BR102013033620B1 - CYLINDRICAL CELL FUSER ISOTOPIC TRANSMUTER - Google Patents
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Abstract
célula cilíndrica fusora transmutadora isotópica a presente invenção se refere a uma célula cilíndrica fusora para transmutação isotópica (ccfti), caracterizada por constituir um dispositivo cilíndrico onde íons de deutério (d) ou trítio (t), que podem ser gerados por radiofrequência (105) em uma câmara de plasma (4), são extraidos pelo eletrodo do plasma (3) e acelerados radialmente em direção a um eletrodo do alvo (1), onde fusão d-d, d-t ou t-t ocorre gerando nêutrons; contendo eletrodos anulares cilíndricos do plasma (3) e do alvo (1) com hidretos metálicos depositados; sistema de refrigeração e isolador do alvo com fluido refrigerante (106) contido em volume anular em contato com o eletrodo do alvo (1); um volume anular do moderador neutrônico (8) de raio ajustável ao espectro desejado de transmutação; um ou mais receptáculos (5) de amostras distribuídas no moderador (8); e volumes anulares cilíndricos do refletor de nêutrons (102) e da blindagem (101). a ccfti é útil em transmutar nuclídeos para gerar radioisótopos de meia vida curta ou longa, produzindo materiais e substâncias radioativas de interesse no diagnóstico e na terapia médica; transmutar radionuclídeos de meia vida longa em radionuclídeos de meia vida curta ou estáveis, na queima de rejeitos radioativos ou na redução da atividade de fontes indesejadas; e transmutar nuclídeos fissionáveis em físseis.cylindrical fusing cell for isotope transmutation the present invention refers to a cylindrical fusing cell for isotopic transmutation (ccfti), characterized in that it constitutes a cylindrical device where deuterium (d) or tritium (t) ions, which can be generated by radiofrequency (105) in a plasma chamber (4), they are extracted by the plasma electrode (3) and accelerated radially towards a target electrode (1), where d-d, d-t or t-t fusion occurs, generating neutrons; containing cylindrical annular plasma (3) and target (1) electrodes with deposited metal hydrides; cooling system and target insulator with refrigerant fluid (106) contained in an annular volume in contact with the target electrode (1); an annular volume of the neutron moderator (8) of adjustable radius to the desired transmutation spectrum; one or more receptacles (5) of samples distributed in the moderator (8); and cylindrical annular volumes of the neutron reflector (102) and shield (101). ccfti is useful in transmuting nuclides to generate radioisotopes with a short or long half-life, producing radioactive materials and substances of interest in diagnosis and medical therapy; transmute radionuclides with a long half-life into radionuclides with a short half-life or stable, when burning radioactive waste or reducing the activity of unwanted sources; and transmute fissionable nuclides into fissile ones.
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma Célula Cilíndrica Fusora Transmutadora Isotópica (CCFTI), caracterizada por constituir um dispositivo compacto cilíndrico ativador de nuclídeos, onde íons de deutério (d) ou trítio (f) são acelerados radialmente na direção a um alvo de hidretos metálicos depositados, eletricamente carregados, onde reações de fusão d-d, d-t ou t-t, geram nêutrons; consistindo de uma câmara de plasma (4) cilíndrica alimentada por um sistema de geração de plasma, que pode ser por radiofrequência (RF) e, neste caso, uma antena de RF interna (105); eletrodos cilíndricos anulares do plasma (3) e eletrodos do alvo (1); um sistema de refrigeração e isolador do alvo, que circula um fluido refrigerante (106) em região anular cilíndrica em contato externo com o eletrodo do alvo (1), um moderador neutrônico (8) de forma anular cilíndrica de raio ajustável ao nível energético do feixe neutrônico de transmutação; um ou mais receptáculos (5) de posicionamento de amostras a serem transmutadas posicionadas internas ao moderador (8); e volumes anulares cilíndricos do refletor de nêutrons (102), e da blindagem (101). A CHFTI tem a finalidade de ativar nuclídeos por meio de transmutações por nêutrons, de modo que possam, por exemplo, produzir radioisótopos de meia vida curta ou longa, ricos em nêutrons, produzindo materiais e substâncias radioativas de interesse no diagnóstico e na terapia médica; transmutar radionuclídeos de meia vida longa em radionuclídeos de meia vida curta ou estáveis, de interesse na queima de rejeitos radioativos ou na redução da atividade de fontes radioativas indesejadas; ou converter nuclídeos físseis a partir da transmutação de nuclídeos fissionáveis.[001] The present invention relates to a Cylindrical Isotope Transmuting Fusor Cell (CCFTI), characterized by constituting a compact cylindrical nuclide activator device, where deuterium (d) or tritium (f) ions are radially accelerated towards a target of deposited, electrically charged metal hydrides, where dd, dt or tt fusion reactions generate neutrons; consisting of a cylindrical plasma chamber (4) fed by a plasma generation system, which may be by radio frequency (RF) and, in this case, an internal RF antenna (105); annular cylindrical plasma electrodes (3) and target electrodes (1); a cooling system and target isolator, which circulates a coolant fluid (106) in a cylindrical annular region in external contact with the target electrode (1), a neutron moderator (8) of a cylindrical annular shape with an adjustable radius to the energy level of the target transmutation neutron beam; one or more sample positioning receptacles (5) to be transmuted positioned internal to the moderator (8); and cylindrical annular volumes of the neutron reflector (102), and the shield (101). CHFTI is intended to activate nuclides through neutron transmutations, so that they can, for example, produce neutron-rich, short- or long-lived radioisotopes, producing materials and radioactive substances of interest in diagnosis and medical therapy; transmute long-lived radionuclides into short-lived or stable radionuclides of interest in burning radioactive waste or reducing the activity of unwanted radioactive sources; or convert fissile nuclides from the transmutation of fissionable nuclides.
[002] Atualmente as tecnologias de produção de radioisótopos por transmutação isotópica ocorrem, essencialmente, baseadas em quatro processos: irradiação de nêutrons de fissão em Reatores de Fissão (RT), produzindo radioisótopos ricos em nêutrons; irradiação de partículas com carga aceleradas em Aceleradores (AC), como prótons e alfa, gerando nuclídeos ricos em prótons; irradiação por fótons, dita Foto-Transmutação (FT), emitidos de fontes seladas ou de interações de elétrons com alvos pesados, tipo reações de bremsstrahlung-, e, por Geradores de Radioisótopos (GR), através do decaimento de um nuclídeo precursor “pai” em um “filho” sendo que o pai foi previamente produzido pelos processos RT ou AC. Os processos RT, AC e GR requerem aparatos específicos para produzir a transmutação.[002] Currently, radioisotope production technologies by isotopic transmutation occur, essentially, based on four processes: irradiation of fission neutrons in Fission Reactors (RT), producing radioisotopes rich in neutrons; irradiation of accelerated charged particles in Accelerators (AC), such as protons and alpha, generating proton-rich nuclides; photon irradiation, called Photo-Transmutation (FT), emitted from sealed sources or from electron interactions with heavy targets, such as bremsstrahlung- reactions, and, by Radioisotope Generators (GR), through the decay of a “parent” nuclide precursor ” into a “child” where the parent was previously produced by the RT or AC processes. The RT, AC and GR processes require specific apparatus to produce the transmutation.
[003] Dos documentos que apresentam dispositivos que propõem produzir radioisótopos por FT, incluem-se:[003] The documents that present devices that propose to produce radioisotopes by FT, include:
[004] O pedido de patente “Compact neutron generator for medical and comercial isotope production, fission product purification and controlled gamma reaction for direct electric power generation”- US20110268237A1 consiste de um gerador de nêutrons, aparatos para produzir radioisótopos e de métodos de uso e produção comercial de nêutrons para medicina. Este utiliza as reações (y,n) para produzir nêutrons através do bombardeamento de berílio ou deutério com fótons gama. As interações desses fótons na matéria produzem nêutrons, que são multiplicados por um conversor de fissão. Observa-se que, devido à baixa produção de nêutrons da reação (y,n), o material físsil deve ser incorporado ao dispositivo para amplificar o fluxo de nêutrons. Dessa forma, o método de produção de nêutrons estabelecido na patente US20110268237 difere significativamente da presente patente, que propõe a produção de nêutrons através de reações de fusão d-d, d-t ou t-t e não apresenta um amplificador neutrônico.[004] The patent application “Compact neutron generator for medical and commercial isotope production, fission product purification and controlled gamma reaction for direct electric power generation”- US20110268237A1 consists of a neutron generator, apparatus for producing radioisotopes and methods of use and commercial production of neutrons for medicine. It uses the (y,n) reactions to produce neutrons by bombarding beryllium or deuterium with gamma photons. The interactions of these photons in matter produce neutrons, which are multiplied by a fission converter. It is observed that, due to the low production of neutrons of the reaction (y,n), the fissile material must be incorporated into the device to amplify the neutron flux. Thus, the neutron production method established in patent US20110268237 differs significantly from the present patent, which proposes the production of neutrons through d-d, d-t or t-t fusion reactions and does not present a neutron amplifier.
[005] O documento “Isotope generator” - US20070160176A1, propõe produzir radioisótopos por meio da reação (n,2n) ou (y,n). O proponente sugere empregar uma fonte neutrônica que irradia um contêiner adjacente à mesma, onde amostras são expostas a um fluxo neutrônico com o objetivo de gerar isótopos. A reação (n,2n) ocorre neste contentor e produz os radioisótopos de interesse. Uma limitação dessa patente esta associada à diminuição do fluxo neutrônico devido ao acoplamento de sistemas auxiliares constituídos de elementos pesados. A reação em questão requer nêutrons de altas energias e é limitada pela baixa probabilidade de ocorrência para a maioria dos nuclídeos estáveis. Após a produção, os nêutrons perdem suas energias por colisões elásticas (n,n’) com elementos leves; ou inelásticas, preferencialmente com elementos de número atômico intermediário, competindo com qualquer outro tipo de reação nuclear. As reações (n,2n) são esporádicas, comparadas com as reações (n,rT). Desta forma, o balanço de nêutrons se torna precário pelas reações de competição de auto-absorção no próprio dispositivo em reações (n,n’) e (n, y). No caso em questão, sabe-se que as reações (n,2n) produzem radioisótopos pobres em nêutrons e ricos em prótons, e, consequentemente, emissores de positrons (β+). Além disso, as reações (n,2n) possuem um alto limiar de energia e baixas seções de choque de interação (ou probabilidade de interação) para a maioria dos nuclídeos. Para atingir valores significativos de seções de choque, há a remota possibilidade de que reações com trítio possam gerar nêutrons com energias de 14,1 MeV. Ademais, espera-se que haja elevada fuga neutrônica do dispositivo compacto devido à alta energia dos nêutrons emitidos. Outro fator relevante é a moderação inerente dos materiais incorporados, que reduz a energia dos nêutrons e assim, dificulta a ocorrência de reações (n,2n). O uso do trítio caracteriza o dispositivo como radioativo por natureza.[005] The document “Isotope generator” - US20070160176A1, proposes to produce radioisotopes through the reaction (n,2n) or (y,n). The proponent suggests employing a neutron source that radiates an adjacent container, where samples are exposed to a neutron flux in order to generate isotopes. The reaction (n,2n) takes place in this container and produces the radioisotopes of interest. A limitation of this patent is associated with the decrease in neutron flux due to the coupling of auxiliary systems made up of heavy elements. The reaction in question requires high-energy neutrons and is limited by the low probability of occurrence for most stable nuclides. After production, neutrons lose their energies by elastic collisions (n,n') with light elements; or inelastic, preferably with elements of intermediate atomic number, competing with any other type of nuclear reaction. Reactions (n,2n) are sporadic compared to reactions (n,rT). In this way, the neutron balance becomes precarious by the self-absorption competition reactions in the device itself in reactions (n,n') and (n, y). In this case, it is known that the reactions (n,2n) produce neutron-poor and proton-rich radioisotopes, and, consequently, positron emitters (β+). Furthermore, the reactions (n,2n) have a high energy threshold and low interaction cross sections (or interaction probability) for most nuclides. To achieve significant cross-section values, there is a remote possibility that reactions with tritium can generate neutrons with energies of 14.1 MeV. Furthermore, it is expected that there will be high neutron leakage from the compact device due to the high energy of the neutrons emitted. Another relevant factor is the inherent moderation of the incorporated materials, which reduces the energy of the neutrons and thus, hinders the occurrence of reactions (n,2n). The use of tritium characterizes the device as radioactive in nature.
[006] A patente 20070160176 difere da presente tecnologia por se basear em reações (n,2n), o que requer alvos específicos para tal finalidade, além dos demais inconvenientes citados.[006] Patent 20070160176 differs from the present technology because it is based on reactions (n,2n), which requires specific targets for this purpose, in addition to the other drawbacks mentioned.
[007] Em continuidade, são abaixo apresentados alguns documentos patentários associados aos processos de produção de radioisótopos, AC, RT, GR. - Produção a partir de irradiação com partículas aceleradas, AC: em “Device and method for producing radioisotopes” - US7940881, os autores propõem transmutar isótopos a partir da irradiação de um fluido com um feixe de partículas carregadas. Tal patente se limita a descrição do alvo, sua forma e estado físico. Nota-se que os feixes de partículas carregadas são gerados por aceleradores de partículas, como cíclotrons, sincrocíclotron ou síncrotons. Os radionuclídeos produzidos são ricos em prótons e, em geral, emissores β+ ou decaem por captura eletrônica. - Produção a partir de irradiação com nêutrons (fissão), RT: em “Techniques for on-demand production of medical isotopes such as Mo-99/Tc- 99m and radioactive iodine isotopes including 1-131” - US20110280356, o inventor propõe irradiar amostras com nêutrons oriundos de fissão a partir do urânio. Neste caso, os nêutrons rápidos de fissão são refletidos e moderados por espalhamento, aumentando a probabilidade de novas fissões do 238U. Camadas em forma de sanduíche de urânio são utilizadas para manter a taxa de fissão e produção de nêutrons. Neste caso, a produção de nêutrons por fissão se torna a chave para suprir a produção dos radioisótopos. - Produção a partir de um radionuclídeo “pai” pré-existente que decai, transmutando-se em outro radionuclídeo “filho”, processo GR: em “Medicai isotope generator systems" - US7554098, os inventores propõem utilizar uma coluna de 90Sr para produzir 90Y e separá-lo por meio de uma solução eluente. Esta é uma típica patente que caracteriza um gerador de radioisótopo através de colunas contendo um radionuclídeo pré-existente de meia vida longa, que decai em um radionuclídeo filho de meia-vida curta e pode ser eluído da coluna. O radionuclídeo “pai” é produzido pelos métodos descritos anteriormente, isto é, em reatores nucleares ou aceleradores de partículas. Estes são quimicamente separados e confinados em dispositivos ou cápsulas, no qual sofrerão o decaimento e produzirão o nuclídeo “filho” desejado. Neste caso, o nuclídeo “pai”, 90Sr, deve estar previamente disponível, ativado por outros processos.[007] In continuity, some patent documents associated with the production processes of radioisotopes, AC, RT, GR, are presented below. - Production from irradiation with accelerated particles, AC: in “Device and method for producing radioisotopes” - US7940881, the authors propose to transmute isotopes from the irradiation of a fluid with a beam of charged particles. Such a patent is limited to the description of the target, its form and physical state. Note that beams of charged particles are generated by particle accelerators, such as cyclotrons, synchrocyclotron or synchrotons. The radionuclides produced are rich in protons and, in general, β+ emitters or decay by electron capture. - Production from neutron irradiation (fission), RT: in “Techniques for on-demand production of medical isotopes such as Mo-99/Tc-99m and radioactive iodine isotopes including 1-131” - US20110280356, the inventor proposes to irradiate samples with neutrons derived from fission from uranium. In this case, the fast fission neutrons are reflected and moderated by scattering, increasing the probability of further fissions of 238U. Sandwich layers of uranium are used to maintain the rate of neutron fission and production. In this case, the production of neutrons by fission becomes the key to supply the production of radioisotopes. - Production from a pre-existing “parent” radionuclide that decays, transmuting into another “daughter” radionuclide, GR process: in “Medicai isotope generator systems” - US7554098, the inventors propose to use a 90Sr column to produce 90Y and separate it by means of an eluent solution. This is a typical patent that features a radioisotope generator through columns containing a pre-existing radionuclide with a long half-life, which decays into a daughter radionuclide with a short half-life and can be column eluate. The “parent” radionuclide is produced by the methods described above, i.e., in nuclear reactors or particle accelerators. These are chemically separated and confined in devices or capsules, where they will decay and produce the “daughter” nuclide In this case, the “parent” nuclide, 90Sr, must be previously available, activated by other processes.
[008] A literatura técnica também apresenta documentos de patentes com concepções de dispositivos geradores de nêutrons: - No pedido de patente US20130129027A1, “High flux neutron source", de 23 de maio de 2013, é apresentado um aparato para a produção de nêutrons térmicos e epitérmicos, posicionado no entorno de um cilindro ou moderador esférico para maximizar o fluxo de nêutrons em uma amostra centrada no moderador. Neste contexto, o sistema é dividido em um conjunto de geradores de nêutrons com eixos axiais postos no sentido radial de uma estrutura cilíndrica. Cada unidade produz nêutrons direcionados para o centro. Os fluxos de nêutrons gerados das múltiplas unidades são usados para análise por ativação neutrônica e análise por ativação neutrônica de gamas prontos, no intuito de determinar a concentração química elementar em um material. As absorções de nêutrons térmicos e espalhamento inelástico de nêutrons epitérmicos e rápidos em amostras geram raios gamas característicos que podem ser empregados para identificar o elemento alvo e sua concentração química. Um detector de radiação está posicionado acima do aparato na direção axial ao cilindro de amostras, rodeado por unidades geradoras de nêutrons. O documento de patente US2013/0129027 A1 difere da presente tecnologia, pois, diante da sua finalidade de análise de ativação neutrônica, as estruturas e dimensões empregadas são características para esta aplicação, tornando-a distinta. Os múltiplos módulos de irradiação, postos de forma radial ao cilindro de amostras axial, torna distante o sistema de geração de nêutrons e, assim, susceptível a fugas com redução do fluxo de nêutrons. Os espectros e fluxos gerados no dispositivo US2013/0129027 são insuficientes para a proposta de produção de radioisótopos. Consequentemente, os parâmetros geométricos divergem do contexto proposto nesta patente.- A patente US7639770B2, intitulada “Cylindrical neutron generator” apresenta um gerador de nêutrons cilíndrico com formação coaxial, tendo um plasma de antena coaxial de RF sendo produzido, onde neste plasma são gerados os íons de deutério. A geração de nêutrons é coaxial ao gerador de íons. O comprimento do cilindro é longo quanto necessário. Os nêutrons são gerados a partir da colisão dos íons com um alvo de trítio ou deutério. Este dispositivo foi projetado para produção de nêutrons para fins de aplicação na área petrolífera, análise de moléculas, investigação e varredura de explosivos em aeroportos. Devido à falta de moderador, tal aparelho não podería produzir radioisótopos, pois os nêutrons produzidos são gerados pela reação d-d ou d-T, que são de 2,45 e 14,1 MeV, respectivamente, sendo que nestas energias as seções de choque de absorção de nêutrons para a maioria dos nuclídeos é muito baixa, não ocorrendo reações de transmutação. - O documento US2008/0089460A1, intitulado “Proton Generator Apparatus for Isotope Production”, 2008, está relacionada a melhorias em reatores de fusão nuclear eletrostáticos para produção de nêutrons, prótons e geração e subprodutos. Este tem uma configuração cilíndrica dotada de estrutura interna poligonal na forma de reator que utiliza reações de fusão entre hidrogênio e seus isótopos com núcleos leves. O sistema tem um alongamento onde há uma zona de colisão na qual podem ser gerados impactos direcionados para produção de isótopos pela reação de prótons com nuclídeos apropriados. Observa-se que o documento aborda a produção de radioisótopos através de colisões com prótons. O documento US2008/0089460 difere da presente tecnologia por incluir um núcleo de reator de fusão por confinamento inercial eletrostático. Esta tecnologia é de conhecimento da área de fusão e requer que o plasma seja produzido e mantido em confinamento inercial. Em US2008/0089460, as reações de fusão são geradas por pulsos elétricos ou partículas que ajudam a aquecer o plasma. As partículas resultantes são nêutrons e prótons de forma dispersa e isotrópica. Entretanto, apenas prótons podem ser acelerados no interior do dispositivo. Neste caso, as reações de produção de radioisótopos só podem ocorrer na colisão de nuclídeos pobres em prótons, induzindo a produção de emissores β+. No caso, as interações nucleares são diferentes da tecnologia proposta. Em suma: o documento US20080089460 apresenta um reator de fusão com confinamento inercial, sendo que a deflexão e orientações/interações no alvo envolvem prótons que colidem com nuclídeos pobres em prótons; enquanto que no presente pedido as reações e as interações são com nêutrons em nuclídeos pobres em nêutrons. Assim, a geometria, a funcionalidade, o processo e as tecnologias envolvidas são divergentes.[008] The technical literature also presents patent documents with designs of neutron-generating devices: - In patent application US20130129027A1, “High flux neutron source”, of May 23, 2013, an apparatus for the production of thermal neutrons is presented and epithermic, positioned around a cylinder or spherical moderator to maximize the neutron flux in a sample centered on the moderator. In this context, the system is divided into a set of neutron generators with axial axes placed in the radial direction of a cylindrical structure Each unit produces center-directed neutrons. The neutron fluxes generated from the multiple units are used for neutron activation analysis and neutron activation analysis of ready-made gamma, in order to determine the elemental chemical concentration in a material. Neutron absorptions thermal and inelastic scattering of epithermic and fast neutrons in samples generate characteristic gamma rays that can can be used to identify the target element and its chemical concentration. A radiation detector is positioned above the apparatus in the axial direction to the sample cylinder, surrounded by neutron generating units. The patent document US2013/0129027 A1 differs from the present technology because, given its purpose of analyzing neutron activation, the structures and dimensions used are characteristic for this application, making it distinct. The multiple irradiation modules, placed radially to the axial sample cylinder, make the neutron generation system distant and, thus, susceptible to leakage with reduced neutron flux. The spectra and fluxes generated in the device US2013/0129027 are insufficient for the proposed production of radioisotopes. Consequently, the geometric parameters differ from the context proposed in this patent.- The patent US7639770B2, entitled “Cylindrical neutron generator” presents a cylindrical neutron generator with coaxial formation, having a coaxial RF antenna plasma being produced, where in this plasma are generated the deuterium ions. Neutron generation is coaxial with the ion generator. Cylinder length is as long as needed. Neutrons are generated from the collision of ions with a tritium or deuterium target. This device is designed for the production of neutrons for the purpose of application in the petroleum field, analysis of molecules, investigation and scanning of explosives in airports. Due to the lack of moderator, such a device could not produce radioisotopes, as the neutrons produced are generated by the dd or dT reaction, which are 2.45 and 14.1 MeV, respectively, and at these energies the absorption cross sections of neutrons for most nuclides is very low, with no transmutation reactions taking place. - The document US2008/0089460A1, entitled “Proton Generator Apparatus for Isotope Production”, 2008, is related to improvements in electrostatic nuclear fusion reactors for the production of neutrons, protons and generation and by-products. It has a cylindrical configuration with a polygonal internal structure in the form of a reactor that uses fusion reactions between hydrogen and its isotopes with light nuclei. The system has an elongation where there is a collision zone in which targeted impacts can be generated for isotope production by the reaction of protons with appropriate nuclides. It is observed that the document addresses the production of radioisotopes through collisions with protons. US2008/0089460 differs from the present technology by including an electrostatic inertial confinement fusion reactor core. This technology is well known in the fusion field and requires plasma to be produced and maintained in inertial confinement. In US2008/0089460, fusion reactions are generated by electrical pulses or particles that help heat the plasma. The resulting particles are neutrons and protons in a dispersed and isotropic form. However, only protons can be accelerated inside the device. In this case, the radioisotope production reactions can only occur in the collision of proton-poor nuclides, inducing the production of β+ emitters. In this case, the nuclear interactions are different from the proposed technology. In summary: document US20080089460 presents a fusion reactor with inertial confinement, where the deflection and orientations/interactions in the target involve protons colliding with proton-poor nuclides; whereas in the present application the reactions and interactions are with neutrons in neutron-poor nuclides. Thus, the geometry, functionality, process and technologies involved are divergent.
[009] Nos Geradores de Radioisótopos - GR, o decaimento de um nuclídeo “pai”, em um “filho”, constitui uma transmutação natural, dita decaimento radioativo; embora, o nuclídeo pai deva ser produzido por meios artificiais pelos métodos RT ou AC. Esse tipo de gerador é viável somente quando o “pai” tem meia vida muito superior a do “filho”. Um exemplo típico desta tecnologia é o gerador comercial de "Mo / "mTc.[009] In Radioisotope Generators - GR, the decay of a “parent” nuclide, into a “child”, constitutes a natural transmutation, called radioactive decay; although, the parent nuclide must be produced by artificial means by the RT or AC methods. This type of generator is viable only when the “father” has a much longer half-life than the “son”. A typical example of this technology is the commercial "Mo / "mTc generator.
[0010] Na transmutação em nuclídeos ricos em nêutrons, há a necessidade de uma fonte geradora de nêutrons. A produção de nêutrons pode se dar por reatores de fissão, RT. Em verdade, radionuclídeos ricos em nêutrons de meia vida longa tem sido produzido por RT no Brasil: como 137Cs (30 anos), 60Co (5 anos), 1311 (8 dias). Outros, ricos em prótons, gerados por AC, como 18F (2 h), 201Ta (62,5 h), 67Ga (78,3 h) são encontrados no Brasil, produzidos em cíclotrons comerciaisA produção de nêutrons também pode ser estabelecida por fontes radioativas seladas emissoras de nêutrons, por exemplo, fonte de 252Cf que emite nêutrons por fissão espontânea; e, por reações de fusão d-d ou d-t, como exemplo, geradores de nêutrons tipo d-d ou d-t, projetados, inicialmente, para pesquisa na área de exploração de petróleo. Uma das principais vantagens desses geradores se pauta nas seções de choque das reações d-d, d-t e t-t, que atingem valores significativos a tensões de aceleração relativamente baixas (poucas centenas de kV). A essência da tecnologia de geradores de nêutrons é apresentada por Campos e Araújo (2010) (Araujo L. W.; Campos T. P. R. “Issues on beam-plasma instability - early simulations focusing on the development of a compact nêutron generator”, Vol.32, Pg 3302, Julho/Setembro, 2010) e de forma mais detalhada na dissertação de mestrado de Araujo L. W., intitulada “Investigações em, Geradores Compactos de Nêutrons’’ (UFMG/2010).[0010] In the transmutation into neutron-rich nuclides, there is a need for a neutron generating source. The production of neutrons can take place by fission reactors, RT. In fact, long half-life neutron-rich radionuclides have been produced by RT in Brazil: such as 137Cs (30 years), 60Co (5 years), 1311 (8 days). Others, rich in protons, generated by AC, such as 18F (2 h), 201Ta (62.5 h), 67Ga (78.3 h) are found in Brazil, produced in commercial cyclotrons The production of neutrons can also be established by sources sealed radioactive neutron-emitting, eg 252Cf source emitting neutrons by spontaneous fission; and, by d-d or d-t fusion reactions, for example, d-d or d-t type neutron generators, initially designed for research in the area of oil exploration. One of the main advantages of these generators is based on the cross sections of the d-d, d-t and t-t reactions, which reach significant values at relatively low acceleration voltages (few hundred kV). The essence of neutron generator technology is presented by Campos and Araújo (2010) (Araujo LW; Campos TPR “Issues on beam-plasma instability - early simulations focusing on the development of a compact neutron generator”, Vol.32, Pg 3302 , July/September, 2010) and in more detail in the master's dissertation by Araujo LW, entitled “Investigations in Compact Neutron Generators'' (UFMG/2010).
[0011] A transmutação não é somente utilizada para produzir radionuclídeos. Esta técnica pode ser utilizada na conversão de radionuclídeos de meia vida longa em radionuclídeos de meia vida curta ou estáveis. Assim, é utilizada para redução da atividade de rejeitos radioativos ou mesmo de fontes radioativas seladas ou líquidas indesejadas. No caso, a “queima” dos rejeitos radioativos produzidos em reatores nucleares pode ocorrer pela inserção dos mesmos em outros reatores cuja queima é produzida durante o processo de fissão do combustível e produção de energia elétrica. Outra possibilidade é o tratamento e separação química, aplicada em conjunção com a técnica de queima ou não, onde se separam os radionuclídeos em classes conforme a meia vida e a atividade dos mesmos. Estes são armazenados em locais pré-selecionados para serem mantidos por milhões de anos para decair em um estado estável.[0011] Transmutation is not only used to produce radionuclides. This technique can be used to convert long-lived radionuclides into short-lived or stable radionuclides. Thus, it is used to reduce the activity of radioactive waste or even of undesired sealed or liquid radioactive sources. In this case, the “burning” of radioactive waste produced in nuclear reactors can occur by inserting them into other reactors whose burning is produced during the process of fuel fission and production of electricity. Another possibility is chemical treatment and separation, applied in conjunction with the burning technique or not, where radionuclides are separated into classes according to their half-life and activity. These are stored in pre-selected locations to be kept for millions of years to decay into a steady state.
[0012] A transmutação de combustíveis nucleares também tem sido pesquisada envolvendo aceleradores de prótons de altas energias (1 GeV), que através de reações de espalhamento (p,n) em núcleos de chumbo e bismuto, entre outros, produzem múltiplos nêutrons, que então são utilizados na conversão dos rejeitos radioativos.[0012] The transmutation of nuclear fuels has also been researched involving high energy proton accelerators (1 GeV), which through scattering reactions (p,n) in lead and bismuth nuclei, among others, produce multiple neutrons, which then they are used in the conversion of radioactive waste.
[0013] A transmutação de nuclídeos fissionáveis em físseis, como 232Th em 233U pode ocorrer em reatores nucleares que empregam água pesada (D2O). Exemplos clássicos são os reatores de água pesada do tipo CANDU, que no caso transmutam 232U em 239Pu, além de 232Th em 233U, além de produzir energia elétrica.[0013] The transmutation of fissionable nuclides into fissiles, such as 232Th into 233U, can occur in nuclear reactors that employ heavy water (D2O). Classic examples are the heavy water reactors of the CANDU type, which in this case transmute 232U into 239Pu, in addition to 232Th into 233U, in addition to producing electricity.
[0014] O processo de Geradores de Radioisótopos - GR é de fácil utilização e baixo custo. Há vários centros de medicina no Brasil que utilizam geradores de 99Mo/99mTc, distribuídos pela Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN. Entretanto, o país mantém dependência da importação de "Mo irradiado em substrato de molibdênio ligado à alumina. A ativação do substrato é obtida em reatores de alto fluxo neutrônico no Canadá, Holanda, Argentina, Rússia, Israel ou Estados Unidos, especificamente na ordem de 1013 a 1014 n cm’2 s'1. Uma recente crise mundial no fornecimento deste insumo, ocorrida entre 2009 e 2011, devido à paralisação de reatores de alto fluxo para manutenção prejudicou ou mesmo paralisou temporariamente os diagnósticos feitos com radiofármacos marcados com "mTc em medicina nuclear. No caso brasileiro, a solução governamental consistiu em investir em um reator de alto fluxo para a geração de "Mo; entretanto, demorará, no mínimo, uma década para ser construído e operado.[0014] The process of Radioisotope Generators - GR is easy to use and low cost. There are several medical centers in Brazil that use 99Mo/99mTc generators, distributed by the National Nuclear Energy Commission - CNEN. However, the country still depends on the import of "Mo irradiated in a molybdenum substrate bound to alumina. The activation of the substrate is obtained in high neutron flux reactors in Canada, Holland, Argentina, Russia, Israel or the United States, specifically in the order of 1013 to 1014 n cm'2 s'1 A recent global crisis in the supply of this input, which occurred between 2009 and 2011, due to the shutdown of high flow reactors for maintenance, impaired or even temporarily paralyzed the diagnoses made with radiopharmaceuticals labeled with "mTc in nuclear medicine. In the Brazilian case, the government solution consisted of investing in a high-flow reactor for the generation of "Mo; however, it will take at least a decade to build and operate.
[0015] No processo de Foto-Transmutação - FT, isótopos instáveis emissores de fótons gama ou produzidos por radiação de frenagem de elétrons acelerados são fontes emissoras de alto fluxo de radiação gama. A transmutação ocorre através do bombardeamento dos núcleos alvos com fótons gama. Aceleradores lineares de elétrons ou mesmo um elevado número de fontes seladas de alta atividade, são necessários para suprir as radiações gama para Foto-Transmutação. Em FT, as fontes seladas são constituídas de isótopos instáveis que emitem, continuamente, radiação; dessa forma, estão associados problemas logísticos devido à proteção radiológica associada a milhares de Ci (Curie) de atividade. Este fato impede a difusão desta tecnologia e consequentemente, não é utilizada na produção comercial de radioisótopos.[0015] In the process of Photo-Transmutation - FT, unstable isotopes emitting gamma photons or produced by braking radiation from accelerated electrons are sources of high flux of gamma radiation. The transmutation occurs through bombardment of target nuclei with gamma photons. Linear electron accelerators or even a large number of sealed sources of high activity are needed to supply gamma radiation for Phototransmutation. In FT, sealed sources are made up of unstable isotopes that continuously emit radiation; thus, logistical problems are associated due to the radiation protection associated with thousands of Ci (Curie) activity. This fact prevents the diffusion of this technology and, consequently, it is not used in the commercial production of radioisotopes.
[0016] No processo por reatores nucleares - RT são necessárias instalações industriais e energéticas de grande porte, alta complexidade e custo, na ordem de bilhões de dólares, além disso, geram preocupações em termos de proteção radiológica e gerência dos rejeitos radioativos, podendo ainda ser possível a ocorrência de acidentes nucleares severos, que trazem danos às populações e ao meio ambiente.[0016] In the process by nuclear reactors - RT, large industrial and energy facilities are required, high complexity and cost, in the order of billions of dollars, in addition, they generate concerns in terms of radiological protection and management of radioactive waste, and may still possible the occurrence of severe nuclear accidents, which bring damage to populations and the environment.
[0017] No processo de produção por Aceleradores - AC, a maioria dos aceleradores empregados na produção de radioisótopos apresenta custo na ordem de dezenas de milhões de dólares. Os radioisótopos produzidos por este processo são ricos em prótons, decaem emitindo β+ ou pelo método de captura eletrônica e têm meia vida curta. Há também a necessidade de gerência de transporte da instalação produtora ao centro consumidor. Por exemplo, cíclòtrons são instalações que produzem radioisótopos emissores β+, como 18F, 11C e 15N. Tais instalações são limitadas a nuclídeos ricos em prótons, sendo impossível produzir radionuclídeos emissores β', ricos em nêutrons. A classe de radionuclídeos emissores β' é produzida unicamente com RT ou FT.[0017] In the production process by Accelerators - AC, most of the accelerators used in the production of radioisotopes have a cost in the order of tens of millions of dollars. The radioisotopes produced by this process are rich in protons, decay by emitting β+ or by the electron capture method, and have a short half-life. There is also a need for transport management from the production facility to the consumer center. For example, cyclotrons are facilities that produce β+ emitting radioisotopes, such as 18F, 11C and 15N. Such facilities are limited to proton-rich nuclides, making it impossible to produce neutron-rich β'-emitting radionuclides. The β'-emitting class of radionuclides is produced solely with RT or FT.
[0018] A produção de radioisótopos por fontes seladas ou geradores de nêutrons não tem sido empregada como método de produção de radioisótopos emissores (β'). A razão é que a intensidade de nêutrons produzidos pelo gerador d-d ou d-t, de forma isotrópica, está na ordem de 106a 1011 n s'1 e é inversamente proporcional ao quadrado da distância do alvo . Consequentemente, a fluência reduziria por um valor em torno da fração de 4πd2, por exemplo, em relação à distância de 100 cm do alvo, a fluência reduziria por um fator da ordem 7,95.10'6 cm. Por sua vez, a energia dos nêutrons emitidos das reações d-d ou d-t em geradores de nêutrons não é adequada para produção de radioisótopos, pois as seções de choque são muito baixas, na ordem de poucos milibarns (mb = 10’27 cm2) para grande maioria de nuclídeos de interesse. Assim, devido ao inadequado espectro energético dos nêutrons emitidos, baixa surgência e redução da intensidade com a distância ao quadrado, o uso de tal tecnologia para transmutação neutrônica de nuclídeos, para fins médicos, tem-se tornado infrutífero. Desta forma, arranjos utilizando dispositivos comerciais para produção de radioisótopos são inexistentes e impraticáveis.[0018] The production of radioisotopes by sealed sources or neutron generators has not been used as a method of producing emitting radioisotopes (β'). The reason is that the intensity of neutrons produced by the d-d or d-t generator isotropically is in the order of 106 to 1011 n s'1 and is inversely proportional to the square of the distance from the target. Consequently, the fluence would reduce by a value around the fraction of 4πd2, for example, in relation to the distance of 100 cm from the target, the fluence would reduce by a factor of the order 7.95 x 10'6 cm. In turn, the energy of the neutrons emitted from the dd or dt reactions in neutron generators is not suitable for the production of radioisotopes, because the cross sections are very low, in the order of a few millibarns (mb = 10'27 cm2) for large most nuclides of interest. Thus, due to the inadequate energetic spectrum of the emitted neutrons, low emergence and intensity reduction with the squared distance, the use of such technology for neutron transmutation of nuclides, for medical purposes, has become fruitless. Thus, arrangements using commercial devices for radioisotope production are non-existent and impractical.
[0019] Fontes seladas de 252Cf podem atingir surgências na ordem de 1012 n s’1; entretanto, emitem radiação gama simultaneamente com nêutrons, o espectro energético dos nêutrons é de fissão com máximas energias de 14,1 MeV, decaem com o tempo com meia-vida de 2,7 anos, a emissão de nêutrons não pode ser interrompida, além de ser necessário a substituição das mesmas de forma periódica.[0019] Sealed sources of 252Cf can reach surges in the order of 1012 n s'1; however, they emit gamma radiation simultaneously with neutrons, the energetic spectrum of neutrons is of fission with maximum energies of 14.1 MeV, they decay with time with a half-life of 2.7 years, the neutron emission cannot be interrupted, in addition to need to be replaced periodically.
[0020] No caso de inserção de rejeitos radioativos em reatores, a possibilidade de acidentes nucleares, associados a explosões químicas, tornam tais processos tecnológicos inaceitáveis para nossa sociedade. No Brasil, o tratamento de rejeitos das usinas de Angra I, II e futuramente III é problema ainda insolúvel. A transmutação por reações de “spallation” envolve aceleradores de prótons de altas energias (aproximadamente GeV) acoplados a reatores nucleares. Tais instalações são de elevado custo (bilhões de dólares) e ainda são experimentais.[0020] In the case of insertion of radioactive waste in reactors, the possibility of nuclear accidents, associated with chemical explosions, make such technological processes unacceptable to our society. In Brazil, the treatment of tailings from Angra I, II and in the future III is still an insoluble problem. Transmutation by spallation reactions involves high-energy (approximately GeV) proton accelerators coupled to nuclear reactors. Such installations are expensive (billions of dollars) and are still experimental.
[0021] No caso da transmutação de tório em urânio, os reatores de água leve, tipo pressurizado - PWR (Pressurized Water Reactor) não podem transmutar elementos fissionáveis em físseis em grande escala, devido à baixa economia de nêutrons. Para cada nêutron absorvido no 235U (combustível), emitem-se 2,3 nêutrons. A continuidade da reação em cadeia necessita de 1 nêutron e o restante foge do reator ou é absorvido. Isso ocorre porque a água leve (H2O) é absorvedora de nêutrons. Desta forma, há um déficit de nêutrons para transmutar elementos de interesse dentro do reator. Apesar de o Brasil ter uma das maiores reservas mundiais de 232Th, a sua utilização ainda não ocorreu, sendo ainda inútil até o presente momento. A transmutação deste elemento em elemento físsil, no caso 233U, é de interesse para a nação, devido à possibilidade de aumentar a capacidade de produção elétrica por reatores nucleares.[0021] In the case of transmutation of thorium into uranium, light water reactors, pressurized type - PWR (Pressurized Water Reactor) cannot transmute fissionable elements into fissiles on a large scale, due to low neutron economy. For every neutron absorbed in 235U (fuel), 2.3 neutrons are emitted. The continuity of the chain reaction needs 1 neutron and the rest either escapes from the reactor or is absorbed. This is because light water (H2O) is a neutron absorber. In this way, there is a deficit of neutrons to transmute elements of interest within the reactor. Although Brazil has one of the largest reserves of 232Th in the world, its use has not yet occurred, and it is still useless to date. The transmutation of this element into a fissile element, in the case 233U, is of interest to the nation, due to the possibility of increasing the electrical production capacity by nuclear reactors.
[0022] Basicamente, a complexidade, elevado custo, dimensões e proteção radiológica envolvida na geração de radioisótopos pelas técnicas FT, RT e AC, limitam as aplicações de radioisótopos. Radionuclídeos ricos em nêutrons, especialmente os de meia vida curta, inferiores às 48 h, por exemplo, de forma não limitante, não são produzidos. Obviamente, a distância dos centros de produção por qualquer uma das técnicas FT, RT e AC impede a utilização de radionuclídeos de meia vida curta.[0022] Basically, the complexity, high cost, dimensions and radiological protection involved in the generation of radioisotopes by FT, RT and AC techniques, limit the applications of radioisotopes. Neutron-rich radionuclides, especially those with short half-lives, less than 48 h, for example, are not produced in a non-limiting manner. Obviously, the distance from the production centers by any of the FT, RT and AC techniques prevents the use of short half-life radionuclides.
[0023] Em adição, a eliminação de rejeitos radioativos in lócus ainda não foi resolvida no Brasil. Tais limitações podem ser contornadas pela aplicação do método de transmutação in lócus, através da ativação por nêutrons, gerados por meio de geradores compactos, suportados por reações de fusão. A principal vantagem se caracteriza pelas seções de choque das reações d-d, d-t e t-t, que atingem valores significativos a tensões de aceleração relativamente baixas (poucas centenas de kV) empregadas na aceleração dessas partículas.[0023] In addition, the disposal of radioactive waste in locus has not yet been resolved in Brazil. Such limitations can be overcome by applying the in locus transmutation method, through activation by neutrons, generated by compact generators, supported by fusion reactions. The main advantage is characterized by the cross sections of the d-d, d-t and t-t reactions, which reach significant values at relatively low acceleration voltages (few hundred kV) used in the acceleration of these particles.
[0024] Com o objetivo de solucionar tais limitações existentes tanto na produção de radioisótopos, bem como das patentes relacionadas, a presente invenção é proposta no sentido de elevar: i) a oferta de radioisótopos ricos em nêutrons de meia vida curta; ii) a independência da tecnologia de reatores de alto fluxo na ativação de "Mo, disponível somente em poucos países industrializados; iii) a produção de radioisótopos de meia vida curta nos hospitais ou clínicas; iv) a possibilidade de transmutação de radioisótopos de meia vida longa em radioisótopos de meia vida curta ou estáveis, in lócus, solucionando o problema dos rejeitos produzidos em reatores nucleares, ou de fontes seladas indesejáveis; v) a possibilidade de transmutação de elementos fissionáveis em físseis, permitindo o uso das reservas minerais de 232Th do pais; vi) a redução do custo de transmutação de radioisótopos; vii) a substituição de tecnologias complexas, como reatores nucleares de fissão e aceleradores de partículas, por tecnologias mais simples e compactas; viii) a manutenção da filosofia de geradores de radioisótopos compactos, mas sem dependência da pré-existência de um nuclídeo pai radioativo produzido em reatores de fissão ou aceleradores de partículas; ix) a segurança radiológica das instalações; x) e permitir o desligamento total da instalação e consequentemente interrupção da radiação produzida no dispositivo, semelhante ao equipamento de raios-X.[0024] In order to solve such existing limitations both in the production of radioisotopes, as well as related patents, the present invention is proposed in order to increase: i) the supply of short half-life neutron-rich radioisotopes; ii) the independence of high flux reactor technology in the activation of "Mo, available only in a few industrialized countries; iii) the production of short half-life radioisotopes in hospitals or clinics; iv) the possibility of transmutation of half-life radioisotopes in short half-life or stable radioisotopes, in locus, solving the problem of waste produced in nuclear reactors, or from undesirable sealed sources; v) the possibility of transmuting fissionable elements into fissiles, allowing the use of the 232Th mineral reserves of the countries; vi) reducing the cost of transmuting radioisotopes; vii) replacing complex technologies, such as nuclear fission reactors and particle accelerators, with simpler and more compact technologies; viii) maintaining the philosophy of compact radioisotope generators, but without dependence on the pre-existence of a radioactive parent nuclide produced in fission reactors or particle accelerators; ix) the radiological safety of the facilities; x) and allow the total shutdown of the installation and consequently interruption of the radiation produced in the device, similar to X-ray equipment.
[0025] Desenvolveu-se então a presente invenção através da proposta de Célula Cilíndrica Fusora Transmutadora Isotópicas (CCFTI), de forma cilíndrica.[0025] The present invention was then developed through the proposal of Cylindrical Isotope Transmuting Fusor Cell (CCFTI), of cylindrical shape.
[0026] A proposta da CCFTI consiste em empregar tecnologias de geração de nêutrons por fusão tipo d-d, d-t ou t-t e sistemas internos de moderação, reflexão e blindagem de nêutrons, em conjunto, compondo um sistema de transmutação nuclear. Nesse contexto, a CCFTI se distingue por constituir-se de um sistema unitário, capaz de ministrar em conjunto os principais processos eletromagnéticos e nucleares envolvidos na transmutação de nuclídeos. O sistema possui dimensões compactas, baixo custo comparado às tecnologias concorrentes, simplicidade de desenvolvimento e operação, apresentando segurança radiológica com a possibilidade de completa interrupção da radiação e disponibilidade, podendo operar de forma continua na produção radioisótopos, no sítio de aplicação dos radioisótopos, consequentemente propiciando a produção e utilização de radionuclídeos ricos em nêutrons de meia-vida curta.[0026] The CCFTI proposal consists of employing d-d, d-t or t-t fusion neutron generation technologies and internal neutron moderation, reflection and shielding systems, together, composing a nuclear transmutation system. In this context, the CCFTI is distinguished by being a unitary system, capable of jointly administering the main electromagnetic and nuclear processes involved in the transmutation of nuclides. The system has compact dimensions, low cost compared to competing technologies, simplicity of development and operation, presenting radiological safety with the possibility of complete interruption of radiation and availability, being able to operate continuously in the production of radioisotopes, at the site of application of radioisotopes, consequently enabling the production and use of short-lived neutron-rich radionuclides.
[0027] A Figura 1 ilustra uma seção longitudinal da célula cilíndrica fusora transmutadora isotópica (CCFTI) com seus principais componentes e sistemas auxiliares.[0027] Figure 1 illustrates a longitudinal section of the cylindrical fuser cell isotope transmutator (CCFTI) with its main components and auxiliary systems.
[0028] A Figura 2 ilustra dois tipos de seções transversais, onde há indicação de diferenças de distribuição de amostras (5) de forma anular na CCFTI.[0028] Figure 2 illustrates two types of cross-sections, where there is an indication of differences in sample distribution (5) in an annular way in the CCFTI.
[0029] A Figura 3 ilustra uma coluna de radioisótopos e método de eluição.[0029] Figure 3 illustrates a radioisotope column and elution method.
[0030] A Figura 4 ilustra uma vista tridimensional em corte da região central da CCFTI.[0030] Figure 4 illustrates a three-dimensional sectional view of the central region of the CCFTI.
[0031] A Figura 5a apresenta uma vista dos receptáculos da célula apresentando o eletrodo alvo (1) e isolador elétrico (2). A Figura 5b ilustra uma vista da estrutura interna da CCFTI, apresentando o eletrodo do plasma (3) e isoladores elétricos (2). A Figura 5c ilustra a câmara cilíndrica de plasma (4), contida dentro do eletrodo do plasma (3). A Figura 5d mostra a estrutura em seção transversal da CCFTI, mostrando os anéis concêntricos.[0031] Figure 5a shows a view of the cell receptacles showing the target electrode (1) and electrical insulator (2). Figure 5b illustrates a view of the internal structure of the CCFTI, showing the plasma electrode (3) and electrical insulators (2). Figure 5c illustrates the cylindrical plasma chamber (4), contained within the plasma electrode (3). Figure 5d shows the cross-sectional structure of the CCFTI, showing the concentric rings.
[0032] A Figura 6 ilustra as estruturas de blindagem (101) e refletor (102) cilíndrico anular (101), o refletor superior (104) e a blindagem superior (103) do CCFTI.[0032] Figure 6 illustrates the shield (101) and annular cylindrical reflector (102) structures (101), the upper reflector (104) and the upper shield (103) of the CCFTI.
[0033] A Figura 7 ilustra uma vista aramada tridimensional semitransparente da geometria da CCFTI cilíndrica.[0033] Figure 7 illustrates a semi-transparent three-dimensional wireframe view of the cylindrical CCFTI geometry.
[0034] A Figura 8 ilustra a distribuição das linhas equipotenciais do potencial elétrico gerado pelos eletrodos do plasma (3) e do eletrodo alvo (1).[0034] Figure 8 illustrates the distribution of equipotential lines of the electrical potential generated by the plasma electrodes (3) and the target electrode (1).
[0035] A Figura 9 ilustra as linhas de transporte de ions entre o eletrodo do plasma (3) e o eletrodo alvo (1), através das múltiplas aberturas no eletrodo do plasma (3), identificando o ganho de energia cinética no processo de aceleração.[0035] Figure 9 illustrates the ion transport lines between the plasma electrode (3) and the target electrode (1), through the multiple openings in the plasma electrode (3), identifying the kinetic energy gain in the process of acceleration.
[0036] A Figura 10 apresenta o espectro do fluxo neutrônico no receptáculo do moderador.[0036] Figure 10 shows the spectrum of the neutron flux in the moderator receptacle.
[0037] A Figura 11 mostra a seção de choque das reações d-d (a) e d-t (b).[0037] Figure 11 shows the cross section of the d-d (a) and d-t (b) reactions.
[0038] A presente tecnologia é proposta por uma Célula Cilíndrica Fusora Transmutadora Isotópica (CCFTI) (Figura 1), que basicamente é constituída dos seguintes componentes, dispostos em conjunto: uma câmara de plasma de geometria cilíndrica (4) central ao dispositivo (Figura 5) que é gerado por um sistema de radiofreqüência (110) por excitação de uma antena interna central (105) (Figuras 1, 2 e 4) produzindo e disponibilizando íons de deutério ou trítio; um conjunto de eletrodos, (1) e (3), especificamente, eletrodo do plasma (3) e eletrodo alvo (1), sendo este recoberto internamente por ser uma película metálica depositada, composta de hidreto metálico, podendo ser este de titânio-deutério (TiDx), onde x varia de 0,1 a 6; sendo (1) e (3) carregados eletricamente por um sistema de alta potência (109); um ambiente de aceleração de íons (7) (Figura 2) caracterizado entre os eletrodos do plasma (3) e do alvo (1) onde hidreto metálico é depositado na superfície interna (1); uma região cilíndrica anular (106) separando o eletrodo alvo (1) do moderador (8) (Figura 2), contendo um fluido refrigerante e isolador; um invólucro cilíndrico anular contendo um moderador de nêutrons (8); um ou mais receptáculos para amostras (5) (Figura 2), postos de forma radial ao moderador ou na forma de múltiplos tubos cilíndricos distribuídos no moderador; e uma contenção externa composta de um cilindro anular do refletor (102) de nêutrons e o mesmo para a blindagem radioativa (101).[0038] The present technology is proposed by a Cylindrical Isotope Transmuting Fusor Cell (CCFTI) (Figure 1), which basically consists of the following components, arranged together: a plasma chamber of cylindrical geometry (4) central to the device (Figure 5) which is generated by a radiofrequency system (110) by excitation of a central internal antenna (105) (Figures 1, 2 and 4) producing and making available deuterium or tritium ions; a set of electrodes, (1) and (3), specifically, plasma electrode (3) and target electrode (1), which is covered internally because it is a deposited metallic film, composed of metallic hydride, which may be titanium- deuterium (TiDx), where x ranges from 0.1 to 6; (1) and (3) being electrically charged by a high power system (109); an ion acceleration environment (7) (Figure 2) characterized between the plasma (3) and target (1) electrodes where metal hydride is deposited on the inner surface (1); an annular cylindrical region (106) separating the target electrode (1) from the moderator (8) (Figure 2), containing a refrigerant and insulating fluid; an annular cylindrical shell containing a neutron moderator (8); one or more sample receptacles (5) (Figure 2), placed radially to the moderator or in the form of multiple cylindrical tubes distributed in the moderator; and an external containment composed of an annular cylinder for the neutron reflector (102) and the same for the radioactive shield (101).
[0039] A presente tecnologia (Figura 1) contém anéis cilíndricos concêntricos dispostos externamente à câmara de plasma, contendo várias partes, com dimensão longitudinal equivalentes de 10 a 500 cm, caracterizados por apresentar uma câmara de plasma (4), recipiente para amostras (5), tomando a forma de um anel anular concêntrico, eletrodo do plasma (3), dotado de 1 a 100 aberturas por centímetro quadrado, de forma cilíndrica, cônica, ou setor de uma esfera; um eletrodo do alvo (1), de formato cilíndrico, revestido na parede interna com hidreto metálico depositado; isoladores separadores (2) na parte superior e inferior e raio equivalente ao eletrodo do alvo, útil no isolamento elétrico; anel cilíndrico anular do moderador (8); ambiente de aceleração de íons (7), com 1 a 5 cm de espessura radial; e, contêiner do moderador (6).[0039] The present technology (Figure 1) contains concentric cylindrical rings arranged externally to the plasma chamber, containing several parts, with equivalent longitudinal dimensions of 10 to 500 cm, characterized by having a plasma chamber (4), sample container ( 5), taking the form of a concentric annular ring, plasma electrode (3), provided with 1 to 100 openings per square centimeter, cylindrical, conical, or sector of a sphere; a target electrode (1), cylindrical in shape, coated on the inner wall with deposited metal hydride; separator insulators (2) at the top and bottom and radius equivalent to the target electrode, useful in electrical insulation; moderator annular cylindrical ring (8); ion acceleration environment (7), 1 to 5 cm in radial thickness; and, moderator container (6).
[0040] O contêiner do moderador (6) contém o moderador (8) e o receptáculo de amostras (5) podem ser resumidos em uma única parte, onde neste caso as amostras (5) são imersas no material moderador (8).[0040] The moderator container (6) contains the moderator (8) and the sample receptacle (5) can be summarized in a single part, where in this case the samples (5) are immersed in the moderator material (8).
[0041] De forma mais específica, a CCFTI (Figura 1) compreende um dispositivo cilíndrico, com estruturas cilíndricas concêntricas internas, com comprimentos axiais variando de 1 a 400 cm, compreendendo uma câmara de plasma cilíndrica (4), alimentada com gás de deutério (108), dotada de um sistema para produção de plasma (110), podendo este ser gerado por uma antena de RF interna (105); um conjunto de eletrodos cilíndricos alimentados por condutores (119) pelo sistema de alta tensão (109) com diferença de potencial de 0 a 400 kV, sendo um eletrodo do plasma (3), de raio interno de 2 a 50 cm com espessura radial de 0,1 a 1,5 cm, dotado de 1 a 100 aberturas radiais por centímetro quadrado de superfície, sendo que cada abertura tem largura média de 0,05 a 0,5 cm, sendo as aberturas na forma transversal cilíndrica e longitudinal retangular, ou ainda forma cônica, tronco toroidal ou calota esférica; câmara de plasma (4), na forma cilíndrica, com raio interno de 3 a 30 cm; um ambiente de aceleração (7) na forma de halo cilíndrico, com raio interno 3 a 50 cm e raio externo de 5 a 50 cm; eletrodo do alvo (1), de raio interno de 4 a 50 cm com espessura radial de 0,1 a 3 cm, revestido internamente por hidretos metálicos; fluido refrigerante e isolador (106), e sistema de recirculação (107) mantendo contato externo com o alvo (1), contido em um cilindro anular concêntrico (106); contêiner do moderador (6), na forma de halo cilíndrico, com raio interno de 4 a 50 cm e raio externo de 10 a 100 cm; contendo o moderador (8), receptáculo para amostras (5), ou na forma de um volume único cilíndrico anular concêntrico de posição de amostras (5), externo ao moderador (8), com raio interno 5 a 100 cm e raio externo de 10 a 110 cm, ou na forma de múltiplos receptáculos de amostra (5) cilíndricos de raio de 1 a 10 cm, distribuídos no moderador (8), com entrada axial da tampa (151), tubo (153) ou colunas (155) de eluição e tubos de acesso (154), protegidos por refletor (150) e (152); e, constrita por anel cilíndrico refletor (101) e blindagem (102), de mesma forma, revestindo a célula, e tampa (151), com refletor e blindagem, de espessuras de material de 5 a 50 cm; sendo que os eletrodos do alvo (1) e do plasma (3) são constituídos de cobre, alumínio, titânio, ou liga metálica; alvo (1) representado por depósito de uma película metálica composta de hidreto metálico, podendo ser este de titânio-deutério (TiDx), onde x varia de 1 a 6; moderador (8) constituído de água leve (H2O), água pesada (D2O), grafite, polímeros de alta densidade, polímeros fluorados, polietileno, teflon, compostos de berílio, enxofre, ou misturas dos mesmos; isoladores elétricos (2), na face não exposta do eletrodo do alvo e nas juntas e bordas dos eletrodos, constituídos de material dielétrico como vidros, cerâmicas especiais ou borracha; e conexões elétricas (119), de cabos de cobre ou alumínio; refrigerante (106) constituído de um fluido refrigerante térmico e isolador elétrico, como óleo mineral ou orgânico isolante; refletor (101) constituído de material composto de cromo cobre, bismuto, chumbo, carbeto de tungsténio ou ligas ou misturas dos mesmos; blindagem (102) composta de polietileno, água, ou grafite, misturado a substâncias absorvedoras de nêutrons, como compostos de boro, lítio, cádmio ou gadolínio, e revestido com bismuto, chumbo, ou carbeto de tungsténio; e gás da câmara de plasma (1) de deutério neutro, ou enriquecido com trítio gasoso.[0041] More specifically, the CCFTI (Figure 1) comprises a cylindrical device, with internal concentric cylindrical structures, with axial lengths ranging from 1 to 400 cm, comprising a cylindrical plasma chamber (4), fed with deuterium gas (108), provided with a system for producing plasma (110), which can be generated by an internal RF antenna (105); a set of cylindrical electrodes fed by conductors (119) by the high voltage system (109) with a potential difference from 0 to 400 kV, being a plasma electrode (3), with an internal radius of 2 to 50 cm with a radial thickness of 0.1 to 1.5 cm, equipped with 1 to 100 radial openings per square centimeter of surface, each opening having an average width of 0.05 to 0.5 cm, the openings being cylindrical and longitudinal rectangular in shape, or even conical shape, toroidal trunk or spherical cap; plasma chamber (4), cylindrical, with an internal radius of 3 to 30 cm; an acceleration environment (7) in the form of a cylindrical halo, with an inner radius of 3 to 50 cm and an outer radius of 5 to 50 cm; target electrode (1), with an internal radius of 4 to 50 cm with a radial thickness of 0.1 to 3 cm, internally coated with metal hydrides; refrigerant fluid and insulator (106), and recirculation system (107) maintaining external contact with the target (1), contained in a concentric annular cylinder (106); moderator container (6), in the form of a cylindrical halo, with an internal radius of 4 to 50 cm and an external radius of 10 to 100 cm; containing the moderator (8), sample receptacle (5), or in the form of a single cylindrical annular concentric sample position volume (5), external to the moderator (8), with an internal radius of 5 to 100 cm and an external radius of 10 to 110 cm, or in the form of multiple cylindrical sample receptacles (5) with a radius of 1 to 10 cm, distributed in the moderator (8), with axial entry from the lid (151), tube (153) or columns (155) elution and access tubes (154), protected by reflector (150) and (152); and, constricted by a cylindrical reflector ring (101) and shield (102), in the same way, covering the cell, and cover (151), with reflector and shield, of material thicknesses from 5 to 50 cm; the target (1) and plasma (3) electrodes are made of copper, aluminum, titanium, or metallic alloy; target (1) represented by the deposit of a metallic film composed of metallic hydride, which may be titanium-deuterium (TiDx), where x varies from 1 to 6; moderator (8) consisting of light water (H2O), heavy water (D2O), graphite, high density polymers, fluorinated polymers, polyethylene, teflon, beryllium compounds, sulfur, or mixtures thereof; electrical insulators (2), on the unexposed face of the target electrode and on the joints and edges of the electrodes, made of dielectric material such as glass, special ceramics or rubber; and electrical connections (119), of copper or aluminum cables; refrigerant (106) consisting of a thermal refrigerant fluid and electrical insulator, such as mineral or organic insulating oil; reflector (101) consisting of material composed of chromium, copper, bismuth, lead, tungsten carbide or alloys or mixtures thereof; shielding (102) composed of polyethylene, water, or graphite, mixed with neutron-absorbing substances, such as boron, lithium, cadmium, or gadolinium compounds, and coated with bismuth, lead, or tungsten carbide; and plasma chamber gas (1) of neutral deuterium, or enriched with gaseous tritium.
[0042] O contêiner do moderador (6) e o receptáculo de amostras (5) poderem constituir um único elemento, de forma que os nuclídeos alvo possam ser inseridos e combinados ao moderador.[0042] The moderator container (6) and the sample receptacle (5) can constitute a single element, so that the target nuclides can be inserted and combined to the moderator.
[0043] A CCFTI pode se conectar a um sistema de radiofrequência (RF) (110), um sistema de alta tensão (109) com conexões (119) de alimentação para os eletrodos, e o sistema de alimentação de gás de deutério (D2) (108), bem como um sistema de refrigeração externo (107).[0043] The CCFTI can connect to a radio frequency (RF) system (110), a high voltage system (109) with feed connections (119) for the electrodes, and the deuterium gas feed system (D2) ) (108), as well as an external cooling system (107).
[0044] O presente dispositivo propõe uma estrutura geometricamente adequada, utilizando materiais apropriados, isto é, as configurações de materiais e geometrias permitem maximizar a surgência de nêutrons, reduzindo fugas por reflexão neutrônica, capaz de gerar um fluxo de nêutrons em um conjunto de receptáculos e transmutar nuclídeos produzindo radioisótopos, entre outras aplicações. Este fluxo de nêutrons é originário das reações nucleares d-d ou d-t, sendo que os íons de deutério, gerados em plasma alimentado por radiofreqüência são extraídos da câmara interna cilíndrica por um eletrodo de plasma e alvo eletrificados; acelerados por diferença de potencial presente entre estes eletrodos, colidindo com o alvo constituído de titânio, prata, aço, ouro, cobre ou tungsténio, revestido de hidretos metálicos ou também de Ti, Ag, Au, Cu ou W, estes deuterizados ou tritiados, promovendo as reações nucleares de fusão no alvo.[0044] The present device proposes a geometrically adequate structure, using appropriate materials, that is, the configurations of materials and geometries allow maximizing the emergence of neutrons, reducing leakage by neutron reflection, capable of generating a flow of neutrons in a set of receptacles and transmuting nuclides producing radioisotopes, among other applications. This neutron flux originates from the d-d or d-t nuclear reactions, and the deuterium ions, generated in plasma fed by radiofrequency, are extracted from the cylindrical inner chamber by an electrified plasma electrode and target; accelerated by the difference in potential present between these electrodes, colliding with the target consisting of titanium, silver, steel, gold, copper or tungsten, coated with metallic hydrides or also with Ti, Ag, Au, Cu or W, these deuterized or tritiated, promoting nuclear fusion reactions at the target.
[0045] A forma cilíndrica auxilia na contenção do plasma. A antena de RF produz a excitação e ionização do gás de deutério, e os eletrodos promovem a extração de íons do plasma através do eletrodo do plasma (3), em direção radial colidindo-os contra a superfície interna do eletrodo do alvo (1).[0045] The cylindrical shape helps contain the plasma. The RF antenna produces the excitation and ionization of the deuterium gas, and the electrodes promote the extraction of ions from the plasma through the plasma electrode (3), in a radial direction, colliding them against the inner surface of the target electrode (1) .
[0046] Através do isolamento e refrigeração do eletrodo (1) de alto potencial, pode-se aproximar o moderador (8) deste, permitindo que nêutrons percam suas energias por colisões elásticas e permitam atingir energias cinéticas plausíveis de ocorrer reações de absorção e captura radioativa, preferencialmente na faixa térmica, em receptáculos de amostras (5). Assim, processos de geração de radioisótopos como GR, FT, AC e RT tornam-se desatualizados e desnecessários.[0046] Through the isolation and cooling of the electrode (1) of high potential, the moderator (8) can be brought closer to it, allowing neutrons to lose their energies by elastic collisions and allow reaching plausible kinetic energies for absorption and capture reactions to occur radioactive, preferably in the thermal range, in sample receptacles (5). Thus, radioisotope generation processes such as GR, FT, AC and RT become outdated and unnecessary.
[0047] A presente tecnologia é compacta, mais simples (comparada a reatores nucleares e aceleradores de partículas), e capaz de produzir radioisótopos, ou transmutar diversos isótopos ou radioisótopos de interesse, no local de utilização dos mesmos, por exemplo, em hospitais, clínicas, centros de pesquisa, locais de produção de rejeitos radioativos, a um baixo custo.[0047] The present technology is compact, simpler (compared to nuclear reactors and particle accelerators), and capable of producing radioisotopes, or transmuting various isotopes or radioisotopes of interest, at the place of use, for example, in hospitals, clinics, research centers, radioactive waste production sites, at a low cost.
[0048] Outro aspecto relevante em se tratando da produção de radioisótopos é a capacidade que a presente tecnologia possui em ligar e desligar, via a alimentação por radiofrequência e pelos altos potenciais elétricos, na ordem de 200 kV, interrompendo as reações d-d ou d-t. Assim, ao desligar, o dispositivo deixa de produzir radiação. Contrária aos reatores nucleares (RT), que não cessam a produção de radiação, e, adversa as tecnologias que utilizam a produção de nêutrons por fontes de 252Cf, ou reações de fotodesintegração (FT) como (y,n); a CCFTI se torna atrativa por não produzir radiação quando desligada.[0048] Another relevant aspect when it comes to the production of radioisotopes is the ability that the present technology has to turn on and off, via radiofrequency power and high electrical potentials, in the order of 200 kV, interrupting the d-d or d-t reactions. Thus, when turning off, the device stops producing radiation. Contrary to nuclear reactors (RT), which do not cease to produce radiation, and adverse to technologies that use neutron production by 252Cf sources, or photodisintegration reactions (FT) such as (y,n); CCFTI becomes attractive because it does not produce radiation when turned off.
[0049] Outro aspecto relevante da presente tecnologia está na comparação da produção de radioisótopos por geradores, definido aqui por GRs. Em GRs há a necessidade de um precursor, dito “pai”, radioativo, ser produzido antecipadamente em reatores nucleares. A distribuição dos geradores, como "Mo/"mTc são feitas semanalmente, e apresentam uma atividade eluída, decaindo no tempo da meia vida do pai, por exemplo, de 67 h do "Mo. O equilíbrio de atividades entre "Mo e "mTc é dita transiente. Na tecnologia apresentada, a CCFTI pode-se gerar continuamente o “pai”, cuja atividade interna no dispositivo, se torna constante, e consequentemente o equilíbrio entre o “pai” e “filho” se torna secular. Assim, é possível disponibilizar o radioisótopo “filho” de forma ilimitada, sem necessidade de trocas periódicas dos GRs.[0049] Another relevant aspect of the present technology is in the comparison of the production of radioisotopes by generators, defined here by GRs. In GRs there is a need for a precursor, called “parent”, radioactive, to be produced in advance in nuclear reactors. The distribution of generators such as "Mo/"mTc are made weekly, and show an eluted activity, decaying in the time of the parent's half-life, for example, 67 h of "Mo. The balance of activities between "Mo and "mTc is said to be transient. In the presented technology, the CCFTI can continuously generate the "father", whose internal activity in the device becomes constant, and consequently the balance between the "father" and "son" becomes secular. It is possible to make the “daughter” radioisotope unlimitedly available, without the need for periodic exchanges of the GRs.
[0050] Quanto aos principais componentes da CHFTI (presente invenção), bem como suas funcionalidades, a CHFTI consiste em:Sistema de geração de plasma (110), (105), (3) e (4): representado por uma câmara (4), alimentado por o gás de D2 (108), que alimenta plasma (4), sendo este gerado por radiofreqüência (110), e extrator de íons de deutério através do eletrodo do plasma (3). No caso de plasma gerado por radiofreqüência RF, o sistema é constituído de um gerador de radiofreqüência, rede de casamento de impedância, amplificador de potência, e a antena é posicionada interna (105) à câmara de plasma (4), alimentada por um sistema de potência de radiofrequência (110) na ordem de 0,5 a 5 KW na freqüência de 13,5 MHz, que permite a ionização do gás de D2 (108). Os sistemas de potência de RF, a freqüência aplicada e a potência para geração de plasma, suas variações, fazem parte da tecnologia de plasma, e são de conhecimento comum, e não serão descritas nesta patente. Sistema de armazenamento e distribuição de gás D2, (108) (Fig.1): constituído de um cilindro com gás deutério pressurizado (108), válvulas de controle de pressão, que deverá estabelecer dentro da câmara de plasma (4) uma pressão na ordem de aproximadamente 0,27 Pa, e tubos ou mangueiras e conectores que levam a alimentam à câmara de plasma (4). Conjunto de Eletrodos, (1) e (3): responsáveis por definir um feixe de núcleos de isótopos de hidrogênio, íons de deutério (d) ou trítio (t). É aplicada nos eletrodos uma tensão fixa individual, variando entre 30 kV até -150 kV, sendo que o diferencial de potencial entre eletrodos pode chegar a 180 a 200 kV. Os eletrodos são responsáveis por extrair, focalizar e acelerar os íons de deutério. Podem se apresentar neste conjunto: o eletrodo do plasma (3), o eletrodo supressor, eletrodo aterrado, o eletrodo focalizador e o eletrodo associado ao alvo (1). Os eletrodos supressores, aterrado, e focalizador são opcionais e auxiliam na orientação, supressão de elétrons e colimação do feixe de dêuterons contra o alvo. Sistema de potência de alta tensão (109): gerador de alta tensão de até 400 kV que alimenta os eletrodos, através de cabos (119) e isoladores elétricos. Alvo refrigerado (1): constituído de hidretos metálicos depositados sobre a placa do eletrodo metálico do alvo (1), onde se produz reações de fusão d-d (dêuteron-dêuteron), d-t (dêuteron-tríton) ou t-t (tríton-tríton), gerando nêutrons. Sistema de refrigeração (107): trocador de calor e fluido refrigerante (106), que entra por conduites (117) para a CCFTI, constituído de óleo isolante, que flui sobre a superfície externa do eletrodo do alvo (1), mantendo contato com o alvo, envolvendo-o de forma a absorver a energia térmica depositada no alvo pelos íons acelerados. Caso a potência térmica for alta, pode-se optar por introduzir um trocador de calor externo ao dispositivo CCFTI, refrigerando o fluido contido nela, de modo a transferir calor a um fluido secundário como água ou ar. Contêiner do moderador (6): um receptáculo, onde há um material de moderação neutrônica dito moderador (8), de dimensões ajustáveis, de forma a aperfeiçoar o espectro energético do feixe neutrônico à transmutação de interesse, maximizando a taxa de reação de transmutação. Conjunto de receptáculo de amostras (5): local para introdução de amostras a serem transmutadas, dispostos internamente ao moderador (8); e/ou no eixo central do CCFTI. Refletor de nêutrons (102): um invólucro de reflexão de nêutrons, que minimiza a fuga ou absorção neutrônica de forma a confinar os nêutrons no interior do moderador. Blindagem (101): invólucro externo que limita a exposição radioativa às proximidades do dispositivo, durante o período de operação.[0050] Regarding the main components of the CHFTI (present invention), as well as its functionalities, the CHFTI consists of: Plasma generation system (110), (105), (3) and (4): represented by a camera ( 4), fed by D2 gas (108), which feeds plasma (4), which is generated by radiofrequency (110), and extracts deuterium ions through the plasma electrode (3). In the case of plasma generated by RF radiofrequency, the system consists of a radiofrequency generator, impedance matching network, power amplifier, and the antenna is positioned internal (105) to the plasma chamber (4), fed by a system of radiofrequency power (110) in the order of 0.5 to 5 KW at a frequency of 13.5 MHz, which allows the ionization of the D2 gas (108). RF power systems, applied frequency and power for plasma generation, their variations, are part of plasma technology, and are common knowledge, and will not be described in this patent. D2 gas storage and distribution system (108) (Fig.1): consisting of a cylinder with pressurized deuterium gas (108), pressure control valves, which must establish within the plasma chamber (4) a pressure in the order of approximately 0.27 Pa, and tubes or hoses and connectors leading to the plasma chamber (4). Set of Electrodes, (1) and (3): responsible for defining a beam of hydrogen isotope nuclei, deuterium (d) or tritium (t) ions. A fixed individual voltage is applied to the electrodes, ranging from 30 kV to -150 kV, and the potential differential between electrodes can reach 180 to 200 kV. The electrodes are responsible for extracting, focusing and accelerating deuterium ions. The following can be presented in this set: the plasma electrode (3), the suppressor electrode, the ground electrode, the focusing electrode and the electrode associated with the target (1). Suppressing, grounding, and focusing electrodes are optional and assist in the orientation, electron suppression, and collimation of the deuteron beam against the target. High voltage power system (109): high voltage generator up to 400 kV that feeds the electrodes, through cables (119) and electrical insulators. Refrigerated target (1): consisting of metal hydrides deposited on the metal electrode plate of the target (1), where dd (deuteron-deuteron), dt (deuteron-triton) or tt (triton-triton) fusion reactions take place. generating neutrons. Cooling system (107): heat exchanger and coolant fluid (106), which enters through conduits (117) to the CCFTI, consisting of insulating oil, which flows over the external surface of the target electrode (1), maintaining contact with the target, enveloping it in order to absorb the thermal energy deposited on the target by the accelerated ions. If the thermal power is high, you can choose to introduce an external heat exchanger to the CCFTI device, cooling the fluid contained in it, in order to transfer heat to a secondary fluid such as water or air. Moderator container (6): a receptacle, where there is a neutron moderation material called moderator (8), of adjustable dimensions, in order to optimize the energetic spectrum of the neutron beam to the transmutation of interest, maximizing the transmutation reaction rate. Sample receptacle set (5): place for introducing samples to be transmuted, arranged internally to the moderator (8); and/or on the central axis of the CCFTI. Neutron Reflector (102): A neutron reflecting shell, which minimizes neutron leakage or absorption in order to confine neutrons within the moderator. Shield (101): external housing that limits radioactive exposure to the vicinity of the device during the period of operation.
[0051] Entre alguns materiais que podem ser utilizados na constituição dos principais componentes da presente invenção, cita-se: Eletrodos do alvo (1) e do plasma (3), e outros opcionais: peças metálicas, compondo superfícies, com múltiplas perfurações na forma cilíndricas, seção de tronco de cone, ou seção de esfera, constituídas de cobre, alumínio, titânio, prata, ouro, ou liga metálica, de forma não limitante. Alvo (1): película metálica depositada sobre o eletrodo do alvo (1), composta de hidreto metálico, podendo ser este de titânio-deutério, TiDx (x=0,1 a 6), de forma não limitante; Moderador (8): material moderador de nêutrons, como água leve (H2O), água pesada (D2O), grafite, polímeros de alta densidade, polímeros fluorados, polietileno, teflon, compostos de berílio, enxofre, ou misturas dos mesmos, de forma não limitante. Refletor (102): material composto de cromo, cobre, bismuto, chumbo, carbeto de tungsténio ou ligas ou misturas dos mesmos, de forma não limitante. Isolador elétrico (2): material isolante elétrico, que pode recobrir a face não exposta do eletrodo do alvo, as juntas e bordas dos eletrodos, e conexões elétricas, entre estes materiais condutores e outras partes do dispositivo, constituídos de material dielétrico como vidros, cerâmicas especiais, borracha, de forma não limitante. Refrigerante (106): fluido refrigerante que circula externo ao eletrodo do alvo (1), funcionando também como isolador elétrico, comumente utilizado em transformadores elétricos, como óleo mineral ou orgânico isolante, de forma não limitante. Blindagem (101): composta de polietileno, água, ou grafite, misturado a substâncias absorvedoras de nêutrons, como compostos de boro, lítio, cádmio ou gadolínio, e revestido com bismuto, chumbo, cádmio ou carboneto de tungsténio, de forma não limitante. Gás que preenche (4): o gás de alimentação contido na câmara de plasma (4) é o gás de deutério neutro, ou enriquecido com trítio gasoso.[0051] Among some materials that can be used in the constitution of the main components of the present invention, it is mentioned: Target electrodes (1) and plasma (3), and other optional ones: metallic parts, composing surfaces, with multiple perforations in the cylindrical shape, frustoconical section, or sphere section, consisting of copper, aluminum, titanium, silver, gold, or metallic alloy, in a non-limiting manner. Target (1): metallic film deposited on the target electrode (1), composed of metallic hydride, which may be titanium-deuterium, TiDx (x=0.1 to 6), in a non-limiting way; Moderator (8): neutron moderator material such as light water (H2O), heavy water (D2O), graphite, high density polymers, fluorinated polymers, polyethylene, teflon, beryllium compounds, sulfur, or mixtures thereof, so not limiting. Reflector (102): material composed of chromium, copper, bismuth, lead, tungsten carbide or alloys or mixtures thereof, in a non-limiting manner. Electrical insulator (2): electrical insulating material, which can cover the unexposed face of the target electrode, the joints and edges of the electrodes, and electrical connections, between these conductive materials and other parts of the device, consisting of dielectric material such as glasses, special ceramics, rubber, in a non-limiting way. Refrigerant (106): refrigerant fluid that circulates external to the target electrode (1), also functioning as an electrical insulator, commonly used in electrical transformers, as mineral or organic insulating oil, in a non-limiting way. Shielding (101): composed of polyethylene, water, or graphite, mixed with neutron-absorbing substances, such as boron, lithium, cadmium or gadolinium compounds, and coated with bismuth, lead, cadmium or tungsten carbide, in a non-limiting way. Filling gas (4): the feed gas contained in the plasma chamber (4) is neutral deuterium gas, or gas enriched with tritium gas.
[0052] A Figura 1 ilustra uma seção longitudinal da CCFTI cilíndrica. Nesta pode-se observar as entradas do gás de deutério (108) que alimenta a câmara de plasma (4) e o ambiente de aceleração (7). Observa-se também os condutores elétricos do sistema de RF (110) para alimentação da antena de radiofreqüência (105). Pode ser identificado o sistema de alta tensão (109) e os condutores elétricos de alta tensão HV1 e HV2 para o eletrodo do plasma (3) e eletrodo do alvo (1) (Fig.1 e 4). Há os isoladores elétricos (2) tanto na parte superior e inferior, isolando os eletrodos e antena. Observa-se a entrada do fluido (106) isolador e refrigerante do sistema de refrigeração (107), que circula em um anel anular cilíndrico (106) que mantém a função de refrigeração e isolação do alvo (1). Pode ser observado também a blindagem (101), o contêiner do moderador (6) e o material moderador (8). Observa-se também a entrada do receptáculo de amostras (151) e o espaço de colocação de amostras (5).[0052] Figure 1 illustrates a longitudinal section of the cylindrical CCFTI. In this one, the inlets of the deuterium gas (108) that feeds the plasma chamber (4) and the acceleration environment (7) can be observed. It is also observed the electrical conductors of the RF system (110) for feeding the radio frequency antenna (105). The high voltage system (109) and the high voltage electrical conductors HV1 and HV2 can be identified for the plasma electrode (3) and target electrode (1) (Fig.1 and 4). There are electrical insulators (2) on both the top and bottom, isolating the electrodes and antenna. The inlet of the insulating fluid (106) and refrigerant of the refrigeration system (107) is observed, which circulates in a cylindrical annular ring (106) that maintains the function of refrigeration and insulation of the target (1). The shield (101), the moderator container (6) and the moderator material (8) can also be observed. The inlet of the sample receptacle (151) and the sample placement space (5) are also observed.
[0053] As Figura 2a e 2b apresentam as seções transversal da CCFTI apresentando a blindagem (101), o refletor (102), um volume único cilíndrico anular concêntrico de posição de amostras (5) (Fig.2b) ou em forma de um conjunto de cilindros (5) como na Fig. 2a. Pode ser visto também a antena cilíndrica longitudinal (105), podendo esta também ser helicoidal, interna na câmara de plasma (4); bem como o espaço de aceleração (7) entre eletrodos do plasma e alvo. É apresentado também o volume cilíndrico concêntrico anular (106) referente ao refrigerante e isolador líquido que circula e refrigera o eletrodo do alvo; o volume anular do moderador (8).[0053] Figures 2a and 2b show the cross-sections of the CCFTI showing the shield (101), the reflector (102), a single cylindrical annular concentric sample position volume (5) (Fig.2b) or in the form of a cylinder assembly (5) as in Fig. 2a. The longitudinal cylindrical antenna (105) can also be seen, which may also be helical, internal to the plasma chamber (4); as well as the acceleration space (7) between plasma and target electrodes. Also shown is the annular concentric cylindrical volume (106) referring to the coolant and liquid insulator that circulates and cools the target electrode; the moderator ring volume (8).
[0054] A Figura 3 apresenta maiores detalhes do tubo de amostras (153). A coluna de transmutação (155) mantém os nuclídeos a serem transmutados. Esta coluna pode conter: i) nuclídeos cujo precursor seja estável e gere um produto radioativo útil para fins comerciais; ii) um radionuclídeo que pode ser transmutado em estável, ou em uma série de radionuclídeos que leve a um estável, no caso “queimando ou eliminando” o nuclídeo radioativo; iii) um radionuclídeo de meia vida longa em um radionuclídeo de meia vida curta, no caso “queimando ou removendo” radionuclídeo de meia vida de um a milhares de anos; iv) um radionuclídeo de meia vida curta em um radionuclídeo de meia vida longa, para fins comerciais; v) um nuclídeo estável que se transmuta em um radionuclídeo, que sofre subséqüente decaimento com meia vida superior a meia vida de seu subproduto radioativo, de meia vida inferior, e neste caso componha um gerador de radioisótopos tipo pai-filho de equilíbrio transiente ou secular, sendo que neste caso um processo de eluição é previsto onde tubos finos (154) entram e saem da coluna alimentados por frascos do eluente (156) e de vácuo (157).[0054] Figure 3 shows more details of the sample tube (153). The transmutation column (155) holds the nuclides to be transmuted. This column may contain: i) nuclides whose precursor is stable and generates a radioactive product useful for commercial purposes; ii) a radionuclide that can be transmuted into a stable one, or into a series of radionuclides that lead to a stable one, in this case “burning or eliminating” the radioactive nuclide; iii) a long half-life radionuclide into a short half-life radionuclide, in this case “burning or removing” half-life radionuclide from one to thousands of years; iv) a short half-life radionuclide into a long half-life radionuclide, for commercial purposes; v) a stable nuclide that transmutes into a radionuclide, which undergoes subsequent decay with a half-life longer than the half-life of its radioactive by-product, which has a lower half-life, and in this case composes a transient or secular equilibrium parent-child radioisotope generator , in which case an elution process is provided where thin tubes (154) enter and leave the column fed by eluent (156) and vacuum (157) vials.
[0055] A Figura 4 ilustra uma vista tridimensional da parte interna do CCFTI cilíndrico, onde é identificada a antena de radiofrequência (105) interna à câmara de plasma (4), confinada pelo eletrodo do plasma (3), seguido pelo ambiente de aceleração (7) e pelo cilindro alvo (1). Após o alvo (1), em contato com este, há o anel anular cilíndrico onde se armazena e circula o fluido isolador e refrigerante (106). Pode ser identificado também o contêiner do moderador (6), onde há o material moderador (8), sendo imerso neste os receptáculos de amostras (5), que aqui é apresentado de forma cilíndrica. Segue também a blindagem (101) e o invólucro do refletor (102) com material refletor (102).[0055] Figure 4 illustrates a three-dimensional view of the inner part of the cylindrical CCFTI, where the radio frequency antenna (105) inside the plasma chamber (4) is identified, confined by the plasma electrode (3), followed by the acceleration environment (7) and by the target cylinder (1). After the target (1), in contact with it, there is the cylindrical annular ring where the insulating and refrigerant fluid (106) is stored and circulated. The moderator container (6) can also be identified, where there is the moderator material (8), and the sample receptacles (5) are immersed in it, which is presented here in a cylindrical shape. Also follows the shield (101) and the reflector housing (102) with reflective material (102).
[0056] A Figura 5a apresenta uma vista do eletrodo do alvo (1), cilíndrico anular concêntrico. Em suas faces de topo e base há um anel de material isolador (2). A Fig.5b ilustra os isoladores elétricos (2) e o eletrodo do plasma interno (3) ao eletrodo do alvo (1). A Fig. 5c ilustra a câmara de plasma (4) e o eletrodo do plasma (3) com suas múltiplas aberturas. Na figura 5d, o receptáculo de amostras é representado por um único cilindro anular concêntrico (5). Também são apresentados o moderador (8) a contêiner do moderador (6), o eletrodo alvo (1), o espaço de aceleração (7), a câmara de plasma (4).[0056] Figure 5a shows a view of the target electrode (1), concentric annular cylindrical. On its top and bottom faces there is a ring of insulating material (2). Fig.5b illustrates the electrical insulators (2) and the plasma electrode internal (3) to the target electrode (1). Fig. 5c illustrates the plasma chamber (4) and the plasma electrode (3) with their multiple openings. In figure 5d, the sample receptacle is represented by a single concentric annular cylinder (5). Also shown are the moderator (8) the moderator container (6), the target electrode (1), the acceleration space (7), the plasma chamber (4).
[0057] Toda a célula CCFTI está revestida por um material refletor (102) e uma blindagem (101). Há uma tampa que apresenta a mesma constituição: um refletor (104) e blindagem (103). (Figura 6a e 6b)[0057] The entire CCFTI cell is coated with a reflective material (102) and a shield (101). There is a cover that has the same constitution: a reflector (104) and shield (103). (Figure 6a and 6b)
[0058] A Figura 7 ilustra a estrutura do refletor (102) e da blindagem (101), em uma vista tridimensional aramada da CCFTI.[0058] Figure 7 illustrates the structure of the reflector (102) and the shield (101), in a three-dimensional wired view of the CCFTI.
[0059] A Figura 8 ilustra as linhas equipotenciais entre os eletrodos do plasma (3) e eletrodo do alvo (1), que receberam uma diferença de potencial de 180kV.[0059] Figure 8 illustrates the equipotential lines between the plasma electrodes (3) and the target electrode (1), which received a potential difference of 180kV.
[0060] A Figura 9 representa o transporte de íons de deutério entre os eletrodos do plasma e do alvo, mostrando também seu ganho de energia cinética entre estes eletrodos.[0060] Figure 9 represents the transport of deuterium ions between the plasma and target electrodes, also showing its gain in kinetic energy between these electrodes.
[0061] Uma característica peculiar do dispositivo cilíndrico é a contenção do plasma, que se apresenta no centro do dispositivo, onde o moderador (8) e o invólucro de amostras (5) estão localizados no entorno, formando camadas cilíndricas concêntricas, delineando uma geometria cilíndrica para a CCFTI.[0061] A peculiar feature of the cylindrical device is the containment of the plasma, which is presented in the center of the device, where the moderator (8) and the sample housing (5) are located in the surroundings, forming concentric cylindrical layers, outlining a geometry cylinder for the CCFTI.
[0062] A Figura 2, 3 e 4 apresenta as estruturas cilíndricas de reflexão de nêutrons e de blindagem (externas) da CCFTI de geometria cilíndrica, onde são identificados: a) estrutura da blindagem de radiação (101), com espessura radial de 3 a 80 cm, exterior a estrutura de reflexão de nêutrons (102) acopladas de forma concêntricas; b) cilindros sólidos, com espessura de 3 a 50 cm, para fechamento superior (103) e inferior (101) do refletor (102) e da blindagem (101).[0062] Figures 2, 3 and 4 show the cylindrical structures of neutron reflection and shielding (external) of the CCFTI with cylindrical geometry, where the following are identified: a) structure of the radiation shield (101), with a radial thickness of 3 at 80 cm, outside the concentrically coupled neutron reflection structure (102); b) solid cylinders, with a thickness of 3 to 50 cm, to close the top (103) and bottom (101) of the reflector (102) and the shield (101).
[0063] A CCFTI cilíndrica fica, então, confinada por um sistema de reflexão inferior, superior e lateral. O refletor lateral (102), que possui espessura radial de 1 a 50 cm, é ilustrado na Figura 2, onde é apresentada a tampa superior (104) para reflexão de nêutrons. Posterior a esta estrutura, há o confinamento pela blindagem lateral (101) e inferior e superior, unicamente numerada (103),[0063] The cylindrical CCFTI is then confined by an inferior, superior and lateral reflection system. The side reflector (102), which has a radial thickness of 1 to 50 cm, is illustrated in Figure 2, where the top cover (104) for neutron reflection is shown. After this structure, there is the confinement by the lateral (101) and lower and upper shields, uniquely numbered (103),
[0064] No eletrodo do alvo (1) ocorre as reações nucleares, d-d ou d-t como indicados nas expressões abaixo:
Onde d equivale ao dêuteron, n o nêutron, 2H ao átomo de deutério, 3H ao átomo de trítio e 1H equivale ao hidrogênio, 3He e 4He isótopos do átomo de hélio. Q representa a energia cinética dos produtos da reação, onde n é emitido com 2,45 MeV em reações d-d e 14,06 MeV para d-t. As reações 5 e 6 podem ocorrer no alvo, isto é d-d, que geram (d,n) e (d,p). Entretanto somente a reação 6 apresenta como subproduto a emissão de nêutrons. As seções de choques (probabilidade de interação) para as reações (d,n’), (d,p), (d,d), (t,n), obtidas do banco de dados ENDF/B-VI.8, são apresentadas na Figura 10.[0064] At the target electrode (1) the nuclear reactions occur, dd or dt as indicated in the expressions below: Where d is equivalent to the deuteron, in the neutron, 2H to the deuterium atom, 3H to the tritium atom and 1H is equivalent to hydrogen, 3He and 4He isotopes of the helium atom. Q represents the kinetic energy of the reaction products, where n is emitted with 2.45 MeV in dd reactions and 14.06 MeV for dt.
[0065] A determinação do rendimento neutrônico, y, da CCFTI pode ser avaliado por meio da equação 1, como segue: Onde Qd é o número de dêuterons por cm3 no alvo, / é a corrente do feixe, add(E) é a seção de choque para produção de nêutrons da reação de fusão d-d em função da energia E do feixe de dêuterons. As espécies iônicas foram ponderadas pela sua fração fk e pelo número de núcleos k por íons. A expressão dE/dx representa o poder de frenagem do alvo carregado com deutério. A equaçãol foi resolvida numericamente, discretizando a energia em intervalos de 30 keV e estimando a densidade de dêuterons no alvo pd igual a 3,76 g.cm'3, com base no relatório técnico de 1954, da Universidade da California, intitulado: ‘"Information on the Neutrons Produced in the H3(d,n) He4”, de Jack Benveniste and Jerry Zenger.A Lei de Bragg foi empregada para determinar o poder de frenagem no alvo, ela é apresentada por meio da equação 2 e é descrita por Heaton, R.; Lee, H.; Skensved, P. e Robertson, B. na publicação da Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 276(3):529 - 538, 1989). onde o índice M representa o metal e d representa o deutério no alvo. Os valores do poder de frenagem podem ser obtidos por meio do código Srim.[0065] The determination of the neutron yield, y, of the CCFTI can be evaluated through
[0066] Depois de obtido o rendimento de nêutrons, equação 1, referente a fonte de emissão de nêutrons distribuída no alvo, calcula-se a distribuição espacial de nêutrons e seu espectro no volume do moderador (8), na tentativa de avaliar a degradação do espectro rápido (2,45 MeV emitidos por d-d, por exemplo) no espectro térmico. Nas regiões onde estão as amostras, obtém-se a seção de choque macroscópica do material a ser irradiado, multiplicando a seção de choque microscópica de transmutação (em geral, de captura radioativa, (n.y)), dependente da energia, pelo espectro neutrônico, normalizado pelo rendimento de nêutrons pela fonte, e, por fim, pela densidade volumétrica de átomos a ser transmutados, em átomos-cm3. Então, calcula-se a taxa temporal e volumétrica de transmutação de radioisótopos, definida como Rv, em unidades de nuclídeos produzidos “ nr” por unidade de volume, cm3 , por unidade de fluência emitida pela fonte, isto é n.s'1. Esta é multiplicada pelo rendimento y da CCFTI e inserida na equação 3, a fim de definir a atividade da amostra em função do tempo de irradiação. onde À representa a constante de meia vida do radionuclídeo, produto da transmutação. A taxa de transmutação volumétrica Rv pode então ser obtida por meio da equação 4. (4) onde p representa a densidade do material representativo da amostra (Z), NA O número de Avogadro, A é a massa atômica do composto contendo isótopo Z a ser transmutado, co é a fração química multiplicada pela fração isotópica do isótopo Z no composto, e Oz(E) a seção de choque de absorção neutrônica do isótopo em questão e Φ(E,r) o fluxo de nêutrons no moderador (8) na posição r (da amostra), ambos dependente da energia, e yo rendimento de nêutrons gerados pelas reações d-d, que significa a surgência de nêutrons no alvo. O termo <cyz(E).Φ(E,r)>/Y é avaliado pelo código MCNP em uma determinada posição r do moderador, e integrado no domínio do espectro energético, entre a energia térmica a 2,5 MeV. Os resultados destes cálculos para algumas amostras são apresentadas nos exemplos.[0066] After obtaining the neutron yield,
[0067] Em relação ao plasma (4), este é não-termalizado, e pode ser produzido na câmara de plasma (3) a baixa temperatura. O plasma também pode ser gerados por descargas elétricas, em operação continua (CW) ou pulsada, de forma capacitiva e indutiva acoplados a descargas de radiofrequência, descargas de antenas, e descargas por microondas em cavidades fechadas, ou mesmo em estruturas abertas. A descarga capacitiva acoplada pode ocorrer entre duas placas paralelas ou eletrodos transversais em que é aplicada uma diferença de potencial alternada. A descarga indutiva acoplada é gerada pela indução de uma bobina. O plasma (4) pode também ser gerado por um campo eletromagnético forte aplicado com um laser ou um gerador de micro-ondas, ou aplicação de um campo elétrico forte em um gás onde o processo de avalanche de Townsend ocorre. O processo de descarga de Townsend é um processo de ionização onde elétrons livres são acelerados pelo campo elétrico, forte o suficiente para gerar uma condução elétrica no gás na forma de uma multiplicação em avalanche causada pelos impactos de íons e moléculas ionizadas. A geração de plasma por radiofrequência RF, como apresentado, é de interesse devido à necessidade de operação em longo tempo. Descargas elétricas aplicadas pelo gerador de plasma podem ser classificadas pela frequência do campo excitado, podendo variar de kHz a MHz, classificadas como: por descargas de corrente diretas (DC); descargas DC pulsadas (kHz); descargas de radiofrequência (MHz), suportadas por mecanismos de aquecimento de elétrons por meio ôhmico e estocástico; por descargas de micro-ondas (GHz); por plasma gerado por laser; ou por descargas de feixes de elétrons orientados. Em resumo, são várias as formas de geração de plasma, cuja ciência e tecnologia são de domínio público. A alteração da forma de geração do plasma na câmara de plasma, descrita nesta patente, mantendo semelhante geometria, material ou componentes, e preservando o uso, não caracterizam uma nova invenção, mas representam apenas modificações na forma de ionização do gás de deutério, suportada por informações científicas e técnicas de conhecimento comum.[0067] Regarding plasma (4), this is non-thermalized, and can be produced in the plasma chamber (3) at low temperature. Plasma can also be generated by electrical discharges, in continuous operation (CW) or pulsed, capacitively and inductively coupled to radiofrequency discharges, antenna discharges, and microwave discharges in closed cavities, or even in open structures. Coupled capacitive discharge can occur between two parallel plates or transverse electrodes where an alternating potential difference is applied. The coupled inductive discharge is generated by the induction of a coil. Plasma (4) can also be generated by a strong electromagnetic field applied with a laser or microwave generator, or by applying a strong electric field to a gas where the Townsend avalanche process takes place. The Townsend discharge process is an ionization process where free electrons are accelerated by an electric field strong enough to generate an electrical conduction in the gas in the form of an avalanche multiplication caused by the impacts of ions and ionized molecules. The generation of plasma by radiofrequency RF, as presented, is of interest due to the need for long-term operation. Electrical discharges applied by the plasma generator can be classified by the frequency of the excited field, ranging from kHz to MHz, classified as: by direct current discharges (DC); pulsed DC discharges (kHz); radiofrequency discharges (MHz), supported by ohmic and stochastic electron heating mechanisms; by microwave discharges (GHz); by laser generated plasma; or by discharges of oriented electron beams. In summary, there are several forms of plasma generation, whose science and technology are in the public domain. The change in the form of plasma generation in the plasma chamber, described in this patent, maintaining similar geometry, material or components, and preserving the use, do not characterize a new invention, but only represent changes in the form of ionization of deuterium gas, supported scientific and technical information of common knowledge.
[0068] A Célula fusora é caracterizada por ser um dispositivo de transmutação isotópica de nuclídeos a partir da geração de nêutrons por fusão nuclear entre íons de deutério (d) e/ou trítio (t). Desta forma, pode ser um dispositivo de transmutação isotópica de elementos fissionáveis em físseis, preferencialmente 232Th e 238U.[0068] The fuser cell is characterized by being a device for the isotopic transmutation of nuclides from the generation of neutrons by nuclear fusion between deuterium (d) and/or tritium (t) ions. In this way, it can be a device for the isotopic transmutation of fissionable elements into fissiles, preferably 232Th and 238U.
[0069] A CCFTI pode produzir isótopos e radionuclídeos, preferencialmente do grupo compreendendo: Na-24, P-32, S-35, CI-38,Ar-41, K-42, Ca-47, Ca-49, Ti- 51, V-52, Cr-55, Mn-56, Fe-59, Co-60, Ni-65, Cu-64, Cu-66, Zn-69, Zn-71, Zn- 72, Ga-70, Ga-72, Ge-72, Ge-75, As-76, Se-81, Se-83, Br-80, Br-82, Kr-87, Kr- 85, Kr-81, Kr-79, Rb-86, Rb-88, Sr-85, Sr-87, Sr-89, Sr-90, Y-90, Mo-99, Ru- 105, Ru-106, Rh-104, Pd-103, Pd-107, Ag-108, Ag-110, Ag-111, Ag-113, Cd- 111, Cd-115, Cd-117, ln-114, ln-116, ln-114, ln-116, Sn-125, Sn-121, Sn-123, Sb-122, Sb-123, Sb-125, Te-121, Te123, Te125, Te-127, Te-129, Te-131, I128, 1-131, Xe-125, Xe-127, Xe-129, Xe-131, Xe-133, Xe135, Xe-137, Cs-134, Ba-133, Ba-135, Ba-139, Ba-130, La-140, Ce-137, Ce-139, Ce-141, Ce-143, Pr-142, Pr-143, Nd-147 Nd-149, Nd-151, Sm-151, Sm-153, Sm-155, Eu-152, Eu-154, Eu-155, Eu-156, Gd-153, Gd-159, Gd-161, Tb-160, Dy-157, Dy-159, Dy-165, Dy-166, Ho-166, Er-169, Er-171, Tm-170, Yb-169, Yb-175, Yb-177, Lu- 177, Hf-175, Hf-181, Hf-182, Hf-177, Hf-178, Hf-179, Ta-182, W-181, W-185, W-187, W-188, Re-188, Os-193, lr-192,lr-193,lr-194, Pt-191, Pt-193, Pt-195, Pt- 197, Pt-199, Au-1998, Au-199, Hg-197, Hg-199, Hg-203, Hg-205, Ti-204, Ti- 206, Pb-205, Pb-209, Bi-201, Bi-211, Th-233, U-239.[0069] CCFTI can produce isotopes and radionuclides, preferably from the group comprising: Na-24, P-32, S-35, CI-38,Ar-41, K-42, Ca-47, Ca-49, Ti- 51, V-52, Cr-55, Mn-56, Fe-59, Co-60, Ni-65, Cu-64, Cu-66, Zn-69, Zn-71, Zn-72, Ga-70, Ga-72, Ge-72, Ge-75, As-76, Se-81, Se-83, Br-80, Br-82, Kr-87, Kr-85, Kr-81, Kr-79, Rb- 86, Rb-88, Sr-85, Sr-87, Sr-89, Sr-90, Y-90, Mo-99, Ru-105, Ru-106, Rh-104, Pd-103, Pd-107, Ag-108, Ag-110, Ag-111, Ag-113, Cd-111, Cd-115, Cd-117, ln-114, ln-116, ln-114, ln-116, Sn-125, Sn- 121, Sn-123, Sb-122, Sb-123, Sb-125, Te-121, Te123, Te125, Te-127, Te-129, Te-131, I128, 1-131, Xe-125, Xe- 127, Xe-129, Xe-131, Xe-133, Xe135, Xe-137, Cs-134, Ba-133, Ba-135, Ba-139, Ba-130, La-140, Ce-137, Ce- 139, Ce-141, Ce-143, Pr-142, Pr-143, Nd-147 Nd-149, Nd-151, Sm-151, Sm-153, Sm-155, Eu-152, Eu-154, Eu -155, Eu-156, Gd-153, Gd-159, Gd-161, Tb-160, Dy-157, Dy-159, Dy-165, Dy-166, Ho-166, Er-169, Er-171 , Tm-170, Yb-169, Yb-175, Yb-177, Lu-177, Hf-175, Hf-181, Hf-182 , Hf-177, Hf-178, Hf-179, Ta-182, W-181, W-185, W-187, W-188, Re-188, Os-193, lr-192,lr-193,lr -194, Pt-191, Pt-193, Pt-195, Pt-197, Pt-199, Au-1998, Au-199, Hg-197, Hg-199, Hg-203, Hg-205, Ti-204 , Ti-206, Pb-205, Pb-209, Bi-201, Bi-211, Th-233, U-239.
[0070] A CCFTI pode ser empregada na transmutação de um ou mais radionuclídeos de meia vida longa, precursores de radionuclídeos de meia vida curta, sendo este par, definido no grupo: Mo-99/Tc-99m, Sr-90/Y-90, Rb-81/Kr- 81 m, Hg-195/Au-195m; W-188/Re-188, SÍ-32/P-32.[0070] CCFTI can be used in the transmutation of one or more long-lived radionuclides, precursors of short-lived radionuclides, this pair being defined in the group: Mo-99/Tc-99m, Sr-90/Y- 90, Rb-81/Kr-81m, Hg-195/Au-195m; W-188/Re-188, S1-32/P-32.
[0071] Este dispositivo pode ser empregado na ativação de sementes radioativas para braquiterapia, entre elas sementes cerâmicas baseados em biovidros, ou nano partículas, fitatos ou macro agregados a base de óxidos, fosfatos, silicatos, carbonatos, bem como insumos radioativos a base de nitratos e cloretos, ou polímeros incorporando radioisótopos emissores de raios-X, gama ou raios-betas, de forma não limitante.[0071] This device can be used in the activation of radioactive seeds for brachytherapy, including ceramic seeds based on bioglass, or nanoparticles, phytates or macro-aggregates based on oxides, phosphates, silicates, carbonates, as well as radioactive inputs based on nitrates and chlorides, or polymers incorporating radioisotopes emitting X-rays, gamma or beta-rays, in a non-limiting manner.
[0072] A CCFTI pode ser útil na transmutação de radionuclídeos de meia vida longa em radionuclídeos de meia vida curta ou estáveis, de interesse na queima de rejeitos radioativos ou na redução da atividade de fontes radioativas indesejadas, representado por materiais incorporando um, ou um conjunto de nuclídeos, pertencentes ao grupo dos elementos químicos: califórnio, berquélio, cúrio, amerício, plutônio, netúnio, urânio, protactínio, tório, actinídeo, radio, estrôncio, iodo, césio, cobalto, ferro, sódio, de forma não limitante.[0072] CCFTI may be useful in transmuting long-lived radionuclides into short-lived or stable radionuclides, of interest in burning radioactive waste or reducing the activity of unwanted radioactive sources, represented by materials incorporating one, or a set of nuclides, belonging to the group of chemical elements: californium, berkelium, curium, americium, plutonium, neptunium, uranium, protactinium, thorium, actinide, radium, strontium, iodine, cesium, cobalt, iron, sodium, in a non-limiting way.
[0073] A presente tecnologia pode ser melhor compreendida através dos seguintes exemplos, não limitantes.[0073] The present technology can be better understood through the following non-limiting examples.
[0074] Como exemplo da avaliação eletromagnética, apresenta-se a distribuição potencial elétrico de uma CCFTI baseada em cilíndricos concêntricos anulares simulada no código CST (Computer Simulation Technology). Neste, foram empregados um potencial elétrico de 30 kV no eletrodo do plasma (1) e -150 kV no eletrodo alvo (3). O perfil das linhas equipotenciais é apresentado na Figura 8.[0074] As an example of electromagnetic evaluation, the electrical potential distribution of a CCFTI based on annular concentric cylinders simulated in the CST code (Computer Simulation Technology) is presented. In this, an electrical potential of 30 kV was used at the plasma electrode (1) and -150 kV at the target electrode (3). The profile of the equipotential lines is shown in Figure 8.
[0075] Como resultado da simulação, a Figura 9 mostra o perfil energético dos feixes de dêuterons, representando suas trajetórias em direção ao alvo. A configuração apresentada permitiu alcançar uma corrente de 1,588 A de dêuterons em cada alvo.[0075] As a result of the simulation, Figure 9 shows the energy profile of the deuteron beams, representing their trajectories towards the target. The presented configuration allowed to reach a current of 1.588 A of deuterons in each target.
[0076] O cálculo do rendimento neutronico yfoi avaliado por meio da equação 1. Os valores do poder de frenagem foram obtidos por meio do código Srim. Com a configuração hemisférica dotada de 310 aberturas nos eletrodos do plasma, atingiu-se uma surgência de 1013 n s"1.[0076] The calculation of the neutronic efficiency y was evaluated through
[0077] Como exemplo de avaliação nuclear, foi elaborado um modelo da CCFTI de geometria de cilíndrica, simulado no código MCNP5 (Monte Cario N- Particle). Os materiais empregados nesta avaliação foram: ar seco (ambiente externo), blindagem (de polietileno borado, densidade de 1,12 g.cm'3), refletor (cromei, densidade 10,27 g.cm'3), receptáculos (de aço inox, densidade 8,0 g.cm'3), isolador (de kaolinite, 2,50 g.cm'3), câmara de plasma preenchida com gás de deutério (de densidade 0,01 g.cm'3), eletrodos do plasma e alvo (de cobre, densidade 8,50 g.cm'3), ambiente de aceleração com gás de deutério (0,001 g.cm3), alvo (de cobre, titânio deutério, 8,50 g.cm'3), refletor (de liga de bismuto e chumbo, densidade 10,27 g.cm'3), e moderador (de grafite, 1,70 g.cm'3, e água leve, 1,0 g.cm'3).[0077] As an example of nuclear evaluation, a model of the CCFTI of cylindrical geometry was elaborated, simulated in the MCNP5 code (Monte Carlo N-Particle). The materials used in this evaluation were: dry air (outdoor environment), shielding (bored polyethylene, density of 1.12 g.cm'3), reflector (chromei, density 10.27 g.cm'3), receptacles (of stainless steel, density 8.0 g.cm'3), insulator (of kaolinite, 2.50 g.cm'3), plasma chamber filled with deuterium gas (density 0.01 g.cm'3), plasma and target electrodes (copper, density 8.50 g.cm'3), deuterium gas acceleration environment (0.001 g.cm3), target (copper, titanium deuterium, 8.50 g.cm'3 ), reflector (from bismuth and lead alloy, density 10.27 g.cm'3), and moderator (from graphite, 1.70 g.cm'3, and light water, 1.0 g.cm'3) .
[0078] O fluxo de nêutrons foi avaliado em simulações no código MCNP5, que executou o transporte de nêutrons na CCFTI, desde a sua emissão no alvo (1) surgindo com energia rápida (2,45 MeV) e sua termalização no volume moderador (8) até os volumes de posicionamento de amostras (5).[0078] The neutron flux was evaluated in simulations in the MCNP5 code, which performed the transport of neutrons in the CCFTI, since its emission in the target (1) appearing with fast energy (2.45 MeV) and its thermalization in the moderator volume ( 8) up to sample placement volumes (5).
[0079] A Figura 10 apresenta o espectro do fluxo neutrônico na fase externa ao alvo (1), próximo à borda do receptáculo do moderador (6), e na posição do receptáculo de amostras (5). Observa-se que a quantidade de nêutrons rápidos, de 2,5 MeV, reduz e a quantidade de nêutrons termalizados aumentam. Esta alteração no espectro de nêutrons auxilia no aumento da taxa de transmutação dos isótopos de interesse.[0079] Figure 10 shows the spectrum of the neutron flux in the phase external to the target (1), near the edge of the moderator receptacle (6), and in the position of the sample receptacle (5). It is observed that the amount of fast neutrons, of 2.5 MeV, reduces and the amount of thermalized neutrons increases. This change in the neutron spectrum helps to increase the rate of transmutation of the isotopes of interest.
[0080] A atividade obtida por transmutação foi avaliada por meio de simulações computacionais via código MCNP e cálculos numéricos.[0080] The activity obtained by transmutation was evaluated through computer simulations via MCNP code and numerical calculations.
[0081] A fluência neutrônica normalizada por partícula emitida pela fonte em volumes internos no moderador foi calculada por meio do código MCNP5. A fluência foi multiplicada pela densidade atômica das amostras de interesse e pela seção de choque de captura radioativa, (n,y), resultante da transmutação isotópica, dos átomos de interesse; determinando, então, a taxa temporal e volumétrica de transmutação de radioisótopos, definida como Rv. Esta foi multiplicada pelo rendimento de nêutrons y da CCFTI e inserida na equação 3.[0081] The normalized neutron fluence per particle emitted by the source in internal volumes in the moderator was calculated using the MCNP5 code. The fluence was multiplied by the atomic density of the samples of interest and by the radioactive capture cross section, (n,y), resulting from the isotopic transmutation of the atoms of interest; determining, then, the temporal and volumetric rate of radioisotope transmutation, defined as Rv. This was multiplied by the CCFTI neutron yield y and inserted into
[0082] Considerando o oxido de Lu-176 como amostra, com abundância natural de 2,59%, a transmutação leva a formação de Lu-177, com meia vida de 6,7 dias. O resultado da taxa de transmutação temporal e volumétrica Rv para as amostras de Lu-176, transmutando em Lu-177 em reações de captura radioativa (n,g), por nêutron emitido no alvo, dentro do receptáculo do moderador, é 2,46365 em unidades de (at.b‘1.cm'1).(cm’2)*(b) ou (at.cm’3), por unidade de surgência fonte, em n.s-1. No caso, este é o termo (<oz(E).<j)(E,r)>/y) avaliado no código MCNP, baseando-se em um modelo geométrico de CLFTI utilizando a biblioteca de seção de choques da ENDF-B.8, onde b é barn, em unidades de nêutron emitido no alvo, na posição de maior taxa de reação, na periferia do moderador, e dentro do moderador.[0082] Considering the Lu-176 oxide as a sample, with a natural abundance of 2.59%, the transmutation leads to the formation of Lu-177, with a half-life of 6.7 days. The result of the temporal and volumetric transmutation rate Rv for the Lu-176 samples, transmuting to Lu-177 in radioactive capture reactions (n,g), per neutron emitted at the target, inside the moderator receptacle, is 2.46365 in units of (at.b'1.cm'1).(cm'2)*(b) or (at.cm'3), per unit of source emergence, in ns-1. In this case, this is the term (<oz(E).<j)(E,r)>/y) evaluated in the MCNP code, based on a geometric model of CLFTI using the ENDF- B.8, where b is barn, in units of neutron emitted at the target, at the highest reaction rate position, at the periphery of the moderator, and inside the moderator.
[0083] Considerando uma surgência de 1012 n.s'1, teremos 4,8 Ci.cm"3. Esta atividade é atingida após 30 dias de operação. Desta forma, o traçador radioativo Lu-177 pode ser produzido em quantidades suficientes para atender ao diagnóstico por imagem por cintilografia em clinicas e hospitais, de forma diária.[0083] Considering a surge of 1012 n.s'1, we will have 4.8 Ci.cm"3. This activity is reached after 30 days of operation. In this way, the radioactive tracer Lu-177 can be produced in sufficient quantities to meet diagnostic imaging by scintigraphy in clinics and hospitals on a daily basis.
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