Реакторное получение радиоактивных изотопов основано на взаимодействии стабильных ядер с нейтронами, которые генерируются в ядерном реакторе. Основными процессами являются нейтронное захватывание и последующее радиоактивное распадение, что позволяет превращать стабильные изотопы в радиоактивные аналоги с заданными физическими и химическими свойствами.
Важнейшие параметры, определяющие эффективность производства изотопов:
(n,γ)-реакции Наиболее распространённый метод, при котором ядро захватывает нейтрон и превращается в более тяжелый изотоп, часто радиоактивный: [ {}{A}{Z}X + n ^{A+1}{Z}X* ^{A+1}_{Z}X + ] Пример: превращение стабильного йода-127 в радиоактивный йод-128: [ {}^{127} + n ^{128}]
(n,p) и (n,α)-реакции При быстрых нейтронах возможны реакции, сопровождающиеся выбросом протона или α-частицы, что позволяет синтезировать изотопы с пониженным числом протонов: [ {}^{14} + n ^{14} + p] Эти реакции применяются реже, так как требуют высокоэнергетических нейтронов и более сложного контроля.
Деление тяжёлых ядер Некоторые изотопы получают как продукты ядерного деления урана-235 или плутония-239. При делении возникают сотни различных продуктов с различной вероятностью (сечением деления), что позволяет получать широкий спектр радиоактивных изотопов, таких как стронций-90 и цезий-137.
Материалы-мишени подбираются с учётом сечения реакции, химической стабильности и экономической целесообразности. Часто используют металлические или оксидные формы:
Облучение в реакторе осуществляется в активной зоне, где поток нейтронов максимально высок. Длительность облучения рассчитывается по закону нарастания активности: [ A = N(1 - e^{-t})] где (N) — число атомов мишени, () — сечение захвата нейтронов, () — поток нейтронов, () — константа распада.
Извлечение и химическая переработка мишеней после облучения является критическим этапом. Изотопы часто требуют изоляции от материнского материала и разделения из смеси продуктов деления. Используются методы химического осаждения, ионного обмена, экстракции. Технология определяется химическими свойствами целевого изотопа и необходимым уровнем чистоты.
Медицина Радиоизотопы применяются для диагностики и терапии:
Промышленность Изотопы используются для контроля качества материалов, толщины покрытий, дефектоскопии:
Научные исследования Радиоактивные метки применяются в химии, биологии и физике для изучения реакций, транспорта веществ и механизмов ядерных процессов.
Производство изотопов связано с высокими уровнями радиации и требует комплексных мер защиты:
Выбор мишеней, режимы облучения и методы извлечения изотопов оптимизируются для минимизации отходов и радиационного воздействия, что является важным аспектом рациональной ядерной химии.
Современные исследования направлены на создание реакторов с повышенным потоком нейтронов, использование мягких тепловых и быстрых реакторов для получения редких изотопов, а также на разработку методов синтеза нетрадиционных медицинских и промышленных изотопов с улучшенными характеристиками. Значительное внимание уделяется также замкнутым циклам переработки мишеней для повышения эффективности и снижения радиоактивных отходов.