Ядерно-физические свойства изотопов трансурановых элементов и их использование в радиохимическом анализе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

Государственный научный центр Российской Федерации Научно-исследовательский институт атомных реакторов

На правах рукописи

Попов Юрий Сергеевич

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗОТОПОВ ТРАНСУРАНОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РАДИОХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

02.00.02 - Аналитическая химия 02.00.14 - Радиохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

Доктор химических наук

Тимофеев Г.А. Кандидат физико-математических наук Рязанов Д. К.

Димитровград - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ .................................................... 6

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР .................................10

1.1. Получение калифорния-252 ............................. 10

1.2. Ядерные свойства изотопов ТПЭ .........................11

1.3. Методы определения изотопов ТПЭ.......................15

1.3.1. • Радиометрия альфа-, бета-, нейтронного

излучений . .................... . .............15

1.3.2. Гамма-, рентгеновская-спектрометрия.............18

1.3.3. Спектрометрия альфа-частиц и осколков спонтанного деления ..........................24

Выводы .......................................".....29

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...........................30

2.1. Метрологическое обеспечение...........................30

2.1.1. Система средств измерений ........................30

2.1.2. Аппаратура. Оборудование.........................31

2.1.3. Образцовые источники............................32

2.1.4. Инженерно-техническое обеспечение.................32

2.1.5. Статус ядерных данных.............................32

2.1.6. Математические формулы, алгоритмы................40

2.2. Исследование ядерных свойств

изотопов ТПЭ .......................................43

2.2.1. Определение периодов полураспада плуто-ния-246,247, америция-246т,247 ................. 43

2.2.2. Определение периодов полураспада берклия-250, , эйнштейния-254 .............................. 51

2.2.3. Определение периода полураспада калифор-

ния-250 ..................................... 56

2.2.4. Определение периодов полураспада эйнштей-

ния-253,254,254т,255,257; фермия-256 ............ 59

2.2.5. Определение энергии и интенсивности альфа-излучения изотопов плутония-238,239,240,241;

америция-241,243; кюрия-242,244; берклия-249; калифорния-249,250 ........................... 64

2.2.6. Определение энергии и интенсивности гамма-излучения изотопов плутония-246; америция-243,245,247; кюрия-243,245; берклия-249; эйнштейния-253,254,255,257; фермия-256 .................................. 64

2.2.7. Определение интенсивности М-,Ь-рентгенов-ского излучения изотопов плутония-238,239,242; америция-241,242т,243,245; кюрия-242,243,244, 245,248; берклия-249,250; калифорния-249,250,

252; эйнштейния-253,254 ...................... 65

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ СВОЙСТВ

ИЗОТОПОВ ТПЭ. ПЕРИОДЫ ПОЛУРАСПАДА. ЭНЕРГИИ И ИНТЕНСИВНОСТИ АЛЬФА-, ГАММА-. РЕНТГЕНОВСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЙ...........................................67

Выводы ................................................73

Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАЛИФОРНИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ......... 74

4.1. Сканирование протяженных калифорниевых

источников .........................................74

4.1.1. Средства измерений ...........................74

4.1.2. Установка сканирования .......................77

4.1.3. Коллиматор .................................79

4.1.4. Метод контроля распределения калифорния по

длине нейтронных источников...................80

4.2. Измерение нейтронных потоков .........................82

4.2.1. Средства измерений...........................82

4.2.2. Методы измерений нейтронных потоков ...........90

4.3. Методы определения энергии и потока осколков спонтанного деления калифорния-252 , ресурса

источника осколков деления............................92

4.3.1. Определение энергии..........................92

4.3.2. Определение потока...........................94

4.3.3. Определение ресурса источника осколков деления

на основе калифорния-252 ..............■........97

Выводы ................................................98

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.................101

ПРИЛОЖЕНИЕ .........................;.......... 114-139

Принятые условные обозначения:

а-излучение - альфа-излучение; ^-излучение - бета-излучение; п-излучение - нейтронное излучение; Х-излучение - рентгеновское излучение;

а

- альфа-распад ядра;

р

-> - бета-распад ядра; ип

- изомерный переход;

К, Ь, М - серии Х-излучения; Еа - энергия альфа-излучения;

% (например: 98252С:0 - химический символ (Ап) элемента калифорния,

в верхнем левом углу - массовое (А) число, для изомера добавляется буква m (Am), в нижнем левом углу - заряд (Z) ядра; Т1/2 - период полураспада нуклида;

Та - период полураспада нуклида относительно его альфа-распада;

Tf или Тс д - период полураспада нуклида относительно его спонтанного деления;

газ.2/7(4л") пр.сч. - газовый пропорциональный счетчик;

Торц.сч. - торцовый счетчик;

а-сп., Х-сп., к-сп., f-cn. - спектрометры альфа-, Х-, гамма- и осколочного

излучения соответственно; ДГДК - детектор германиевый, диффузионный, капсулированный; БДРК - блок детектирования, рентгеновский, капсулированный; HP(Ge) - детектор германиевый особо-чистый (High Pure); 1Н - направление напряженности магнитного поля; (п, у) - ядерная реакция захвата нейтрона с вылетом гамма-квантов; (а, п) - ядерная реакция захвата альфа-частицы с вылетом нейтрона; (п, 2п) - ядерная реакция захвата нейтрона с вылетом двух нейтронов.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из результатов современной научно-технической революции является практическое использование для нужд человечества искусственных, не встречающихся в природе,' элементов - плутония и трансплутониевых элементов (ТПЭ).

Основой, определяющей области применения ТПЭ, служат в первую очередь ядерные свойства их изотопов. Так, 239Ри, имеющий большое сечение деления на тепловых нейтронах, применяется в ядерной технике. Нуклиды 238Ри, 242Ст,.244Ст обладают высоким энерговыделением и используются в радионуклидных источниках тока и тепла, биостимуляторах сердца, рентгенофлюресцентном анализе, а 248Ст, 249Вк, 249СГи 254Ез - в качестве стартовых материалов при синтезе ядер сверхтяжелых элементов.

Особое место в ряду ТПЭ занимает радионуклид Ь2СГ, нашедший во всем мире наибольшее практическое применение. Имея высокий удельный выход (2,30-Ю12 с^-г"1) нейтронов и осколков деления (1,23-1012 с^-г"1), он является незаменимым в активационном анализе, каротаже скважин, поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, реакторной технике, медицине, биотехнологии.

Повышенный спрос на калифорниевые источники ориентирует специальные программы накопления ТПЭ в сторону ускорения и оптимизации процесса накопления радионуклида 252С^ а задачи исследования ядерных свойств ТПЭ и разработки радиометрических методов контроля изготовления калифорниевых источников встали как никогда остро.

По инициативе И.В.Курчатова впервые в России, в НИИАР, был создан комплекс, объединивший высокопоточные реакторы СМ-2, МИР и крупнейшие в Европе радиохимическую и материаловедческую лаборатории.

Этот комплекс обеспечивает проведение всего цикла работ по накоплению и выделению 2:,2Cf и сопутствующих ТПЭ, начиная с ампулирования стартового материала в мишени для облучения и кончая изготовлением калифорниевых источников.

Работы по накоплению калифорния и других ТПЭ проводились в соответствии с Координационными и отраслевыми планами, темами НИОКР, разработанными на основании Постановлений Совета Министров и Приказов по отрасли.

В настоящее время годовое производство калифорниевых источников промышленного и медицинского назначения превысило 200 штук с суммарным потоком нейтронов ~Ю10 с"1.

Выбор темы. Актуальность задачи производства калифорниевых источников и сопутствующих ТПЭ определили выбор темы данной диссертационной работы. Многообразие видов источников на основе калифорния-252 выявило необходимость разработки радиометрических методов контроля равномерности распределения калифорния по длине (от 10 мм до 50 мм) штырьковых источников медицинского назначения, измерения в "горячих" камерах и "тяжелых" боксах нейтронных потоков до Ю10 с"1 промышленных источников; энергии и потока осколков спонтанного деления, ресурса плоских источников для исследований высокомолекулярных продуктов биотехнологии.

Систематическое исследование ядерных свойств ТПЭ (от Ри до Рт) является необходимым условием успешного решения программы производства ТПЭ.

Перечисленные задачи сформулированы были впервые.

Цель работы - исследование ядерных свойств ТПЭ, полученных в многостадийном процессе накопления калифорния-252 в ядерных реакторах СМ-2, МИР и разработка радиометрических методов контроля изготовления калифорниевых источников различного назначения.

Научная новизна. Выполнены систематические исследования и уточнение периодов полураспада наименее изученных изотопов ТПЭ (от Ри до Рт).

Получены новые данные по периодам полураспада изотопов: плутония-246,247; америция-246,247; кюрия-242; калифорния-250,252; эйнштейния-253,255,257; фермия-256.

Впервые идентифицирован самый тяжелый из изотопов плутония - 247Ри, сделано предположение о существовании изотопа 257 Ез.

Уточнены данные по интенсивностям гамма-излучения изотопов: берклия-249; калифорния-249; эйнштейния-253,254.

Исследованы и систематизированы данные по интенсивностям М-,Ь-рентгеновского излучения изотопов ТПЭ.

Составлены каталоги аппаратурных спектров альфа-, гамма- и М-,Ь-рентгеновского излучений актиноидов.

Систематизированы в виде справочных таблиц данные по удельным активностям, энергиям и интенсивностям альфа-, гамма-рентгеновского излучений.

Впервые разработаны и внедрены методы радиометрического контроля изготовления протяженных нейтронных источников 2э2СГмедицинского назначения, измерения в "горячей" камере нейтронных потоков до ~101() с"1, определения энергии и потока осколков спонтанного деления, ресурса источников 2:,2Cf для исследования состава и строения высокомолекулярных биопродуктов.

Практическая значимость работы. Результаты исследования ядерных свойств изотопов ТПЭ введены в справочную литературу, используются для уточнения значений ядерных констант, усовершенствования радиометрических методов, оптимизации процесса получения калифорния-252.

Разработанные радиометрические методы позволили уверенно наладить производство калифорниевых источников различного назначения.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования ядерных свойств изотопов ТПЭ: плутонйя-238,239,240,241,246,247; америция-241,242 т, 243,245,246 т, 247; кюрия-242,243,244,245,248; берклия-249,250; калифорния-249,250,252; эйнштейния-253,254,254т,255,257; фермия-255,256.

2. Результаты разработки радиометрических методов контроля изготовления и аттестации источников различного назначения на основе калифорния-252.

Публикации и апробация работы. Результаты работы опубликованы в 43 научных трудах, в том числе 14 статьях в журналах "Радиохимия", "Атомная энергия" и других (ВАНТ,ПТЭ), 9 препринтах и 20 докладах на Всесоюзных конференциях по аналитической химии радиоактивных элементов (Москва, 1977, 1986 гг.), химии нептуния и плутония (Ленинград, 1982 г.), химии трансплутониевых элементов (Димитровград, 1983, 1988 гг.), применению экстракционных и сорбционных методов для выделения и разделения актинидов и лантанидов (Москва, 1984 г.), Всесоюзном Совещании по активационному анализу и другим радиоаналитическим методам (Ташкент, 1987 г.), Всесоюзной конференции по использованию радионуклидных источников в народном хозяйстве (Ленинград, 1988 г.), Международной конференции "Актиниды-89" (Ташкент, 1989 г.), Отраслевой

конференции по радиохимии и ядерной физике (Ленинград, 1989 г.), Международной конференции "Актиниды-93" (Санта Фе, США, 1993 г.), 1-ой Российской конференции по радиохимии (Дубна, 1994 г.), Международной конференции по радионуклидной метрологии (Севилья, Испания, 1995 г.), 2-ой Российской конференции по радиохимии (Димитровград, 1997 г.).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц и 35 рисунков.

Она включает в себя введение, четыре главы, выводы, общие выводы, список литературы из 151 наименований, а также справку о вкладе соавторов печатных работ, приложение.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Получение калифорния

Процесс получения 252СГ многостадийный [1,2]. На первой стадии получают америций и кюрий. В этом случае проводят облучение нейтронами плутоний в реакторе МИР, обладающем значительным полезным объемом облучательных устройств. На второй стадии при накоплении тяжелых изотопов кюрия и транскюриевыхэлементов используется высокопоточный реактор СМ-2. Основными продуктами являются калифорний, берклий и кюрий, обогащенный тяжелыми изотопами 24бСш, 248Сш.

В дальнейшем изотоп 248Сш получали, какдочерний нуклид при альфа-распаде нуклида 252СГ.

Получение нуклида 252СГ и других ТПЭ осуществляют при нейтронном облучении топлива или стартового Ри-материала (мишени) по реакциям:

240

РЦ-241Р11-^РЦ 241А^242АШ-

]242 т>„1.

2431

Ри-244Ри-24:,Р1н>^Ри-24/ Ри

245

2461

2471

^ 242 л... 1243д|^^244 ^^ ' "1

Ат-245Аш-24б1ш-247Ат

242

245Ст^24бСт^247Ст^-248Ст->249Ст

С т->24 3 С т->, С ггь

253ЕЗ

254 254

255

Е§

256

Еэ

255

Рт

256

Рт

* 257Е8

257р;т

249Вк]»250Вк

- (п,у) реакция

- реакция /?-распада.

Наиболее быстрый путь (третья стадия) получения целевого продукта - Ъ1С(это облучение в реакторе СМ-2 тяжелых изотопов кюрия и берклия.

1.2. Ядерные свойства изотопов ТПЭ

Работы с трансплутониевыми элементами (ТПЭ) развиваются во многих странах мира. Это обусловлено большим научным интересом к этим элементам, физические и химические свойства которых изучены все еще недостаточно, а также развитием атомной энергетики и использованием ТПЭ в народном хозяйстве. Получение ТПЭ связано с переработкой высокоактивных материалов, содержащих смесь плутония или более тяжелых элементов, облученных в ядерных реакторах при получении калифорния и транскалифорниевых элементов |1,2|.

В настоящее время в области элементов с Z=94-103 известно около 150 нуклидов, все они радиоактивны и имеют периоды полураспада от нескольких НС до 108 лет [3,4]. В табл. 1.1 приведены ядерно-физические свойства некоторых из них, имеющих практическое значение. Подавляющее большинство нуклидов, перечисленных в табл. 1.1, распадаются с испусканием альфа-частиц, энергия которых находится в диапазоне 4,6-7,2 МэВ, поэтому основным радиометрическим методом количественного определения ТПЭ является измерение их активности по альфа-излучению (интегральный счет или альфа-спектрометрия). Примерно половина нуклидов обладаетпрактически заметной скоростью спонтанного деления, на чем может быть основано их определение по счету нейтронов или осколков деления.

Испускание гамма- и характеристического рентгеновского излучений наблюдается при распаде всех нуклидов, что также используется для их качественного и количественного определения.

В последние годы в ряде стран были выполнены работы по уточнению периодов полураспада ряда важных изотопов плутония, америция, кюрия, берклия, калифорния и фермия.

Таблица 1.1

Ядерно-физические свойства изотопов трансплутониевых элементов (ТПЭ)

Нуклид Период полураспада Удельная активность, Бк/г Вид и энергия испускаемых частиц, кэВ (интенсивность, %) Энергия и выходы наиболее интенсивных гамма-квантов, Е кэВ, (интенсивность, %) Е, (%) Нейтронная активность, н/(с.г)

236ри 2,851 год 1,965-Ю13 а\ 5768(68,9), 5721(30,9) 165,0(6,6-Ю'4), 109(0,018), 47,6(0,067) 3,38-104

237ри 45,63 сут. 4,374-Ю14 а: 5650(21), 5360(79) 103,39(38), 59,6(5) -

238pu 87,63 год 6,341-Ю11 а: 5499(71,5), 5457(28,4) 152,7(1,40-Ю"3), 99,9(8-Ю~3), 43,5(0,038) 2550

239pu 24108 год 2,295-10® а: 5155(73,3), 5143(15,1), 5105(11,5) 413,7(1,47-Ю"3), 129,3(6,2-Ю"3), 51,63(0,026), 38,68(0,016) 0,023

240Pu 6537 год 8,429-Ю9 а: 5168(73,5), 5124(26,4) 160,3(4, МО'4), 104,24(7,2-Ю"3), 4524(0,0441) 929

241 Pu 14,41 год f 3,808-Ю12 а: 4897(2,05-Ю"3), 4854(3-Ю"4), р. 20,8 148,56(1,9-Ю"4), 103,7(1,МО'4) 0,04

242pu 3,755-Ю5 год 1,455-Ю8 о: 4901(77), 4856(23) 158,8(5-10"4), 103,5(8, МО"3), 44,9(0,037) 1680

24,pu 8,26-Ю7 год 6,561-Ю5 а: 4589(80,6), 4546(19,4) 44(0,015) 1890

241АШ 432,6 год 1,268-Ю'1 а: 5486(85,2), 5443(12,7) 146,6(3,2-Ю'4), 59,537(35,8), 26,345(2,4) 1,0

242АШ 141 год 3,88-Ю11 ' * . а: 5411(1,2), 5367(1,5), 5207(89) 109,6(0,025), 86,7(0,038), 49,3(0,2) 200

Продолжение табл. 1.1

Нуклид Период полураспада Удельная активность, Бк/г Вид и энергия испускаемых частиц, кэВ (интенсивность, %) Энергия и выходы наиболее интенсивных гамма-квантов, Е кэВ, (интенсивность, %) Е, (%) Нейтронная активность, н/(с.г)

243Аш 7369 год 7,385-Ю9 а: 5275(87,4), 5234(11), 5179(1,3) 117,6(0,7), 74,7(67), 43,5(6) 4,0

245Аш 123 мин. 2,308-Ю17 /?: 905(78), 650(17), 600(5) 252,3(6,1) -

246Аш 39 мин. 7,252-Ю17 - 679(53), 205(36), 153,5(26) -

247Ат 24 мин. 1,174-Ю18 - 285(1,0 отн.ед.), 227(0,23 отн.ед.) -

242Ст 162,8 сут. 1,226-Ю14 а: 6113(74), 6070(26) 157,6(1,9-Ю"3), 101.9(2,6-Ю"3), 44,1(0,033) 2,25-Ю7

243 Ст 28,5 год 1,909-Ю12 о: 6057(4,7), 5993(5,63) 5785(73,54), 5741(10,65) 277,6(11,2), 228,2(7,3), 209,8(5,6) -

244 Ст 18,11 год 2,992-Ю12 а: 5805(76,4), 5763(23,6) 152,6(10"3), 98,9(1,6-Ю"3), 42,8(0,0236) 1,085-Ю7

245Ст 8532 год 6,326-Ю9 о: 5468(2,7), 5360(87,6) 174(14), 133(13,7) -

24бСт 4730 год 1,136-Ю10 а: 5385(79), 5342(21) 44,5(0,024) 8,63-Ю6

247Ст 1,56-Ю7 год 3,43-Ю6 а: 5240(21), 4866(79) 402,4(72), 84(23) -

248Ст 3,39-Ю5 год 1,57-Ю8 а: 5078(68), 5034(18) 45(0,02) 4,12-Ю7

1—I

из

Окончание табл. 1.1

Нуклид Период полураспада Удельная активность, БкД Вид и энергия испускаемых частиц, кэВ (интенсивность, %) Энергия и выходы наиболее интенсивных гамма-квантов, Е, кэВ (интенсивность, %) Е, (%) Нейтронная активность, н/(с.г)

249Вк 327 сут 5,930-Ю13 р: 124 с?: 5417(68), 5390(18,3) 327(2,4-Ю"5), 308(4,4-Ю"6) 9,71-Ю4

г5овк 3,22 ч 1,440-Ю17 р. 725(89), 1760(11) 1031,8(35,5), 989(45,6) -

249СГ 351 год 1,513-Ю11 о: 5812(84,4), 5760(3,66) 388,14(66), 333,42(15) 2600

250а 13,08 год 4,044-Ю12 а: 6031(84,7), 5989(15) 42,9(0,016) 1,09-1010

251СГ 900 год 5,853-Ю10 а: 5916(50), 5680(50) 225(7,4), 177(19) -

252СГ 2,631 год 1,994-Ю13 с/: 6118(84), 6076(15,8) 153(10 3), 100,2(10"2), 43,4(1,48-Ю"2) 2,3-Ю12

253Ез 20,47 сут 9,326-Ю14 а: 6633(91,3), 6592(5,62) 388(0,046), 41,8(4,44О"3), 30,8(5,6-Ю"4) 3,1-Ю8

254ЕБ 276 сут 6,890-Ю13 а: 6429(93,2), 6416(1,9) 385(0,05), 316(0,15), 63(2) 8000

254Рт 3,24 ч 1,41-Ю17 а: 7200(85), 7150(14) 151(10"3), 98(0,028)