7. Reakce neutronů a kladných projektilů ·reakce neutronů jsou velmi časté, s vysokými výtěžky ·pro neutron neexistuje potenciálová bariéra terčového jádra ·pravděpodobnost záchytu neutronu je tím větší, čím je neutron pomalejší (tj. déle se zdržuje v okolí jádra) tepelné neutrony (0,002-0,5 keV) Pomalé neutrony rezonanční neutrony (0,5-1 keV) (pojem rezonanční souvisí s výskytem rezonančních maxim) Rychlé neutrony E > 1 keV 1 [USEMAP] Reakce (n,) – radiační záchyt neutronu A X(n, )A1 X Z Z ·produktem je izotop terčového jádra, protože nízká excitační energie složeného jádra nestačí k uvolnění nukleonu – deexcitace probíhá vyzářením fotonu  · ·zvýšený počet neutronů vede často k nuklidům, které podléhají přeměnám - · ·reakce má praktický význam pro průmyslovou produkci radionuklidů (výroba 32P, 60Co, aj.) · Reakce jader o Z >10 s pomalými neutrony ·jde o reakce (n,) , které jsou exoergické (Q = 6-10 MeV) · ·probíhají téměř se všemi jádry, výtěžky bývají vysoké · · ·   10-28 – 10-25 m2 2 [USEMAP] [USEMAP] Reakce jader o Z <10 s pomalými neutrony ·zpravidla probíhají reakce typu (n,p), (n,) – převládají nad reakcemi (n,), mají vysoké výtěžky a jsou exoergické ·emise kladné částice je umožněna existencí nižší coulombické bariéry a existuje vyšší pravděpodobnost, že nukleon (nebo 2p + 2n) získají potřebnou energii k opuštění jádra ·reakce se prakticky využívají: Reakce těžších jader s neutrony o vyšších energiích ·s rostoucí energií neutronů klesá výtěžek záchytné reakce ·s rychlými neutrony (0,5-10 MeV) roste pravděpodobnost reakcí typu (n,p) a (n,) ·reakce jsou však zpravidla endoergické a mají malý význam ·významnější jsou reakce typu (n,2n) 19F(n,2n)18F 6Li(n,)3H výroba tritia 14N(n,p)14C výroba 14C 10B(n,)7Li měření a absorpce neutronů 3 [USEMAP] [USEMAP] Průmyslová výroba radionuklidů ·vyžaduje jaderný reaktor nebo urychlovač kladných projektilů (cyklotron, aj.) ·toky neutronů musí být alespoň 1012 – 1013 neutronů/s cm2 ·výhodou je chemická jednoduchost ozařovaného materiálu (kovy, oxidy) ·terčový materiál musí být odolný vůči teplu a musí být radiačně stabilní ·terčový materiál se zatavuje do křemenných nebo PE ampulí, které se vkládají do Al-pouzder 4 [USEMAP] [USEMAP] Výroba 3H zahřátí cca na 400 °C oxidace ozařuje se kovové Li Li se roztaví ve vakuu a uvolněné 3H2 reaguje U3H3 3H2 3H2O s uranem na U3H3 Výroba 14C ozařuje se Be3N2 nebo AlN terč se rozpustí ve směsi H2O2 + H2SO4 oxidace CuO (14CO2, 14CO, 14CH4) 14CO2 Ba14CO3 5 6Li (n,a)3H 14N(n,p)14C [USEMAP] [USEMAP] Výroba radioaktivních nuklidů kovů Nejčastěji z kovových prvků reakcí (n,) ·terč se rozpustí ve vodě (např. 24Na) ·kovy, oxidy se rozpustí v HCl ·může se provést alkalické oxidační tavení (např. s Na2O2) · 130Te(n,)131mTe (přeměna , T=30hod)  131Te (přeměna -, 25 min)131I 131Te Z ozářeného terče se jod získává sublimací a rozpuštěním v roztoku siřičitanu sodného na Na131I. 6 Zvláštní postupy přípravy nuklidů Je nutno aplikovat tehdy, když jsou potenciální výchozí nuklidy samy málo stabilní. Např. z tohoto důvodu nelze realizovat reakci 130I(n,)131I , volí se náhradní postup [USEMAP] [USEMAP] [USEMAP] Výroba lehčích transuranů (Z  100) 238U se pomalými neutrony neštěpí, probíhá záchytná reakce 238U(n,)239U (-;23,5 min) 239Np 239Np (-;2,3 dní)  239Pu (; 2,44.104 let)  při provozu energetického jaderného reaktoru se v proto v palivu, které je převážně tvořeno 238U, hromadí sekundární štěpný materiál, a to: Z tohoto nuklidu mohou při delším ozařování vznikat záchytem neutronu i další radionuklidy 239Pu 240,241,242Pu 7 [USEMAP] V jaderném palivu termického reaktoru, který pracuje na principu štěpení 235U, se hromadí 237Np (počáteční nuklid neptuniové řady) 235U(n,)236U (n,) 237U 237U (-;6,75 dní)  237Np (, 2,20. 106 roků) nebo 238U (n,2n)237U (-;6,75 dní)  237Np (, 2,20. 106 roků) 8 [USEMAP] Přepracování jaderného paliva Získávání neptunia a plutonia z ozářeného (použitého) paliva (proces PUREX), využívá se rozdílů v redoxním chování U, Np a Pu (zkratka PUREX – Plutonium-Uranium Refining Extraction) §Tento proces umožňuje od transuranů oddělit štěpné produkty. §Původně byl navržen pro účely získávání především zbytkového 235U a samozřejmě i 238U (o složení jaderného paliva viz kapitola o jaderné energetice). Bonusem bylo získávání dalších transuranů, především 239Pu. Avšak vzhledem k tomu, že proces je velmi nákladný, dnes tento proces pro uvedené účely není v podstatě využíván. Levnější je získávat uran z přírodních zdrojů. Proto se použité jaderné palivo skladuje, nejprve v prostorách jaderných elektráren v dočasném úložišti, po uplynutí doby (cca 40 - 50 let) pak v úložišti trvalém. Toto úložiště pak bude potenciálním zdrojem uranu, až jeho získávání bude ekonomické. Navíc, mnoho radioaktivních štěpných produktů, které se také v palivových článcích nacházejí, do té doby vymře a přepracování bude bezpečnější. 9 Obsah obrázku interiér, vyplněné, plný, stůl Popis byl vytvořen automaticky Dočasné úložiště použitého jaderného paliva [USEMAP] [USEMAP] 10 §palivo vyjmuté z reaktoru se rozpustí v konc. HNO3, tento roztok obsahuje veškeré transurany a štěpné produkty – dusičnany všech kovů jsou rozpustné §separace transuranů z roztoku se provádí kapalinovou extrakcí protiproudně pomocí extrakčního činidla, kterým je TBP (tri n - butylfosfát) v kerosinu, což je triester kyseliny fosforečné (viz vzorec, R – n-butyl) §reextrakce se provádí železitou solí §další průběh provedení extrakční procesu vyplývá z přiloženého schématu §nutno dbát na to, aby se někde v technologii nenahromadilo kritické množství Pu (pro nasycený vodný roztok je to cca 500 g Pu) – nebezpečí exploze Provedení procesu PUREX Výroba těžších transuranů Získávají se ozařováním terčových jader neutrony a následnými b- přeměnami. Dělení těžších transuranových prvků se provádí procesem TRAMEX 11 [USEMAP] [USEMAP] Reakce kladně nabitých projektilů Tyto projektily musí při průniku do jádra překonat coulombickou bariéru  nižší výtěžky reakcí ve srovnání s reakcemi neutronů  i u exoergických reakcí musí mít projektil určitou kinetickou energii proton (p) deuteron (d)  - částice (helion) 3He těžká jádra 12 [USEMAP] Cyklotron §slouží k urychlování lehčích kladně nabitých částic §protony a deuterony lze urychlovat do energie 30 MeV. 13 [USEMAP] [USEMAP] Lineární urychlovač - slouží k urychlování těžších iontů (od Li) energie potřebná k urychlení protonů 20 GeV energie potřebná k urychlení ostatních jader (včetně uranu) 30 MeV 14 [USEMAP] Příklady jaderných reakcí Reakce protonů typu (p,xn) ·jsou endoergické · ·vedou k neutron-deficitním nuklidům · ·mají zpravidla krátký poločas přeměny  využívají se v nukleární medicíně · ·k jejich výrobě se používají malé kompaktní cyklotrony přímo v nemocnicích 15N(p,n)15O 11B (p,n)11C 124Te(p,2n)123I 15 [USEMAP] [USEMAP] Reakce deuteronů typu (d,p) ·neprobíhají přes složené jádro ·při přiblížení deuteronu k jádru se deuteron polarizuje, proton se od jádra odvrátí ·nízká vazebná energie deuteronu (2,22 MeV) vede k jeho rozštěpení ·neutron je pohlcen jádrem a proton je odmrštěn ·reakce jsou exoergické (Q = 4-8 MeV) ·produkty těchto reakcí jsou stejné, jako kdyby proběhla reakce (n,) ·výtěžky jsou vysoké, protože do jádra neproniká celý projektil Reakce deuteronů typu (d,n), (d,2n) Významné pro přípravu neutron - deficitních nuklidů 10B(d,n)11C 7Li(d,2n) 7Be 57Fe(d,2n)57Co 3H(d,n)4He – zdroj neutronů o energii 14 MeV Poslední reakce ukazuje použití tritia jakožto zdroje neutronů - neutronový generátor: tritium je rozpuštěno v Ti nebo Zr a je ozařováno deuterony, které produkuje malý lineární urychlovač z plynného deuteria. Vznikající tok neutronů se pak využívá k ozařování. 16 [USEMAP] [USEMAP] [USEMAP] Zdroje toku neutronů Pro produkci toku neutronů se využívá především jaderný reaktor a zdroje laboratorní Pro laboratorní přípravu se používají radionuklidové zdroje neutronů, které obsahují: ·-nestabilní radionuklid s dlouhým poločasem 241Am, 239Pu jako zdroj a záření · ·práškové Be · ·směs je hermeticky uzavřena do ocelového pouzdra, probíhá jaderná reakce · 9Be(,n)12C · toky neutronů jsou relativně malé (105 – 106 ns-1 při aktivitě -aktivního radionuklidu 1 GBq) · 17 [USEMAP] Reakce těžších kladně nabitých iontů slouží pro přípravu nuklidů o Z >100 příprava prvků o Z terč projektil 101 - 106 lehčí transurany ionty B - Ne > 106 nuklidy Pb, Bi ionty Cr, Fe, Ni, Zn ·reakce probíhají mechanismem složeného jádra –vzniká nuklid a jeden nebo více neutronů (protonové číslo se v jednom kroku může zvýšit až o několik jednotek) · ·nevýhodou jsou však nízké výtěžky (vysoká potenciálová bariéra) · ·projektil musí být proto značně urychlen (min. na 5 MeV/nukleon) · ·reakce jsou však nejednoznačné – viz informace o složeném jádře · ·konkurenční reakcí bývá štěpení složeného jádra · ·konkurenční štěpení je však silně potlačeno u nuklidů s Z >106 s lichým nukleonovým číslem · · 18 [USEMAP] [USEMAP] 19 [USEMAP] Nepružný přenos nukleonů - další mechanismus jaderné reakce typické pro těžká terčová jádra (U-Cm, s těžkými urychlenými ionty – reakce přenosu nukleonů se uplatňují i u lehčích jader 7Li (terč) + 7Li (projektil 82 MeV)  8B + 6H (T~ ms)  3H + 3n 6H 20 [USEMAP] [USEMAP] Identifikace transfermiových prvků · v produktech ozařování se hledá nová radioaktivita (tj. nová energie a nový doposud nepozorovaný poločas přeměny) · ·problémy – při ozařování probíhá řada rušivých reakcí Metoda heliové trysky 21 [USEMAP] [USEMAP] Rychlostní filtr 22 [USEMAP] Chemická identifikace transfermiových prvků · · je významná pro potvrzení atomového čísla prvku a pro srovnání chemických vlastností (na základě předpovědi jejich vlastností vyplývající ze zařazení prvku do periodického systému · ·preparativní metody prakticky nepřipadají v úvahu (krátké poločasy přeměny) · ·proto se chemie zkoumá v roztoku nebo plynné fázi · · provedení experimentu vychází z určité očekávané chemické vlastnosti prvku – tomu je pořízeno sestavení aparatury · ·nutno počítat s extrémně nízkými koncentracemi · ·podrobnosti – viz učebnice Hála · 23 [USEMAP] [USEMAP]