橡樹嶺國家實驗室負責生產Californium-252(锎252/Cf252)的團隊幫助交付具有多種用途的同位素，包括啟動新的和休眠的核反應堆。
圖片來源：美國能源部 Carlos Jones / ORNL

東田納西州在核歷史上占有特殊的位置。1943年，世界上第一個連續運行的反應堆開始在這里運行，該土地后來成為能源部的橡樹嶺國家實驗室。

現在，ORNL再次站在反應堆歷史的最前沿。ORNL是世界上唯一能夠有效生產放射性同位素Cf-252的地方，Cf-252是核反應堆啟動的基本材料。今年夏天，實驗室運送了一批Cf-252散裝線，以支持兩個新核反應堆的啟動。Cf-252是通過DOE同位素計劃在ORNL生產的。

反應堆目前正在佐治亞州電力公司位于佐治亞州韋恩斯伯勒的沃格特工廠中建造，這將是30多年來美國第一座新的核反應堆。

ORNL生產的散裝線材將被組裝成稱為啟動源的設備。由于新鮮核燃料缺乏安全引發鏈反應所必需的中子通量，因此必須用由Cf-252或其他發射中子的強放射性同位素制成的此類啟動源進行補充。

DOE同位素計劃依靠具有高中子輸出的ORNL高通量同位素反應堆HFIR和具有屏蔽熱室陣列的ORNL放射化學工程開發中心REDC，為Cf-252和其他放射性同位素提供廣泛的利益相關方基礎。

那么，ORNL如何生產Cf-252?

ORNL的Cf-252項目經理Julie Ezold說：“步驟很多，而且要求很高的精度。” “這項工作不可能在桌面上完成，而所有工作都是在熱室中完成的。”

復雜的過程可以分為三個主要階段：輻照，純化和制造。

首先，在REDC的屏蔽熱室中制造鋦靶，該鋦靶由封裝在長鋁管中的氧化鋦小球組成，然后運到HFIR進行短距離照射。

將目標加載到HFIR中后，研究堆將以每秒每平方厘米2.1兆個中子(2.1 x 1015)個中子的中子通量對其進行轟炸。反應堆發射的中子通過稱為β衰變的過程將一些鋦原子轉化為其他元素。埃佐爾德說，所產生的物質是Cf-252，鋦起始原料和其他錒系元素(包括鈹和锿)的概率混合物。

接下來，將被輻照的目標從HFIR中移出，并轉移到REDC的兩個熱室設施之一中。首先對輻照過的靶進行處理，以分離和純化Cf-252，然后將其轉移到另一個REDC熱室設備中，以進一步處理成金屬絲。熱室的4.5英尺厚的混凝土墻和鉛玻璃窗使熱室技術人員可以安全地使用遠程操縱器臂進行放射化學工作。

在遠距離在ORNL進行放射化學并不容易，但是熱室操作主管Ed Smith和熱室技術員Dan Bettinger和John Courtney一起擁有完成此過程的經驗和專業知識。

史密斯說：“從表面上看，這是一個復雜的過程，但對我們而言，這很簡單。”挑戰的一部分是所涉及材料的規模，該材料是如此之小，技術人員必須使用鑷子通過機械臂來撿起它們。貝廷格說：“鑷子肯定會增加難度。” “這可能有點壓力，”考特尼同意。

為了開始純化過程，熱室技術人員將不純的物質加載到離子交換柱上，該離子交換柱是一個加壓的4英尺高的管，用于細胞內化學分離工作。他們通過樹脂沿柱子沖洗材料，將Cf-252與其他act系元素分開。技術人員會重復這些多步色譜柱操作，以完全純化Cf-252。

ORNL的斯科特·懷特(Scott White)表示，該過程會產生大量不需要的液體，因此需要額外的步驟，即減少體積。

懷特說：“這需要數百毫升。” “您最終希望達到約60毫升。”

制造也是一個多步驟的過程。技術人員執行稱為聯合沉淀的化學過程，以獲得Cf-252和鈀的固體沉淀物。為了除去水分，他們將沉淀物在烤箱中于攝氏數百度的溫度下干燥，然后將其干燥成氧化物粉末。接下來，技術人員使用單元內顆粒模具組件和液壓機將粉末壓成顆粒。然后，他們在熔化爐中以超過1500攝氏度的溫度熔化粒料，同時將其與其他鈀金屬合金化。

最后，技術人員將熔化的顆粒在珠寶商的磨坊上軋成直徑小于十分之一英寸的散裝線，然后將其切成較小的長度。線切割完成后，將它們焊接到中間囊中，送至“清潔室”進行去污和泄漏測試，并準備裝運給DOE同位素計劃客戶。

幾十年來，ORNL定期生產Cf-252，但由于其在具有歷史意義的Plant Vogtle反應堆初創企業中的作用，這一最新批次的產品非常特殊。“令人遺憾的是，我們在ORNL生產并由DOE同位素計劃提供給工業的Cf-252材料將用于啟動過去三十年來在美國建造的第一批新核裝置。”埃佐爾德說。

這項工作是由美國能源部科學辦公室的美國能源部同位素計劃資助的。HFIR由美國能源部基礎能源科學辦公室資助和運營。