Ксенон-133¶

Ксенон-133 — это радиоактивный изотоп химического элемента ксенона с атомным номером 54 и массовым числом 133. Относится к группе инертных газов, является продуктом деления ядер урана и плутония в ядерных реакторах и при ядерных взрывах. Обладает периодом полураспада около 5,243 суток, испускает бета-частицы и гамма-излучение, что обуславливает его применение в медицине, промышленности и научных исследованиях.

¶История открытия и изучения

Ксенон-133 был впервые идентифицирован в 1940-х годах в ходе исследований продуктов деления урана в рамках Манхэттенского проекта. В 1944 году американские физики под руководством Энрико Ферми и Герберта Андерсона обнаружили этот изотоп в образцах облучённого урана. Первоначально он рассматривался как один из многих короткоживущих продуктов деления, не имеющих практического значения.

В 1950-х годах, с развитием ядерной энергетики и радиохимии, интерес к ксенону-133 возрос. Были разработаны методы его выделения из отработавшего ядерного топлива и газовых смесей, образующихся при работе реакторов. В 1960-х годах начались первые медицинские исследования по использованию ксенона-133 для диагностики лёгочных заболеваний, а в 1970-х — для оценки мозгового кровотока.

В СССР и России исследования ксенона-133 активно проводились в Институте биофизики Министерства здравоохранения, а также в научных центрах, таких как Обнинский филиал Института атомной энергии им. И. В. Курчатова. К 1980-м годам изотоп стал стандартным радиофармпрепаратом для пульмонологии и неврологии.

¶Физико-химические свойства

Ксенон-133 — это радиоактивный газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха (плотность около 5,9 г/л при нормальных условиях). Как и другие изотопы ксенона, он химически инертен, не вступает в реакции с большинством веществ при обычных температурах, но может образовывать клатратные соединения с водой и некоторыми органическими веществами.

Основные характеристики:

• Период полураспада: 5,243 ± 0,002 суток (126 часов).
• Тип распада: бета-минус (β⁻) с испусканием электронов с максимальной энергией 0,346 МэВ и гамма-излучение с энергией 81 кэВ (основная линия, 36,3% интенсивности).
• Дочерний нуклид: стабильный цезий-133 (¹³³Cs).
• Удельная активность: около 6,9 × 10¹⁵ Бк/г.
• Температура кипения: -108,1 °C (165 К).
• Температура плавления: -111,8 °C (161,3 К).

Гамма-излучение с энергией 81 кэВ является оптимальным для детекции с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов, что позволяет использовать ксенон-133 в визуализирующих методиках.

¶Получение

Ксенон-133 образуется в ядерных реакторах при делении урана-235 или плутония-239 с выходом около 6,6% (то есть примерно 66 атомов ¹³³Xe на 1000 актов деления). Основные способы получения:

1. Выделение из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). При переработке ОЯТ газообразные продукты деления, включая ксенон-133, отделяются от растворённого топлива. Изотоп извлекают методами криогенной дистилляции или адсорбции на активированном угле.
2. Облучение мишеней в реакторе. Специальные мишени из урана или теллура облучают нейтронным потоком, после чего ксенон-133 выделяют химическими методами.
3. Накопление в газовой фазе реактора. В герметичных контурах ядерных реакторов ксенон-133 накапливается в газовой смеси (так называемый «ксеноновый фон»), откуда его извлекают периодически.

В промышленных масштабах ксенон-133 производят в виде герметичных ампул или газовых баллонов с активностью от нескольких гигабеккерелей (ГБк) до сотен ГБк. В России основным производителем является предприятие «Изотоп» (входит в структуру Госкорпорации «Росатом»).

¶Применение

¶Медицинская диагностика

Ксенон-133 является одним из наиболее распространённых радиофармпрепаратов для функциональной визуализации. Его применяют в двух основных областях:

• Пульмонология (вентиляционная сцинтиграфия лёгких). Пациенту дают вдыхать газообразный ксенон-133, и с помощью гамма-камеры регистрируют распределение изотопа в лёгких. Метод позволяет оценить вентиляцию различных участков лёгочной ткани, выявить зоны гиповентиляции или обструкции. Используется для диагностики тромбоэмболии лёгочной артерии, хронической обструктивной болезни лёгких, бронхиальной астмы.
• Неврология (оценка мозгового кровотока). Ксенон-133 вводят внутривенно (в виде раствора в физиологическом растворе) или ингаляционно, после чего с помощью детекторов измеряют скорость его вымывания из мозговой ткани. Метод позволяет количественно оценить региональный церебральный кровоток, что важно при диагностике инсультов, черепно-мозговых травм, деменции.

¶Промышленность и экология

• Контроль герметичности. Ксенон-133 используют как индикаторную метку для обнаружения утечек в герметичных системах (трубопроводы, реакторы, вакуумные установки). Газ вводят в систему, а затем с помощью радиометров фиксируют его выход за пределы контура.
• Мониторинг ядерных испытаний. Международная система мониторинга Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) включает станции детекции радиоактивных газов, в том числе ксенона-133. Повышение концентрации этого изотопа в атмосфере может свидетельствовать о подземном ядерном взрыве. В России такие станции развёрнуты, в частности, в Забайкалье и на Дальнем Востоке.

¶Научные исследования

• Радиохимия. Ксенон-133 служит модельным изотопом для изучения поведения инертных газов в ядерных реакциях и в процессах миграции в окружающей среде.
• Геофизика. Измерение концентрации ксенона-133 в атмосфере и грунтовых водах используется для изучения газообмена между литосферой и атмосферой, а также для оценки последствий аварий на ядерных объектах.

¶Биологическое действие и безопасность

Ксенон-133, как и другие радиоактивные изотопы, представляет опасность при попадании внутрь организма. Основной путь поступления — ингаляционный (вдыхание газа). Будучи инертным газом, ксенон-133 не вступает в химические реакции в тканях, но его бета- и гамма-излучение вызывает ионизацию и повреждение клеток.

• Период биологического полувыведения из лёгких составляет несколько минут, из крови — около 30 минут. Изотоп быстро выводится через лёгкие в неизменённом виде.
• Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений для персонала (категория А) составляет 3,7 × 10⁴ Бк/м³ (по российским нормам радиационной безопасности НРБ-99/2009).
• При работе с ксеноном-133 необходимо использовать вытяжные шкафы, средства индивидуальной защиты органов дыхания, а также проводить дозиметрический контроль.

В медицинской практике доза облучения пациента при стандартной процедуре вентиляционной сцинтиграфии лёгких составляет около 0,5–1 мЗв, что сопоставимо с дозой от фонового облучения за несколько месяцев.

¶Экологические аспекты

Ксенон-133 поступает в окружающую среду в основном в результате:

• Работы ядерных реакторов. При нормальной эксплуатации АЭС небольшие количества ксенона-133 могут выбрасываться в атмосферу через вентиляционные трубы. В России на АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК такие выбросы строго контролируются и не превышают установленных нормативов.
• Аварий на ядерных объектах. Крупные выбросы ксенона-133 происходили при авариях на Чернобыльской АЭС (1986) и на АЭС «Фукусима-1» (2011). В обоих случаях изотоп был зафиксирован системами мониторинга на больших расстояниях.
• Ядерных испытаний. При подземных ядерных взрывах часть ксенона-133 может просачиваться в атмосферу через трещины в горных породах.

Вследствие короткого периода полураспада (5,2 суток) ксенон-133 не накапливается в биосфере и не представляет долгосрочной угрозы для экосистем.

¶Источники

1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009.
2. Радиохимия: учебное пособие / под ред. Н. Д. Бетенекова. — М.: Энергоатомиздат, 2003.
3. Ядерная медицина: диагностика и терапия / под ред. В. И. Чернова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2018.
4. International Atomic Energy Agency. Manual on the Production of Radioisotopes. — Vienna: IAEA, 2003.
5. UNSCEAR 2008 Report. Sources and Effects of Ionizing Radiation. — New York: United Nations, 2010.