Получение радионуклидов

Известно несколько путей образования и получения радиоактивных нуклидов:

- переработка руд урана и тория, в которых в результате радиоактивного распада ²³⁵U, ²³⁸U и ²³²Th образуются радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами от 81 до 91;

- ядерные реакции в различных установках, с последующим извлечением изотопов из облученных мишеней;

- ядерные реакции в Звездах и в результате взаимодействия космического излучения с веществом;

- ядерные реакции в природе;

- ядерный взрыв.

Физическим процессом, который лежит в основе образования и получения радионуклидов, являются ядерные реакции.

Ядерными реакциями называются процессы, в ходе которых атомные ядра под воздействием электрически заряженных частиц (протонов, -частиц и т.д.) нейтронов, гамма-квантов или других элементарных частиц превращаются в новые ядра, либо несколько ядер и элементарных частиц. Ядерные реакции в огромных масштабах протекают в природе. Однако, обстоятельные и разносторонние исследования ядерных реакций и получение искусственных радионуклидов по этим реакциям стали возможны благодаря созданию ускорителей частиц и атомных реакторов. Получение радиоактивных изотопов по ядерным реакциям осуществляется облучением мишеней в ядерном реакторе нейтронами и на ускорителях (циклотронах, бетатронах, линейных ускорителях) дейтронами, протонами, альфа-частицами, нейтронами, фотонами и ядрами атомов химических элементов (кислорода, азота, углерода и др.).

Первую ядерную реакцию, осуществил Э. Резерфорд в 1919 г.:

N +  He →  O +  H

Механизм ядерных реакций

Согласно существующим представлениям ядерные реакции протекают в три этапа.

1. Первый этап заключается в захвате частицы ядром мишени и образованием возбужденного составного ядра (компаунд - ядра), при этом частицы теряют большую часть своей энергии.

A+a[Aa]B+b,

2. Второй этап включает протекающий во времени процесс перераспределения энергии частиц внутри компаунд-ядра.

3. Последний этап - мгновенный распад компаунд-ядра с образованием конечных продуктов.

Процесс соударения бомбардирующей частицы с ядром длится ~ 10-21с, а составное ядро до своего распада существует значительно дольше (~10-12с).

При облучении одного и того же ядра частицами данного сорта реакция может идти в нескольких направлениях. Например, распад составного ядра  Al может происходит несколькими путями:

Mg + H

Al +

Al +  n →[Al] →  Al +2n

Производство радионуклидов на ядерных реакторах

Наиболее мощным и экономически выгодным источником нейтронов для наработки радионуклидов является ядерный реактор. Ядерные реакторы производят нейтроны за счет реакции деления ²³⁵U, ²³⁹Pu или ²³³U. Нейтроны, образующиеся при делении, имеют непрерывный энергетический спектр в интервале от 0,1 до 20 МэВ с наиболее вероятной энергией, равной 1 Мэв и средней энергией, равной 2 МэВ. За счет процессов взаимодействия и замедления спектр нейтронов модифицируется и расширяется в область малых энергий (вплоть до тепловых энергий) . Конкретный вид спектра зависит от типа реактора и конструкции активной зоны. Мощные энергетические реакторы мало приспособлены для производства радионуклидов, поэтому для этих целей используются, как правило, исследовательские реакторы теплового типа.

Нейтроны обычно группируются в три категории: тепловые нейтроны (Еп < 0,4 эВ), эпитепловые нейтроны (0,4 эВ < Еп < 100 кэВ) и быстрые нейтроны (Еп > 100 кэВ). Энергетический спектр тепловых нейтронов аппроксимируется распределением Максвелла с максимумом около энергии 0,025 эВ. Эти нейтроны наиболее эффективны (имеют максимальные сечения взаимодействия) для получения радионуклидов. Используемая плотность потока таких нейтронов зависит от мощности реактора и расположения мишени и находится в диапазоне от 5 • 10⁶ до 5 • 10¹⁵ нейтрон/(см² • с).

Большинство исследовательских реакторов на тепловых нейтронах имеют активную зону, погруженную в бассейн с водой или тяжелой водой, которая одновременно выполняет функции замедления нейтронов, охлаждения реактора и защиты от излучений. Мишени для облучения обычно размещают в специальных каналах, проходящих через активную зону реактора.

Для производства радионуклидов применяются три типа ядерных реакций: реакция захвата нейтрона; захват нейтрона с последующим радиоактивным распадом; деление. Наиболее широко используется реакция захвата нейтрона с тепловыми нейтронами в силу простоты реализации и высокого выхода продукта. Во многих случаях мишени делаются из такого же элемента (иногда природного материала), поэтому не требуется последующее химическое разделение мишени и продукта. Этот же момент является недостатком данной технологии, так как при невозможности химического отделения радиоактивного продукта стабильные атомы разбавляют радиоактивные. Такое разбавление приводит к уменьшению специфической (удельной) активности конечного продукта. Другой недостаток заключается в возможности образования радиоактивных примесей вследствие реакции захвата нейтрона на других изотопах элемента мишени или химических примесей в мишени. Применение изотопного обогащения мишени помогает минимизировать наличие радиоактивных примесей в продукте, однако существенно увеличивает его стоимость. Тем не менее, такое обогащение применяется достаточно часто.

Другая ситуация возникает в результате реакции захвата нейтрона, когда требуемый продукт получается в результате распада промежуточного радионуклида. Такой процесс используется при получении радионуклида ¹²⁵I с помощью ¹²⁴Хе –» ¹³⁵Хе —» ¹²⁵I. Так как конечный продукт в этом случае может быть химически отделен от мишени, то становится достижимой удельная активность, соответствующая теоретическому значению для чистого радионуклида. Очевидно, что необходимо применять химически чистые мишени и реагенты, чтобы избежать попадания в продукт стабильных нуклидов. В примере с ¹²⁵I это означает, что как мишень, так и реагенты не должны содержать стабильный йод. Желательно также использовать обогащенные мишени, чтобы минимизировать попадание в продукт долгоживущих радионуклидов или стабильных нуклидов. Для примера, если ¹²⁶Хе (относительное содержание 0,09 % в природном ксеноне) облучается вместе с ¹²⁴Хе, то образуется ¹²⁷Хе, который затем распадается в стабильный ¹²⁷1. В этом случае, однако, так как мишень и продукт химически разделяются, то имеется возможность восстановления обогащенного мишенного материала для повторного использования.

В результате деления ²³⁵U образуются продукты деления с атомными номерами от 30 до 66, разделить которые и выделить интересующий радионуклид можно с помощью химических процедур. Наиболее важными медицинскими радионуклидами, получаемыми с использованием реакции деления, являются ¹³¹1, ¹³³Хе и ⁹⁹Мо.

Ряд полезных радионуклидов получают, применяя реакцию захвата нейтрона, идущую при облучении мишеней быстрыми нейтронами (например, ³⁵S, ⁶⁴Cu), или цепочку «непрямых» реакций. Например, при облучении нейтронами ⁶Li образуется ³Н с достаточно высокой энергией, чтобы вызвать реакцию с соседним ядром 160 (в соединении Li₂CО₃), в результате которой образуется ¹⁸F.