Радионуклидные источники ионизирующих излучений, электроэнергии, тепла и света

Помимо производства ядерного топлива для атомных реакторов и мишеней для ускорителей, в радиохимические задачи входит наработка радионуклидов — излучателей различных видов радиации. Эти излучатели используются в устройствах, применяемых как источники ионизирующего излучения, электроэнергии, тепла и света.

В данной главе рассмотрены особенности использования радионуклидов в источниках тепла и излучений.

Источники радиации

Источник ионизирующего излучения — объект, содержащий радиоактивный материал или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение.

Любой источник ионизирующего излучения характеризуется:

• 1. Видом излучения — у-излучение, нейтроны, /?-, /?⁺-, а-частицы.
• 2. Геометрией источника (формой и размерами). Протяженные источники могут быть линейными, поверхностными или объёмными с ограниченными, полубесконечными или бесконечными размерами. Точечным считают источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования.
• 3. Мощностью и её распределением по источнику. Источники излучения распределяются по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону.
• 4. Энергетическим составом — энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим, дискретным или непрерывным.
• 5. Угловым распределением излучения (изотропное, косинусоидальное, мононаправленное).

Интенсивными источниками a-излучения являются некоторые радионуклиды с большим атомным весом O^Gd, ²¹⁰Ро, ²²⁶Ra, ²²?Ас, ²⁸¹Ра, 228,229,230Th), 232.233.234.236U, (238,239.240,241,242р), ²41.243Аш, 242,243.244.245.246(31×1, ²⁴⁷Вк и 249,250,251,252^ Некоторые из них (ибСш, '4*Gd, ²¹⁰Ро, ²з"Ра, ²39,24op_U) 2₃7Np) являются практически чистыми а-излучателями. Другие, помимо а, испускают и интенсивное у-излучение (сами или за счёт дочерних нуклидов соответствующих рядов (²²⁶Ra, ²32Th, ²з"и)). Большинство трансурановых радионуклидов являются к тому же и источниками нейтронов за счёт спонтанного деления.

Обычно источником а- частиц является слой нелетучего и долгоживущего cr-излучающего элемента, отложенный на металлическую подложку. Промышленность выпускает источники а-излучения на основе таких радионуклидов, как ^^зАт, ²44Ст, ²34U и ²з8,239р_и Источник на основе ²¹°Ро применяется для удаления статического электричества на текстильных фабриках, ионизации воздуха для лучшего горения топлива в мартеновских печах. На базе ^‘Ат (7=458 л) выпускаются источники а- излучения активностью 310⁴ Бк, а низкоактивные образцовые источники — на базе изотопов ²34.гз8и, ²39Ри.

Многие радионуклиды являются (3-излучателями (Т, ^юВе, ^{, 4}С, ²⁴Na, 32Р, 35S, 36CI, 4о.45Са, 55>⁵⁹Fe, ⁶³Ni, ⁶⁴Cu, ⁶sZn, ⁷²Ga, 74.76,77AS, ^8г>Кг, ⁸^Sr_t 90,9%.

95Zr, 95Nb, 99Mo, 99Tc, ^lo^^lo6Ru, ^lo6Rh, ‘°9Pd, noni_tiiiAg, H5, H5mCd, ^u4ln, ¹²4-‘²5Sb, 129.13^, i34."37Cs, *°Ba, ¹4°La, им44Се, мз. н4.и7р_г, H7Nd, M7Pm, ‘5>Sm, ^l6oTb, ^l82Ta, 185W,^Os, *9²Ir, ²°3Hg, ²°1T1,348p_u и др.). Некоторые из них практически чистые р-излучатели (Т, ¹⁰Ве, ^{, 4}С, *²?, 3ss, ³⁶С1, 45Са, ^(>3Ni, ⁸9−9Sr, 9оу, *o6r_u, ^{, 2}9j, ¹47Рш, ‘•''"Cm, ^{, 6o}Tb, ^{, 82}Та, ^l8sW, ‘9‘0s, ²⁰³Hg, ²°4T1 и др.). Остальные являются еще и уизлучателями. На базе некоторых из них создаются источники ризлучений. Например, источник ⁸5 Кг (7=10.73 л., Ертах=687 кэВ Ер_р= 251 кэВ (юо%)) конструктивно представляет собой цилиндрическую капсулу из сплава титана или нержавеющей стали, имеющую выходное окно для ризлучения, заполненную ⁸зКг. Активность варьируется от 0,3 до 20 ГБк.

Гамма-излучающими является большинство радионуклидов. В промышленности чаще всего применяют ^6oCo, ‘44Се, «34.i37Cs, ¹⁹²Ir, ⁷sSe, ¹²⁴Sb, 152.154EU, ¹⁷°Tm, ²²⁶Ra. Источники у-излучения изготавливаются на основе таких радионуклидов, как 57.6o?_0> 65Zn, «5Se, ^uomAg, ^{, 2}4Sb, «ззВа, «34.i37Cs, 144Се+‘44Рг, ‘52+154EU, *⁷°Tm, ‘9²Ir, ^‘Am, 238.239PU.

Мощные источники у-излучения нашли применение в медицине, сельском хозяйстве, радиационной физике, для обеззараживания и очистки промышленных стоков, твёрдых и жидких отходов, в радиационной химии, для стерилизации и дезинфекции пищевых продуктов и др. В России выпускаются различные медицинские у-терапевтические аппараты на основе ⁶°Со, с активностью от 1,9-ю* Бк до 5, МО* Бк. Переносные удефектоскопы на основе ‘9²1 г имеют источники с активностью от 85 до 120 МБк. Источник у-излучения ⁷5Se используются в составе транспортабельного томографического гамма-сканера, который применяет автоматизированную утомографию для определения функции трёхмерного распределения радионуклидов в изучаемом пространстве.

В качестве источников рентгеновского излучения используют такие радионуклиды, как 55Fe, ⁸⁵Кг, 9f"Sr+9°Y, ‘°9Cd, wPr, ²°4Т1,²⁸⁸Pu. Некоторые из этих изотопов непосредственно испускают рентгеновское излучение. Например, атом ssFe в результате К-захвата превращается в ssMn и испускает К-спектр Мп, один из радиоактивных изотопов тулия, ¹⁷°Тт, — источник мягкого рентгеновского излучения. Ядра других радиоактивных элементов испускают электроны (например, 9"Sr) или «-частицы (например, ²¹⁰Ро), бомбардирующие мишень, которая испускает рентгеновское излучение. Интенсивность излучения изотопных источников на несколько порядков ниже интенсивности излучения рентгеновской трубки, но их габариты, вес и стоимость меньше, чем у установки с рентгеновской трубкой. Кроме того, изотопные источники рентгеновского излучения используются в полевых условиях, поскольку не требуют источников питания.

Нейтроны излучаются трансурановыми радионуклидами при самопроизвольном делении. К наиболее интенсивным источникам нейтронов ОТНОСЯТСЯ: 238.240.242.244Р11, 242.244.24б.248С_т> 25o.252.254Cf. ИСТОЧНИКОМ НеЙТрОНОВ является и ОЯТ, в котором накапливаются трансурановые элементы. Испускать нейтроны могут и радиоактивные материалы, содержащие в своём составе смесь интенсивных «-излучателей с лёгкими элементами, на которых может идти («, п)-реакция, а также (у, п)-реакция. Наибольшие сечения этой реакции имеют Be, ²Н и В.

Изотопные источники нейтронов — устройства, в которых идут ядерные реакции с образованием нейтронов. При этом излучение, испускаемое радионуклидом (например, а-частицы) вступает в ядерную реакцию со специально подобранным веществом (например, бериллием), в результате которой образуются нейтроны. Источники нейтронного излучения могут быть изготовлены на основе радионуклидов ^‘Агп, ²з⁸Ри, ²39Ри, ²4⁸Cm, ²5²Cf. Различают источники тепловых (энергия в районе 0,01 эВ), быстрых (энергия до 8 МэВ) и сверхбыстрых (энергия >20 МэВ) нейтронов. Эталонный источник тепловых нейтронов содержит графитовый замедлитель, обеспечивающий строго определенную и постоянную плотность нейтронного потока в определённых точках.

В лабораторном источнике в запаянной ампуле находится смесь а- активного нуклида с бериллием. При этом в нём происходит реакция:

Наиболее известными ампульными источниками являются Ra-Be и Ро-Ве. Ро-Ве источник нейтронов представляет собой механическую смесь полония и бериллия. Нейтроны испускаются ядрами Be под воздействием а-частиц, образующихся при распаде полония. ^2,0Ро — а-излучатель с Е=5,305 МэВ и Т= 138,4 дн. Распад полония сопровождается у-излучением слабой интенсивности. Основной недостаток — небольшой срок службы, определяемый периодом полураспада полония, однако, этот недостаток можно рассматривать как преимущество. В связи с относительно небольшим периодом полураспада при использовании ²¹⁰Ро в изделиях практически не возникает проблемы долговременного хранения радиоактивных отходов. Ро-Ве нейтронные источники применяют для нейтронного каротажа нефтяных и газовых скважин, а также для запуска ядерных реакторов.

Другой тип радионуклидного источника нейтронов строится на смеси Cf-Be. В ²5²Cf (Т= 2,6 л) самопроизвольно делится 3 % всех атомов и при каждом делении выделяется 4 нейтрона (в 1 г в секунду выделяется 2,4-ю¹² нейтронов, что соответствует нейтронному потоку в обычном ядерном реакторе). Поэтому ²⁵²Cf используют в медицине в качестве точечного источника нейтронов с большой плотностью потока для локальной обработки злокачественных опухолей. Преимущества этого источника: постоянство величины потока; длительный ресурс (>з л); сравнительно низкая стоимость и «точечность» источника. Недостатки: ограничения по порогуреакции взаимодействия и по измерительным возможностям; радиационная опасность в эксплуатации и необходимость мер радиационной защиты при хранении. Кроме того, ²5²Cf принадлежит к ядерным материалам, которые являются федеральной собственностью, стратегически значимы в проблеме ядерного нераспространения и требуют особых мер государственного у^чёта, контроля и физической защиты.

Калифорний может заменить атомный реактор, например для таких специальных аналитических исследований, как нейтронная радиография или активационный анализ. С помощью нейтронной радиографии просвечиваются детали самолетов, части реакторов, изделия самого различного профиля. Для этой цели разработана транспортабельная нейтронная камера с ²5²Cf в качестве источника излучения. Она позволяет вести работу' вне зависимости от стационарного атомного реактора. В борьбе с преступностью такая нейтронная камера позволяет обнаруживать наркотики, спрятанные в патронных гильзах. Нейтронные источники применяются для решения проблемы противодействия незаконному обороту' взрывчатых, химических, биологических и других опасных веществ.

Наиболее перспективными источниками являются источники на основе ядерной реакции скалывания, в которых ускоренные до сверхвысоких энергий протоны бомбардируют мишень из тяжёлого элемента. Возникающие ядерные реакции генерируют интенсивные потоки нейтронов. Преимущества такого источника: возможность направлять на мишень поток нейтронов заданной энергией, необходимой для осуществления конкретной резонансной ядерной реакции.