Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 24 из 63)

Однако такие реакции возникают крайне редко, поэтому в природе

Np, Pu и ²³³U накапливаются крайне редко.

В земной коре благодаря ядерным реакциям химических элементов с нейтронами всех водородсодержащих веществ происходит образование трития

Н (n,g) Н

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, a-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 ядране 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,γ), (γ,n), (p,d),(n,2n), (d,p) и др. Например:

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

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

²²Na → ²²Ne+ β⁺

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 (α, n), (g, n) и спонтанном делении ядер.

Самыми распространенными являются реакции радиационного захвата (n, g), 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 b

- распада превращаются в радиоактивные изотопы следующего элемента за элементом мишени. Так при облучении платины Pt по реакции (n, g) образуется Pt, которая при b - распаде превращается в Au:

Pt (n, g) 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, g) 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 процесседеления ядерурана ^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, g) 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, g) 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.