关于自制Th232-U233增殖堆的问题与解决方案
糕糕2020/04/20原创 核技术与核仪器 IP:北京
中文摘要
自己做增殖堆的一些方法
关键词
增殖堆核反应堆核裂变核物理放射化学

对于家庭实验党来说,可裂变核素无法购买,且分离同位素几乎不可能。但是核反应堆是最好的中子源,中子通量很大,也可以调节。所以可以尝试用易得的钍232吸收中子后衰变成易裂变核铀233,作为核燃料。

  1. 前车之鉴

    上世纪90年代的David Hahn尝试做过Th-U增殖堆,据说他的增殖堆最后产生了微量的U233和Pu239,但由于造成了环境污染,装置被带走埋起来了。

    他大概的思路是这样的:先做出中子源和Th燃料块,辐照一段时间后会生成一些U233,再尝试把很多块燃料块堆起来,让更多钍232吸收中子...

    1)中子源

    David Hahn先用烟雾报警器里面的Am241作为α源,把镅241小片用焊枪焊在一起,再用铝箔包起来,用(α,n)和(γ,n)反应产生中子。后来又用了从老式闹钟表针中扣下的硫酸镭和铍粉做成Ra-Be源,用石蜡检验产生了中子。

    2)燃料

    对于Th232,他大概是用了钍金属粉。听说他用汽灯纱罩燃烧得到的灰(主要是ThO2和Th(NO3)4)和锂放在一起,热置换得到了钍金属粉。钍金属粉再和碳粉混合,做成燃料块。燃料块用中子源辐照几周后,再装成“堆”...

  2. 或许可行的方法

    1)关于中子源

    主要的是镅铍源和镭铍源,考虑到离子烟感中镅含量极少,且难以聚集起来,个人认为镭铍源更符合实际。如果辐照Th232让其中含有部分U233,其实Fusor也可以。

        1.镅铍源

         市面常见的民用离子烟感是nis07,里面产生α粒子的是二氧化镅,外面镀了很薄的一层金铂合金,活度29.6kbp(约0.8μCi),聚集多个之后扣下来小片,和铍粉包在一起,或者用铍箔包好,有概率发生(α,n)反应

  3.                                                                      捕获.png

        这是镅铍中子源的中子能谱和γ能谱

                                               image.png

        几个数据

                                                  镅铍源数据.png

        表格中显示,镅铍源的理论中子产额是2.2~2.7中子/s*Ci,nis07所含镅的活度不足0.8μCi,因此自制镅铍源中子产额很小,几乎不可行。

        2.镭铍源

        镭可以从铀矿中用加入钡盐沉淀的方法富集,产物为硫酸镭,大部分是硫酸钡。(硫酸钡很难去除,去除后效果会更好)按镭:铍=1:5的比例把富集物和铍粉混合,可以做成中子源。有概率发生(α,n)反应和(γ,n)反应。

        镭铍源的几个数据

                                             镭铍源数据.png

          计算可得镭铍源的中子产额较大,而且镭盐比镅收集更容易,所以可以选用镭铍源。

          3.Fusor

          Fusor有时中子产额高达10^5到10^8个每秒,但是这需要很低的气压,甚至要用离子枪。缺点是中子无法集中,而     且不能长时间运行

    2)燃料的制作

         David Hahn将含钍灯罩的灰与锂金属混合,装在涂满植物油容器里(可能是提高温度),用喷枪提供热置换的温       度。  但是这个方法产量很低,操作很难,产物也不纯,我们可以直接使用二氧化钍粉末,或用锂置换四氟化钍得到钍金属。

        1.二氧化钍的制备

        鉴于二氧化钍并不管制,可以购买,所以尽量选择购买的。但是硝酸钍比二氧化钍更普遍,所以可以尝试用硝酸钍制备     二氧化钍。有三种方法可供选择:

           a.硝酸钍的分解

                Th(NO3)4=500°C=ThO2+4NO2+O2(我真的没找到资料,我猜的)

                优点:需要的温度较低,用喷枪就可以达到

                缺点:产生二氧化氮,产物不够纯

           b.草酸钍的分解

                先用硝酸钍和草酸反应得到草酸钍沉淀,将沉淀用蒸馏水洗涤,干燥后加热分解:

                Th(C2O4)2=780°C=ThO2+2CO2+2CO

                优点:很纯

                缺点:温度需要的很高,产生一氧化碳

           c.氢氧化钍的分解

                先用硝酸钍和氢氧化钠反应得到氢氧化钍沉淀,将沉淀用蒸馏水洗涤,干燥后加热分解:

                (或者用草酸钍和氢氧化钠溶液加热时反应,也可以得到)

                Th(OH)4=480°C=ThO2+2H2O

                优点:较纯,温度所需低

                缺点:氢氧化钍沉淀要洗涤很多遍

        2.钍金属的置换

            一般可以采用钙金属或者锂金属来置换钍,将二氧化钍或四氟化钍和金属一起放在锡纸里,用喷枪加热一会。

    3)堆的搭建

         1.芯块

          David Hahn将钍金属粉末(或二氧化钍粉末)与碳粉混合,包在用铝箔做成的正方体里,做成燃料芯块。他的钍:        碳比例可能在1:5到1:10之间。我们可以按照这个方法做出燃料芯块。

         2.反应容器的选择

        由于中子源的产额不够,我们需要可以散射中子的材料,让没有和钍发生反应的中子更充分的利用。用便宜的石墨片和聚乙烯块可以选择两者在一定程度上能散射弹射中子也能屏蔽中子和一点点伽马射线,用高纯石墨片构建反应容器内层,外层用聚乙烯加固加厚。或者用石墨坩埚效果也很好,但是里面的体积比较小

       3.射线的屏蔽

        反应产生的射线有中子,γ射线,以及衰变产物的α,β射线。所以我们可以在反应容器外面用硫酸钡粉,铅皮屏蔽γ射线。以及用硼砂吸收中子。最好用两层石墨坩埚,夹层间装上硼砂和硫酸钡。



    附:楼主水平不佳,如果有错误,欢迎指出。

        

来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器
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~~空空如也
zx-16533
4年2个月前 IP:广东
879037

看起来很好玩的样子,补充下几个数据,Th232的中子反应截面:

th232_f1.jpg

TIM截图20200420133154.png

看起来只需要cm级别尺寸的Th块就足够大部分的中子充分作用了。但是由于阿伏伽德罗常数是个很大的数字,即使fusor 10^8 s-1的中子产额全部照射到Th232金属上,也要照个好几年才能产生1ug的U233......

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大仙
4年2个月前 IP:湖南
879041

sticker 目测河北的矿坑快被查封了。

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justinpiggy
4年2个月前 IP:美国
879081

思路基本正确,不过主要问题不是被辐照的燃料的获取,更多问题是如何获得足够中子通量。


中子激活的话可以参考一下Carl Willis的一些工作,他使用的源的活度已经是比较大的了,最后得到的估计没有HPGe也看不出来效果。

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/2011/09/21/hpge-detector-part-ii-neutron-activation-with-a-weak-ambe-source/

同时他还尝试过直接用alpha粒子的反应,用了在美国这里比较容易获得的较大活度(>1mCi)Po-210源(一般用于除静电,Po-210来自于中子辐照Bi-209,大的Po-210源必须到期归还销售商,他们可以重新激活,不可拆卸。Static Master刷子上的源其实也有500uCi,那个可以拆卸,无需返还)。结果信噪比也很差,没有HPGe估计也看不到结果。

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/2011/10/06/hpge-detector-part-iii-gamma-rays-from-ap-reactions/


然后还是要注意水表安全。

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k569999765
4年2个月前 IP:四川
879128

1、烟感+铝箔产额极低,因为烟感阿尔法透过金箔和少许空气层后能量已将降低到2MeV左右,和原始接近5的能量产额有明显差距,且铝产额低于铍

2、上面2.2-2.7n/XXXX论文写漏了10的六次方。

3、即便用正规的100Ci的中子源,按如上方法制得的燃料块也无法自持,严格的说因设计问题会效率非常低,以至于基本全靠中子源贡献中子,而不是自身增值贡献,所以不如直接用中子源+50cm水后开孔照目标靶(比如钴59)来制作你想要的产物

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糕糕作者
4年2个月前 IP:北京
879136
引用k569999765发表于4楼的内容
1、烟感+铝箔产额极低,因为烟感阿尔法透过金箔和少许空气层后能量已将降低到2MeV左右,和原始接近5...

谢啦...我明白了

那50cm水是减速用的吗...那用石墨会不会好一点

emmm那个10^6太尴尬了...我这就去改

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k569999765
4年2个月前 IP:四川
879359
引用糕糕发表于5楼的内容
谢啦...我明白了那50cm水是减速用的吗...那用石墨会不会好一点emmm那个10^6太尴尬了.....

牛逼,我看楼主被开除了?

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