橡樹嶺國家實驗室負(fù)責(zé)生產(chǎn)Californium-252(锎252/Cf252)的團(tuán)隊幫助交付具有多種用途的同位素，包括啟動新的和休眠的核反應(yīng)堆。圖片來源：美國能源部 Carlos Jones / ORNL
東田納西州在核歷史上占有特殊的位置。1943年，世界上第一個連續(xù)運行的反應(yīng)堆開始在這里運行，該土地后來成為能源部的橡樹嶺國家實驗室。
現(xiàn)在，ORNL再次站在反應(yīng)堆歷史的最前沿。ORNL是世界上唯一能夠有效生產(chǎn)放射性同位素Cf-252的地方，Cf-252是核反應(yīng)堆啟動的基本材料。今年夏天，實驗室運送了一批Cf-252散裝線，以支持兩個新核反應(yīng)堆的啟動。Cf-252是通過DOE同位素計劃在ORNL生產(chǎn)的。
反應(yīng)堆目前正在佐治亞州電力公司位于佐治亞州韋恩斯伯勒的沃格特工廠中建造，這將是30多年來美國第一座新的核反應(yīng)堆。
ORNL生產(chǎn)的散裝線材將被組裝成稱為啟動源的設(shè)備。由于新鮮核燃料缺乏安全引發(fā)鏈反應(yīng)所必需的中子通量，因此必須用由Cf-252或其他發(fā)射中子的強(qiáng)放射性同位素制成的此類啟動源進(jìn)行補充。
DOE同位素計劃依靠具有高中子輸出的ORNL高通量同位素反應(yīng)堆HFIR和具有屏蔽熱室陣列的ORNL放射化學(xué)工程開發(fā)中心REDC，為Cf-252和其他放射性同位素提供廣泛的利益相關(guān)方基礎(chǔ)。
那么，ORNL如何生產(chǎn)Cf-252?
ORNL的Cf-252項目經(jīng)理Julie Ezold說：“步驟很多，而且要求很高的精度。” “這項工作不可能在桌面上完成，而所有工作都是在熱室中完成的。”
復(fù)雜的過程可以分為三個主要階段：輻照，純化和制造。
首先，在REDC的屏蔽熱室中制造鋦靶，該鋦靶由封裝在長鋁管中的氧化鋦小球組成，然后運到HFIR進(jìn)行短距離照射。
將目標(biāo)加載到HFIR中后，研究堆將以每秒每平方厘米2.1兆個中子(2.1 x 10 15)個中子的中子通量對其進(jìn)行轟炸。反應(yīng)堆發(fā)射的中子通過稱為β衰變的過程將一些鋦原子轉(zhuǎn)化為其他元素。埃佐爾德說，所產(chǎn)生的物質(zhì)是Cf-252，鋦起始原料和其他錒系元素(包括鈹和锿)的概率混合物。
接下來，將被輻照的目標(biāo)從HFIR中移出，并轉(zhuǎn)移到REDC的兩個熱室設(shè)施之一中。首先對輻照過的靶進(jìn)行處理，以分離和純化Cf-252，然后將其轉(zhuǎn)移到另一個REDC熱室設(shè)備中，以進(jìn)一步處理成金屬絲。熱室的4.5英尺厚的混凝土墻和鉛玻璃窗使熱室技術(shù)人員可以安全地使用遠(yuǎn)程操縱器臂進(jìn)行放射化學(xué)工作。
在遠(yuǎn)距離在ORNL進(jìn)行放射化學(xué)并不容易，但是熱室操作主管Ed Smith和熱室技術(shù)員Dan Bettinger和John Courtney一起擁有完成此過程的經(jīng)驗和專業(yè)知識。
史密斯說：“從表面上看，這是一個復(fù)雜的過程，但對我們而言，這很簡單。”挑戰(zhàn)的一部分是所涉及材料的規(guī)模，該材料是如此之小，技術(shù)人員必須使用鑷子通過機(jī)械臂來撿起它們。貝廷格說：“鑷子肯定會增加難度。” “這可能有點壓力，”考特尼同意。
為了開始純化過程，熱室技術(shù)人員將不純的物質(zhì)加載到離子交換柱上，該離子交換柱是一個加壓的4英尺高的管，用于細(xì)胞內(nèi)化學(xué)分離工作。他們通過樹脂沿柱子沖洗材料，將Cf-252與其他act系元素分開。技術(shù)人員會重復(fù)這些多步色譜柱操作，以完全純化Cf-252。
ORNL的斯科特·懷特(Scott White)表示，該過程會產(chǎn)生大量不需要的液體，因此需要額外的步驟，即減少體積。
懷特說：“這需要數(shù)百毫升。” “您最終希望達(dá)到約60毫升。”
制造也是一個多步驟的過程。技術(shù)人員執(zhí)行稱為聯(lián)合沉淀的化學(xué)過程，以獲得Cf-252和鈀的固體沉淀物。為了除去水分，他們將沉淀物在烤箱中于攝氏數(shù)百度的溫度下干燥，然后將其干燥成氧化物粉末。接下來，技術(shù)人員使用單元內(nèi)顆粒模具組件和液壓機(jī)將粉末壓成顆粒。然后，他們在熔化爐中以超過1500攝氏度的溫度熔化粒料，同時將其與其他鈀金屬合金化。
最后，技術(shù)人員將熔化的顆粒在珠寶商的磨坊上軋成直徑小于十分之一英寸的散裝線，然后將其切成較小的長度。線切割完成后，將它們焊接到中間囊中，送至“清潔室”進(jìn)行去污和泄漏測試，并準(zhǔn)備裝運給DOE同位素計劃客戶。
幾十年來，ORNL一直定期生產(chǎn)Cf-252，但由于其在具有歷史意義的Plant Vogtle反應(yīng)堆中發(fā)揮重要作用，這一最新批次的產(chǎn)品非常特殊。
“令人遺憾的是，我們在ORNL生產(chǎn)并由DOE同位素計劃提供給工業(yè)的Cf-252材料將用于啟動過去三十年來在美國建造的第一批新核裝置。”埃佐爾德說。
這項工作是由美國能源部科學(xué)辦公室的美國能源部同位素計劃資助的。HFIR由美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助和運營。
