Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

В качестве такого поглотителя медленных нейтронов — регулятора скорости реакции — служат стержни из бористой стали. Бор легко вступает во взаимодействие с медленными нейтронами. Если стержни вдвинуты внутрь реактора, то реакция прекращается, так как практически значительная часть нейтронов, получающихся при делении, поглощается бором. Если стержни начать выдвигать, то реакция постепенно ускоряется. Можно подобрать такое положение стержней, при котором ядерный реактор работает с постоянной мощностью, и поддерживать его положение автоматически с помощью прибора, который вдвигает стержни внутрь реактора, как только скорость выделения нейтронов или температура охлаждающей воды превышает определенную норму. Здесь мы имеем дело с регулируемым процессом освобождения атомной энергии. Мы не будем подробнее останавливаться на различного рода конструкциях и типах реакторов на медленных нейтронах, так как это нас уведет далеко от основной темы книги.

Ядра атомов большинства химических элементов взаимодействуют с медленными нейтронами с образованием радиоактивных изотопов, масса которых на единицу больше массы исходного ядра. Эти изотопы являются бета-излучателями с самыми разнообразными периодами полураспада.

Наиболее мощным современным источником медленных нейтронов является ядерный реактор на медленных нейтронах. Он в настоящее время широко используется для облучения различных веществ медленными нейтронами, для получения таким путем радиоактивных изотопов. Вещество для облучения вводится в специальный канал ядерного реактора, который проходит сквозь защиту в слой замедлителя активной зоны реактора (см. рис. 11).

При облучении часть ядер атомов исходного вещества претерпевает превращение под действием нейтронов с образованием ядер атомов радиоактивных изотопов облучаемого элемента. По прошествии времени, достаточного для образования необходимого числа атомов радиоактивного изотопа, облучаемое вещество извлекается из ядерного реактора. Далее оно подвергается химической переработке, при которой производится очистка от образовавшихся примесей других радиоактивных изотопов и в ряде случаев отделение нужного радиоактивного изотопа от облученного вещества. Например, при облучении нейтронами бромбензола (C 6H 5Br) образуется радиоактивный изотоп брома, который легко отделяется от бромбензола путем взбалтывания бромбензола с водой, содержащей в качестве восстановителя сернистокислый натрий. Вода и бензол не смешиваются между собой и после взбалтывания разделяются на два слоя. При этом больше половины радиоактивного брома переходит в водный слой. Это происходит потому, что при образовании радиоактивного брома часть его атомов порывает связь с молекулой бромбензола и остается в виде атомов свободного брома. Эти атомы реагируют с сернистокислым натрием и образуют бромистый натрий, содержаший радиоактивный бром. При взбалтывании с водой бромистый натрий растворяется в воде и оказывается при разделении в водном слое. Таким образом, удается отделить основную массу атомов радиоактивного брома от нерадиоактивных атомов.

В качестве второго примера получения радиоактивных изотопов в ядерном реакторе приведем получение хлористого натрия, содержащего радиоактивный изотоп натрия. При облучении хлористого натрия нейтронами в ядерном реакторе из натрия образуется его радиоактивный изотоп Na 24, из хлора — радиоактивные изотопы хлора Cl 36и Cl 38и радиоактивные изотопы фосфора P 32и серы S 35по реакциям:

Таким образом, для получения радиоактивного изотопа натрия, не содержащего других радиоактивных изотопов, после облучения необходимо разделить химическим путем радиоактивные изотопы натрия, хлора, фосфора и серы. Количество атомов хлора 36, получающихся при ядерной реакции при небольшом времени облучения (несколько часов), практически очень мало и с этим изотопом можно не считаться. Хлор 38 имеет период полураспада, равный 37 минутам, и поэтому через 5–6 часов после конца облучения он практически полностью распадается. Для отделения радиоактивного фосфора и серы облученный хлористый натрий растворяют в воде и через раствор пропускают струю хлористого водорода. При этом хлористый натрий осаждается из раствора, а радиоактивные фосфор и сера остаются в растворе.

Третий пример — облучение в ядерном реакторе чистого металлического золота. При этом в массе атомов нерадиоактивного золота образуется единственный радиоактивный изотоп — золото 198. Полученный радиоактивный материал используется без химической обработки.

Описанный способ получения радиоактивных изотопов является наиболее употребительным для научно-исследовательских целей, так как этим путем могут быть получены радиоактивные изотопы почти всех химических элементов без примесей других радиоактивных изотопов. Чистота полученных изотопов зависит от чистоты материалов, употребляемых для облучения, и от способа их очистки после облучения.

Вторым источником радиоактивных изотопов в ядерном реакторе является процесс деления урана или другого делящегося материала в ядерном реакторе. При делении образуются бета-излучающие радиоактивные изотопы 34 химических элементов, начиная в периодической системе от № 30 — цинка и до № 63 — европия включительно. Среди этих изотопов есть много изотопов с маленькими периодами полураспада, но ряд изотопов обладает периодами полураспада, удобными для их использования в различных областях науки, техники и военном деле. В таблице на стр. 59–60 приведены наиболее важные долгоживущие изотопы, получающиеся при делении урана.

Кроме того, в ядерном реакторе из урана 238 под действием нейтронов образуется плутоний 239.