RU2716818C1 - Устройство для производства радионуклидов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству для производства радионуклидов. Устройство содержит ускоритель электронов (8), конвертер электронов, мишенный узел (5), включающий капсулу с облучаемым веществом, и систему охлаждения, выполненную в виде циркуляционного контура, содержащего насос-расходомер (6) и контейнер (4) с теплоносителем, снабженный холодильником (9) и уровнемером (7). Конвертер и капсула с облучаемым веществом помещены в одном корпусе мишенного узла (5). Контейнер (4) может быть размещен таким образом, что уровень теплоносителя в нем расположен по высоте ниже мишенного узла (5), но выше насоса-расходомера (6). В качестве теплоносителя используют жидкие металлы, например, эвтектический сплав натрий-калий. Контейнер (4) соединен с вакуумным насосом (2) и с баллоном с инертным газом (1). Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения конвертера электронов и капсулы с облучаемым веществом и упрощение конструкции устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области ядерной физики и ускорительной техники и может использоваться для производства радиоизотопов и радиофармпрепаратов.

Известно устройство для циклотронного получения технеция-99 м из молибде-на-100, представленное в патенте [RU 2639752, 2013], содержащее мишенное вещество, нанесенное на тонкостенную металлическую подложку, снабженную с обратной стороны системой мелких каналов для охлаждения циркулирующей водой. Подложка с мишенным веществом помещена в герметичную капсулу-мишень, которая, в свою очередь, помещается в мишенное устройство.

Недостатком указанного устройства является относительно низкая производительность, связанная с тем, что разовая загрузка исходного изотопа в виде тонкого слоя относительно мала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство по патентной заявке [US 2017301426 (А1), 2017] для производства молибдена 99 из молибдена 100 посредством фотоядерной реакции на мишенях. Устройство содержит ускоритель электронов, конвертер электронов в поток фотонов, мишенный узел, включающий капсулу с облучаемым веществом, систему охлаждения конвертера электронов и систему охлаждения мишенного узла циркулирующей жидкостью.

Недостатками указанного устройства являются относительно низкая теплоотдача от конвертера электронов и капсулы к охлаждающей жидкости, ограничивающая возможность использования относительно толстых слоев облучаемого вещества, и наличие двух раздельных систем охлаждения конвертера электронов и мишенного узла.

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы исключить эти недостатки, а именно, увеличить теплоотдачу от конвертера электронов и капсулы к теплоносителю и исключить одну из систем охлаждения.

Технический результат - повышение эффективности охлаждения конвертера электронов и капсулы с облучаемым веществом и упрощение конструкции устройства.

Для исключения указанных недостатков устройства для производства радионуклидов, содержащего ускоритель электронов, конвертер электронов, мишенный узел, включающий капсулу с облучаемым веществом, и систему охлаждения предлагается:

- конвертер электронов и капсулу с облучаемым веществом поместить в одном корпусе мишенного узла;

- систему охлаждения мишенного узла выполнить в виде циркуляционного контура, содержащего насос-расходомер и контейнер с теплоносителем, снабженный холодильником и уровнемером.

В частных случаях исполнения устройства для производства радионуклидов предлагается:

- во-первых, контейнер разместить таким образом, чтобы уровень теплоносителя в нем находился ниже мишенного узла, но выше насоса-расходомера;

- во-вторых, в качестве теплоносителя использовать жидкие металлы, например, эвтектический сплав натрий-калий;

- в-третьих контейнер соединить с вакуумным насосом и с баллоном с инертным газом.

Сущность изобретения поясняется на фигуре чертежа, где представлена структурная схема устройства.

На чертеже приняты следующие обозначения позиций: 1 - баллон с инертным газом; 2 - вакуумный насос; 3 - вентиль дренажный; 4 - контейнер электронов; 5 - мишенный узел; 6 - насос-расходомер; 7 - уровнемер; 8 - ускоритель электронов; 9 - холодильник.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Устройство для производства радионуклидов содержит ускоритель электронов 8, конвертер электронов, мишенный узел 5, включающий капсулу с облучаемым веществом, и систему охлаждения.

Конвертер электронов и капсула с облучаемым веществом помещены в одном корпусе мишенного узла 5.

Система охлаждения мишенного узла 5 выполнена в виде циркуляционного контура, содержащего насос-расходомер 6 и контейнер 4 с теплоносителем, снабженный холодильником 9 и уровнемером 7.

В частных случаях исполнения устройства для производства радионуклидов:

- во-первых, контейнер 4 размещен таким образом, что уровень теплоносителя в нем находится ниже мишенного узла 5, но выше насоса-расходомера 6;

- во-вторых, в качестве теплоносителя используют жидкие металлы, например, эвтектический сплав натрий-калий;

- в третьих, контейнер 4 соединен с вакуумным насосом 2 и с баллоном 1 с инертным газом.

Баллон с инертным газом 1 предназначен для заполнения контейнера 4 и мишенного узла 5 инертным газом, например, аргоном, для защиты жидкометаллического теплоносителя от окисления атмосферным воздухом.

Вакуумный насос 2 предназначен для откачки воздуха из контейнера 4, мишенного узла 5 и всего циркуляционного контура с насосом-расходомером 6 перед заполнением их теплоносителем и инертным газом.

Вентиль дренажный 3 предназначен для заполнения контейнера 4 теплоносителем и слива теплоносителя (при необходимости).

Контейнер 4 служит для содержания объема теплоносителя, необходимого и достаточного для работы циркуляционного контура.

Мишенный узел 5 служит для размещения в его корпусе конвертера электронов и капсулы с облучаемым веществом таким образом, чтобы они находились в потоке теплоносителя и облучались пучком ускоренных электронов.

Насос-расходомер 6 предназначен для прокачки и измерения расхода теплоносителя через мишенный узел 5.

Уровнемер 7 обеспечивает контроль необходимого уровня теплоносителя в контейнере 4.

Ускоритель электронов 8 предназначен для генерации пучка ускоренных электронов.

Холодильник 9 служит для охлаждения теплоносителя.

Пучок электронов взаимодействует с конвертером электронов и генерирует поток фотонов, необходимый для осуществления фотоядерной реакции в облучаемом веществе.

Теплоноситель передает тепло от конвертера электронов и капсулы к холодильнику 9.

Вода служит для охлаждения теплоносителя в контейнере 4.

Устройство для производства радионуклидов работает следующим образом.

В результате взаимодействия пучка ускоренных электронов с веществом конвертера электронов рождается поток фотонов, пронизывающий капсулу и облучаемое вещество, содержащееся в ней. В облучаемом веществе происходит фотоядерная реакция, приводящая к наработке необходимого радионуклида. При этом в конвертере электронов и в облучаемом веществе выделяется большое количество тепла в малом объеме, температура конвертора электронов и капсулы с облучаемым веществом повышается и может достичь недопустимой величины.

Насос-расходомер 6 прокачивает теплоноситель, содержащийся в контейнере 4, через мишенный узел 5, где теплоноситель охлаждает конвертер электронов и капсулу до температуры не выше допустимой.

Вода, циркулирующая через холодильник 9, охлаждает подогретый в мишенном узле 5 теплоноситель до его первоначальной температуры.

Работа насоса-расходомера 6 основана на законе Ампера и законе Фарадея. Насос-расходомер 6 содержит источник постоянного магнитного поля и рабочий канал, заполненный жидким металлом, через который пропускают электрический ток. В соответствии с законом Ампера, при пропускании электрического тока через проводник, находящийся в магнитном поле, в проводнике возникает сила, пропорциональная магнитной индукции и силе тока. Эта сила заставляет проводник, в данном случае - жидкий металл, двигаться. Таким образом выполняется функция насоса.

При движении проводника в магнитном поле, в соответствии с законом Фарадея, индуцируется электродвижущая сила (эдс), пропорциональная скорости движения проводника. По известной эдс можно определить скорость движения жидкого металла и его расход. Насос-расходомер 6 снабжен двумя электродами для измерения напряжения на рабочем канале, которое является суммой индуцированной эдс и падения напряжения от прохождения тока питания. Предварительно измеряют падение напряжения при прохождении тока питания через неподвижный жидкий металл. Измеряют напряжение на рабочем канале при циркуляции теплоносителя и вычитают из него падение напряжения при неподвижном жидком металле. Таким образом определяют индуцированную эдс и расход жидкого металла.

Использование в качестве теплоносителя жидких металлов существенно повышает, по сравнению с водой и другими теплоносителями, коэффициент теплоотдачи от конвертора электронов и капсулы. Благодаря этому становится возможным применять толстые слои облучаемого вещества, т.е. увеличивать его разовую загрузку и наработку конечного радионуклида.

Уровнемер 7 представляет собой установленный на необходимом уровне металлический стержень, электрически изолированный от корпуса контейнера 4. При достижении жидким металлом этого уровня происходит замыкание электрической цепи, в которую включен уровнемер 7, и вырабатывается электрический сигнал.

После экспозиции капсулы под облучением в течение заданного времени отключают ускоритель электронов 8 и насос-расходомер 6. Теплоноситель сам сливается под действием силы тяжести из мишенного узла 5 в контейнер 4. Подают из баллона 1 инертный газ в контейнер 4 и в мишенный узел 5 до давления немного превышающего давление атмосферного воздуха, извлекают из мишенного узла 5 облученную капсулу и вставляют вместо нее новую капсулу.

Конкретный вариант исполнения устройства для производства радионуклидов.

В устройстве предполагается использовать ускоритель электронов 8, генерирующий пучок электронов с энергией 35 МэВ и током 0,1 мА. Диаметр пучка электронов 5 мм. Толщина входного окна мишенного узла 5 равна 1 мм. Толщина конвертора электронов, выполненного из вольфрама, равна 2 мм, внутренний диаметр капсулы равен 6 мм. Производительность насоса-расходомера 6 составляет 300 л/ч. В качестве теплоносителя использован эвтектический сплав натрий калий с содержанием натрия 22%, калия - 78%. Загрузка сплава натрий-калий в циркуляционный контур 0,5 литра. Наружный диаметр труб циркуляционного контура 12 мм, толщина стенки 1 мм. В качестве инертного газа использован аргон высокой чистоты. Для откачки использован сухой вакуумный насос 2, обеспечивающий давление остаточных газов 10^-3 мм рт.ст.

Преимущества заявляемого устройства заключаются в существенном повышении эффективности охлаждения конвертера электронов, облучаемого вещества и мишенного узла в целом за счет повышения коэффициента теплоотдачи благодаря применению жидкометаллического теплоносителя, и упрощение конструкции устройства для производства радионуклидов за счет исключения одного из циркуляционных контуров системы охлаждения.

Claims (4)

1. Устройство для производства радионуклидов, содержащее ускоритель электронов, конвертер электронов, мишенный узел, включающий капсулу с облучаемым веществом, и систему охлаждения, отличающееся тем, что конвертер электронов и капсула с облучаемым веществом помещены в одном корпусе мишенного узла, а система охлаждения выполнена в виде циркуляционного контура, содержащего насос-расходомер и контейнер с теплоносителем, снабженный холодильником и уровнемером.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контейнер размещен таким образом, что уровень теплоносителя в нем расположен по высоте ниже мишенного узла, но выше насоса-расходомера.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве теплоносителя используют жидкие металлы, например, эвтектический сплав натрий-калий.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контейнер соединен с вакуумным насосом и с баллоном с инертным газом.

Images