Zkoumání supertěžkých prvků

Ve spolupráci katedry jaderné chemie Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT s Universitou v Oslu a s Ústavem jaderné fyziky AV ČR v Řeži probíhá v laboratořích cyklotronu U120M výzkum chemických vlastností homologů vybraných supertěžkých prvků – transaktinoidů –, v současné době konkrétně rutherfordia, dubnia, seaborgia a nihonia. Výzkum souvisí s objevem a přípravou těchto nových supertěžkých prvků v laboratořích Spojených ústavů jaderného výzkumu v Dubně v Rusku, v laboratoři RIKEN (Rikagaku Kenkyūjyo, Japonsko), v Ústavu pro výzkum těžkých iontů v německém Darmstadtu (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) a v americké Lawrence Berkeley National Laboratory.

Supertěžké prvky – transaktinoidy – doplňují  7. periodu tabulky prvků, kde navazují na aktinoidy za prvkem s protonovým číslem 103 (Lawrencium). Připravují se uměle jadernými reakcemi mezi terčovým jádrem a tzv. jaderným projektilem, což je mnohonásobně nabitý iont vybraného prvku urychlený vhodným urychlovačem. Metody přípravy transaktinoidů se podle výběru jaderného projektilu a terče a podle uspořádání experimentu dělí na metody „horké“ a „studené“ fúze.

Je jich málo a žijí krátce

Vzhledem k tomu, že supertěžké prvky nejsou příliš stabilní - jejich poločasy rozpadu se se vzrůstajícím protonovým číslem zkracují z několika desítek minut až jednotek hodin (nejdéle žijící a tím výjimečný izotop dubnia ²⁶⁸Db má poločas 32 hodin) až na hodnoty několika milisekund – je studium jejich chemického chování velmi obtížné. Další významnou překážkou jsou jejich připravovaná množství, neboť výsledkem jaderných reakcí jsou jednotky, někdy desítky atomů supertěžkého prvku. Proto se jejich chemické vlastnosti studují přímo při přípravě a velmi často pouze v plynné fázi. Experimenty tohoto typu však musí být velmi dobře připravené a musí být také známo chování jejich „příbuzných“ v odpovídajících a sousedních skupinách periodické tabulky.

Pomůže homolog

Výsledky experimentů s prvky ze stejné skupiny (homology supertěžkého prvku) se pak spolu s výpočty stavby elektronového obalu používají pro předpověď chemického chování zkoumaného transaktinoidu. Jako homolog supertěžkého prvku může posloužit přímo stabilní prvek nebo jakýkoliv jeho radioaktivní izotop. Nicméně velkou výhodou pro testování je možnost použití radionuklidů s krátkým poločasem, které svou dobou života mohou simulovat skutečné podmínky při přípravě transaktinoidů. Takové nuklidy je možné připravovat jadernými reakcemi s použitím lehkých jaderných projektilů (například ³He) urychlených na vhodné energie.

Metody fúze

Pojmem "horká fúze" se označuje metoda, při které se používají jako projektily lehké ionty a jako terčíky aktinoidy (izotopy se Z = 89 až Z = 99). Nové jádro má přebytek neutronů, čtyř až pěti z nich  se zbaví procesem, kterému se říká "odpaření". Příkladem horké fúze jsou reakce: ⁴⁸Ca+ ²³⁸U (nebo ²⁴⁴Pu, ²⁴⁸Cm, ²⁴⁹Cf)  → ²⁸⁶Cn,  ²⁹²Fl ,  ²⁹⁶Lv ,  ²⁹⁷Og (uskutečnil SÚJV, Dubna).

Pojmem"studená fúze" se označuje metoda, kdy se urychlenými jádry izotopů železa, niklu nebo zinku ostřelují olověné (Z = 82) nebo vizmutové (Z = 83) terčíky. Odpaření jednoho neutronu zabrání spontánnímu štěpení nového jádra. Příkladem studené fúze jsou reakce: ²⁰⁸Pb + ⁶⁴Ni (nebo ⁷⁰Zn, …) → ²⁷²Ds, ²⁷⁸Cn, …(uskutečnil GSI, Německo).

V hlavní roli řežský cyklotron U120M

Cyklotron U120M Ústavu jaderné fyziky umožňuje použít jaderné projektily ³He a to až do energií téměř 50 MeV. (O cyklotronu v ÚJF Řež jsme již psali v článku https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/593-cyklotron). Navíc v ÚJF existuje laboratorní zázemí vhodné pro podobný typ experimentů, které je spolu s cyklotronem součástí výzkumné infrastruktury CANAM (Center of Accelerators and Nuclear Analytical Methods, Řež). Spolu se zařízeními na transport a zachycení produktů jaderných reakcí, které dodal prof. Jon Petter Omtvedt z University v Oslo (UiO) byla v budově cyklotronu vybudována laboratoř umožňující vývoj a testování základních chemických experimentů s radionuklidy s velmi krátkým poločasem.

Jak se experimentuje

V průběhu ozařování terče urychlenými ionty ³He jsou produkty jaderných reakcí ve formě mnohonásobně nabitých iontů vzniklých radionuklidů vyráženy z terčové velmi tenké kovové fólie. Do terčové komory, která je terčovou fólií oddělena od vakua zbytku systému, se přivádí helium s aerosoly chloridu draselného. Tyto aerosoly slouží jako nosič, na který se zachytávají produkované radionuklidy. Díky charakteru jaderné reakce (viz rovnice níže), vznikají neutron-deficitní jádra (mají nedostatek neutronů), která se rychle přeměňují kaskádami b⁺ přeměn.

Aerosoly se zachyceným radionuklidem se transportují do laboratoře (proudem plynu), kde se zachytí na filtru pro další experimenty nebo vstupují do „on-line“ neboli kontinuálního separátoru, kde mohou být rozpuštěny přímo do vodného roztoku.

Pro studium chemických vlastností krátce žijících radionuklidů v kapalné fázi se používá kapalinová extrakce, při níž zkoumaná látka v závislosti na podmínkách přechází většinou z vodné fáze do fáze organické, která je s vodnou fází v kontaktu a je s ní nemísitelná. Dosavadní extrakční experimenty ve světě probíhaly převážně v zařízení SISAK. SISAK je rychlý systém chemické separace pro extrakce z kapalné do kapalné fáze, který využívá systému centrifug pro rychlý kontakt a separaci fází. Systémem SISAK je možné zkoumat i extrakční chování radionuklidů s poločasy několik sekund. Nevýhodou tohoto uspořádání je, že využívá relativně velké objemy fází, což zhoršuje možnosti detekce jednotek atomů a také při dlouhodobém provozu vytváří značné množství organického radioaktivního odpadu.

První experimentální kampaň v ÚJF v Řeži proběhla na podzim roku 2016, kdy se zkoušelo, zda je navržený postup přípravy homologů supertěžkých prvků a jejich transport z terčové komory prakticky proveditelný v daných podmínkách. Tato kampaň byla úspěšná, podařilo se takto připravit několik různých krátkodobých nuklidů a také je velmi rychle transportovat do chemické laboratoře.

Pokročilé fáze experimentů

Další kampaně byly zaměřeny na ověření získaných výsledků a dále také na hledání rychlého extrakčního uspořádání. Pro extrakční experimenty se využívá mikrofluidní aparatura, což je zařízení umožňující pracovat s objemy v řádu desítek až stovek mikrolitrů vodné a organické fáze a sledovat nejen finální rozdělení radionuklidu, ale také rychlost jeho přechodu mezi fázemi. Tato data jsou přímým vstupem pro kinetický a termodynamický popis chování radionuklidu v daném systému a kvantifikace jeho chemického chování. Byly nalezeny extrakční podmínky pro izotopy Zr, Nb, Mo, W (homologů Rf (rutherfordium), Db (dubnium) a Sg (seaborgium)) při extrakci nuklidů z roztoku kyseliny dusičné do činidla Cyanex 600, kdy bylo možné sledovat počáteční rychlost extrakce v časovém okně několika sekund. Byly také provedeny experimenty s izotopy Tl a In (homology Nh (nihonium)) a možnost jejich extrakce do iontových kapalin. Použitý extrakční systém rozlišuje mezi ionty Tl⁺ a Tl³⁺ a mohl by tak v budoucnosti napomoci rozlišení oxidačních stavů Nh.

Z litrů na mikrolitry

Stále otevřenou otázkou zůstává nalezení a konstrukce efektivnějšího separátoru pro zachycení a rozpouštění aerosolů KCl. Jedná se o technologickou výzvu, jak kontinuálně zachytávat aerosoly z toku plynu v řádech litrů za sekundu a převádět je do objemu a toku desítek mikrolitrů kapaliny za minutu s dostatečnou účinností tak, aby bylo možné takový systém napojit na mikrofuidní aparaturu. Tento záměr a zapojení mikrofluidních technik je v současné době unikátní.

Kromě týmu ÚJF vedeného ing. Janem Štursou, prof. Omtvedta z UiO a týmu KJCH FJFI ČVUT (prof. Ing. Jan John, CSc., doc. Ing. Mojmír Němec, Ph.D., Ing. Pavel Bartl, Ing. Kateřina Čubová, Ph.D. a Ing. Miroslava Semelová, Ph.D.) se na letošní experimentální kampani podílela jako pozorovatel i doktorandka Merinda Volia z americké Texas A&M University v College Station, kde se uvedenou problematikou také zabývají. Důležitými členy týmu byli také Jakub Sochor, student Gymnázia v Blovicích, a Juraj Milačić z University of Zagreb, Chorvatsko.