Производство радионуклидов

Со школы мы помним, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Количество протонов в ядре определяет химические свойства, с каким элементом мы имеем дело. Количество нейтронов определяет массу ядра, а соотношение количества протонов и нейтронов определяет устойчивость ядра, поэтому ядра могут быть стабильными, а могут быть радиоактивными. Ядра распадаются, потому что это им энергетически выгодно. Они превращаются в устойчивые ядра. Радиоактивность — процесс, идущий с выделением энергии в виде кинетической энергии вылетающих частиц или электромагнитного излучения. Существует несколько основных типов радиоактивного распада, среди которых можно выделить альфа-распад — отщепление фрагмента от ядра. Фрагмент — альфа-частица, которая состоит из двух протонов и двух нейтронов. Энергия альфа-частиц, которая образуется при радиоактивном распаде, велика кинетически, около 4 мегаэлектронвольт и больше.

Второй вид радиоактивного распада — бета-распад, который является группой нескольких видов радиоактивного распада. Всю группу объединяет то, что это внутринуклионный процесс — процесс распада конкретного нуклона в ядре. Классический бета-распад, или бета-минус распад, — превращение нейтрона внутри ядра в протон и испускание электрона, образующегося при распаде. Другая частица, которая образуется при бета-распаде, — антинейтрино. Зарегистрировать эту частицу трудно, но ее появление видно в том, что спектр бета-частиц непрерывен, в отличие от альфа-распада. Происходит перераспределение энергии между бета-частицей и нейтрино. Второй вид бета-распада — бета-плюс распад, или позитронный распад. Это процесс, при котором протон в ядре превращается в нейтрон и из ядра вылетает положительно заряженный электрон — позитрон. Третий вид бета-распада — электронный захват, который реализуется, когда захватывается электрон с внутренней оболочки и вместе с положительно заряженным протоном они образуют нейтрон и нейтрино. При всех видах бета-распада массовое число остается прежним, но меняется номер элемента. Мы двигаемся по таблице Менделеева вправо при бета-минус распаде и влево при электронном захвате или бета-плюс распаде.

Совокупность ядер с одинаковым числом протонов и нейтронов называется нуклидом. Например, нуклид углерод-12 или углерод-14. Если эти ядра являются радиоактивными, то мы используем термин «радионуклид». Углерод-14 можно назвать радионуклидом, потому что он радиоактивный, в отличие от углерода-12. Часто используется термин «изотоп» — ядра, у которых число протонов одинаковое, а число нейтронов разное. Такие ядра имеют разную массу, но представляют один и тот же химический элемент. Например, углерод-12 и углерод-14 — это изотопы. Слово «изотоп» чаще употребляется во множественном числе и определяет отношение между двумя типами ядер. Мы не можем кого-то одного назвать изотопом. В технической литературе очень часто на эти научные правила внимания не обращают и игнорируют их, поэтому это превращается в жаргон — можно услышать выражение «производство изотопов» или «производство радиоактивных изотопов», но подразумевается под этим производство радионуклидов, а не изотопов.

Сейчас известно 300 типов стабильных ядер и 3000 радиоактивных ядер, которые были получены в результате ядерных реакций. Впервые искусственный радионуклид получили в 1934 году супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они облучали алюминиевую фольгу альфа-частицами, которые получали из радиоактивного источника на основе радия и его продуктов распада. Фредерик и Ирен идентифицировали полученное вещество и определили, что по химическим свойствам оно идентично фосфору. Это был короткоживущий радиоактивный изотоп фосфора фосфор-30. За это открытие они получили Нобелевскую премию. Это стало важным шагом, который позволил превращать одни химические элементы в другие. Это стало возможно с помощью ядерных реакций — процесс, при котором ядро облучается потоком частиц или других ядер и в результате образуются новые ядра и новые частицы.

Случай Жолио-Кюри был уникальным, потому что реакции под действием тех частиц, которые образуются при радиоактивном распаде, возможны только на ограниченном количестве ядер. Энергия альфа-частиц радия невелика, поэтому вероятность взаимодействия их с тяжелыми ядрами ничтожна. У элементов существует кулоновское отталкивание положительно заряженной альфа-частицы от ядра. Если мы хотим реализовать ядерную реакцию, то нужно сообщить налетающей частице дополнительную энергию. Это научились делать на рубеже 1920–1930-х годов. Американский молодой ученый Эрнест Орландо Лоуренс, которому было около 30 лет, разработал схему циклотрона — инструмента, в котором происходит ускорение заряженных частиц. Схема Лоуренса с определенными изменениями используется и сейчас. Первый циклотрон, который сделал Лоуренс, был маленьким и помещался на ладони. Циклотроны, которые строятся сейчас, занимают огромные помещения. Это сложнейшие многофункциональные установки.

Радиоактивные изотопы используют в нескольких сферах. Например, ядерная медицина для диагностики и терапии. Производство радиоактивных изотопов осуществляют на исследовательских реакторах, которых в мире существует много, в том числе в России. Изначально реакторы и использовались для масштабной наработки радиоактивных изотопов, но везде производят разные масштабы. В Дубне или других ядерных центрах получают одно ядро. В эпоху холодной войны получали десятки тонн оружейного плутония.

Сейчас циклотронные производства вытесняют реакторные, потому что эксплуатация реакторов — это дорого, сложно и связано с вопросами безопасности. С течением времени большая часть производства будет реализована на циклотронах, кроме особых случаев. Набор радионуклидов, которые можно получить на реакторе и циклотроне, различный в силу того, что процессы, которые происходят на этих установках, различаются. На циклотроне мы облучаем мишень пучком положительно заряженных частиц и затем из мишеней получаем другие ядра, которые имеют большее количество протонов в составе ядра, — протоноизбыточные. На атомных реакторах облучение осуществляется потоком нейтронов — нейтральных частиц. Они захватываются ядром эффективнее, чем протоны, поскольку у них отсутствует кулоновский барьер. При облучении нейтронами вещества получаются нейтроноизбыточные ядра, которые распадаются путем бета-минус радиоактивного распада, либо альфа-распада. Нейтронодефицитные ядра обычно получаются на ускорителях и распадаются путем электронного захвата или испускания позитронов.

В медицине чаще всего используют реакторные изотопы, которые имеют терапевтическое применение, поскольку испускаемые ими бета-частицы, отрицательно заряженные, и используются как поражающий фактор при лечении опухоли. Циклотронные изотопы испускают гамма-излучение или позитроны, которые аннигилируют с образованием фотонов. Такие радионуклиды используются для медицинской диагностики, но ситуация меняется, нейтронодефицитные изотопы тоже приходят в терапию. Медицина — это не единственный потребитель радиоактивных изотопов. Одно из классических применений радиоактивных изотопов — источники электрического тока. Такие источники производились в 1960-х годах, и их устанавливали на межпланетные зонды. Например, на аппаратах «Вояджер», которые отправили в начале 1970-х. Теперь они находятся за границами нашей Солнечной системы, но продолжают функционировать и отправлять сигнал благодаря источникам тока на основе плутония-238 — это долгоживущий радиоактивный изотоп плутония, который имеет период полураспада около 80 лет. Энергия, которую элемент выделяет при распаде, настолько велика, что шарик, собранный из этого плутония, никогда не остынет до комнатной температуры. Сейчас источники тока на основе бета-излучателей применяются в медицине для кардиостимуляторов и других приборов. 

Потенциальная сфера для применения изотопов — облучательные системы, использующиеся в технике. Например, системы для стерилизации продуктов в измерительных приборах: уровнемеры, дефектоскопы. Это целая индустрия производства радиоактивных изотопов. Сейчас такое производство становится обыденным. Небольшие циклотроны, на которых можно производить короткоживущие радиоактивные изотопы для медицины, устанавливаются прямо в клиниках. В Москве существует несколько таких циклотронов, а в остальном мире — несколько сотен. Кроме специально разработанных машин для производства используются и исследовательские циклотроны, которые изначально создавались как инструменты для научных исследований. Такие ядерные центры, как ЦЕРН в Европе, тоже занимаются разработкой новых методов получения изотопов. Это высокая наука и сложные технологии, в которой решается комплекс задач: вопросы ядерно-физические, вопрос переработки облученных мишеней и инженерные задачи.

Энергия, которая выделяется пучком на мишени, может составлять киловатты или десятки киловатт. Снять такое тепло с относительно небольшой поверхности мишени очень непросто, поэтому производство изотопов динамично развивается. Производят новые машины. Например, во Франции установили мощный современный циклотрон, который предназначен для научных исследований в области производства изотопов для онкологии. Уже ввели в строй новые ускорители, которые предназначены для коммерческой наработки. Сейчас эта отрасль переживает большой бум.