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关于自制Th232-U233增殖堆的问题与解决方案

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对于家庭实验党来说,可裂变核素无法购买,且分离同位素几乎不可能。但是核反应堆是最好的中子源,中子通量很大,也可以调节。所以可以尝试用易得的钍232吸收中子后衰变成易裂变核铀233,作为核燃料。
前车之鉴
上世纪90年代的David Hahn尝试做过Th-U增殖堆,据说他的增殖堆最后产生了微量的U233和Pu239,但由于造成了环境污染,装置被带走埋起来了。
他大概的思路是这样的:先做出中子源和Th燃料块,辐照一段时间后会生成一些U233,再尝试把很多块燃料块堆起来,让更多钍232吸收中子...
1)中子源
David Hahn先用烟雾报警器里面的Am241作为α源,把镅241小片用焊枪焊在一起,再用铝箔包起来,用(α,n)和(γ,n)反应产生中子。后来又用了从老式闹钟表针中扣下的硫酸镭和铍粉做成Ra-Be源,用石蜡检验产生了中子。
2)燃料
对于Th232,他大概是用了钍金属粉。听说他用汽灯纱罩燃烧得到的灰(主要是ThO2和Th(NO3)4)和锂放在一起,热置换得到了钍金属粉。钍金属粉再和碳粉混合,做成燃料块。燃料块用中子源辐照几周后,再装成“堆”...
或许可行的方法
1)关于中子源
主要的是镅铍源和镭铍源,考虑到离子烟感中镅含量极少,且难以聚集起来,个人认为镭铍源更符合实际。如果辐照Th232让其中含有部分U233,其实Fusor也可以。
1.镅铍源
市面常见的民用离子烟感是nis07,里面产生α粒子的是二氧化镅,外面镀了很薄的一层金铂合金,活度29.6kbp(约0.8μCi),聚集多个之后扣下来小片,和铍粉包在一起,或者用铍箔包好,有概率发生(α,n)反应

这是镅铍中子源的中子能谱和γ能谱

几个数据

表格中显示,镅铍源的理论中子产额是2.2~2.7*10^6中子/s*Ci(数据有错qwq),nis07所含镅的活度不足0.8μCi,因此自制镅铍源中子产额很小,几乎不可行。
2.镭铍源
镭可以从铀矿中用加入钡盐沉淀的方法富集,产物为硫酸镭,大部分是硫酸钡。(硫酸钡很难去除,去除后效果会更好)按镭:铍=1:5的比例把富集物和铍粉混合,可以做成中子源。有概率发生(α,n)反应和(γ,n)反应。
镭铍源的几个数据

计算可得镭铍源的中子产额较大,而且镭盐比镅收集更容易,所以可以选用镭铍源。
3.Fusor
Fusor有时中子产额高达10^5到10^8个每秒,但是这需要很低的气压,甚至要用离子枪。缺点是中子无法集中,而 且不能长时间运行
2)燃料的制作
David Hahn将含钍灯罩的灰与锂金属混合,装在涂满植物油容器里(可能是提高温度),用喷枪提供热置换的温 度。 但是这个方法产量很低,操作很难,产物也不纯,我们可以直接使用二氧化钍粉末,或用锂置换四氟化钍得到钍金属。
1.二氧化钍的制备
鉴于二氧化钍并不管制,可以购买,所以尽量选择购买的。但是硝酸钍比二氧化钍更普遍,所以可以尝试用硝酸钍制备 二氧化钍。有三种方法可供选择:
a.硝酸钍的分解
Th(NO3)4=500°C=ThO2+4NO2+O2(我真的没找到资料,我猜的)
优点:需要的温度较低,用喷枪就可以达到
缺点:产生二氧化氮,产物不够纯
b.草酸钍的分解
先用硝酸钍和草酸反应得到草酸钍沉淀,将沉淀用蒸馏水洗涤,干燥后加热分解:
Th(C2O4)2=780°C=ThO2+2CO2+2CO
优点:很纯
缺点:温度需要的很高,产生一氧化碳
c.氢氧化钍的分解
先用硝酸钍和氢氧化钠反应得到氢氧化钍沉淀,将沉淀用蒸馏水洗涤,干燥后加热分解:
(或者用草酸钍和氢氧化钠溶液加热时反应,也可以得到)
Th(OH)4=480°C=ThO2+2H2O
优点:较纯,温度所需低
缺点:氢氧化钍沉淀要洗涤很多遍
2.钍金属的置换
一般可以采用钙金属或者锂金属来置换钍,将二氧化钍或四氟化钍和金属一起放在锡纸里,用喷枪加热一会。
3)堆的搭建
1.芯块
David Hahn将钍金属粉末(或二氧化钍粉末)与碳粉混合,包在用铝箔做成的正方体里,做成燃料芯块。他的钍: 碳比例可能在1:5到1:10之间。我们可以按照这个方法做出燃料芯块。
2.反应容器的选择
由于中子源的产额不够,我们需要可以散射中子的材料,让没有和钍发生反应的中子更充分的利用。用便宜的石墨片和聚乙烯块可以选择,两者在一定程度上能散射、弹射中子,也能屏蔽中子和一点点伽马射线,用高纯石墨片构建反应容器内层,外层用聚乙烯加固加厚。或者用石墨坩埚效果也很好,但是里面的体积比较小
3.射线的屏蔽
反应产生的射线有中子,γ射线,以及衰变产物的α,β射线。所以我们可以在反应容器外面用硫酸钡粉,铅皮屏蔽γ射线。以及用硼砂吸收中子。最好用两层石墨坩埚,夹层间装上硼砂和硫酸钡。
附:楼主水平不佳,如果有错误,欢迎指出。本文在科创发过,无奈被开除无法继续评论,发到贴吧,希望有同好交流


IP属地:安徽1楼2020-04-27 11:05回复
    用少量环氧树脂加上二氧化钍做成燃料块可以吗


    来自Android客户端3楼2021-05-09 10:46
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      写的是真的好


      来自Android客户端4楼2021-05-09 10:48
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        我也有相同的想法


        IP属地:江苏来自Android客户端6楼2022-01-21 16:20
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          我已经真的有了


          来自手机贴吧7楼2022-09-06 21:28
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            我已经真的有了


            来自手机贴吧8楼2022-09-06 21:31
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