Development of a irradiation system for production of gaseous radioisotopes applied in industrial processes

Dentre as diversas aplicações dos radioisótopos, a utilização dos radiotraçadores é considerada uma das mais importantes, no diagnóstico de funcionamento dos equipamentos de processos, em plantas de indústrias químicas e petroquímicas. Os radiotraçadores são utilizados em procedimentos analíticos para obtenção de dados qualitativos e quantitativos de sistemas, em estudos de transferências físicas e físico-químicas. Na produção de radioisótopos gasosos utilizados como traçadores em processos industriais, destacam-se o 41Ar e 79Kr, gases nobres (inertes) que possuem baixa reatividade com os demais elementos químicos. O 41Ar é um emissor gama de alta energia (1,29 MeV) e apresenta elevada porcentagem de transformações com essa energia, o que resulta em quantidades relativamente pequenas necessárias em relação a outras para uma detecção eficaz, mesmo em componentes com grandes espessuras. Atualmente, a produção de radioisótopos gasosos em reatores nucleares de pesquisa é realizada em pequenas quantidades (bateladas), por meio de ampolas de quartzo contendo o gás natural 40Ar ou 78Kr. Nesse sentido, o objetivo desse estudo é desenvolver um sistema de irradiação capaz de produzir em escala contínua, o radioisótopo gasoso 41Ar, dentre outros, com atividade de 7,4x1011 Bq (20 Ci) por ciclo de irradiação, por meio do Reator IEA-R1 de 4,5 MW, fluxo de nêutrons térmicos médio de 4,71 x 1013 ncm-2s-1, para suprir uma demanda existente em empresas de END e inspeções, e pelo próprio Centro de Tecnologia das Radiações, no IPEN/CNEN-SP. O sistema de irradiação (SI) é constituído por uma cápsula de irradiação em alumínio, linhas de transferência, válvulas agulhas, conexões anilhadas, conectores rápidos, manovacuômetro, sistema de vácuo, dewar de liquefação, blindagem em chumbo, cilindros de armazenamento e transporte (CAT), dentre outros. O SI foi aprovado nos testes de estanqueidade e estabilidade (testes de formação de bolhas, pressurização, evacuação e com equipamento leak detector SPECTRON 600 T). Na produção experimental para obtenção de 1,07x1011 Bq (2,9 Ci) de 41Ar, distribuíram-se dosímetros de alanina em diversos componentes e dispositivos do SI. Além disso, determinaram-se as taxas de exposição na parede da blindagem em chumbo, ao concentrar o gás radioativo liquefeito e no CAT, após a transferência do 41Ar, pelo medidor de radiação portátil Teletector ® Probe 6150 AD-t/H.Among the various applications of radioisotopes, the use of radiotracers is considered the most important in diagnosing operation and troubleshooting of industrial process plants in chemical and petrochemical companies. The radiotracers are used in analytical procedures to obtain qualitative and quantitative data systems, in physical and physicochemical studies transfers. In the production of gaseous radioisotopes used as tracers in industrial process measurements, argon-41 (41Ar) and krypton-79 (79Kr) have low reactivity with other chemical elements. 41Ar is a transmitter range with high-energy (1.29MeV) and a high percentage of this energy transformation (99.1%), resulting in relatively small quantities required in relation to the other, for an efficient detection, even in large thicknesses components. Nowadays, the production of gaseous radioisotopes in nuclear research reactors is performed in small quantities (batches), through quartz ampoules containing natural gas 40Ar or 78Kr. In this sense, the aim of this study is to develop an irradiation system for gaseous radioisotope production in continuous scale, applied in industrial applications of emission tomography and flow measurement. The irradiation system may produce 41Ar with activity of 7.4x1011Bq (20Ci) per irradiation cycle, through the Reactor IEA-R1 with 4.5MW and average thermal neutron flux of 4.71x1013 ncm-2s-1 to meet an existing demand in NDT and inspections companies, and even needed by the Radiation Technology Centre, at IPEN/CNEN-SP. The irradiation system consists of an aluminium irradiation capsule, transfer lines, needle valves, stripy connections, quick connectors, manometer, vacuum system, dewar, lead shielding, storage and transport cylinders, among other components. The irradiation system was approved in the leakage and stability tests (bubble test, pressurization, evacuation and with leak detector equipment SPECTRON 600 T). In the experimental production, alanine dosimeters were distributed into various components of the irradiation system, obtaining 1.07x1011Bq (2.9Ci) of 41Ar. In addition, exposure rates were determined in the lead shielding wall, in which the liquefied radioactive gas was concentrated, and in the storage and transport cylinders after 41Ar was transferred, by the portable radiation meter Teletector ® Probe 6150 AD-t/H