Получение изотопов в ядерных реакторах

Как уже упоминалось, оружейные изотопы нарабатываются в промышленных ядерных реакторах, специально сконструированных для этих целей. В последнее время идёт реконструкция «военных» реакторов с целью расширения производства на них «мирных» изотопов (как стабильных, так и радиоактивных), в первую очередь — медицинского назначения.

Среди реакторной группы изотопов важное место занимает радиоактивный изотоп ⁶°Со. Облучательные установки, использующие в качестве источника у-излучения ⁶°Со, нашли широкое применение при стерилизации продуктов питания, медицинских инструментов и материалов; пищевых продуктов; стимуляции роста и урожайности зерновых и овощных культур; обеззараживания и очистки промышленных и бытовых стоков, твёрдых отходов различных видов производств; облагораживания и упрочнения изделий из дерева; упрочнения различных видов стекла специального назначения и его окраски; радиационной обработке различных изделий из полимеров для повышения механической и термической устойчивости, придания «памяти» и пр. Радионуклидные у-облучательные установки характеризуются низким собственным энергопотреблением; простотой и надежностью в эксплуатации, пригодностью для многоцелевого использования при переработке жидких, сыпучих и блочных изделий и материалов. Биорадиационные и радиационно-химические технологии используются для переработки биополимеров в высокоценные товары: пекарские и кормовые дрожжи; спирты, корма и сорбенты.

ПО «Маяк» выпускает ⁶°Со, ²з⁸Ри, тритий, изотопы молибдена и стабильный изотоп зне. Наработка изотопов ведётся на реакторах «Руслан» и «Людмила» (мощность каждого 1000 МВт).

Не только военные реакторы можно приспособить для производства коммерческих изотопов. Их можно производить и на некоторых энергетических реакторах. В частности, для этой цели подходит канальный реактор РБМК. Такие реакторы установлены на Ленинградской АЭС (ЛАЭС). Преимуществом реализации радиационных технологий в канальном реакторе РБМК-юоо является его конструктивная особенность, позволяющая осуществлять загрузку и выгрузку облучаемых образцов и изделий на работающем реакторе в любой момент времени в многочисленных каналах. Такое облучение обеспечивает производство медицинских и промышленных изотопов, управление свойствами различных материалов, сплавов, химических соединений, полупроводников, природных кристаллических структур, готовых изделий электроники и т. п. РБМК-юоо позволяет накапливать ⁶°Со с удельной активностью 50…100 Ки/г, в объёмах до ю⁷ Ки в год, как в виде сырья, так и в виде источников. Наработка ⁶°Со в реакторах ЛАЭС осуществляется в обязательных устройствах, совмещающих в себе функции безопасности (поглощение нейтронов) и накопления изотопа.

На ЛАЭС также организован выпуск кремния, легированного нейтронно-трансмутационным методом. Природный кремний состоит из смеси стабильных изотопов — ²⁸Si (92,28%), «Si (4,67%) и ³«Si (3,05%). Кремний (полупроводник) широко используется в различных электротехнических приборах и устройствах. Надежность и электрофизические параметры готовых приборов зависят от исходной чистоты, точности и равномерности дозировки легирующих примесей при сохранении однородности свойств монокристаллов кремния. Важно, что при нейтронно-трансмутационном легировании примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов легируемого материала. В основе метода лежат ядерные реакции, которые протекают в кристалле кремния. Под воздействием потока тепловых нейтронов происходит образование радиоактивного изотопа 3*Si и его последующий распад с образованием стабильного фосфора ^3,Р, который создаёт проводимость п-типа. Благодаря большим размерам РБМК-шоо, поток тепловых нейтронов в активной зоне имеет требуемую равномерность для легирования вертикальной гирлянды слитков кремния. К тому же, плотность потока нейтронов остаётся практически постоянной за все время облучения. В результате снижается количество радиационных дефектов в кремнии, что, в конечном итоге, обеспечивает высокое качество легирования.

ЛАЭС производит радионуклиды медицинского и общетехнического назначения: *С, 35S, 45Са, *⁶Sc, 5*Cr, 59Fe, ^6oCo, ^6l>Zn, ?sSe, ⁸⁶Rb, «Mo, ^u3Sn, «₄mi_n> !24Sb, ^{, 2}5» Te, ^{, 2}5J, *45Sm, *4?Nd, ^{, 53}Gd, ^l82Ta, ^l83W, «²Y, ²⁰³Hg.

Облученные в нейтронном потоке реактора мишени направляются на специализированные предприятия для радиохимической переработки. Целевые радионуклиды выделяются в элементарном состоянии или в виде растворов неорганических соединений, которые в дальнейшем используются для приготовления радиофармпрепаратов, меченых органических соединений или источников ионизирующих излучений.

Одним из широко применяемых в различных областях науки и техники является радионуклид чС. Объём его производства (в виде Ва^СОз) — до зооКи/год с удельной активностью по изотопу близкой к теоретически возможной. В качестве стартового материала для получения иС в нейтронном потоке реакторов планируется использование нитрата кальция Ca (N0₃)₂ или нитрида алюминия A1N.

На основе радиоизотопа ¹²sj синтезируются стероидные гормоны, а также изготавливаются йодные источники, предназначенные для проведения радиодиагностических анализов и научно-исследовательских работ в области биоорганической химии, генной инженерии и медицины. Стероидные гормоны, меченные ¹²5j, позволяют осуществлять раннюю диагностику онкологических заболеваний, выявлять нарушения функции половых желез и надпочечников, и т. д.

Третьим типом реакторов, используемым для наработки радионуклидов, являются жидкосолевые ядерные реакторы. На них, в частности, производятся «медицинские» радиоактивные изотопы «Мо и ⁸9Sr.