7.6 Получение радионуклидов по ядерным реакциям

В настоящее время можно получить радиоактивные изотопы почти всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева.

Получение радиоактивных изотопов по ядерным реакциям осуществляется облучением мишеней в ядерном реакторе нейтронами и на ускорителях (циклотрон, бетатрон, линейный ускоритель, нейтронный генератор) дейтронами, протонами, -частицами, нейтронами, фотонами или ядрами атомов химических элементов. Несмотря на то, что с момента открытия до настоящего времени проведено более десятка тысяч различных ядерных реакций, все они могут быть объединены в три группы:

1. Реакции, при которых заряд ядра не меняется

2. Реакции вынужденного деления

3. Реакции, при которых меняется заряд ядра

7.6.1 Реакции, при которых заряд ядра z не меняется

Без изменения порядкового номера ядер облучаемого элемента протекают реакции типа (n,г), (г,n), (p,d),(n,2n), (d,p) и др. Например:

²³Na(n, 2n) ²²Na, ¹¹³Cd(n, г) ¹¹⁴Cd ,³⁵Cl(d, p)³⁶Cl

В результате таких реакций получаются некоторые нейтронодефицитные ядра, распадающиеся с испусканием позитронов:

²²Na → ²²Ne+ в⁺

Наиболее важными из перечисленных реакций являются реакции под действием нейтронов. Ядра всех элементов, за исключением Не, взаимодействуют с нейтронами с образованием многих нуклидов. Наиболее существенные реакции, идущие под действием тепловых нейтронов:

n + ¹⁴N ¹⁴C + р

n + ⁶Li ³H +

Источником нейтронов для осуществления ядерных реакций служат: урановый ядерный реактор, нейтронный генератор, циклотрон, лабораторные источники, основанные на реакциях (б, n), (, n) и спонтанном делении ядер.

Самыми распространенными являются реакции радиационного захвата (n, ), которые особенно эффективно протекают на медленных и тепловых нейтронах и позволяют получить радиоактивные изотопы почти всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Например:

Ca (n, ) Ca

При этом образуется изотоп исходного элемента мишени. Отделение образовавшегося радиоактивного изотопа от материала мишени возможно только в том случае, если воспользоваться эффектом отдачи, т.е. использовать для облучения сложные соединения типа солей кислородных кислот, комплексных или внутрикомплексных соединений, органических соединений, в которых радиоактивный изотоп после ядерной реакции находится в иной химической форме, чем исходный элемент в мишени.

Отделение возможно и в том случае, когда материнский и дочерние изотопы находятся после ядерного превращения в разных фазах. Например, материнский изотоп взят в виде суспензии, а дочерний оказывается в растворе или материнский осажден на ионите в виде комплекса, а дочерний появится в ионном состоянии и легко смывается с колонки.

При облучении ряда элементов медленными нейтронами образуются радиоактивные изотопы, которые в результате  - распада превращаются в радиоактивные изотопы следующего элемента за элементом мишени. Так при облучении платины Pt по реакции (n, ) образуется Pt, которая при  - распаде превращается в Au:

Pt (n, ) Pt Au

Описанный способ получения изотопов требует отделения дочернего радиоактивного изотопа от материала мишени, но позволяет выделить его без носителя или с высокой удельной радиоактивностью. При этом материнский изотоп удобно адсорбировать на хроматографической колонке, а дочерний вымывать из нее по мере накопления подходящим растворителем.

Производство изотопов с применением реакции (n, ) осуществляется только в ядерных реакторах

Ядерным реактором называется устройство, в котором при определенных контролируемых условиях происходит регулируемая ядерная реакция.

Устройство реактора в значительной степени зависит от того, для каких целей он предназначен.

По своему назначению ядерные реакторы подразделяют на:

-реакторы для производства расщепляющихся материалов (плутония-239, урана-235 и др.);

-реакторы для производства радиоактивных изотопов;

-реакторы для получения ядерной энергии;

-реакторы для научно-исследовательских целей.

Существуют многоцелевые реакторы.

Нейтроны в ядерном реакторе получаются в процессе деления ядер урана ^233,235U, ²³⁹Pu. В зависимости от типа реактора энергетический спектр нейтронов в них может быть различным. Плотность потока нейтронов в активной зоне реактора для производства изотопов составляет 2,510¹³ 810¹⁴ нейтронов/(см²с).

В ядерных реакторах с помощью мощных потоков нейтронов были получены радиоактивные элементы с порядковыми номерами от 93 до 98.

Дальнейший синтез радиоактивных элементов по реакции(n, ) оказался невозможным, так как возникли проблемы, связанные с тем, что при удалении от урана время жизни элементов сокращается (ядро урана-238 живет миллиарды лет, ядра плутония-244 и кюрия-247 живут десятки миллионов лет, калифорний-251-–900 лет, а эйнштейний распадается уже за 471 день. Время жизни элемента с порядковым номером 100, фермий-257, имеет период полураспада чуть больше 3-х месяцев. Захватив нейтрон, фермий 257 становится фермием-258, который самопроизвольно делиться за 300 микросекунд. Это полностью закрывает дальнейшее продвижение вперед - столь мало живущий элемент никак не успеет захватить следующий нейтрон. Кроме того для осуществления реакции необходимо увеличивать мощность потока выше 10¹⁸ нейтронов/(см²с), что может повлечь за собой взрыв.

Процессы образования новых элементов в реакторе и при взрыве одни и те же. Разница только во времени. Чтобы получить заметные количества далеких трансурановых элементов, нужно облучать нейтронами в реакторе исходную мишень очень длительное время, исчисляемое годами. При ядерном взрыве горючее сгорает сразу за миллионные доли секунды и общая мощность нейтронного потока составляет порядка 10²⁸ 10³⁰ нейтронов/(см²с). Такая плотность потока эквивалентна десяткам миллионов лет облучения в ядерном реакторе.

Основным недостатком реакций (n, ) является то, что синтезируемый радиоактивный изотоп оказывается сильно разбавленным материнским изотопом.

Реакции вынужденного деления тяжелых ядер ( n,f)

Особо важное место среди ядерных реакций занимают реакции вынужденного деления, которые в отличие от спонтанного деления протекают под воздействием бомбардирующих частиц.

Процесс деления возможен под действием нейтронов, протонов, дейтронов, альфа-частиц. Однако наибольшее значение для получения радионуклидов имеют реакции деления, вызванные нейтронами. В отличие от спонтанного деления(f), реакции вынужденного деления под воздействием нейтронов обозначаются (n,f).

На протекании этих реакций основано:

а) высвобождение внутриядерной энергии;

б) получение различных радионуклидов;

в) получение мощных потоков нейтронов и гамма-квантов.

Первая реакция вынужденного деления была осуществлена Ганом и Штрассманом в 1939 г. путем бомбардировки тепловыми (медленными) нейтронами природного урана. Исследование продуктов деления урана показало, что участвовал в делении только более легкий из двух природных изотопов урана U. Более тяжелый изотоп U поглощает медленные нейтроны, но не делится. Как и при спонтанном делении, при вынужденном делении исходное ядро U после захвата нейтрона делится на два ядра с неравными массами (называемыми продуктами деления) при этом происходит испускание 2-3 нейтронов. Ядра при делении могут расщепиться самым различным образом.

Иногда ядро делится на три осколка, одним из которых является альфа- частица. Среди осколков деления и их продуктов, которые образуются в результате многочисленных цепочек распада, обнаружено более 250 различных изотопов. Периоды полураспада этих радиоактивных ядер колеблются от долей секунды до миллионов лет.

Осколки деления, все без исключения, являются в- радиоактивными - изотопам. Кроме того, в-распад сопровождается испусканием гамма-квантов.

Это следует из того, что в тяжелых ядрах велик нейтронный избыток по сравнению с изотопами элементов, расположенных в центре периодической системы.

Поэтому осколки деления образуют радиоактивные семейства или цепочки бета-распадающихся элементов. Цепочка заканчивается образованием либо стабильного, либо долгоживущего изотопа. В основном требуется от двух до пяти радиоактивных распадов, чтобы образовавшиеся осколки деления стали стабильными, например:

J Хe Cs Ba _стаб.

U + n→[ U] + 2n

Y Zr Nb Mo _стаб., или

Ba La Ce Pr Nd_стаб.

U + n→[ U] + 2n

Kr Rb Sr Y Zr_стаб.

Деление сопровождается высвобождением большого количества энергии (200 МэВ энергии на одно деление) за счет уменьшения массы покоя образующихся ядер по сравнению с массой покоя делящегося ядра. Для сравнения- при сгорании 1 моля органического топлива выделяется энергия от 2 до 5 эв!!

Освобождение нейтронов в процессе деления U приводит к возможности самоподдерживающейся цепной реакции. Если каждый испускаемый при делении нейтрон захватится способным к делению ядром, произойдет взрыв. Однако, этого не происходит по нескольким причинам: во–первых, делящееся вещество сильно разбавлено природным ураном, во-вторых существует возможность регулировать цепную реакцию.

Для развития цепной реакции необходимо чтобы отношение числа новых нейтронов, полученных при делении в элементе объема вещества, к числу нейтронов первоначально присутствующих в этом элементе объема, было не меньше единицы. Это отношение называется коэффициентом размножения К и является важнейшей характеристикой, определяющей развитие цепной реакции. Если К больше единицы, реакция может выйти из-под контроля и может произойти взрыв, при К меньше единицы цепная реакция останавливается.

Реакция деления кроме того зависит от критической массы и объема делящегося вещества.

Для осуществления цепной реакции необходимо создать размножающую среду, состоящую из чистого делящегося материала или из делящегося материала и замедлителя быстрых нейтронов.

Минимальная масса делящегося материала, необходимая для осуществления цепной реакции называется критической массой.

Приблизительные величины критической массы для U- 40 т, для U - 20 кг, для Pu -7 кг, для Сf-3 г.

Однако не все нейтроны последующего поколения вызывают деление. Некоторые нейтроны могут быть захвачены примесями или потеряны в объеме делящегося материала. Часть нейтронов теряется вследствие вылета из системы, имеющей конечные размеры. Относительное число нейтронов, вылетающих из системы и, следовательно, не участвующих в поддержании и развитии цепной реакции, зависит от размеров и формы системы.

Поэтому кроме критической массы для развития цепной ядерной реакции существенное значение имеет критический размер системы, ниже которого потери нейтронов настолько велики, что саморазвивающая цепная реакция невозможна. Утечка нейтронов в чистом веществе определяется площадью поверхности системы. Поэтому наиболее выгодной геометрической формой системы из делящегося материала является шар, так как сферическая форма характеризуется наименьшим отношением поверхности к объему.

Радиус шара, при котором коэффициент размножения нейтронов равен 1, называется критическим радиусом.

Эти положения легли в основу создания атомной бомбы, количество делящегося вещества в которой должно быть равно критической массе. Для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо в короткий промежуток времени привести в соприкосновение ее отдельные части так, чтобы образовалась сверхкритическая масса.

Как уже отмечалось, критичность системы непосредственно связана с коэффициентом размножения. Его величину можно изменить в зависимости от выбранных условий в том или ином направлении и тем самым регулировать развитие цепной реакции. Как во взрывных устройствах, так и в реакторах для уменьшения вероятности утечки нейтронов и сокращения критических размеров систему, содержащую делящееся вещество, окружают отражателем. В качестве отражателей могут быть использованы и замедлители нейтронов: графит, ВеО, D₂O. U является единственным изотопом, встречающимся в природе, который может поддерживать цепную реакцию деления, однако в ядерных реакторах могут быть получены

U и Pu из не делящихся U и Th, которые затем используются в качестве ядерного горючего.

Более тяжелый изотоп U захватывает (радиационный захват) медленные нейтроны с образованием составного ядра U, которое распадается до основного состояния с испусканием одного или нескольких гамма- квантов, бета- частицы, протона или альфа- частицы:

U(n, г) U Np Pu U

Таким образом, U с одной стороны является ядом для цепной реакции, с другой стороны в результате радиационного захвата возможно воспроизводство ядерного горючего с образованием делящихся Pu и U. Если ядерный реактор работает на смеси природного Th с U при радиационном захвате нейтрона торием возможно получение U:

Th (n, г) Th Pa U

Естественно, приведенные цепочки превращений схематичны; на самом деле они гораздо более сложные. Каждый из промежуточных изотопов может в свою очередь поглотить нейтрон и превратиться в более тяжелый изотоп последующего после ^-распада. Но ядра могут распадаться и другими способами: выбрасывая частицу, либо испытывая протонный или двупротонный распад, вероятность которого возрастает с ростом заряда ядра Z.

Содержание радиоактивных изотопов в смеси продуктов непрерывно меняется; исчезают короткоживущие осколки деления, накапливаются дочерние радиоактивные изотопы продукты распада.

Итак, в ядерном реакторе при делении урана-235 под действием медленных нейтронов образуется более 250 нуклидов 35 элементов с числом нуклонов от 72 до 161 , т.е. элементы от цинка (₃₀Zn) до тербия (₆₅Tb), большая часть которых радиоактивна. Из продуктов деления впервые были выделены в весомых количествах такие элементы как технеций (₄₃Tc) и прометий (₆₁Pm), не имеющие долгоживущих (сравнимых с возрастом Земли) изотопов, поэтому отсутствующих в природе.

Интересно отметить, что при делении образуются в значительных количествах стабильные изотопы таких ценных элементов как рутений (до 38 кг на 1 т делящегося продукта), родий (16 кг/т), палладий (7 кг/т), ксенон (13 м³/т).

Разделение смеси продуктов деления урана представляет определенные трудности и может производиться различными методами, используемыми в аналитической химии, на рассмотрении которых мы остановимся дальше.

Реакции, при которых меняется заряд ядра. Ускорители и возможности синтеза новых элементов

В ядерном реакторе с нейтронами в несколько МэВ могут проходить реакции (n,p) и (n,). Таким путем образуются четыре важнейших радиоактивных изотопа ¹⁴C, ³²P, ³⁵S и ³H по реакциям:

¹⁴N(n,p) ¹⁴C; ³²S(n,p) ³²P; ³⁵Cl(n,) ³⁵S; ⁶Li(n,) ³H

Во всех перечисленных случаях из элемента мишени образуется радиоактивный изотоп другого химического элемента и тем самым появляется возможность выделения этих изотопов без носителя или с заданной радиоактивностью.

Для получения радионуклидов, кроме ядерных реакторов, находят широкое применение и другие источники бомбардирующих частиц и гамма - квантов, работа которых основана на протекании различных ядерных реакций. Мощные потоки заряженных частиц получают с помощью ускорителей (электростатических, линейных и циклотронов и др.), в которых заряженные частицы ускоряются под действием постоянных или переменных полей. В электростатических и линейных ускорителях частицы разгоняются одним электрическим полем, в циклотронах одновременно с электрическим действует и магнитное поле.

Рис. Синхрофазотрон

Для получения нейтронов с высокой энергией служат нейтронные генераторы, в которых используются ядерные реакции под действием заряженных частиц, чаще всего дейтронов (d, n ) или протонов ( p, n).

С помощью ускорителей в основном получают радионуклиды с разными Z.

С ускорителями связан прогресс последних лет в синтезе новых химических элементов. Так облучением в циклотроне альфа-частицами с энергией 41 МэВ и плотностью пучка 610¹² частиц/с энштейния были получены первые 17 атомов менделевия:

Es (, n) Md

В дальнейшем это дало толчок к интенсивному развитию метода ускорения многозарядных ионов. Бомбардировкой урана-238 в циклотроне ионами углерода был получен калифорний:

U ( С⁶⁺, 6n) Cf

Однако легкие снаряды ионы углерода или кислорода - позволили продвинуться только до элементов 104-10. Со временем для синтеза более тяжелых ядер облучением стабильных изотопов свинца и висмута ионами хрома были получены изотопы с порядковыми номерами 106 и 107:

Pb ( Cr, 3n) Sg

²⁰⁹ ₈₃B ( Cr, 2n) Bh

В 1985 г. в Дубне был получен альфа-активный элемент 108 –хассий (Hs) облучением Cf неоном-22:

Cf ( Ne +4n) Hs

В этом же году в лаборатории Г. Сиборга были синтезированы 109 и 110 элементы облучением урана-235 ядрами аргона 40.

Синтез дальнейших элементов осуществлялся путем бомбардировки U, кюрия-248, Es ядрами Са.

Синтез 114-го элемента был осуществлен в 1999 г. в Дубне путем слияния ядер кальция-48 и плутония-244. Новое, сверхтяжелое ядро охлаждается, испуская 3-4 нейтрона, а затем распадается путем испускания альфа-частиц до 110 элемента.

Для синтеза 116 элемента была проведена реакция слияния кюрия-248 с кальцием –48. В 2000 году три раза было зарегистрировано образование и распад 116-го элемента. Затем примерно через 0,05 с ядро элемента 116 распадается до 114 элемента и дальше следует цепочка из альфа-распадов до 110 элемента, который спонтанно распадается.

Периоды полураспада синтезируемых спонтанно распадающихся новых элементов составляли несколько микросекунд. Казалось бы, что продолжение синтеза более тяжелых элементов становится бессмысленным, так как время их существования и выход слишком малы. В то же время обнаруженные периоды полураспада этих элементов оказались гораздо больше ожидаемых. Поэтому можно предположить, что при некотором сочетании протонов и нейтронов должны получатся устойчивые ядра с периодами полураспада много тысяч лет.

И так, получение изотопов, отсутствующих в природе - задача чисто техническая, так как теоретически вопрос ясен. Нужно взять мишень, облучить ее потоком бомбардирующих частиц с соответствующей энергией и быстро выделить нужный изотоп. Однако подобрать подходящую мишень, бомбардирующие частицы оказывается не так легко.