Методы получения радионуклидов

Получение радионуклидов основано на ядерных превращениях, инициируемых нейтронами, заряженными частицами или высокоэнергетическим излучением. Выбор метода определяется требуемыми характеристиками радионуклида: периодом полураспада, типом и энергией излучения, удельной активностью, радиохимической чистотой и масштабом производства. В ядерной химии методы получения тесно связаны с физикой ядерных реакций, технологией мишеней и радиохимическими способами выделения.

Реакторные методы

Нейтронная активация стабильных ядер

Один из фундаментальных способов получения радионуклидов — захват тепловых или быстрых нейтронов стабильными ядрами:

(n,γ)-реакции Ядро поглощает нейтрон с последующим испусканием γ-кванта:

  • Co-59 → Co-60
  • Na-23 → Na-24

Особенности метода:

  • высокая вероятность реакции для многих элементов;
  • простота реализации в ядерных реакторах;
  • часто образуются радионуклиды с носителем, что снижает удельную активность.

Реакции с испусканием частиц При облучении быстрыми нейтронами возможны реакции (n,p), (n,α):

  • S-32(n,p)P-32
  • Al-27(n,α)Na-24

Такие реакции позволяют получать радионуклиды, отсутствующие при простом захвате нейтронов.

Продукты деления ядерного топлива

При делении ядер урана-235 или плутония-239 образуется широкий спектр осколков деления:

  • Sr-90
  • Cs-137
  • I-131
  • Xe-133

Характерные черты:

  • чрезвычайно высокие выходы по активности;
  • наличие сложных смесей радионуклидов;
  • необходимость многостадийных радиохимических разделений.

Продукты деления являются основным источником многих медицинских и промышленных радионуклидов.

Получение трансурановых элементов

В реакторах возможно последовательное нейтронное захватывание с β⁻-распадом:

  • U-238 → Np-239 → Pu-239
  • Pu-239 → Am-241

Этот путь используется для синтеза:

  • плутония,
  • америция,
  • кюрия и более тяжёлых актинидов.

Ускорительные методы

Циклотронное получение радионуклидов

Циклотроны применяются для облучения мишеней протонами, дейтронами, α-частицами:

  • O-18(p,n)F-18
  • N-14(p,α)C-11

Преимущества:

  • высокая удельная активность;
  • возможность получения безносительных радионуклидов;
  • точный контроль энергии частиц.

Недостатки:

  • ограниченный набор реакций;
  • меньшие выходы по массе по сравнению с реакторными методами.

Линейные ускорители и электронные пучки

При использовании электронов реализуются фотоядерные реакции:

  • (γ,n), (γ,p)

Пример:

  • Mo-100(γ,n)Mo-99

Метод перспективен для производства Mo-99 без использования ядерных реакторов.

Спаллационные реакции

Высокоэнергетические протоны (сотни МэВ) вызывают разрушение тяжёлых ядер с образованием множества фрагментов:

  • производство нейтронных источников;
  • получение редких радионуклидов для фундаментальных исследований.

Генераторы радионуклидов

Генераторные системы основаны на распаде материнского радионуклида с образованием короткоживущего дочернего:

  • Mo-99 → Tc-99m
  • Sr-90 → Y-90

Характеристика метода:

  • независимость от реактора или ускорителя на месте использования;
  • высокая радиохимическая чистота продукта;
  • возможность многократного извлечения дочернего радионуклида.

Генераторы играют ключевую роль в ядерной медицине.

Радиохимическое выделение и очистка

Получение радионуклида неразрывно связано с его химическим разделением из облучённой мишени. Основные методы:

  • ионный обмен;
  • экстракция органическими растворителями;
  • осаждение и соосаждение;
  • хроматографические методы.

Критические параметры:

  • радиохимическая чистота;
  • минимизация радиационных потерь;
  • устойчивость химической формы.

Мишени и технология облучения

Эффективность получения радионуклидов определяется конструкцией мишени:

  • металлические, оксидные, солевые мишени;
  • жидкие и газовые мишени для ускорительных реакций.

Учитываются:

  • тепловыделение;
  • радиационная стойкость;
  • химическая перерабатываемость после облучения.

Удельная активность и безносительные радионуклиды

Удельная активность — ключевая характеристика радионуклида. Различают:

  • радионуклиды с носителем (реакторная активация);
  • безносительные радионуклиды (ускорительные методы, генераторы).

Безносительные радионуклиды необходимы для:

  • радиотрейсерных исследований;
  • радиофармацевтических препаратов;
  • высокоточных аналитических методик.

Сравнительная характеристика методов

  • Реакторы — массовое производство, широкий спектр, сложная очистка.
  • Ускорители — высокая чистота, ограниченные количества.
  • Генераторы — автономность и удобство применения.

Каждый метод занимает строго определённое место в системе ядерно-химических технологий и применяется в зависимости от целевого назначения радионуклида.

Оглавление