美国橡树岭国家实验室生产的Cf-252将在新反应堆启动时发挥关键作用

橡树岭国家实验室负责生产Californium-252(锎252/Cf252)的团队帮助交付具有多种用途的同位素，包括启动新的和休眠的核反应堆。
图片来源：美国能源部 Carlos Jones / ORNL

东田纳西州在核历史上占有特殊的位置。1943年，世界上第一个连续运行的反应堆开始在这里运行，该土地后来成为能源部的橡树岭国家实验室。

现在，ORNL再次站在反应堆历史的最前沿。ORNL是世界上唯一能够有效生产放射性同位素Cf-252的地方，Cf-252是核反应堆启动的基本材料。今年夏天，实验室运送了一批Cf-252散装线，以支持两个新核反应堆的启动。Cf-252是通过DOE同位素计划在ORNL生产的。

反应堆目前正在佐治亚州电力公司位于佐治亚州韦恩斯伯勒的沃格特工厂中建造，这将是30多年来美国第一座新的核反应堆。

ORNL生产的散装线材将被组装成称为启动源的设备。由于新鲜核燃料缺乏安全引发链反应所必需的中子通量，因此必须用由Cf-252或其他发射中子的强放射性同位素制成的此类启动源进行补充。

DOE同位素计划依靠具有高中子输出的ORNL高通量同位素反应堆HFIR和具有屏蔽热室阵列的ORNL放射化学工程开发中心REDC，为Cf-252和其他放射性同位素提供广泛的利益相关方基础。

那么，ORNL如何生产Cf-252?

ORNL的Cf-252项目经理Julie Ezold说：“步骤很多，而且要求很高的精度。” “这项工作不可能在桌面上完成，而所有工作都是在热室中完成的。”

复杂的过程可以分为三个主要阶段：辐照，纯化和制造。

首先，在REDC的屏蔽热室中制造锔靶，该锔靶由封装在长铝管中的氧化锔小球组成，然后运到HFIR进行短距离照射。

将目标加载到HFIR中后，研究堆将以每秒每平方厘米2.1兆个中子(2.1 x 1015)个中子的中子通量对其进行轰炸。反应堆发射的中子通过称为β衰变的过程将一些锔原子转化为其他元素。埃佐尔德说，所产生的物质是Cf-252，锔起始原料和其他锕系元素(包括铍和锿)的概率混合物。

接下来，将被辐照的目标从HFIR中移出，并转移到REDC的两个热室设施之一中。首先对辐照过的靶进行处理，以分离和纯化Cf-252，然后将其转移到另一个REDC热室设备中，以进一步处理成金属丝。热室的4.5英尺厚的混凝土墙和铅玻璃窗使热室技术人员可以安全地使用远程操纵器臂进行放射化学工作。

在远距离在ORNL进行放射化学并不容易，但是热室操作主管Ed Smith和热室技术员Dan Bettinger和John Courtney一起拥有完成此过程的经验和专业知识。

史密斯说：“从表面上看，这是一个复杂的过程，但对我们而言，这很简单。”挑战的一部分是所涉及材料的规模，该材料是如此之小，技术人员必须使用镊子通过机械臂来捡起它们。贝廷格说：“镊子肯定会增加难度。” “这可能有点压力，”考特尼同意。

为了开始纯化过程，热室技术人员将不纯的物质加载到离子交换柱上，该离子交换柱是一个加压的4英尺高的管，用于细胞内化学分离工作。他们通过树脂沿柱子冲洗材料，将Cf-252与其他act系元素分开。技术人员会重复这些多步色谱柱操作，以完全纯化Cf-252。

ORNL的斯科特·怀特(Scott White)表示，该过程会产生大量不需要的液体，因此需要额外的步骤，即减少体积。

怀特说：“这需要数百毫升。” “您最终希望达到约60毫升。”

制造也是一个多步骤的过程。技术人员执行称为联合沉淀的化学过程，以获得Cf-252和钯的固体沉淀物。为了除去水分，他们将沉淀物在烤箱中于摄氏数百度的温度下干燥，然后将其干燥成氧化物粉末。接下来，技术人员使用单元内颗粒模具组件和液压机将粉末压成颗粒。然后，他们在熔化炉中以超过1500摄氏度的温度熔化粒料，同时将其与其他钯金属合金化。

最后，技术人员将熔化的颗粒在珠宝商的磨坊上轧成直径小于十分之一英寸的散装线，然后将其切成较小的长度。线切割完成后，将它们焊接到中间囊中，送至“清洁室”进行去污和泄漏测试，并准备装运给DOE同位素计划客户。

几十年来，ORNL定期生产Cf-252，但由于其在具有历史意义的Plant Vogtle反应堆初创企业中的作用，这一最新批次的产品非常特殊。“令人遗憾的是，我们在ORNL生产并由DOE同位素计划提供给工业的Cf-252材料将用于启动过去三十年来在美国建造的第一批新核装置。”埃佐尔德说。

这项工作是由美国能源部科学办公室的美国能源部同位素计划资助的。HFIR由美国能源部基础能源科学办公室资助和运营。