Radioaktive Tracer

8.5.2 Künstliche radioaktive Tracer

In Kernreaktoren können radioaktive Tracer durch Kernreaktionen mit Neutronen oder durch die Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen (Spaltprodukte und Transurane) erzeugt werden. Spaltprodukte können auch durch die Bestrahlung von Uran als Target gewonnen werden. In Beschleunigern (Zyklotrons oder Linearbeschleunigern) werden die Targets mit positiv geladenen Teilchen bestrahlt. Die allgemeinen Merkmale von Kernreaktionen werden in Kapitel 6, Kernreaktionen, behandelt. Die wichtigsten radioaktiven Tracer werden in Abschnitt 8.6 gesondert dargestellt.

Die Herstellung von radioaktiven Tracern besteht aus zwei Schritten: der Herstellung des Isotops durch Kernreaktion und der Herstellung der gewünschten Verbindung durch chemische Prozesse. Bei den meisten Bestrahlungsprozessen sind die chemischen Spezies des Targets und des Produkts unterschiedlich, d.h. die für die Anwendung benötigten chemischen Spezies können nicht immer direkt hergestellt werden. Hierfür sind im Wesentlichen zwei Prozesse verantwortlich. Erstens kann während der Bestrahlung eine Radiolyse des Targets stattfinden, die zu einer Veränderung der chemischen Spezies führt. Zweitens können auch die anderen Bestandteile des Targets in Kernreaktionen umgewandelt werden, und das Produkt kann auch andere radioaktive Isotope enthalten. Weitere Reaktionen, die zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte führen können, sind die Kernreaktionen der anderen Isotope und chemischen Verunreinigungen des Targets sowie sekundäre Kernreaktionen mit den bereits erzeugten radioaktiven Isotopen.

Das Target muss so ausgewählt werden, dass die Menge des verunreinigenden Produkts so gering wie möglich gehalten wird. Aus diesem Grund muss das Target ein sehr reiner Stoff sein und möglichst in elementarer Form vorliegen. Oxide und Karbonate sind ebenfalls geeignet, da die Kernreaktionen von Sauerstoff und Kohlenstoff vernachlässigt werden können und die Produkte stabile Isotope sind.

Wenn die anderen Nuklide des bestrahlten Elements in Kernreaktionen eintreten und unerwünschte radioaktive Isotope erzeugen, muss das Target nach der Bestrahlung angereichert werden, d.h. die Konzentration des Isotops muss erhöht werden. Natürliches Silber besteht zum Beispiel aus zwei Isotopen: 107Ag und 109Ag. Durch Bestrahlung von Silber mit Neutronen entstehen in einer (n,γ)-Reaktion die Isotope 108Ag und 110Ag. Wenn nur eines dieser Isotope benötigt wird, können die Silberisotope durch Massenspektrometrie getrennt werden.

Angereicherte Targets werden verwendet, wenn die Konzentration des Zielnuklids in der Substanz mit einem natürlichen Isotopenverhältnis sehr niedrig ist. Zum Beispiel wird das Isotop 18F durch Protonenbestrahlung aus 18O erzeugt. Bei angereicherten Targets erhöht sich auch die spezifische Aktivität des Produktnuklids.

Bei einigen Kernreaktionen können auch sekundäre Kernreaktionen ablaufen. Zum Beispiel kommt es bei der Produktion von 125I zu einer Kernfolge-Reaktion von 125I: 125I(n,γ)126I. Die Auswirkung der sekundären Kernreaktionen kann durch Kontrolle der Bestrahlungszeit oder durch Kühlung des unerwünschten Isotops begrenzt werden, wenn dessen Halbwertszeit kürzer ist als die des Hauptprodukts.

Die gewünschten radioaktiven Isotope können durch radiochemische Methoden (wie Chromatographie, Ionenaustausch, Destillation, Sublimation, Ausfällung und Thermochromatographie) getrennt werden. Je einfacher die Methode ist, desto besser.

Wie bereits erwähnt, müssen die radioaktiven Isotope weiter manipuliert werden, um die für die spezifische Anwendung benötigten chemischen Verbindungen zu erhalten, was die Produktionsbedingungen (pH-Wert, Redoxpotential usw.), die chemischen Reaktionen und die Reinigungsverfahren einschließt.

Bei der Herstellung des radioaktiven Isotops ist zu beachten, dass ein trägerfreies oder nur minimal trägerhaltiges Isotop eine hohe spezifische Aktivität aufweist. Trägerfreie Isotope können in Kernreaktionen erzeugt werden, bei denen sich die Ordnungszahl ändert oder das Tochternuklid des Produkts ebenfalls radioaktiv ist, und sie können von dem durch die Kernreaktion erzeugten Ausgangsnuklid getrennt werden. So können beispielsweise mit der Szilard-Chalmers-Reaktion bestimmte trägerlose radioaktive Isotope hergestellt werden. Diese Methode beruht auf dem Rückstoß des erzeugten radioaktiven Isotops, der zum Aufbrechen seiner chemischen Bindung führt. Auf diese Weise entsteht eine neue chemische Verbindung, und das Ziel und das Produkt, die unterschiedliche Isotope derselben Elemente enthalten, können durch chemische Verfahren getrennt werden, da die radioaktiven und die inaktiven Isotope in unterschiedlichen chemischen Verbindungen vorliegen. Bei 127I(n,γ)128I-Kernreaktionen zum Beispiel kann das Jod im Target eine organische Verbindung oder ein Jodat sein, und das radioaktive Jod liegt als Jodidion vor. Die Isotope von Brom und Chlor haben ähnliche Kern- und Szilard-Chalmers-Reaktionen. Die gleichen Reaktionen können auch für die inaktiven Chrom-, Mangan-, Phosphor- und Arsenisotope in Chromat-, Manganat-, Phosphat- und Arsenat-Ionen angewendet werden. Radioaktive Isotope ohne Trägermaterial mit hoher spezifischer Aktivität können durch Kernreaktionen mit hohen Wirkungsquerschnitten erzeugt werden, insbesondere wenn die Halbwertszeit des Produkts zu kurz ist, um eine entsprechend lange Bestrahlung zu ermöglichen, d.h. wenn man sich der maximalen Aktivität des radioaktiven Produkts nähern kann (siehe Abschnitt 6.1 und Gleichung (6.9) und Gleichung (6.11)).

Wie in Abschnitt 6.2.1 erörtert, können die Kernreaktionen mit Neutronen leicht in Kernreaktoren erzeugt werden. Radioaktive Isotope können durch die Bestrahlung einer Zielsubstanz erzeugt werden, die sich in den Bestrahlungskanälen der Kernreaktoren befindet. Die andere Möglichkeit zur Erzeugung von Radionukliden in Kernreaktoren ist die Wiederaufbereitung von abgebrannten Brennelementen. Auf diese Weise können Spaltprodukte und Isotope von Transuranen gewonnen werden. Die beiden Methoden können kombiniert werden: Ein Target, das das Isotop 235U enthält, kann in den Bestrahlungskanälen des Reaktors bestrahlt werden, und anschließend können die radioaktiven Isotope vom Target getrennt werden. Dieses Verfahren ist für die Erzeugung von Spaltprodukten mit kurzen Halbwertszeiten von Bedeutung.

Wie in Abschnitt 7.3.2 erörtert, besteht der erste Schritt der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente (oder des bestrahlten 235U) in der Abtrennung der Transurane, in den meisten Fällen durch Extraktion mit Tributylphosphat, gefolgt von weiteren chemischen Verfahren. Die Anzahl der Spaltprodukte beträgt etwa 300, einschließlich der Isotope mit längeren Halbwertszeiten. Bei diesen Spaltprodukten handelt es sich um die Isotope vieler chemischer Elemente, weshalb das chemische Verfahren in der Regel kompliziert ist. Zunächst werden die chemisch ähnlichen Spaltprodukte durch Methoden wie Extraktion, Ionenaustausch und Fällung abgetrennt, und dann werden die einzelnen Isotope von den Gruppen der chemisch ähnlichen Elemente abgetrennt.

Der mit 90Sr verunreinigte Niederschlag wird mit KNaCO3 aufgeschlossen und in Salpetersäure aufgelöst. Anschließend wird Barium-Bleicarbonat mit Ammoniumcarbonat ausgefällt und erneut in Salpetersäure gelöst. Die Ausfällung mit Carbonat und die Auflösung mit Salpetersäure wird so lange wiederholt, bis die radioaktive Reinheit des Niederschlags hoch ist. Wenn die gewünschte Reinheit erreicht ist, wird der Lösung bei 0 °C konzentrierte Salzsäure zugesetzt. Die Blei-Ionen werden als Bleichlorid ausgefällt, die Barium-Ionen verbleiben in der Lösung. Die restlichen Blei-Ionen werden durch Elektrolyse entfernt. Mit dieser Methode erhält man trägerfreie 140Ba-Isotope.

Radioaktive Isotope können durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen (wie in Abschnitt 6.2.3 besprochen) im Zyklotron (siehe Abb. 8.7) oder in Linearbeschleunigern (siehe Abb. 8.8) hergestellt werden. Diese Methode ist älter als die Kernreaktion mit Neutronen in Kernreaktoren. Wie in Abschnitt 6.2.6 beschrieben, wurden die schwereren Transurane durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen erzeugt. Bei der Isotopenproduktion in Beschleunigern wird das Target sehr heiß; daher ist die Kühlung sehr wichtig, und bei Bedarf werden sogar Kryogene eingesetzt (siehe Abb. 8.9). Die Anforderungen an das Target sind die gleichen wie in den Kernreaktoren.

Abbildung 8.7. (A) Das Schema des Zyklotrons. (B) Das erste Zyklotron in Berkeley (der Durchmesser des Beschleunigungskanals beträgt etwa 12 cm).

Abbildung 8.8. Das Schema eines Linearbeschleunigers

Protonen fliegen durch die mit Wechselspannung betriebenen Röhren. Die Länge der Röhre wird in Abhängigkeit von der Änderungsfrequenz so eingestellt, dass die Protonen beim Übergang von einer Röhre zur nächsten auf eine Beschleunigungsspannung treffen.

Abbildung 8.9. Der Aufbau des kryogenen Targets in einem Zyklotron.

Abgedruckt aus Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Überlegungen zum Design eines kryogenen Targets für die Produktion von Fluorid aus angereichertem Kohlendioxid. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), mit Genehmigung von Elsevier.

Einige radioaktive Isotope werden auch durch Spallationsreaktionen erzeugt (siehe Abschnitt 7.3.2).

In Abb. 6.7 sind die verschiedenen Möglichkeiten zusammengefasst, die zur Erzeugung eines Nuklids mit der Ordnungszahl Z und der Massenzahl A führen, einschließlich der Bildung des Nuklids durch radioaktive Zerfälle. Bei der Auswahl einer Methode zur Isotopenherstellung sind die allgemeinen Kernreaktionen, die Anforderungen an das Isotop hinsichtlich Reinheit und Verwendung sowie die verfügbaren Techniken zu berücksichtigen.