一种铀铝合金靶件溶解装置的制作方法

1.本发明属于
99
mo制取技术领域，具体涉及一种铀铝合金靶件溶解装置。


背景技术：

2.99
mo是一种人工放射性核素，半衰期为66h，衰变得到
99m
tc。
99m
tc是现代核医学中应用最广泛的同位素，
99m
tc药物占临床用放射性诊断药物的80％以上。
3.99
mo生产的主要途径是反应堆辐照铀
‑
235通过裂变反应生成
99
mo和其他产物，
99
mo占裂变产物的6.1％(质量百分比)。
4.铀靶(
235
u)入堆后在热中子的作用下会发生裂变反应，反应截面为586b。裂变反应方程式为：
5.235
u(nf)
236
u
→
99
mo+
134
sn+3n
6.为了达到批量生产和出口，根据核不扩散条约，目前大规模生产裂变
99
mo只能采用低浓化工艺。将leu(leu,
235
u的含量小于19.75％)制备成靶件，入反应堆辐照裂变后，从裂变产物中提取
99
mo。u
‑
al合金弥散体或合金靶件是高浓铀生产裂变钼的成熟靶型，将靶件入反应堆进行辐照，使
235
u发生裂变反应产生
99
mo等的裂变产物，再通过溶解、分离提取等复杂的工艺从裂变产物中进行提取、纯化
99
mo，以获得高纯度医用
99
mo。
7.u
‑
al合金靶件的溶解工艺是采用naoh进行溶解，反应方程为：
8.2al+2naoh++2h2o
→
2naalo2+3h2↑
9.因为u不溶解于naoh，靶件的溶解主要是al与溶解液的反应，反应方程为：
10.2al+6h2o
→
2al(oh)3↓
+3h2↑
11.al(oh)3的生成焓δh
f0
为
‑
1287.4kj/mol
12.al是活泼的两性金属，naoh过量后，al(oh)3溶解成naalo2，反应方程为：
13.al(oh)3+naoh
→
naalo2+2h2o
14.naalo2的生成焓δh
f0
为
‑
1137.3kj/mol
15.因为al(oh)3和naalo2的生成焓δh
f0
都比较高，当外层稳定的三氧化二铝钝化膜被溶解后，
16.al2o3+2naoh+3h2o
→
2na{al(oh)4}
17.纯al的化学性质活泼，与h2o反应迅速生成al(oh)3沉淀，在过量的naoh中，al(oh)3会迅速溶解生成naalo2。al的溶解反应，1mol的al会产生418.4kj的热量，2mol的al会产生3mol(67.2升)的h2。
18.因此，u
‑
al合金靶件在naoh中的溶解反应较为剧烈δg＝δh
f0
－tδs＜0，是发热反应温度升高很快，并会产生大量的h2气体产生很高的反应压力p，靶件转化为低浓铀靶件后，u
‑
al合金靶件中al含量会增高，反应中产生的气体量也会增大，需要对反应压力p进行恒定控制，以保证溶解过程的安全。
19.在低浓铀靶件溶解中需要考虑更多的是安全问题，如：反应效应、原子核热效应、靶件中产生的放射性活度、溶解产生的气体压力等都是溶解器设计时要考虑的问题。


技术实现要素：

20.本发明的目的是提供一种用于辐照leu
‑
al合金靶件的溶解装置，需要具备控温、承压和净化放射性废气的能力，以达到leu
‑
al合金靶件完全溶解的效果，并将产生的尾气进行处理、储存、回收，达标气体排放。该溶解装置需要将反应压力控制在1atm；并且能够对反应温度和速度进行控制，避免反应的温度升高过高，反应速度过快；还需要对溶解液膨胀的体积进行控制，防止溶解液体积膨胀溢出造成损失，防止对环境造成放射性污染，完全溶解靶件并去除部分杂质，为进一步分离提取获得
99
mo产品打下基础。
21.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种铀铝合金靶件溶解装置，其中，包括依次串联设置的溶解单元、气体吸收单元、尾气储存单元，还包括控制所述溶解单元工作的远距离plc自动控制单元；u
‑
al合金靶件与naoh溶液在所述溶解单元中溶解反应后所产生放射性气体和溶解液，所述气体通过所述放射性气体吸收单元的吸收处理后进入所述尾气储存单元保存，所述溶解液从所述溶解单元排出。
22.进一步，
23.所述溶解单元包括密封的溶解器，设置在所述溶解器内的加热器和冷凝套和量热铂电阻，还包括穿设在所述溶解器上端的进液管路、进气管路、出液管路、压力计和出气管路；
24.所述溶解器为站立式，采用不锈钢加工而成，罐体可耐热程度≥600℃，罐体可耐压程度≥3atm；
25.所述加热器用于所述溶解器内的加热；
26.所述冷凝套用于所述溶解器内的降温；
27.所述量热铂电阻用于测量所述溶解器内的所述溶解反应的温度，并将所述溶解反应的温度的变化传导到所述远距离plc自动控制单元；
28.所述进液管路用于向所述溶解器输入所述naoh溶液，所述进液管路通过第一阀门控制开启关闭；
29.所述进气管路用于向所述溶解器输入he气，将所述溶解反应释放出的所述放射性气体从所述溶解液中赶出；所述进气管路通过第二阀门控制开启关闭；
30.所述出液管路连接位于所述溶解器之外的过滤器，用于排出所述溶解反应后的所述溶解液，所述出液管路通过第三阀门控制开启关闭，所述过滤器进液一端的管路上设有第二十阀门；所述溶解液从所述过滤器排出后进入分离纯化步骤；
31.所述压力计用于读取所述溶解器中的压力；
32.所述出气管路用于将所述溶解反应释放出的所述放射性气体排出至所述气体吸收单元进行吸收净化，维持所述溶解器内的溶解压力在1atm；
33.所述远距离plc自动控制单元用于控制所述加热器和所述冷凝套工作，并获取所述量热铂电阻得到的温度的值。
34.进一步，
35.所述气体吸收单元，包括沿所述放射性气体流经方向依次串联的多级碱性液体吸收柱、多级固体吸收剂吸收柱和惰性气体吸收柱；
36.所述多级碱性液体吸收柱包括串联的若干个碱性液体吸收柱，所述碱性液体吸收柱的数量≥3；每个所述碱性液体吸收柱还设有排放管路，所述排放管路通过第十七阀门控
制开启关闭；所述多级碱性液体吸收柱与所述出气管路的连接一端通过第五阀门控制开启关闭；
37.所述多级固体吸收剂吸收柱包括串联的若干个固体吸收剂吸收柱，所述固体吸收剂吸收柱的数量≥3；所述多级固体吸收剂吸收柱与所述多级碱性液体吸收柱的连接一端通过第六阀门控制开启关闭；
38.所述惰性气体吸收柱设置在冷阱中，在低温条件下将所述放射性气体中的惰性气体吸附到所述惰性气体吸收柱上，所述惰性气体吸收柱能够拆卸；所述惰性气体吸收柱的进气一端设有第十一阀门，出气一端设有第十二阀门；所述第十一阀门的上游和所述第十二阀门的下游之间连通，并通过第十阀门控制开启关闭。
39.进一步，在所述气体吸收单元中，还包括设置在所述多级固体吸收剂吸收柱和所述惰性气体吸收柱之间的可更换吸收柱，所述可更换吸收柱用于吸收所述放射性气体中的特定吸收对象，可根据所述特定吸收对象更换对应的吸收材料；所述可更换吸收柱能够拆卸；所述可更换吸收柱的进气一端设有第八阀门，出气一端设有第九阀门。
40.进一步，
41.所述尾气储存单元包括用于保存经所述气体吸收单元处理后的所述放射性气体的并联的第一储气罐和第二储气罐，还包括用于对所述第一储气罐和所述第二储气罐进行抽真空的真空泵；
42.所述第一储气罐的进气口通过第一出气支路与所述惰性气体吸收柱的出气一端相连，所述第一出气支路通过第十三阀门控制开启关闭；所述第一储气罐的出气口通过第一排气支路与所述真空泵相连，所述第一排气支路通过第十五阀门控制开启关闭；所述第一储气罐设有第一真空压力表；
43.所述第二储气罐的进气口通过第二出气支路与所述惰性气体吸收柱的出气一端相连，所述第二出气支路通过第十四阀门控制开启关闭；所述第二储气罐的出气口通过第二排气支路与所述真空泵相连，所述第二排气支路通过第十六阀门控制开启关闭；所述第二储气罐设有第二真空压力表。
44.进一步，还包括与所述气体吸收单元并联的辅助气路单元，所述辅助气路单元包括辅助气路管路和串联在所述辅助气路管路上的若干个碱性吸收柱，所述碱性吸收柱的数量≥2；所述辅助气路管路的进气一端与所述第四阀门和所述第五阀门之间的所述出气管路连接，所述辅助气路管路的出气一端与所述第一出气支路和所述第二出气支路并联；所述辅助气路管路的进气一端设有第十八阀门，所述辅助气路管路的出气一端设有第十九阀门。
45.进一步，所述远距离plc自动控制单元还用于控制所述真空泵、所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门、所述第五阀门、所述第六阀门、所述第八阀门、所述第九阀门、所述第十阀门、所述第十一阀门、所述第十二阀门、所述第十三阀门、所述第十四阀门、所述第十五阀门、所述第十六阀门、所述第十七阀门、所述第十八阀门、所述第十九阀门和所述第二十阀门的关闭和开启，还用于获取所述第一真空压力表、所述第二真空压力表的数值，还用于控制所述冷阱的工作并获取所述冷阱的温度。
46.本发明的有益效果在于：
47.1.u
‑
al合金辐照靶件安全溶解，为分离
99
mo打下基础。该发明充分考虑到u
‑
al合金
低浓铀靶件溶解的安全性问题，在容器和管路设计上通过选材、耐压、自动控温和尾气吸收设计来制作溶解装置，以利于对溶解过程进行控制，保障u
‑
al合金低浓铀辐照靶件溶解安全；溶解是在密闭承压的容器中完成溶解过程，并配置气体处理系统，保障溶解过程产生的气体最终安全排放，保护人员操作安全，保护环境避免污染。
48.2.净化系统(气体吸收单元、辅助气路单元)将产生的放射性气体净化达标，可安全排放。净化系统设计串联安置选择性不同的几组吸附柱，可完全的对溶解反应过程产生的放射性气体全部净化吸收，保障了排放气体的达到国家排放标准。
49.3.设计的溶解器可以连续操作。整个溶解装置操作简单，靶件溶解迅速。针对不同的靶件，辐照时间和出堆时间也不相同，溶解完一批靶件后，可以连续溶解下一批靶件，可保障医用
99
mo的连续生产。
附图说明
50.图1是本发明具体实施方式中所述的一种铀铝合金靶件溶解装置的示意图；
51.图中：1
‑
加热器，2
‑
溶解器，3
‑
冷凝套，4
‑
量热铂电阻，5
‑
进液管路，6
‑
进气管路，7
‑
出液管路，8
‑
压力计，9
‑
出气管路，10
‑
碱性液体吸收柱，11
‑
固体吸收剂吸收柱，12
‑
可更换吸收柱，13
‑
惰性气体吸收柱，14
‑
冷阱，15
‑
第一储气罐，16
‑
第二储气罐，17
‑
第一真空压力表，18
‑
第二真空压力表，19
‑
真空泵，20
‑
碱性吸收柱，21
‑
第一出气支路，22
‑
第二出气支路，23
‑
第一排气支路，24
‑
第二排气支路，25
‑
辅助气路管路，26
‑
过滤器，27
‑
第一阀门，28
‑
第二阀门，29
‑
第三阀门，30
‑
第四阀门，31
‑
第五阀门，32
‑
第六阀门，33
‑
第八阀门，34
‑
第九阀门，35
‑
第十阀门，36
‑
第十一阀门，37
‑
第十二阀门，38
‑
第十三阀门，39
‑
第十四阀门，40
‑
第十五阀门，41
‑
第十六阀门，42
‑
第十七阀门，43
‑
第十八阀门，44
‑
第十九阀门，45
‑
第二十阀门。
具体实施方式
52.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
53.如图1所示，本发明提供的一种铀铝合金靶件溶解装置(该装置为全密闭结构)，其中，包括溶解单元、气体吸收单元、辅助气路单元、尾气储存单元，还包括控制溶解单元工作的远距离plc自动控制单元。
54.溶解单元、气体吸收单元、尾气储存单元依次串联设置；u
‑
al合金靶件与naoh溶液在溶解单元中溶解反应后所产生放射性气体和溶解液，气体通过放射性气体吸收单元的吸收处理后进入尾气储存单元保存，溶解液从溶解单元排出进入分离纯化步骤。
55.溶解单元包括密封的溶解器2，设置在溶解器2内的加热器1和冷凝套3和量热铂电阻4，还包括穿设在溶解器2上端的进液管路5、进气管路6、出液管路7、压力计8和出气管路9；
56.溶解器2为站立式，采用不锈钢加工而成，体积约为1590ml，罐体可耐热程度≥600℃，罐体可耐压程度≥3atm；
57.加热器1用于溶解器2内的加热；
58.冷凝套3用于溶解器2内的降温；
59.量热铂电阻4用于测量溶解器2内的溶解反应的温度，并将溶解反应的温度的变化传导到远距离plc自动控制单元，以快速反馈信息对反应温度进行控制；
60.进液管路5用于向溶解器2输入naoh溶液(ph＞10)和辅助溶液，进液管路5通过第一阀门27控制开启关闭；
61.进气管路6用于向溶解器2输入he气，将溶解反应释放出的放射性气体从溶解液中赶出；进气管路6通过第二阀门28控制开启关闭；
62.出液管路7连接位于溶解器2之外的过滤器26，用于排出溶解反应后的溶解液，出液管路7通过第三阀门29控制开启关闭，过滤器26进液一端的管路上设有第二十阀门45；溶解液从过滤器26排出后进入分离纯化步骤；
63.压力计8用于读取溶解反应时溶解器2中的压力，对其进行监测；
64.出气管路9用于将溶解反应释放出的放射性气体排出至气体吸收单元进行吸收净化，维持溶解器2内的溶解压力在1atm；
65.远距离plc自动控制单元用于控制加热器1和冷凝套3工作，并获取量热铂电阻4得到的温度的值。
66.气体吸收单元主要针对溶解反应产生的放射性气体进行收集，是铀铝合金靶件溶解装置的主路单元，包括沿放射性气体流经方向依次串联的多级碱性液体吸收柱、多级固体吸收剂吸收柱和惰性气体吸收柱13；
67.多级碱性液体吸收柱包括串联的若干个碱性液体吸收柱10，碱性液体吸收柱10的数量≥3，根据每次溶解反应产生的放射性气体总量来决定所需的数量；每个碱性液体吸收柱10还设有排放管路，排放管路通过第十七阀门42控制开启关闭；多级碱性液体吸收柱与出气管路9的连接一端通过第五阀门31控制开启关闭；
68.多级固体吸收剂吸收柱包括串联的若干个固体吸收剂吸收柱11，固体吸收剂吸收柱11的数量≥3，根据每次溶解反应产生的放射性气体总量来决定所需的数量；多级固体吸收剂吸收柱与多级碱性液体吸收柱的连接一端通过第六阀门32控制开启关闭；多级固体吸收剂吸收柱排出的放射性气体，进入惰性气体吸收柱13进行低温净化；
69.惰性气体吸收柱13设置在冷阱14中，冷阱14中加入液氮，在低温条件下将放射性气体中的惰性气体吸附到惰性气体吸收柱13上，惰性气体包括
133
xe、
135
xe和
85
kr等，惰性气体吸收柱13能够拆卸，当溶解反应结束后，惰性气体吸收柱13可拆除并放置到安全场所进行衰变，待后续处理；惰性气体吸收柱13的进气一端设有第十一阀门36，出气一端设有第十二阀门37；第十一阀门36的上游和第十二阀门37的下游之间连通，并通过第十阀门35控制开启关闭。
70.在气体吸收单元中，还包括设置在多级固体吸收剂吸收柱和惰性气体吸收柱13之间的可更换吸收柱12，可更换吸收柱12用于吸收放射性气体中的特定吸收对象，可根据特定吸收对象更换对应的吸收材料；可更换吸收柱12能够拆卸；可更换吸收柱12的进气一端设有第八阀门33，出气一端设有第九阀门34。
71.尾气储存单元包括用于保存经气体吸收单元处理后的放射性气体的并联的第一储气罐15和第二储气罐16(体积都为50l)，还包括用于对第一储气罐15和第二储气罐16进行抽真空的真空泵19；尾气储存单元用于储存气体吸收单元和辅助气路单元通过的气体；
72.第一储气罐15的进气口通过第一出气支路21与惰性气体吸收柱13的出气一端相连，第一出气支路21通过第十三阀门38控制开启关闭；第一储气罐15的出气口通过第一排气支路23与真空泵19相连，第一排气支路23通过第十五阀门40控制开启关闭；第一储气罐
15设有第一真空压力表17；
73.第二储气罐16的进气口通过第二出气支路22与惰性气体吸收柱13的出气一端相连，第二出气支路22通过第十四阀门39控制开启关闭；第二储气罐16的出气口通过第二排气支路24与真空泵19相连，第二排气支路24通过第十六阀门41控制开启关闭；第二储气罐16设有第二真空压力表18；
74.当第一真空压力表17显示第一储气罐15满时或第二真空压力表18显示第二储气罐16满时，可通过控制真空泵19、第十五阀门40、第十六阀门41使两个储气罐交替使用，完成放射性气体释放量大的溶解反应过程。溶解反应完成后，第一储气罐15和第二储气罐16中的放射性气体可通过真空泵19转移出去。
75.此外，通过阀门控制，真空泵19还用于溶解反应前，清除铀铝合金靶件溶解装置中的残余气体，以保证溶解反应过程在全封闭的条件下完成。
76.辅助气路单元与气体吸收单元并联，是铀铝合金靶件溶解装置的支路单元，辅助气路单元包括辅助气路管路25和串联在辅助气路管路25上的若干个碱性吸收柱20，碱性吸收柱20的数量≥2；辅助气路管路25的进气一端与第四阀门30和第五阀门31之间的出气管路9连接，辅助气路管路25的出气一端与第一出气支路21和第二出气支路22并联；辅助气路管路25的进气一端设有第十八阀门43，辅助气路管路25的出气一端设有第十九阀门44。
77.辅助气路主要有两个作用：一是在清洗溶解器2时，产生的气体经此气路简单净化，可以保护气体吸收单元，延长其使用寿命；二是在故障条件下，主路气体吸收单元不能正常工作，打开第十八阀门43和第十九阀门44，使溶解反应过程中产生的气体经过碱性吸收柱20简单处理后储存在第一储气罐15或第二储气罐16中。
78.远距离plc自动控制单元还用于控制真空泵19、第一阀门27、第二阀门28、第三阀门29、第四阀门30、第五阀门31、第六阀门32、第八阀门33、第九阀门34、第十阀门35、第十一阀门36、第十二阀门37、第十三阀门38、第十四阀门39、第十五阀门40、第十六阀门41、第十七阀门42、第十八阀门43、第十九阀门44和第二十阀门45的关闭和开启，还用于获取第一真空压力表17、第二真空压力表18的数值，还用于控制冷阱14的工作并获取冷阱14的温度。
79.最后说明本发明所提供的铀铝合金靶件溶解装置的实际应用。
80.以含al量60g的u
‑
al合金靶件为例，在naoh中的溶解时，会产生2.22mol体积44.8升的h2↑
，并还因u裂变还会产生
133
xe、
135
xe、
131
i、
133
i和
85
kr等放射性气体。生成的这些气体若全密闭的溶解器2中，使溶解体系增加了非常大的压力，给u
‑
al合金靶件的溶解带来很大的不安全因素，必须通过控制溶解反应时的压力进行控制，以保证溶解时的安全，使溶解反应安全顺利进行。
81.因为1mol的al溶解反应会产生13.6kcal(56.85kj)的热量q，溶解体系会产生的很高温度，所产生的热量会对溶解体系做功w，使溶解体积v发生变化：
[0082][0083]
在反应压力p控制恒定的情况下，
[0084]
w＝p(v2－v1)＝pδv
[0085][0086]
因此，随着反应的温度升高，溶解体积v会产生的膨胀δv体积。溶解体积膨胀的过快过大，会对溶解安全造成影响，造成溶解体积的损失，所以，需要对溶解温度进行控制减小体积的膨胀。
[0087]
naalo2生成焓δ
f
h0为
‑
1137.3kj/mol，1mol的al溶解反应会产生13.6kcal(56.85kj)的热量，u
‑
al合金靶件溶解反应的自由能δg＝δh
‑
tδs＜0，是发热反应。靶件溶解反应的总熵变δs＝δs
体系
+δs
环境
，在反应压力p控制恒定条件下，通过控制环境熵变δs
环境
，对溶解反应进行控制。
[0088]
环境熵变δs
环境
：
[0089][0090]
式中cv.m＝0.89kj/kg.k，为铝的等压下热容量
[0091]
将辐照过的u
‑
al合金靶件(约60g)放入溶解器2中(靶件溶解和尾气净化收集是在密闭体系中完成的，为了使反应顺利可控进行，在反应初时需要对溶解器2进行加热促进初时的反应，)，开启气体吸收单元、尾气储存单元中所有阀门，关闭辅助气路单元。打开真空泵19将铀铝合金靶件溶解装置中残余的杂气清除后关闭真空泵19。关闭所有阀门。打开第一阀门27从进液管路5向溶解器2中加入naoh 800ml，关闭第一阀门27。加热溶解器2控制溶解温度为100℃，打开第四阀门30、第五阀门31、第六阀门32、第八阀门33、第九阀门34、第十一阀门36、第十二阀门37、第十三阀门38或第十四阀门39，让溶解产生的气体通过第四阀门30、第五阀门31进入多级碱性液体吸收柱(包括串联的3个碱性液体吸收柱10)，未被吸收的气体经过第六阀门32进入多级固体吸收剂吸收柱(包括串联的3个固体吸收剂吸收柱11)继续净化。从多级固体吸收剂吸收柱流出的气体通过第八阀门33、第九阀门34、第十一阀门36、第十二阀门37流经惰性气体吸收柱13将放射性的惰性气体清除后，通过第十三阀门38储存到第一储气罐15中，或通过第十四阀门39储存到第二储气罐16中，至此溶解完全。溶解液经第三阀门29从溶解器2中抽出，经过滤器26过滤后进入纯化步骤。至此即完成u
‑
al合金靶件溶解过程，得到含(moo4)2‑
等组分的混合溶液。
[0092]
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。