8.5.5.2 Kunstige radioaktive sporstoffer
I atomreaktorer kan radioaktive sporstoffer fremstilles ved atomreaktioner med neutroner eller ved oparbejdning af brugte brændselselementer (fissionsprodukter og transuranelementer). Fissionsprodukter kan også fremstilles ved bestråling af uran som mål. I acceleratorer (cyklotroner eller lineære acceleratorer) bestråles målene med positivt ladede partikler. De generelle karakteristika ved kernereaktioner er behandlet i kapitel 6, Kernereaktioner. De vigtigste radioaktive sporstoffer er vist særskilt i afsnit 8.6.
Fremstillingen af radioaktive sporstoffer består af to trin: fremstilling af isotopen ved en kernereaktion og fremstilling af den ønskede forbindelse ved kemiske processer. I de fleste bestrålingsprocesser er de kemiske arter i målet og produktet forskellige, dvs. at de kemiske arter, der er nødvendige for anvendelsen, ikke altid kan fremstilles direkte. Der er to hovedprocesser, der er ansvarlige for dette. For det første kan der ske radiolyse af målet under bestråling, hvilket resulterer i en ændring af den kemiske art. For det andet kan de andre bestanddele i målet også omdannes i kernereaktioner, og produktet kan også indeholde andre radioaktive isotoper. Hertil kommer yderligere reaktioner, der kan føre til dannelse af uønskede biprodukter, nemlig kernereaktioner af målets andre isotoper og kemiske urenheder samt sekundære kernereaktioner med de allerede producerede radioaktive isotoper.
Målet skal vælges således, at mængden af det forurenende produkt holdes på et minimum. Derfor skal målet være et meget rent stof og om muligt i elementær form. Oxider og carbonater er også velegnede, fordi man kan se bort fra oxygen- og kulstofkernereaktionerne, og produkterne er stabile isotoper.
Når de andre nuklider af det bestrålede grundstof indgår i kernereaktioner, der producerer uønskede radioaktive isotoper, skal målet beriges efter bestrålingen, dvs. koncentrationen af isotopen skal øges. F.eks. består naturligt sølv af to isotoper: 107Ag og 109Ag. Ved bestråling af sølv med neutroner dannes 108Ag- og 110Ag-isotoper i en (n,γ)-reaktion. Når der kun er behov for en af disse isotoper, kan sølvisotoper adskilles ved massespektrometri.
Anberigede mål anvendes, når koncentrationen af målnuklidet er meget lav i stoffet med et naturligt isotopforhold. F.eks. fremstilles 18F-isotopen fra 18O ved protonbestråling. I tilfælde af berigede mål stiger den specifikke aktivitet af produktnukliden også.
I nogle kernereaktioner kan der også finde sekundære kernereaktioner sted. F.eks. forekommer der ved fremstilling af 125I den efterfølgende kernereaktion af 125I: 125I(n,γ)126I. Effekten af de sekundære kernereaktioner kan begrænses ved at kontrollere bestrålingstiden eller ved at afkøle den uønskede isotop, hvis dens halveringstid er kortere end hovedproduktets.
De ønskede radioaktive isotoper kan adskilles ved radiokemiske metoder (f.eks. kromatografi, ionbytning, destillation, sublimering, udfældning og termokromatografi). Jo enklere metoden er, jo bedre.
Som tidligere nævnt skal de radioaktive isotoper manipuleres yderligere for at opnå de kemiske forbindelser, der er nødvendige til den specifikke anvendelse, hvilket omfatter produktionsbetingelserne (pH, redoxpotentiale osv.), kemiske reaktioner og rensningsprocedurer.
Det er vigtigt at huske under fremstillingen af den radioaktive isotop, at en bærstoffri eller kun minimalt bærstofholdig isotop har en høj specifik aktivitet. Bærerfri isotoper kan fremstilles ved kernereaktioner, hvor atomnummeret ændres, eller hvor datternukliden af produktet også er radioaktiv, og de kan adskilles fra den modernuklid, der er produceret ved kernereaktionen. F.eks. kan Szilard-Chalmers-reaktionen anvendes til at fremstille visse bærestoffrie radioaktive isotoper. Denne metode er baseret på, at den producerede radioaktive isotop rekyleres, hvilket fører til, at dens kemiske binding brydes. På denne måde dannes der en ny kemisk forbindelse, og målet og produktet, der indeholder forskellige isotoper af de samme grundstoffer, kan adskilles ved kemiske procedurer, fordi de radioaktive og de inaktive isotoper befinder sig i forskellige kemiske forbindelser. I 127I(n,γ)128I-kernereaktioner kan jodet i målet f.eks. være en organisk forbindelse eller et jodat, og det radioaktive jod er til stede som jodidion. Bromin- og klorisotoper har lignende nukleare reaktioner og Szilard-Chalmers-reaktioner. Desuden kan de samme reaktioner anvendes for de inaktive krom-, mangan-, fosfor- og arsenisotoper i chromat-, manganat-, fosfat- og arsenat-ioner. Radioaktive isotoper uden bærestoftilførsel med høj specifik aktivitet kan fremstilles ved kernereaktioner med høje tværsnit, især når produktets halveringstid er for kort til at tillade bestråling i passende lang tid, dvs. at man kan nærme sig den maksimale aktivitet af det radioaktive produkt (se afsnit 6.1 og ligning (6.9) og ligning (6.11)).
Som omtalt i afsnit 6.2.1 kan kernereaktioner med neutroner let skabes i kernereaktorer. Radioaktive isotoper kan fremstilles ved bestråling af et målstof, der er placeret på bestrålingskanalerne i kernereaktorerne. Den anden mulighed for produktion af radionuklider i kernereaktorer er oparbejdning af brugte brændselselementer. Spaltningsprodukter og isotoper af transuranelementer kan fremstilles på denne måde. De to metoder kan kombineres: et mål, der indeholder 235U-isotopen, kan bestråles i reaktorens bestrålingskanaler, hvorefter de radioaktive isotoper kan adskilles fra målet. Denne procedure har betydning for fremstillingen af fissionsprodukter med korte halveringstider.
Som omtalt i afsnit 7.3.2 er det første trin i oparbejdningen af brugte brændselselementer (eller det bestrålede 235U) adskillelse af transuranelementer, i de fleste tilfælde ved ekstraktion med tributylphosphat, efterfulgt af efterfølgende kemiske procedurer. Antallet af fissionsprodukter er ca. 300, herunder isotoper med længere halveringstider. Disse fissionsprodukter er isotoper af mange kemiske grundstoffer; derfor er den kemiske procedure normalt kompliceret. Først adskilles de kemisk ens fissionsprodukter ved hjælp af metoder som ekstraktion, ionbytning og udfældning, og derefter adskilles de enkelte isotoper fra grupperne af de kemisk ens elementer.
Som et eksempel på adskillelse af fissionsprodukter er her vist adskillelsen af 140Ba. Blynitratopløsning tilsættes opløsningen af fissionsprodukter, og derefter udfældes blysulfat indeholdende 140Ba(II)-ioner med svovlsyre (samudfældning):
Faldet, der er forurenet med 90Sr, opløses med KNaCO3 og opløses i salpetersyre. Derefter udfældes barium-blycarbonat med ammoniumcarbonat og opløses igen i salpetersyre. Udfældningen med karbonat og opløsningen med salpetersyre gentages, indtil udfældningens radioaktive renhed bliver høj. Når den ønskede renhed er opnået, tilsættes koncentreret saltsyre til opløsningen ved 0 °C. Blyionerne udfældes som blychlorid, og bariumionerne forbliver i opløsningen. De tilbageværende blyioner fjernes ved elektrolyse. Ved denne metode opnås bærestoffri 140Ba isotoper.
Radioaktive isotoper kan fremstilles ved bestråling med ladede partikler (som beskrevet i afsnit 6.2.3) i cyklotron (se fig. 8.7) eller i lineære acceleratorer (se fig. 8.8). Denne metode er ældre end kernereaktionen med neutroner i kernereaktorer. Som omtalt i afsnit 6.2.6 er de tungere transuranelementer blevet fremstillet ved bestråling med ladede partikler. Under isotopfremstillingen i acceleratorer bliver målet meget varmt; derfor er køling meget vigtig, og der anvendes endda kryogener, hvis det er nødvendigt (se fig. 8.9). Kravene til målet er de samme som i kernereaktorerne.
Figur 8.7. (A) Skemaet for cyklotron. (B) Den første cyklotron i Berkeley (accelerationskanalens diameter er ca. 12 cm).
Figur 8.8. Skemaet for en lineær accelerator
Protoner flyver gennem rørene, der drives med vekselspændingsforsyning. Rørets længde justeres i forhold til vekselfrekvensen, således at protonerne møder en accelererende spænding, hver gang de passerer fra et rør til det næste.
Figur 8.9. Den kryogene målkonstruktion i en cyklotron.
Reprintet fra Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Overvejelser vedrørende kryogen måldesign til produktion af fluorid fra beriget kuldioxid. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), med tilladelse fra Elsevier.
En del radioaktive isotoper produceres også ved spallationsreaktioner (se afsnit 7.3.2).
I figur 6.7 er de forskellige muligheder, der fører til produktion af en nuklid med et Z-atomnummer og et A-massetal, opsummeret, herunder dannelse af nukliden ved radioaktive henfald. Ved valget af en metode til isotopfremstilling skal der tages hensyn til de generelle kernereaktioner, isotopens krav til renhed og anvendelse samt de tilgængelige teknikker.