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
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
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
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
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, )3H
14N(n,p)14C
Výroba 32P
a) Ozařování elementárního fosforu
b) Ozařování elementární síry
31P(n, )32P
32S(n,p)32P
Chemické zpracování:
terč se rozpustí v konc. HNO3 H3
32PO4
kyselina se čistí prolitím ionexem
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
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
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
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
Dočasné úložiště použitého jaderného paliva
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 - přeměnami.
Dělení těžších transuranových prvků se provádí
procesem TRAMEX
11
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
Cyklotron
 slouží k urychlování lehčích kladně nabitých částic
 protony a deuterony lze urychlovat do energie 30 MeV.
13
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
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
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
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 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
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
19
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
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
Rychlostní filtr
22
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