8.5.2 Umělé radioaktivní stopovače
V jaderných reaktorech mohou radioaktivní stopovače vznikat při jaderných reakcích s neutrony nebo při přepracování vyhořelých palivových článků (štěpné produkty a transuranové prvky). Štěpné produkty lze získat také ozářením uranu jako terče. V urychlovačích (cyklotronech nebo lineárních urychlovačích) jsou terče ozařovány kladně nabitými částicemi. Obecné charakteristiky jaderných reakcí jsou popsány v kapitole 6, Jaderné reakce. Nejdůležitější radioaktivní stopovače jsou uvedeny samostatně v kapitole 8.6.
Příprava radioaktivních stopovačů se skládá ze dvou kroků: přípravy izotopu jadernou reakcí a přípravy požadované sloučeniny chemickými procesy. Ve většině ozařovacích procesů se chemické druhy terče a produktu liší, to znamená, že chemické druhy potřebné pro aplikaci nelze vždy vyrobit přímo. Za to jsou zodpovědné dva hlavní procesy. Za prvé, během ozařování může dojít k radiolýze cíle, což vede ke změně chemického druhu. Za druhé, v jaderných reakcích se mohou přeměnit i další složky terče a produkt může obsahovat i jiné radioaktivní izotopy. Kromě toho dalšími reakcemi, které mohou vést ke vzniku nežádoucích vedlejších produktů, jsou jaderné reakce ostatních izotopů a chemických nečistot terče a sekundární jaderné reakce s již vzniklými radioaktivními izotopy.
Terč musí být vybrán tak, aby množství znečišťujícího produktu bylo minimální. Z tohoto důvodu musí být terčem velmi čistá látka a pokud možno v elementární formě. Vhodné jsou také oxidy a uhličitany, protože jaderné reakce kyslíku a uhlíku lze ignorovat a produkty jsou stabilní izotopy.
Pokud jiné nuklidy ozařovaného prvku vstupují do jaderných reakcí za vzniku nežádoucích radioaktivních izotopů, je třeba terč po ozáření obohatit, tj. zvýšit koncentraci izotopu. Například přírodní stříbro se skládá ze dvou izotopů: 107Ag a 109Ag. Ozářením stříbra neutrony vznikají v reakci (n,γ) izotopy 108Ag a 110Ag. Pokud je zapotřebí pouze jeden z těchto izotopů, lze izotopy stříbra oddělit pomocí hmotnostní spektrometrie.
Obohacené terče se používají, pokud je koncentrace cílového nuklidu v látce s přirozeným izotopovým poměrem velmi nízká. Například izotop 18F se vyrábí z 18O protonovým ozařováním. V případě obohacených terčů se také zvyšuje specifická aktivita produktového nuklidu.
V některých jaderných reakcích mohou probíhat i sekundární jaderné reakce. Například při výrobě 125I dochází k následné jaderné reakci 125I: 125I(n,γ)126I. Účinek sekundárních jaderných reakcí lze omezit řízením doby ozařování nebo chlazením nežádoucího izotopu, pokud je jeho poločas rozpadu kratší než poločas rozpadu hlavního produktu.
Žádoucí radioaktivní izotopy lze separovat radiochemickými metodami (například chromatografií, iontovou výměnou, destilací, sublimací, srážením a termochromatografií). Čím jednodušší je metoda, tím lépe.
Jak již bylo uvedeno, s radioaktivními izotopy je třeba dále manipulovat, aby se získaly chemické sloučeniny potřebné pro konkrétní aplikaci, což zahrnuje výrobní podmínky (pH, redoxní potenciál atd.), chemické reakce a postupy čištění.
Při výrobě radioaktivního izotopu je třeba mít na paměti, že izotop bez nosiče nebo jen s minimálním obsahem nosiče má vysokou specifickou aktivitu. Izotopy bez nosiče lze vyrábět při jaderných reakcích, při nichž se mění atomové číslo nebo je dceřiný nuklid produktu rovněž radioaktivní, a lze je oddělit od mateřského nuklidu vzniklého jadernou reakcí. K výrobě některých radioaktivních izotopů bez nosiče lze například použít Szilardovu-Chalmersovu reakci. Tato metoda je založena na přetáčení vzniklého radioaktivního izotopu, které vede k přerušení jeho chemické vazby. Tímto způsobem vzniká nová chemická sloučenina a cíl a produkt, které obsahují různé izotopy stejných prvků, lze chemickými postupy oddělit, protože radioaktivní a neaktivní izotopy jsou v různých chemických sloučeninách. Například při jaderných reakcích 127I(n,γ)128I může být jód v terči organickou sloučeninou nebo jodičnanem a radioaktivní jód je přítomen jako jodidový ion. Izotopy bromu a chloru mají podobné jaderné a Szilard-Chalmersovy reakce. Kromě toho lze stejné reakce použít pro neaktivní izotopy chromu, manganu, fosforu a arsenu v chromanových, manganatých, fosforečnanových a arseničnanových iontech. Radioaktivní izotopy bez přídavku nosiče s vysokou specifickou aktivitou lze vytvářet jadernými reakcemi s vysokými průřezy, zejména pokud je poločas rozpadu produktu příliš krátký na to, aby bylo možné ozařovat po vhodně dlouhou dobu, tj. lze se přiblížit maximální aktivitě radioaktivního produktu (viz oddíl 6.1 a rovnice (6.9) a (6.11))
Jak bylo uvedeno v oddíle 6.2.1, jaderné reakce s neutrony lze snadno vytvářet v jaderných reaktorech. Radioaktivní izotopy mohou vznikat ozářením cílové látky umístěné na ozařovacích kanálech jaderných reaktorů. Další možností výroby radionuklidů v jaderných reaktorech je přepracování vyhořelých palivových článků. Tímto způsobem lze získat štěpné produkty a izotopy transuranových prvků. Obě metody lze kombinovat: terč obsahující izotop 235U lze ozářit v ozařovacích kanálech reaktoru a poté lze z terče oddělit radioaktivní izotopy. Tento postup je významný při výrobě štěpných produktů s krátkým poločasem rozpadu.
Jak je uvedeno v oddíle 7.3.2, prvním krokem přepracování vyhořelých palivových článků (nebo ozářeného 235U) je separace transuranových prvků, ve většině případů extrakcí tributylfosfátem, po níž následují následné chemické postupy. Počet produktů štěpení je přibližně 300, včetně izotopů s delším poločasem rozpadu. Tyto štěpné produkty jsou izotopy mnoha chemických prvků, proto je chemický postup obvykle složitý. Nejprve se chemicky podobné štěpné produkty oddělí metodami, jako je extrakce, iontová výměna a srážení, a poté se ze skupin chemicky podobných prvků oddělí jednotlivé izotopy.
Jako příklad separace štěpných produktů je zde uvedena separace 140Ba. K roztoku štěpných produktů se přidá roztok dusičnanu olovnatého a poté se síran olovnatý obsahující ionty 140Ba(II) vysráží kyselinou sírovou (koprecipitace):
Srážka znečištěná 90Sr se rozkládá s KNaCO3 a rozpouští v kyselině dusičné. Poté se uhličitan barnato-olovnatý vysráží uhličitanem amonným a opět se rozpustí v kyselině dusičné. Srážení uhličitanem a rozpouštění kyselinou dusičnou se opakuje, dokud není radioaktivní čistota sraženiny vysoká. Po dosažení požadované čistoty se k roztoku při 0 °C přidá koncentrovaná kyselina chlorovodíková. Ionty olova se vysráží jako chlorid olovnatý a ionty barya zůstanou v roztoku. Zbytkové olovnaté ionty se odstraní elektrolýzou. Touto metodou se získávají izotopy 140Ba bez nosiče.
Radioaktivní izotopy lze vyrábět ozařováním nabitými částicemi (jak je uvedeno v kapitole 6.2.3) v cyklotronu (viz obr. 8.7) nebo v lineárních urychlovačích (viz obr. 8.8). Tato metoda je starší než jaderná reakce s neutrony v jaderných reaktorech. Jak bylo uvedeno v kapitole 6.2.6, těžší transuranové prvky se vyráběly ozařováním nabitými částicemi. Při výrobě izotopů v urychlovačích se terč velmi zahřívá, proto je velmi důležité chlazení a v případě potřeby se používají i kryogeny (viz obr. 8.9). Požadavky na terč jsou stejné jako v jaderných reaktorech.
Obrázek 8.7. (A) Schéma cyklotronu. (B) První cyklotron v Berkeley (průměr urychlovacího kanálu je asi 12 cm).
Obr. 8.8. Cyklotron v Berkeley. Schéma lineárního urychlovače
Protony prolétávají trubicemi provozovanými se střídavým napětím. Délka trubice je nastavena v závislosti na frekvenci střídání tak, aby se protony setkaly s urychlovacím napětím vždy, když přechází z jedné trubice do druhé.
Obrázek 8.9. Urychlovač s lineárním napájením. Konstrukce kryogenního terče v cyklotronu.
Přetištěno z Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Cryogenic target design considerations for the production of fluoride from enriched carbon dioxide (Úvahy o konstrukci kryogenního terče pro výrobu fluoridu z obohaceného oxidu uhličitého). Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), se svolením Elsevier.
Některé radioaktivní izotopy vznikají také spalačními reakcemi (viz oddíl 7.3.2).
Na obr. 6.7 jsou shrnuty různé možnosti, které vedou k produkci nuklidu s atomovým číslem Z a hmotnostním číslem A, včetně vzniku nuklidu radioaktivními rozpady. Při výběru metody výroby izotopu je třeba vzít v úvahu obecné jaderné reakce, požadavky na izotop z hlediska čistoty a použití a dostupné techniky.
.