62Ni同位素的分離制備

任秀艷，米亞靜，曾自強(qiáng)，李公亮，屠 銳

(中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413)

核電池也稱原子能電池或放射性同位素溫差發(fā)電器。微型核電池是指利用放射性同位素物質(zhì)衰變會(huì)釋放出帶電離子的原理，所制成的體積很小的電池。微型核電池的特點(diǎn)是體積小、電量大。

63Ni核電池的體積小，可以小到1 mm3以下，符合微型核電池對(duì)體積的要求。63Ni核電池對(duì)環(huán)境的耐受性好，可應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境。在各種惡劣條件下均能供電，適合在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用。同時(shí)63Ni的半衰期長，可不間斷供電50 a以上，也是一種很有前景的長壽命電池。

獲得63Ni的一種途徑就是通過62Ni(n，γ)63Ni反應(yīng)，在反應(yīng)堆中輻照高豐度的62Ni產(chǎn)生放射性同位素63Ni。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室是北美地區(qū)唯一提供63Ni的實(shí)驗(yàn)室，通過在HIFR中對(duì)高豐度的62Ni進(jìn)行輻照，產(chǎn)生63Ni，62Ni的豐度越高，得到的63Ni的豐度越高。因此要得到微型核電池材料63Ni，首先要得到高豐度的穩(wěn)定同位素62Ni。然而62Ni的天然豐度僅有3.6%，因此需要對(duì)鎳同位素進(jìn)行分離，使62Ni的分離豐度達(dá)90%以上。

要獲得微型核電池所需的高豐度、高純度的62Ni，電磁分離法是可行的方法。本文通過研究62Ni的豐度與束流流強(qiáng)、坩堝溫度、聚焦磁場場形以及接收器口袋參數(shù)等重要因素的關(guān)系，對(duì)天然豐度僅為3.6%的62Ni進(jìn)行電磁分離，以得到豐度≥90%的62Ni。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 基本原理

同位素電磁分離法是利用能量相同、質(zhì)量不同的離子在縱向磁場中旋轉(zhuǎn)半徑不同實(shí)現(xiàn)同位素分離。其基本公式[1]為：

式中：R為離子軌跡半徑，m；M為質(zhì)量數(shù)；VA為離子的加速電壓，V；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

分離的基本過程如下：將NiCl2加熱氣化，在放電室內(nèi)和電子發(fā)生碰撞電離，形成等離子體，利用電極系統(tǒng)引出后，形成具有一定能量和形狀的離子束，利用橫向磁場實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、質(zhì)量分離和角聚焦。該過程可同時(shí)獲得同一元素的多種同位素。工作原理如圖1所示。

1.2 62Ni分離提純技術(shù)指標(biāo)

為使62Ni能滿足微型鎳電池核心材料的要求，62Ni的豐度應(yīng)≥90%，純度應(yīng)≥95%。

2 關(guān)鍵工藝技術(shù)及解決方案

本文利用現(xiàn)有的F-3分離器分離62Ni同位素。天然Ni元素中62Ni的含量僅為3.6%。為獲得豐度≥90%的62Ni同位素，對(duì)離子源、接收器口袋等影響分離豐度的關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在分離過程中嚴(yán)格控制運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)對(duì)關(guān)鍵部件的改進(jìn)制定62Ni同位素的分離工藝流程。

圖1 電磁法分離同位素的工藝原理示意圖

2.1 磁場墊片及束流輸運(yùn)計(jì)算

分離器的磁場應(yīng)具有質(zhì)量色散和方向聚焦的作用，即能將能量相同但質(zhì)量不同的離子束分開，而將質(zhì)量相同但出射方向不同的離子束聚焦在一起。

離子束在均勻磁場中偏轉(zhuǎn)180°后在平面上聚焦成像，所成的像正比于離子束張角的平方，這嚴(yán)重限制了分離器采用的張角。為加大允許張角，聚焦磁場必須采用非均勻場，通過磁場墊補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)[2]。

1) 利用磁場計(jì)算軟件和束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)電磁分離器的磁場進(jìn)行優(yōu)化模擬計(jì)算，并比較在有墊片和無墊片兩種情況下帶電粒子在分離空間的軌跡和束形情況。

2) 在加速電壓為30 kV的情況下，根據(jù)模擬計(jì)算可得所需磁場為0.122 T，通過磁場計(jì)算，可確定分離鎳同位素所需要的磁場電流為112 A。

無墊片和有墊片的磁場分布示于圖2。其束流輸運(yùn)狀態(tài)分別示于圖3、4。由圖3可見，在無墊片磁場分布的情況下，離子束張角必須控制在5°以內(nèi)，5種同位素的束流(圖中的黑色和灰色區(qū)域)在接收器口袋位置才能分離開。由圖4可見，在有墊片磁場分布的情況下，離子束張角達(dá)到10°時(shí)，5種同位素的束流在接收器口袋位置能很好地分開。

圖2 無墊片(a)和有墊片(b)的磁場分布

圖3 無墊片時(shí)束流輸運(yùn)狀態(tài)

圖4 有墊片時(shí)束流輸運(yùn)狀態(tài)

2.2 主要設(shè)備的參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 離子源

離子源包括Ni的鐵磁性造成的弧壓短路問題和坩堝材料的確定。

(1) Ni的鐵磁性造成的弧壓短路問題

在運(yùn)行過程中，離子源電子窗上會(huì)堆積一層Ni，由于Ni具有鐵磁性，電子窗會(huì)被磁場上吸而與陰極相互碰撞，造成陽極和陰極短路。為解決該問題，本文對(duì)拉出縫上端進(jìn)行了改進(jìn)，將拉出縫上端的兩側(cè)向里彎曲，電子窗的形狀也隨之進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后，弧壓短路的問題得到了解決。本文采用的引出縫和電子窗形狀如圖5所示。

(2) 坩堝材料的確定

62Ni開始放電的溫度在200～280 ℃，穩(wěn)定工作溫度為400～500 ℃。因石墨材料加熱的溫度可達(dá)800～1 000 ℃，且制作工藝相對(duì)簡單，所以本文選擇石墨作為坩堝材料。

2) 接收器

包括接收器口袋參數(shù)的確定及接收器口袋形狀對(duì)接收束流的影響。

不同的同位素色散關(guān)系也不同，每個(gè)接收器口袋的中心距離及尺寸是保證同位素束流接收的重要參數(shù)。為避免同位素之間互相沾污，保證同位素的豐度，必須合理確定接收器口袋的參數(shù)。根據(jù)理論計(jì)算可得出Ni的5種同位素的色散關(guān)系，根據(jù)色散及磁感應(yīng)強(qiáng)度，確定接收器口袋寬度及口袋位置。由于Ni有5種同位素(58Ni、60Ni、61Ni、62Ni和64Ni)，在分離過程中共設(shè)計(jì)了5個(gè)口袋，口袋設(shè)計(jì)的原則是：(1) 通過面板縫口的離子束全部進(jìn)入口袋；(2) 盡量減少由于濺射造成同位素的損失；(3) 控制口袋的溫度，減少已沉積的同位素蒸發(fā)損失。色散的計(jì)算公式[3]如下。

M

d=ρ×ΔM/M0

M>M0時(shí)：

式中：d為質(zhì)量色散；ρ為偏轉(zhuǎn)半徑；D為偏轉(zhuǎn)直徑；M、M0分別為待分離的相鄰兩種粒子的質(zhì)量數(shù)；ΔM為相鄰兩種粒子的質(zhì)量數(shù)之差。對(duì)于F-3分離器，ρ=1 700 mm，D=3 345.5 mm。

圖5 改進(jìn)前(a)、后(b)的引出縫和電子窗形狀

根據(jù)上述公式可得出每相鄰2種同位素的色散，由于58Ni和60Ni的天然豐度較高，束流較大，所以口袋采用銅襯石墨的結(jié)構(gòu)，其他口袋采用銅材料。為避免因口袋溫度過高造成已沉積的同位素蒸發(fā)損失，5個(gè)口袋均采用水冷卻。根據(jù)以上分析確定的接收器口袋參數(shù)列于表1，所設(shè)計(jì)的接收器口袋示于圖6。

為使口袋縫口形狀與束形相符，盡可能多地接收束流，設(shè)計(jì)的縫口形狀如圖7所示，其高度為225 mm，半徑為1 000 mm。采用這樣的面板縫口形狀，接收器口袋縫口相應(yīng)加寬，會(huì)提高接收的離子束流。

表1 接收器口袋參數(shù)

圖6 鎳接收器口袋

實(shí)線為改進(jìn)前的口袋，虛線為改進(jìn)后的口袋

2.3 高豐度62Ni同位素的電磁分離

對(duì)主要設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，在實(shí)際的分離實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)關(guān)鍵的工藝技術(shù)進(jìn)行控制。

1) 供氣量控制

嚴(yán)格控制坩堝加熱電流是獲得高豐度62Ni和長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。若坩堝加熱電流低，離子源供氣不足，放電不穩(wěn)定，則引出束流低；若加熱電流高，供氣量過大，打火明顯增多，不僅使運(yùn)行不穩(wěn)定，而且由于打火，造成Ni同位素之間的沾污，影響62Ni的豐度。通常，當(dāng)放電正常建立起來，引出束流達(dá)到正常接收束流后，由于離子源及周圍的溫度升高，會(huì)使坩堝溫度自動(dòng)升高，供氣量加大，為保持穩(wěn)定供氣量，應(yīng)適當(dāng)降低坩堝加熱電流。當(dāng)引出束流下降，判斷是供氣不足時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加坩堝電流。供氣量過大會(huì)造成工作物質(zhì)(NiCl2)過快消耗，不能正常分離。因此在分離過程中，需對(duì)坩堝加熱電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整坩堝電流。

2) 高壓打火的控制

高壓打火是影響62Ni同位素分離豐度的重要因素。由于打火，Ni的其他同位素在打火瞬間會(huì)掃入62Ni口袋，所以在分離運(yùn)行過程中要嚴(yán)格限制打火次數(shù)。為此采取如下措施：(1) 離子源安裝防打火PIG板和內(nèi)、外錐形罩；(2) 離子束引出電極采用條形石墨縫口；(3) 離子源清洗干凈，表面無沉積物；(4) 離子源充分進(jìn)行高壓冷鍛煉，消除毛刺和污物[3]。

3) 運(yùn)行參數(shù)控制

分離過程中應(yīng)嚴(yán)格控制運(yùn)行參數(shù)。確定62Ni分離過程中理想的運(yùn)行參數(shù)，如燈絲加熱功率、坩堝加熱功率、坩堝溫度、弧室加熱功率、弧放電電壓、弧放電電流、引出高壓、聚焦電壓、真空度及接收束流等。在運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)際分離運(yùn)行情況，各參數(shù)要做適當(dāng)調(diào)整，達(dá)到相互匹配。

以下是一組較好的運(yùn)行參數(shù)：磁場電流IM=110 A，加速電壓VA=30 kV，加速電流范圍IA=70～150 mA，聚焦電壓范圍VF=8～18 kV，燈絲電流范圍If=120～135 A，弧壓范圍Va=110～380 V，弧流范圍Ia=0.3～1.5 A，起弧坩堝電流I坩≈20 A，起弧坩堝溫度T坩≈280 ℃，停機(jī)坩堝電流I坩≈65 A，停機(jī)坩堝溫度T坩≈620 ℃。

3 結(jié)論

電磁分離法是保證鎳同位素分離豐度高的有效方法。本文利用磁場計(jì)算軟件和束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)電磁分離器的磁場進(jìn)行了優(yōu)化模擬計(jì)算，并比較了在有墊片和無墊片情況下帶電粒子在分離空間的軌跡和束形情況。確定了分離鎳同位素所需的磁場電流以及束流所允許的最大張角。通過對(duì)離子源引出縫和電子窗形狀的改進(jìn)，解決了弧壓短路的問題。

根據(jù)62Ni同位素的分離制備工藝流程，利用現(xiàn)有的電磁同位素分離器，已開展了用電磁分離方法分離高豐度、高純度62Ni穩(wěn)定同位素的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際的分離實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)關(guān)鍵工藝技術(shù)的控制，最終獲得了豐度≥90%的62Ni同位素，該豐度能滿足微型63Ni電池核心材料的需求。

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