Способ получения изотопа Os-187 искусственным путём Российский патент 2022 года по МПК G21G7/00 B01D59/00 C01G55/00 C01G47/00 

Изобретение относится к области ядерных технологий и может быть использовано для получения ценных изотопов химических элементов искусственным путем.

В заявке на изобретение рассматривается получение изотопа осмия Os-187 искусственным путем. Осмий - драгоценный металл, получаемый вследствие сложного процесса извлечения при переработке руды. Состоит из семи изотопов. Самый ценный изотоп Os-187, доля которого в природном осмии составляет 1.96%. Ввиду того, что все изотопы осмия обладают почти одинаковой температурой плавления и кипения, твердостью и прочностью, отделение Os-187 от основного металла является достаточно сложной задачей.

В связи с изложенным большой практический интерес представляет возможность получения изотопа Os-187 искусственным путем.

В настоящее время установлено, что получение искусственным путем химических элементов и их изотопов возможно только в результате ядерных реакций, сопровождающихся превращением ядер. Так, например, первые трансурановые элементы с номерами 93-100 были получены путем облучения урановой мишени потоком нейтронов. При этом процесс поглощения нейтронов сопровождался основными видами радиоактивных излучений, включая вылет электронов (бета-распад), вылет гелионов (альфа-распад), излучение квантов электромагнитной энергии (гамма-излучение).

Опытные данные по синтезу трансурановых элементов дают основание считать, что радиоактивные излучения связаны с происходящими внутри ядра процессами «переработки» нейтронов в другие частицы, в конечном счете в гелионы. Гелионы не превращаются в какие-либо другие частицы. Поэтому они по достижении определенного предела могут покинуть ядро. Согласно современным представлениям, ядра состоят из протонов и нейтронов. Однако вылет гелионов из ядер говорит о том, что существующие представления о составе недостаточно точно отражают физическую реальность.

Результаты работ по синтезу трансурановых элементов дают основание считать, что искусственным путем можно получать также драгоценные металлы. В США проводились эксперименты по получению золота из ртути. С этой целью облучали быстрыми нейтронами соседние с золотом элементы: ртуть и платину. Но платина тоже драгоценный металл, поэтому практическое значение могло бы иметь получение золота из ртути. В 1941 г. группа американских физиков заявила о результатах получения золота из ртути. Были получены изотопы золота с номерами 198, 199, 200. Однако эти изотопы не были устойчивы как природный изотоп золота Аu-197. Через несколько часов или дней они снова превращались в изотопы ртути с теми же массовыми числами [1].

Таким образом, для получения драгоценных металлов искусственным путем необходимы новые подходы, основанные на более глубоком понимании процесса превращения ядер химических элементов, включая превращение нейтронов в другие частицы, в конечном счете, в гелионы.

При обосновании предлагаемого способа получения изотопа Os-187 была использована гелион-тритонная (альфа-частичная) модель ядра, предложенная Полингом [2]. Согласно этой модели, нуклоны в ядрах сгруппированы в кластеры. В основном это гелионы и тритоны.

Как показал анализ изотопов различных химических элементов, ядра стабильных изотопов действительно состоят из гелионов и тритонов (как в модели Полинга). Изотопы, ядра которых содержат другие частицы (нейтрон, протон, дейтрон), радиоактивны. Тогда состав ядер стабильных изотопов можно определить по формулам, определяющим состав ядра по заданным значения массового числам и заряда Z [3]:

- число тритонов: N_t=А-2Z;

- число гелионов:

Зная состав ядра стабильного изотопа, можно определить составы ядер ближайших к нему изотопов, отличающихся величиной А. Если А меньше на 1, то это означает, что один тритон замещен дейтроном, если А меньше на 2, то это означает, что один тритон замещен протоном. Если А больше на 1, то это означает, что в составе ядра есть 1 нейтрон, если А больше на 2, то в составе ядра 2 нейтрона. Таким образом, с использованием полученных формул можно определить составы ядер мишени и изотопа элемента, который хотим получить. На основании этих данных выбираем способ воздействия на мишень с целью получения нужного изотопа.

Природный рений, используемый как мишень для получения изотопа осмия Os-187 искусственным путем, состоит из двух изотопов: Re-185 (доля 37.4%) и Re-187 (доля 62.6%). Для получения изотопа Os-187 можно использовать оба изотопа рения в качестве мишени.

Ядра изотопов мишени имеют такие составы:

Re-185: 20α+35t и Re-187: 20α+35t+2n.

Ядро получаемого изотопа Os-187 может иметь такой состав:

20α+35t+d.

Здесь α - ядро изотопа гелия Не(4,2), t - тритон, ядро изотопа водорода трития H(3,1), d - дейтрон, ядро изотопа водорода дейтерия Н(2,1).

Изотоп рения Re-187 имеет два важных отличия от изотопа Re-185, которые могут быть использованы. Первое - его относительно большая доля в составе природного рения (62.6%). Второе - наличие в составе двух свободных нейтронов, которые можно превратить в дейтрон в результате реакции 2n→d+e. Этот процесс происходит при радиоактивном распаде Re-187. Период полураспада Re-187, завершающийся его превращением в Os-187, составляет 4.5*10¹⁰ лет. Таким образом, задача состоит в том, чтобы этот медленный естественный процесс ускорить и довести сроки получения Os-187 из Re-187, приемлемые для промышленного производства.

Для этого необходимо ядра мишени привести в возбужденное состояние, при котором возможно слияние находящихся в ядре Re-187 двух свободных нейтронов и превращения их в дейтрон: 2n→d+е↑. (Символ «↑» означает вылет частицы из ядра). Эту задачу можно решить с использованием потока протонов (или других тяжелых заряженных частиц: дейтронов, гелионов), направленных на мишень. При прохождении пучка заряженных частиц через мишень происходит переход ядер из основного (невозбужденного) состояния в возбужденное состояние в результате кулоновского взаимодействия с налетающей частицей. Оно наиболее отчетливо проявляется в том случае, когда энергия налетающей частицы не слишком велика, так что частица не может попасть в ядро. Кулоновское возбуждение проявляется и при больших (по сравнению с размерами ядра) расстояниях между частицей и ядром.

Вероятность ядерных реакций в возбужденных ядрах может быть значительно выше, чем в их основном состоянии. Измерение эффективного сечения кулоновского возбуждения измеряется либо путем регистрации рассеянных налетающих частиц, либо путем регистрации электронов, испускаемых возбужденным ядром.

Получить Os-187 можно также при облучении изотопа Re-185 потоком дейтронов. При попадании в ядро Re-185 дейтрона и его захвате оно превращается в ядро Os-187. Для этого необходимо, чтобы энергия дейтрона была достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания. Она характеризуется величиной кулоновского барьера Eq. Расчетная величина Eq составляет 13.6 Мэв.

Величину Eq следует рассматривать как ориентировочную, т.е. энергию, которая остается после потерь энергии дейтрона на возбуждение ядер мишени и ионизацию.

Существуют различные способы разделения изотопов химических элементов. В частности, для изотопов рения может быть использован способ их разделения в электромагнитном сепараторе, который обеспечивает высокую чистоту обогащенных изотопов: по Re-185 -97.6%, по Re-187 - 99.6% [4].

В связи с возможностью получения отдельных изотопов рения с высокой чистотой как основной подход будем рассматривать предварительное разделение природного рения на изотопы перед их использованием в качестве мишени для получения изотопа Os-187 искусственным путем.

Технический результат изобретения заключается в том, что в результате осуществляемых ядерных реакций синтеза получают изотоп осмия Os-187 из изотопов рения: Re-185 и Re-187.

Технический результат достигается тем, что разделяют природный рений на составляющие его изотопы Re-185 и Re-187, изотоп Re-185 облучают потоком дейтронов, изотоп Re-187 облучают потоком протонов.

Источники

1. Гофман К. Можно ли сделать золото? Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов. 1987. Электронная библиотека. Modern Lib. Net.

2. Полинг Л. Общая химия. Пер. с англ. - М., «МИР». 1974. - 846 стр.

3. Серга Э.В. О новой теории изотопов // Двойные технологии. - М., 2014, №2. С. 32-44.

4. Поляков Л.А. Способ разделения изотопов рения в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов. Патент RU 2 158 167 С1. Начало действия 07.10.1999. Владелец патента Комбинат «Электроприбор».

Изобретение относится к области ядерных технологий и может быть использовано для получения редкого и ценного изотопа осмия Os-187. Способ получения изотопа Os-187 искусственным путем включает облучение потоком заряженных частиц изотопов рения. Природный рений разделяют на изотопы Re-185 и Re-187. Изотоп Re-185 облучают потоком дейтронов, изотоп Re-187 облучают потоком протонов. Изобретение позволяет получить изотоп осмия Os-187 из изотопов природного рения искусственным путем.

Способ получения изотопа Os-187 искусственным путем, заключающийся в облучении потоком заряженных частиц изотопов рения, отличающийся тем, что разделяют природный рений на составляющие его изотопы Re-185 и Re-187, изотоп Re-185 облучают потоком дейтронов, изотоп Re-187 облучают потоком протонов.