Исследование взаимодействия соединений радия с конструкционными материалами

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 542. 548:546. 44
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СОЕДИНЕНИЙ РАДИЯ С КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
© 2013 И.Л. Буткалюк1, П.С. Буткалюк2, С.В. Томилин2
1 Ульяновский государственный университет 2 ОАО «ГНЦ НИИАР», Ульяновская область, г. Димитровград-10
Поступила в редакцию 26. 11. 2013
Путем прокаливания солей бария (как имитатора радия) на металлических подложках проведено исследование взаимодействия нитрата и карбоната бария с рядом конструкционных материалов: сталь марки ст3, нержавеющая сталь 12X18H10T, тантал, никель, цирконий и серебро. Для никеля и нержавеющей стали эксперименты были повторены с использованием миллиграммовых количеств радия. Ключевые слова: изотопы, альфа-эмиттеры, смешанные оксиды, радий.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из методов получения короткоживу-щих альфа-эмиттеров медицинского назначения является облучение радия в высокопоточном ядерном реакторе. При активации радия нейтронами образуются радионуклиды 227Ac, 228Th и 229Th, которые могут быть использованы в качестве материнских изотопов для получения 227Th, 223Ra, 224Ra, 212Pb, 212Bi, 225Ac и 213Bi.
При облучении компактных образцов радия происходит значительное уменьшение выхода полезных продуктов активации вследствие резонансного самоэкранирования (до 40%). Для уменьшения масштаба эффекта самоэкранирования при облучении радия нейтронами ранее нами было предложено разбавление радия оксидом свинца, слабо поглощающим нейтроны [1]. Ранее нами был синтезирован и охарактеризован методом рентгеновской дифракции метаплюмбат радия состава RaPbO3 [2, 3]. Данное соединение было получено совместным прокаливанием карбонатов радия и свинца в тигле из нержавеющей стали и в платиновом тигле. Рентгенофазовый анализ показал присутствие фазы хромата бария-радия (Ba, Ra) CrO4, который вероятно образовался путем взаимодействия примеси бария и радия с хромом, присутствующим в нержавеющей стали. Кроме того, было установлено, что при прокаливании препаратов радия в платиновом тигле происходит взаимодействие солей радия с
Буткалюк Ирина Львовна, научный сотрудник Отделения радионуклидных источников и препаратов, аспирант. E-mail: orip@niiar. ru
Буткалюк Павел Сергеевич, научный сотрудник Отделения радионуклидных источников и препаратов. E-mail: orip@niiar. ru
Томилин Сергей Васильевич, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Радиохимического отделения. E-mail: lukinykh@niiar. ru
платиной с образованием платината радия состава ИаРЮ3 х [3] имеющего гексагональную сингонию. Экспериментально было подтверждено, что при прокаливании нитрата бария в платиновом тигле образуется платинат бария состава ВаРЮ3. Но согласно полученным экспериментальным данным образование его происходит при более высокой температуре (было получено при 980 °С), в то время как платинат радия образуется при 800 °C.
Исходя из полученных данных, было сделано предположение о возможности взаимодействия радия с другими металлами, входящими в состав оболочек мишеней или тиглей используемых для получения стартовой композиции. Образование подобных соединений необходимо учитывать как при оценке характеристик облучаемого материала (необходимы для нейтрон-но-физических и теплофизических расчетов мишеней), так и при выборе методики обращения с облученными образцами.
Поэтому для выяснения наиболее пригодных материалов для работы с радием необходимо провести исследование взаимодействия радия с рядом конструкционных материалов. Так как в большинстве случаев в качестве конструкционных материалов используется сталь, то большое внимание было уделено именно ей.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы и методы
Для исследования взаимодействия солей радия с конструкционными материалами использовали: азотную кислоту квалификации о.с. ч, нитрат и карбонат бария марки х.ч. Барий в настоящей работе рассматривался как химический имитатор и кристаллохимический аналог радия. Использованный в работе 226Иа (К03)2 был выде-
лен из отходов, полученных при изготовлении опытных радиевых мишеней.
Содержание 226Ra определяли методом гамма-спектрометрии с помощью гамма-спектрометра SBS на базе детектора ДГДК-150 В по линии 186 кэВ. Содержание примесей определяли при помощи атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой OPTIMA 2100 DV. Измерение pH растворов проводили при помощи иономера «Аквилон» И-500 и стеклянного электрода.
Прокаливание исходных реагентов проводили в тиглях из нержавеющей стали марки 12X18H10T, стали марки ст3, никелевом тигле с содержанием никеля не менее 99,99%, на подложках из никеля, тантала, циркония, серебра с содержанием основного металла не менее 99,99%. Нагревание производили на воздухе в трубчатых печах с внутренним стаканом из кварца, закрытых от попадания примесей кварцевым колпаком. Измерение температуры проводили при помощи термопары ХА с точностью ± 10 °C.
Полученные препараты, содержащие барий, анализировали рентгенографически на дифрак-тометре ДРОН-7. Препарат радия анализировали фотометодом (камера Дебая РКУ-114М, медное излучение, Ni-фильтр) на рентгеновском аппарате ИРИС. При этом радиоактивные порошки перед измерениями запаивали в герметичные кварцевые капилляры с толщиной стенок ~20 мкм. При расчете рентгенограмм учитывали основные систематические погрешности на поглощение и усадку пленки. Расчет рентгенограмм (углов отражений, межплоскостных расстояний и параметр кристаллической решетки), полученных фотометодом, рассчитывали с помощью измерительного комплекса ПИКАР [4, 5].
Фазовый состав анализировали с использованием базы дифракционных данных PDF [6].
Взаимодействие препаратов бария с образцами металлов
В качестве имитатора радия использовали барий. Использовали нитрат и карбонат бария. На пластинки круглой формы диаметром 24 мм из различных металлов и сплавов (нержавеющая сталь 12X18H10T, сталь ст3, серебро, цирконий, тантал, никель) наносили растворы нитрата или трихлорацетата бария. Раствор переносили на пластины по каплям, упаривая на электроплитке. Затем полученный образец помещали в кварцевый стакан и прокаливали в печи в течение 6 часов при температуре 800 °C. Все полученные образцы анализировали методом рентгенофазо-вого анализа.
Взаимодействие препаратов радия с образцами металлов
Препарат 226Иа очищали методом катионооб-менной хроматографии с использованием AG50×8. Сорбцию проводили из раствора ЭДТА концентрации 0,02 моль/л в ацетатно-аммиач-ном буферном растворе рН 4,5. Для элюирова-ния примесей через колонку последовательно пропускали растворы ЭДТА с концентрацией 0,01 моль/л с рН 8,8, дист. воду, 0,1 М НЫО3 затем 0,4 М НШ3. Радий элюировали 8 М НКО3.
Раствор очищенного радия поделили на две порции, одну порцию внесли в тигель из нержавеющей стали, другую в тигель из никеля. Растворы упарили досуха и прокалили при 800 °C в течение 8 ч. Полученные препараты анализировали методом рентгенофазового анализа.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Взаимодействие препаратов бария с образцами металлов
Условия синтеза препаратов и результаты рен-тгенофазового анализа представлены в табл. 1.
В образцах 2 и 4 барий был идентифицирован в виде карбоната ВаСО3. Образование карбоната бария из нитрата происходит по реакциям:
Ва (Ш3)2 ^ ВаО+2Ш2+½О2
Ва (Ш3)2 ^ ВаО2+2Ш2
ВаО+СО2 ^ ВаСО3
ВаО2+СО2 ^ ВаСО3 + ½О2
При прокаливании образцов на пластинах из циркония и тантала пластины покрылись шубой из соответствующих оксидов. Согласно экспериментальным данным нитрат бария реагирует со всеми материалами подложки, кроме тантала. На пластине из тантала барий был идентифицирован только в виде ВаСО3. Но использование тиглей из тантала нетехнологично, так как при прокаливании происходит окисление тантала до оксида.
После прокаливания серебряной пластины по результатам РФА, была найдена только одна известная фаза — металлическое серебро. Помимо рефлексов, отвечающих металлическому серебру, на дифрактограмме присутствует множество рефлексов, соотнести которые с какими-либо фазами не удалось.
Взаимодействие препаратов радия с образцами металлов
Согласно гамма-спектрометрическому анализу препарат радия содержал 9 мг 226Иа. Очищенный препарат 226Иа (КО3)2 проанализирова-
Таблица 1. Экспериментальные данные по взаимодействию препаратов бария с образцами металлов
Номер Условия синтеза Продукты реакции Структура решётки
образца Соль Материал
1 BaCOз 12Х18Н9 Fe2Oз Тригональная
BaCr2O4 Орторомбическая
BaCrO4 Орторомбическая
2 Ba (NOз)2 ст3 BaFeOз-x Гексагональная типа BaTiOз
BaCOз Орторомбическая типа KNO3
BaO2•CO2 —
3 Ba (NOз)2 12Х18Н9 BaCrO2,9 Гексагональная
BaO•Cr2O3 —
BaCr2O4 Орторомбическая
BaCrO4 Орторомбическая
4 Ba (NOз)2 Taнтал Taнтал, кислород (дельта-фаза) Гексагональная
Ta2O5 Орторомбическая
BaCOз Орторомбическая типа KNOз
5 Ba (NOз)2 Никель NiO Кубическая
BaNiO3 Гексагональная
Никель металлический Кубическая
6 Ba (NOз)2 Цирконий гю2 Моноклинная
Zro. 94O2 Тетрагональная
BaZrO3 Кубическая типа CaTiO3
7 Ba (NOз)2 Серебро Серебро металлическое Кубическая
Неизвестная фаза
ли на содержание металлических примесей методом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно связанной плазмой. Качественный и количественный состав примесей, содержащихся в очищенном препарате радия, представлено в табл. 2. Общее содержание металлических примесей не превышало 1 масс %.
Коэффициент очистки от бария, наиболее близкого по свойствам аналога радия, составил ~26.
На рис. 1 представлена штрих-рентгенограмма препарата, полученного прокаливанием нитрата радия в тигле из никеля.
Согласно результатам рентгеновской дифракции препарат, полученный прокаливанием
Таблица 2. Результаты атомно-эмиссионного анализа очищенного раствора 226Иа
Элемент Содержание элемента, мг
Ba 0,004
РЪ 0,032
Ca & lt-0,012
Na & lt-0,008
А1 0,008
Fe & lt-0,012
м8 & lt-0,012
Cr & lt-0,012
нитрата радия в никелевом тигле, содержит радий только в виде карбоната радия ИаС03.
Дифрактограмма препарата, полученного прокаливанием нитрата радия в тигле из нержавеющей стали представлена на рис. 2.
Дифрактограмма показывает сложную дифракционную картину с большим количеством рефлексов. В целом фазовый состав образца идентифицировать однозначно не удалось. Тем не менее, имеется набор из 7 рефлексов, очень близкий к фазе типа МеТЮ3 перовскитной структуре. В остальном имеется определенная близость рефлексов (но не точное совпадение) к следующим фазам: №Сг204, МеО, NaFe02, Ме№ 03, Ме3(Сг04)2, Na20*Fe203*3Ti02, MeFe (), 24Fe0,76O2,88, где Ме, возможно, соответствует соединениям радия.
Согласно результатам рентгенофазового анализа образца, полученного прокаливанием нитрата радия в тигле из нержавеющей стали, можно утверждать о взаимодействии нитрата радия с материалом тигля с образованием соединения, имеющего перовскитную структуру типа ИаТЮ3.
Результаты проведенных экспериментов хорошо согласуются с ранее полученными данными о том, что при прокаливании солей радия в металлических тиглях, радий склонен к образованию перовскитных соединений типа АВ03.
Рис. 1. Штрих-рентгенограмма препарата, полученного прокаливанием нитрата радия в никелевом тигле
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
20, град
Рис. 2. Дифрактограмма препарата, полученного прокаливанием нитрата радия в тигле из нержавеющей стали
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Согласно экспериментальным данным можно утверждать, что при прокаливании нитрата радия в тигле из нержавеющей стали, происходит взаимодействие нитрата радия с материалом тигля с образованием соединения, имеющего пе-ровскитную структуру типа ИаТЮ3.
Результаты проведенных экспериментов хорошо согласуются с ранее полученными данны-
ми о том, что при прокаливании солей радия в металлических тиглях, радий склонен к образованию перовскитных соединений типа АВО3.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов Р. А., Буткалюк П. С., Тарасов В. А., Баранов
А.Ю., Буткалюк И. Л., Романов Е. Г., Куприянов В. Н., Казакова Е. В. Выходы продуктов активации при облучении радия-226 в высокопоточном реакторе СМ // Радиохимия. 2012. Т. 54. № 4, С. 352−356.
2. Butkalyuk I.L., Kuznetsov R.A., Tomilin S.V., Butkalyuk P. S. Synthesis and X-ray examination of radium metaplumbate. Proceeding of the & quot-International Conference on Nuclear and Radiochemistry& quot-, Italy, Komo, 16−21 September 2012. P. 62.
3. Буткалюк П. С., Буткалюк И Л, Кузнецов Р А, Томилин Н В. Синтез и рентгенографическое исследование плюм-
бата радия // Радиохимия, 2013. Т. 55, № 1. С. 19−22.
4. Бутвин В. Н., Баранов А. Ю., Голушко В. В., Капшу-ков И. И. Автоматизированный комплекс для измерения порошковых рентгенограмм. // Приборы и техника эксперимента. 1982. № 6. С. 208.
5. Яковенко А Г, Баранов А. Ю, Филиппов А Н. Модернизация измерительного комплекса порошковых рентгенограмм // Новые технологии для энергетики, промышленности и строительства. 2002. № 5. C. 77−85.
6. PDF. International Centre for Diffraction. Data Siwarthmore. Pennsylvonia. 1999.
EXAMINATION OF RADIUM COMPOUNDS INTERACTION WITH STRUCTURAL MATERIALS
© 2013 I.L. Butkalyuk1, P. S. Butkalyuk2, S.V. Tomilin2
1 Ulyanovsk State University 2JSC & quot-SSC RIAR& quot-, Ulyanovsk Region, Dimitrovgrad-10
Through calcination of barium salts (as a simulant of radium) on metal substrates interaction of barium nitrate and barium carbonate with some structural materials was examined: steel grade St3, stainless steel 12X18H10T, tantalum, nickel, zirconium and silver. The experiments were performed again for nickel and stainless steel using milligramme quantities of radium. Key words: isotopes, alpha-emitters, mixed oxides, radium.
Irina Butkalyuk, Research Fellow, Radionuclide Sources and Radiochemicals Division, Graduate Student. E-mail: orip@niiar. ru Pavel Butkalyuk, Research Fellow, Radionuclide Sources and Radiochemicals Division. E-mail: orip@niiar. ru Sergey Tomilin, Ph.D., Leading Research Fellow, Radiochemical Division. E-mail: lukinykh@niiar. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой