Ядерные реакторы как источники радиоизотопов

Ядерные реакторы представляют собой устройства, в которых управляемая цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, прежде всего урана-235 или плутония-239, сопровождается выделением значительных количеств энергии и нейтронов. Нейтроны, возникающие при делении, используются как для поддержания цепной реакции, так и для создания радиоактивных изотопов, необходимых в медицине, промышленности и научных исследованиях.

Ключевые компоненты реактора:

  • Топливо: обычно таблетки оксидов урана (UO₂) или металлический уран, реже плутоний-239.
  • Модератор: вещество, замедляющее нейтроны до тепловых скоростей, повышая вероятность их захвата ядрами топлива. Чаще всего используют воду, тяжёлую воду или графит.
  • Замедлитель и отражатель нейтронов: увеличивают эффективность цепной реакции за счёт повторного направления нейтронов обратно в активную зону.
  • Система охлаждения: отводит тепло, выделяемое при делении, и может быть использована для производства пара и электроэнергии.
  • Контрольные стержни: содержат поглотители нейтронов (бор, кадмий) и регулируют интенсивность реакции.

Производство радиоизотопов в реакторах

Реакторы позволяют получать радиоизотопы двумя основными способами:

  1. Нейтронное облучение стабильных ядер (активация): Под действием тепловых нейтронов стабильные изотопы захватывают нейтрон и превращаются в радиоактивные. Пример: [ {}^{98} + n ^{99} ^{99m} + ^-] Этот метод используется для производства изотопов с коротким периодом полураспада, таких как технеций-99m, йод-131, фтор-18 (в реакторах на быстрых нейтронах с последующей химической обработкой).

  2. Разделение продуктов деления: При делении урана-235 или плутония-239 образуются десятки радиоизотопов с различным периодом полураспада. Среди них наиболее востребованы:

    • цезий-137 и стронций-90 (промышленное и медицинское применение),
    • кобальт-60 (для гамма-терапии и стерилизации),
    • йод-131 (радиодиагностика и терапия щитовидной железы).

Особенности технологии получения

Процесс получения радиоизотопов включает несколько последовательных стадий:

  • Облучение мишени: стабильные или обогащённые изотопы помещают в активную зону реактора на определённое время для достижения требуемой активности.
  • Извлечение: после облучения мишень извлекается с учётом радиационной безопасности и охлаждается до безопасного уровня активности.
  • Химическая обработка: проводится разделение образовавшихся радиоизотопов от материнских веществ, что обеспечивает чистоту и пригодность для применения.
  • Контроль качества: измеряют активность, изотопный состав, радиохимическую чистоту и степень токсичности.

Классификация реакторов по применению для изотопов

  • Научно-исследовательские реакторы: маломощные реакторы, ориентированные на производство медицинских и промышленных изотопов. Пример: реактор МАРИНА, HFIR (США).
  • Энергетические реакторы с побочным производством: крупные тепловые реакторы, где изотопы получают как вторичный продукт.
  • Быстрые реакторы: используются для производства изотопов редких и тяжёлых элементов, например плутония-238.

Радиационная безопасность и регулирование

Производство радиоизотопов в реакторах требует строгого соблюдения норм радиационной безопасности:

  • защита персонала и окружающей среды от нейтронного и гамма-излучения,
  • герметизация активных зон и использование дистанционных методов манипулирования мишенями,
  • контроль отходов и ликвидация радиоактивных изотопов с длительным периодом полураспада,
  • лицензирование и строгий учёт радиоизотопов на всех стадиях производства.

Применение реакторных изотопов

  • Медицина: диагностика (сцинтиграфия), радиотерапия (цезий-137, кобальт-60), лабораторные исследования.
  • Промышленность: дефектоскопия, контроль прочности материалов, стерилизация оборудования.
  • Наука: метки для изучения биологических и химических процессов, исследование структуры материалов.
  • Энергетика и экология: отслеживание потоков радионуклидов, моделирование процессов в ядерной энергетике.

Использование ядерных реакторов для производства радиоизотопов обеспечивает высокую чистоту, управляемую активность и возможность серийного выпуска, что делает их основным источником радиохимических материалов в современном мире.

Оглавление