222083A1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2660872C1 publication Critical patent/RU2660872C1/ru

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • B01J3/062Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies characterised by the composition of the materials to be processed
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25Diamond
    • C01B32/26Preparation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения синтетических алмазов, включающих изотоп 14С, обладающих β-излучением. Алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70% изотопа 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа. Тем самым достигается упрощение технологии получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, а также повышается безопасность процесса синтеза с возможным использованием больших количеств изотопа 14С. 2 н.п. ф-лы, 3 пр.

Description

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к технологии получения синтетических алмазов, которые могут найти применение в радиоизотопных источниках тока, а также в автономных источниках люминесценции сверх длительного срока действия. В частности, заявляемое изобретение относится к получению алмазов, обладающих β-излучением.
Природные алмазы являются смесью двух стабильных изотопов 12С и 13С; изотоп 14С, обладающий β-излучением, в них отсутствует. В синтетических алмазах, полученных из материалов органического происхождения, могут содержаться незначительные, сопоставимые с содержанием в исходном органическом материале, количества изотопа 14С. Период полураспада изотопа 14С составляет 5730 лет. Появление у алмаза β-излучения за счет распада изотопа 14С определяет его технически важные свойства - возможность создания радиоизотопного источника тока, способного генерировать электроэнергию и люминесценцию в течение тысяч лет без подзарядки, что делает его незаменимым, например, в космической области или, в частности, медицине для кардиостимуляторов, которые необходимо заменять несколько раз в течение жизни из-за разрядки источника тока.
Известен способ получения радиоактивных выращенных алмазов [US 3181933, B01J 3/062, 1965], в котором в качестве сырья использовался графит, предварительно облученный в ядерном реакторе. Получаемые указанным способом алмазы имели высокий уровень γ-излучения во всем объеме кристалла и на поверхности и создавали поле ионизации, препятствующее накоплению на поверхности алмаза статического электрического заряда. Однако эти выращенные алмазы имели низкий, либо полностью отсутствующий уровень β-излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения радиоактивных алмазов из углерода, полученного из отработавших графитовых стержней атомных электростанций, которые содержат заметные количества 14С на поверхности. Поверхность отработавших графитовых стержней предлагается обжигать, и из газовой фазы углерод, содержащий некоторое количество изотопа 14С, осаждать в плазменном разряде на поликристаллическую не алмазную подложку или монокристаллическую алмазную подложку (способ получения выращенного алмаза из газовой фазы описан, например, в RU 2516574, МПК С30В 25/02, 2014). Предполагается, что таким способом будет получен алмаз, обладающий β-излучением [reired.ru/diamond-battery].
Однако данный способ связан с опасностью больших потерь радиоактивного углерода, находящегося в газовой фазе, а также необходимостью улавливания и разделения непрореагировавшей смеси газов во избежание утечек газа, содержащего радиоактивный углерод.
Результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в упрощении технологии получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, а также в повышении безопасности процесса синтеза с возможным использованием больших количеств изотопа 14С.
Указанный результат достигается тем, что в способе получения радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, с использованием отходов отработавшего ядерного топлива алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70% изотопа 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа.
Используемый нами в загрузке карбонат бария - это конечный концентрат 14С, получаемый при растворении и переработке облученного (отработавшего) ядерного топлива, подлежащий захоронению. Он содержит не менее 50% от общей массы углерода изотопа 14С; обычно содержание этого изотопа в карбонате бария, получающемся при переработке ядерного топлива, варьирует от 60 до 70% масс. В заявляемом способе указанный карбонат бария без дополнительной обработки вводится в шихту (загрузку камеры синтеза) в заданном количестве.
В заявляемом способе шихта всегда содержит определенное количество нерадиоактивного карбоната бария. Задавая определенное соотношение радиоактивного и нерадиоактивного карбоната бария, можно получать выращенные алмазы с желаемым содержанием изотопа 14С. В случаях, когда требуется получать алмазы с меньшим содержанием изотопа 14С, чем в карбонате бария, получающемся при переработке ядерного топлива, в шихту вводят дополнительное количество нерадиоактивного карбоната бария.
Синтез алмазов проводится при давлении не ниже 6-7 ГПа и температуре выше 1600 K на установке типа БАРС-300. Зона роста алмаза (так называемая «ростовая сборка») формируется следующим образом: в изоляционную среду (например, хлорид цезия) помещается ростовая сборка, верхняя половина которой представляет собой смесь порошков карбоната бария и железа в молярном соотношении BaCO3:Fe=1:5, а нижняя половина - сплав, состоящий из железа, кобальта и меди. В нижней половине под ростовую сборку помещают затравочный кристалл алмаза размером 0,2-0,3 мм. В верхней части ростовой зоны происходит реакция с образованием оксидов железа и бария и карбидов железа; карбиды железа при заданных параметрах процесса (давление в диапазоне от 6 до 7,5 ГПа и температура выше 1600 K) и в присутствии меди не стабильны и распадаются на железо и углерод. Углерод под действием температурного градиента переносится в нижнюю половину ростовой зоны, где поддерживается температура около 1580 K. В нижней зоне углерод перекристаллизуется на затравочном кристалле алмаза.
В процессе синтеза в объеме ростовой зоны спонтанно образуются кристаллы алмаза, которые вместе с оксидами бария-железа всплывают и не блокируют рост основного кристалла.
Отсутствие утечки веществ из ростовой зоны контролировалось взвешиванием ростовой сборки до процесса и после него. Полнота перехода углерода и отсутствие газовой фазы контролировались по массовому балансу углерода, внесенного в систему с карбонатом бария и сформировавшегося из него графита и алмаза.
Содержание 14С в сырье, загрузке и полученных алмазах определялось бета-сцинтилляционным методом [Кулькова М.А. Радиоуглерод (14С) в окружающей среде и метод радиоуглеродного датирования. Учебно-методическое пособие // СПб.: Изд-во РГПУ им. Герцена. 2011].
Далее заявляемый способ иллюстрируется примерами конкретного исполнения, но не ограничен ими.
Пример 1
0,71 г (0,0036 моль) ВаСО3, в том числе 0,0005 г ВаСО3, содержащего 60% С14 (0,04% от общего количества углерода), и 1 г (0,018 моль) Fe карбонильного (ОСЧ 6-2) были совместно перетерты в агатовой ступке и спрессованы в таблетку диаметром 12.5 мм и высотой 7 мм. Спрессованная из карбоната бария и железа таблетка вместе с таблеткой сплава железо-кобальт-медь (Fe - 45 мас. %; Со - 50 мас. %; Cu - 5 мас. %) диаметром 12.5 мм и высотой 10 мм были помещены между двух таблеток, спрессованных из смеси хлорида цезия с оксидом циркония, взятых в соотношении 4:1, высотой 3 мм каждая, причем в нижнюю из этих таблеток была впрессована затравка из монокристалла алмаза размером 0,3 мм. Таблетки помещались в цилиндр из хлорида цезия и совместно спрессовывались под усилием 10 тонн/силы для формирования герметично изолированной ростовой зоны.
Сформированная герметичная ростовая зона вместе с нагревателем и системой вводов тока были помещена в контейнер из оксида циркония (ростовая ячейка), а затем в аппарат высокого давления БАРС-300. На аппарате было задано давление масла 2050 атм, что соответствует давлению 6 ГПа в ростовой зоне; после набора давления ростовая ячейка была нагрета до температуры 1610 K (контроль температуры по термопаре PtRh30-PtRh6). Указанную температуру поддерживали 110 часов. В результате получен кристалл алмаза весом 21 мг (48% углерода в системе перешло в алмаз). Содержание 14С в полученном алмазе было измерено бета-сцинтилляционным методом и составило 0,042% от общего количества углерода в алмазе.
Пример 2
0,95 г (0,0048 моль) ВаСО3, в том числе 0,00053 г ВаСО3, содержащего 60% С14 (0,04% от общего количества углерода) и 1,35 г (0,024 моль) Fe карбонильного (ОСЧ 6-2) были совместно перетерты в агатовой ступке и спрессованы в таблетку диаметром 12.5 мм и высотой 9,5 мм.
Спрессованная таблетка из карбоната бария и железа вместе с таблеткой сплава железо-кобальт-медь (Fe - 45 вес. %; Со - 50 вес. %; Cu - 5 вес. %) диаметром 12.5 мм и высотой 7,5 мм была помещена между двух таблеток, спрессованных из смеси хлорида цезия с оксидом циркония высотой 3 мм каждая, причем в нижнюю из этих таблеток была впрессована затравка из монокристалла алмаза размером 0.3 мм. Таблетки помещались в цилиндр из хлорида цезия и совместно спрессовывались под усилием 10 тонн/силы для формирования герметично изолированной ростовой зоны.
Сформированная герметичная ростовая зона вместе с нагревателем и системой вводов тока были помещена в контейнер из оксида циркония (ростовая ячейка), а затем в аппарат высокого давления БАРС-300. На аппарате было задано давление масла 2400 атм, соответствующее давлению 7 ГПа в ростовой зоне. После набора давления ростовая ячейка была нагрета до температуры 1700 K. Указанную температуру поддерживали 240 часов. В результате получен кристалл алмаза весом 64 мг (77% углерода в системе перешло в алмаз). Содержание 14С в полученном алмазе было измерено бета-сцинтилляционным методом и составило 0,042% от общего количества углерода в алмазе.
Пример 3
Опыт проводили как в примере 2. Взяли навески 0,95 г (0,0048 моль) ВаСО3, в том числе 0,0004 г ВаСО3, содержащего 60% С14 (0,03% от общего количества углерода), и 1,35 г (0,024 моль) Fe карбонильного (ОСЧ 6-2) и заданную температуру 1700 K поддерживали 200 часов, после чего в течение 20 часов температура была понижена да 1600 K. В результате получен кристалл алмаза весом 76 мг (91,5% углерода в системе перешло в алмаз). Содержание 14С в полученном алмазе было измерено бета-сцинтилляционным методом и составило 0,03% от общего количества углерода в алмазе.
Как видно из приведенных данных, заявляемый способ позволяет выращивать алмазы с заданным содержанием изотопа 14С, без дополнительной операции переработки материала, содержащего указанный изотоп. Концентрация 14С в алмазе может варьироваться путем изменения соотношения карбоната бария, обогащенного 14С, и карбоната бария, не содержащего 14С, в исходной шихте.
В процессе не образуется опасной радиоактивной газовой фазы, требующей дополнительных мер радиационной защиты.

Claims (2)

1. Способ получения выращенных радиоактивных алмазов, обладающих β-излучением, с использованием отходов отработавшего ядерного топлива, отличающийся тем, что алмазы выращиваются из карбида железа, образующегося непосредственно в ростовой камере из карбоната бария, являющегося продуктом переработки отработавшего ядерного топлива и содержащего в своем составе 50-70% 14С от общей массы углерода, и не менее чем 5-кратного по отношению к общей массе карбоната бария избытка железа.
2. Радиоактивный выращенный алмаз, обладающий β-излучением, полученный способом по п.1.
RU2017118655A 2017-05-29 2017-05-29 Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз RU2660872C1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017118655A RU2660872C1 (ru) 2017-05-29 2017-05-29 Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз
PCT/RU2018/000312 WO2018222083A1 (ru) 2017-05-29 2018-05-21 Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017118655A RU2660872C1 (ru) 2017-05-29 2017-05-29 Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2660872C1 true RU2660872C1 (ru) 2018-07-10

Family

ID=62816051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017118655A RU2660872C1 (ru) 2017-05-29 2017-05-29 Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2660872C1 (ru)
WO (1) WO2018222083A1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2996763A (en) * 1956-01-31 1961-08-22 Gen Electric Diamond material
US3181933A (en) * 1961-02-28 1965-05-04 Gen Electric Radioactive diamond and process for the preparation thereof
SU566440A1 (ru) * 1975-08-18 2000-01-20 Институт физики высоких давлений АН СССР Способ получения радиоактивных алмазов

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2476478A (en) * 2009-12-22 2011-06-29 Element Six Ltd Chemical vapour deposition diamond synthesis

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2996763A (en) * 1956-01-31 1961-08-22 Gen Electric Diamond material
US3181933A (en) * 1961-02-28 1965-05-04 Gen Electric Radioactive diamond and process for the preparation thereof
SU566440A1 (ru) * 1975-08-18 2000-01-20 Институт физики высоких давлений АН СССР Способ получения радиоактивных алмазов

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018222083A1 (ru) 2018-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Putnam et al. Thermodynamics of formation for zirconolite (CaZrTi2O7) fromT= 298.15 K toT= 1500 K
US4020003A (en) Fixation of tritium in a highly stable polymer form
Strzelecki et al. The role of water and hydroxyl groups in the structures of stetindite and coffinite, MSiO4 (M= Ce, U)
KR20210068310A (ko) Ra-226 으로부터 Ac-225 를 생성하는 방법
RU2660872C1 (ru) Способ получения выращенных радиоактивных алмазов и выращенный радиоактивный алмаз
Pagliaro et al. Thermal and compressional behavior of the natural borate kurnakovite, MgB3O3 (OH) 5· 5H2O
EP2899176A1 (en) Ceramic structure
Galenin et al. Growth and characterization of SrI 2: Eu crystals fabricated by the Czochralski method
US3150929A (en) Process for making cubic crystal boron nitride
Chen et al. Generation of crystal-rich rhyodacites by fluid-induced crystal-mush rejuvenation: Perspective from the Late Triassic Nageng (sub-) volcanic complex of the East Kunlun Orogen, NW China
Evron et al. Thermal recovery of self-radiation damage in uraninite and thorianite
Qaim et al. Radiochemical methods in the determination of nuclear data for fusion reactor technology
Bardi et al. High temperature reduction kinetics of ilmenite by hydrogen
RU2477705C1 (ru) Способ получения в графите графеновых ячеек с добавкой радиоактивных изотопов
US9431139B2 (en) Method of utilizing nuclear reactions of neutrons to produce primarily lanthanides and/or platinum metals
US3510434A (en) Method of preparing a nitride nuclear reactor fuel
CN113846379B (zh) 化合物磷酸铋镉及磷酸铋镉闪烁晶体和其制备方法及用途
Arinicheva Monazite-type ceramics as nuclear waste form. Crystal structure, microstructure and properties
RU2543184C2 (ru) Синтетический радиоактивный наноалмаз и способ его получения
Dolmatov et al. Radioactive nanodiamonds
US2605219A (en) Preparation of radioactive bromine
Winters Effect of hot-pressing conditions on the properties of iodide sodalite
Bohlen et al. Reaction kinetics, PTt paths and rates of tectonic processes
Kuznetsov An ultradisperse technology for consolidation of fission product concentrates in a ceramic container crucible
Murbach et al. Pyroprocessing thorium fuels

Legal Events

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

Effective date: 20190530