ПРОИЗВОДСТВО изотопов. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Производство изотопов — эффективная отрасль экономики. Главными потребителями изотопной продукции являются предприятия военно-промышленного комплекса, медики, энергетики, металлурги, учёные. Сегодня 70% производимых в мире стабильных изотопов и 50% радиоактивных используется в медицине. Интерес врачей к изотопам объясняется высокой эффективностью их применения в диагностике и терапии.

В этой главе будут рассмотрены основные способы производства стабильных и радиоактивных изотопов.

Производство стабильных изотопов

Стабильные изотопы производят методами разделения природной смеси изотопов с последующим обогащением по требуемому нуклиду. Исключением является стабильный изотоп зНе, который нарабатывают на ядерном реакторе.

Разделение изотопов — выделение одного или нескольких изотопов данного элемента из их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами. Основано на различиях в свойствах веществ, молекулы которых содержат различные изотопы одного химического элемента.

Методы изотопного разделения имеют особенности, определяющие области их эффективного применения. При изотопном разделении лёгких элементов с А<40 эффективна дистилляция, изотопный обмен или электролиз. Для разделения изотопов тяжёлых элементов применяются диффузионный метод, центрифугирование и электромагнитное разделение. Газовая диффузия и центрифугирование используются, если имеются газообразные соединения элементов. Термодиффузия позволяет разделять изотопы, как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изотопов в жидкой фазе коэффициент разделения, а, мал. Электромагнитный метод обладает большим а, но имеет малую производительность и для производства изотопов применяется редко. В последнее время активно разрабатывается плазменная технология разделения изотопов, основанная на ионно-циклотронном резонансе.

Производство стабильных изотопов водорода, бора, бериллия и т. п. для нужд ядерной индустрии давно осуществляется в промышленных масштабах.

Дейтерий широко используется в атомной энергетике как замедлитель нейтронов в атомных реакторах; в смеси с тритием или в соединении с ⁶Li применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах, а также в качестве меченого стабильного индикатора в науке и технике. Перспективно применение дейтерия (в смеси с тритием) для получения высокотемпературной плазмы, необходимой для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Дейтерий выделяют на основе различий свойств протия и дейтерия. Основные методы получения: многоступенчатый электролиз водных растворов, ректификация воды, ионный обмен (в системе водасероводород), ректификация аммиака. Так, при электролизе 100 л воды выделяется 7,5 мл 60%-ного D₂0.

Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: ⁶Li (7,5%) и? Li (92,5%); в некоторых образцах лития изотопное соотношение может быть сильно нарушено вследствие природного или искусственного фракционирования изотопов. Изотоп ⁶Li используется в термоядерных установках для генерации трития по ядерной реакции.

Особенно энергично термоядерные реакции протекают при бомбардировке нейтронами соединения изотопа ⁶Li с дейтерием — дейтерида лития. Это вещество служит ядерным горючим в литиевых реакторах. Высокая способность ⁶Li захватывать медленные нейтроны позволила использовать его в качестве регулятора интенсивности реакций, протекающих в урановых реакторах. Изотоп нашёл применение также в защитных экранах против радиации, в атомных батареях с большим сроком службы. Литий применяют как теплоноситель в ядерных установках. Здесь используют его менее дефицитный изотоп — ?Li.

Стабильные изотопы бора ¹⁰В и «В, резко отличаясь по ядернофизическим свойствам, широко используются в науке и технике. Стабильный изотоп ^ЮВ применяется в реакторостроении в виде карбида бора как составная часть стержней, регулирующих скорость ядерных процессов в реакторе, а также в форме раствора борной кислоты в теплоносителе первого контура. Изотоп ^ЮВ при малом удельном весе обеспечивает высокоэффективную (превосходящую в сотни раз бетон) защиту от нейтронов, что используется при создании малогабаритных реакторов, устанавливаемых на транспорте. Он также применяется в качестве антиактивационного покрытия, предотвращающего нейтронную активацию материалов, используемых в реакторостроении и ядерно-физических экспериментах. Способность ^ЮВ трансформировать поток нейтронов в тяжёлые ионизирующие частицы с длиной пробега, соизмеримой с размером живой клетки, используется в нейтронозахватиой терапии злокачественных опухолей в медицине. Этот же изотоп входит в состав детекторов нейтронов. Стабильный изотоп ^ИВ используется в ЯМР — спектроскопии, а также в реакторостроении при создании жаростойких сплавов. В электронной промышленности «В бор используется в качестве легирующего компонента при производстве полупроводниковых изделий, что позволяет применять нейтроноактивационный анализ для определения в таком боре до 28 различных элементов в концентрационных пределах 104*8%.

Стабильный изотоп углерода ¹³С (природная концентрация 1,1%) применяется для изучения механизма химических реакций и биохимических реакций в медицине. *зС используется для диагностики различных функциональных нарушений в организме: почечной недостаточности, нарушения обменных процессов печени, диабета, кислородного голодания сердечной мышцы, лёгочной недостаточности, метаболических нарушений, обусловленных дисфункцией эндокринных органов. В связи с тем, что теплопроводность алмаза на основе лёгкого изотопа ¹²С в 1,5 раза выше теплопроводности алмаза природного изотопного состава, использование в электронике изотопномодифицированных алмазных плёнок на основе ¹²С позволяет существенно улучшить технические характеристики приборов.

Известно много направлений применения соединений, меченных стабильным изотопом азота *5N: агрохимия, сельское хозяйство, пищевая промышленность, экологические и гидрологические исследования, биология, фармакология, медицина, техника. В составе нитридного топлива он используется в атомной энергетике.

Лёгкий стабильный изотоп кислорода ^{, 6}0 применяют для получения диоксида плутония-238 — основы источника тока, обеспечивающего длительную работоспособность имплантируемых в тело человека регуляторов ритма или стимуляторов работы сердца. Интерес к ¹⁷0 обусловлен наличием у него ядерного магнитного момента. Стабильный изотоп кислорода ^l80 используется в качестве метки в различных меченых соединениях — оксидах, солях, кислотах, щелочах, органических препаратах. Радиоактивный изотоп (Г= 2,03 мин) применяется для диагностики злокачественных опухолей методом позитронной томографии.

Изотопы кремния нашли применение в микроэлектронике. Тот факт, что теплопроводность стабильного изотопа кремния ²⁸Si в 1,5 раза выше теплопроводности кремния природного изотопного состава, позволяет решить проблему отвода тепла от микросхем с высокой плотностью размещения элементов.

Коротко остановимся на основных методах разделения изотопов.

Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, создаваемом электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.

Ректификация — процесс разделения смесей веществ на отдельные фракции, отличающиеся температурой кипения, основанный на различном распределении компонентов между жидкой и паровой фазами, осуществляемый путём противоточного массои теплообмена между паром и жидкостью.

Различают периодическую и непрерывную ректификацию. Её проводят в башенных колонных аппаратах, снабжённых контактными устройствами (тарелками или насадкой).

Ионный обмен — это обратимая химическая реакция стезиометрического обмена ионами между двумя контактирующшш фазами электролитов (растворы, или раствор — твёрдое вещество).

Ионный обмен может происходить как в гомогенной среде (истинный раствор нескольких электролитов), так и в гетерогенной, в которой один из электролитов является твёрдым (при контакте раствора электролита с осадком, ионитом и др.). Применяется для промышленного разделения изотопов лёгких элементов: водорода, Li, В, N, С.

Дистилляция — метод разделения смесей жидкостей различного изотопного состава, основанный на различиях в равновесном изотопном составе жидкости и пара. Обычно соединение, содержащее лёгкий изотоп, концентрируется в паре. Применяется для промышленного разделения изотопов водорода и, в меньших масштабах, В, С, N, О.

Производство высокообогащенного изотопа *зС ведут по комбинированной технологии, при которой обогащение производится в два приёма, на лазерной стадии осуществляется селективная диссоциация молекул фреона при помощи лазерного излучения и получается продукт с 304−35% содержанием ¹³С при производительности з-х модулей до 1,5 г/час, на центрифужной стадии достигается более высокое обогащение до 99,9%.

Получаемый по этой технологии *зСО*" содержит пониженную концентрацию тяжёлых изотопов кислорода по сравнению с *зС0₂, производимым другими методами (обычное содержание ^{, 8}0 в ^{, 3}С0₂ — 5−7%). Центрифугирование — метод разделения смесей веществ в поле центробежных сил.

Газовая центрифуга — устройство для разделения (сепарации) газов с разным молекулярным весом.

Процесс осуществляется в противоточной газовой центрифуге, представляющей собой узкий вертикальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с большой скоростью. Тяжёлый изотоп концентрируется на периферии цилиндра, лёгкий — вблизи его оси. Из-за различий плотности смесь перемещается вдоль оси вверх, а по периферии — вниз. Такая технология обеспечивает производство таких изотопов, как ^12;1ЗС, ^28;29;3osi,.

32;33;34;36S_> б4;66;б7:68;7о?_п> 78;8о;82;8з;84;86К_Г) i24;i₂6;i28;i29;i30;i3t;i32;i34;i36Xe, ^юоМо,^Ge, 74Se, 58;6l;64Ni_? 18О, 57Fe и др.

Эффузия газов — метод разделения веществ, основанный на истечении смеси молекул через пористую перегородку с отверстиями, диаметр которых меньше длины свободного пробега молекул газа; лёгкие молекулы проникают через перегородку быстрее, чем тяжёлые, в результате чего происходит их разделение.

Разделение изотопов осуществляют в каскаде ступеней. Каждая ступень представляет собой камеру, разделенную пористой перегородкой, по одну сторону которой насосом нагнетается газообразная разделяемая смесь. Проходящая через перегородку смесь оказывается обогащенной легким изотопом. Метод применяется для разделения изотопов Н, Не, С, а также для промышленного концентрирования ²35U (в виде UF6). Масс-диффузия — метод разделения изотопов, основанный на различии в скоростях диффузии изотопнозамещенных молекул газа в потоке вспомогательного разделительного пара.

Табл. 1. Коэффициенты разделения изотопов водорода, углерода и урана различными методами.

Вспомогательный пар должен обладать высоким коэффициентом диффузии в разделяемой смеси и легко отделяться от неё. Часто в качестве вспомогательного пара используют пары ртути. Разделение изотопов осуществляется либо в каскаде ступеней, либо в противоточной колонне. Метод применяется для разделения изотопов Ne, Ar, С.

Электролтгнитный метод основан на зависимости отклонения ионов в электрическом и магнитном полях от отношения m/Z (т — масса иона, Z — его заряд).

Вещество, содержащее изотопную смесь, переводится в пар, ионизируется, затем ионы ускоряются электрическим полем и попадают в разделительную камеру, где под действием магнитного поля, перпендикулярного направлению движения ионов, смесь разделяется на отдельные пучки с одинаковыми значениями m/Z; затем пучки собираются в разные приемники. Этим методом можно выделить все изотопы данного элемента. Его применяют для получения малых количеств изотопов более 50 элементов; впервые этим методом было получено несколько кг ²35U.

Ядерная энергетика и оборонная промышленность нуждаются в больших количествах таких изотопов, как дейтерий и ²35U. Многие методы разделения изотопов получили промышленное использование: метод диффузии — для выделения^su с применением газообразного UFe, методы ректификации, химического обмена и электролиза для выделения дейтерия. Промышленное значение имеет разделение изотопов лития.