Изотоп самарий-153 и его свойства¶

Самарий-153 (обозначение ¹⁵³Sm) — радиоактивный изотоп химического элемента самария с атомным номером 62 и массовым числом 153. Относится к классу нейтроноизбыточных ядер, образуется преимущественно при делении тяжёлых ядер в реакторах и при распаде продуктов деления. Наиболее известен как исходный нуклид для получения медицинского радионуклида самарий-153 в составе радиофармпрепаратов, а также как один из значимых осколков деления в отработавшем ядерном топливе.

¶Основные характеристики

Самарий-153 испытывает β⁻-распад, превращаясь в стабильный европий-153. Испускаемые бета-частицы обладают относительно небольшой длиной пробега в тканях (порядка нескольких миллиметров), а сопутствующее гамма-излучение с энергией около 103 кэВ удобно для визуализации с помощью гамма-камер.

¶Ядерные свойства и образование

Изотоп относится к области массового числа A = 153, лежащей в «долине» продуктов деления. Он накапливается как непосредственно при делении урана-235 и плутония-239, так и через цепочки распада более тяжёлых осколков. В равновесном состоянии выход ¹⁵³Sm при делении ²³⁵U тепловыми нейтронами составляет порядка 10⁻⁴ % на акт деления, что делает его минорным, но заметным компонентом радиоактивных отходов.

Большое сечение захвата тепловых нейтронов у природного самария (за счёт изотопов ¹⁴⁹Sm и ¹⁵¹Sm) исторически использовалось в реакторной физике как пример сильного «выгорающего» поглотителя. Сам ¹⁵³Sm таким экстремальным сечением не обладает, но его накопление учитывается в расчётах топливного цикла.

¶Получение

Основной путь получения — облучение природного или обогащённого самария в потоке тепловых нейтронов по реакции радиационного захвата:

¹⁵²Sm (n, γ) → ¹⁵³Sm.

Природный самарий содержит около 26,75 % изотопа ¹⁵²Sm, что обеспечивает приемлемый выход. Альтернативно нуклид выделяют из смеси продуктов деления методами радиохимического разделения — экстракцией, ионообменной хроматографией и осаждением, поскольку химически самарий близок к другим лантаноидам и требует тонкой очистки.

¶Применение в медицине

Наибольшую известность ¹⁵³Sm получил в ядерной медицине. На его основе создаются лечебные радиофармпрепараты для паллиативной терапии костных метастазов. Радионуклид связывают с фосфонатными лигандами (например, с оксиабандроном или этилендиаминтетраметиленфосфоновой кислотой), которые избирательно накапливаются в участках повышенного костного метаболизма. Бета-излучение локально воздействует на опухолевые клетки в костной ткани, а гамма-компонента позволяет одновременно проводить сцинтиграфию.

Ключевые преимущества ¹⁵³Sm как терапевтического агента:

• короткий период полураспада, снижающий дозовую нагрузку на пациента;
• малая длина пробега бета-частиц, ограничивающая облучение здоровых тканей;
• удобная энергия гамма-линии для визуализации;
• возможность получения в реакторе с приемлемой удельной активностью.

К недостаткам относят необходимость быстрой доставки препарата из-за короткого периода полураспада и ограниченную глубину проникновения бета-частиц, что делает метод непригодным для крупных солидных опухолей вне костей.

¶Радиационная и экологическая значимость

В отработавшем ядерном топливе ¹⁵³Sm входит в группу короткоживущих осколков деления. Благодаря периоду полураспада менее двух суток его активность существенно снижается уже в первые недели выдержки топлива, поэтому при долговременном хранении и захоронении определяющую роль играют более долгоживущие нуклиды. Тем не менее при переработке топлива и обращении с жидкими отходами самарий-153 учитывается в дозиметрических и радиационно-гигиенических расчётах.

¶Близкие нуклиды

Самарий имеет несколько радиоактивных изотопов, применяемых или изучаемых в разных областях: ¹⁴⁵Sm, ¹⁴⁶Sm, ¹⁴⁷Sm, ¹⁵¹Sm и другие. Среди них ¹⁵¹Sm также рассматривался в медицинских целях, однако наибольшее практическое распространение в терапии костных метастазов получил именно ¹⁵³Sm благодаря удачному сочетанию периода полураспада и характеристик излучения.