8.5.2 Keinotekoiset radioaktiiviset merkkiaineet
Ydinreaktoreissa radioaktiivisia merkkiaineita voidaan tuottaa neutronien kanssa tapahtuvissa ydinreaktioissa tai käytetyn polttoaineen alkuaineiden (fissiotuotteet ja transuraaniset alkuaineet) jälleenkäsittelyssä. Fissiotuotteita voidaan saada myös säteilyttämällä kohteenaan olevaa uraania. Kiihdyttimissä (syklotronit tai lineaarikiihdyttimet) kohteet säteilytetään positiivisesti varatuilla hiukkasilla. Ydinreaktioiden yleisiä ominaisuuksia käsitellään luvussa 6, Ydinreaktiot. Tärkeimmät radioaktiiviset merkkiaineet on esitetty erikseen luvussa 8.6.
Radioaktiivisten merkkiaineiden valmistuksessa on kaksi vaihetta: isotoopin valmistaminen ydinreaktiolla ja halutun yhdisteen valmistaminen kemiallisilla prosesseilla. Useimmissa säteilytysprosesseissa kohteen ja tuotteen kemialliset lajit ovat erilaisia, eli sovelluksessa tarvittavia kemiallisia lajeja ei aina voida tuottaa suoraan. Tästä on vastuussa kaksi pääprosessia. Ensinnäkin säteilytyksen aikana voi tapahtua kohteen radiolyysi, jonka seurauksena kemiallinen laji muuttuu. Toiseksi myös kohteen muut aineosat voivat muuttua ydinreaktioissa, ja tuote voi sisältää myös muita radioaktiivisia isotooppeja. Lisäksi muita reaktioita, jotka voivat johtaa ei-toivottujen sivutuotteiden muodostumiseen, ovat kohteen muiden isotooppien ja kemiallisten epäpuhtauksien ydinreaktiot sekä sekundaariset ydinreaktiot jo syntyneiden radioaktiivisten isotooppien kanssa.
Kohde on valittava siten, että saastuttavan tuotteen määrä pidetään mahdollisimman pienenä. Tästä syystä kohteen on oltava hyvin puhdasta ainetta ja, jos mahdollista, alkeismuodossa. Oksidit ja karbonaatit soveltuvat myös siksi, että hapen ja hiilen ydinreaktiot voidaan jättää huomiotta ja tuotteet ovat stabiileja isotooppeja.
Jos säteilytettävän alkuaineen muut nuklidit osallistuvat ydinreaktioihin, jotka tuottavat ei-toivottuja radioaktiivisia isotooppeja, kohdetta on rikastettava säteilytyksen jälkeen eli isotoopin konsentraatiota on lisättävä. Esimerkiksi luonnon hopea koostuu kahdesta isotoopista: 107Ag ja 109Ag. Säteilyttämällä hopeaa neutroneilla syntyy (n,γ)-reaktiossa 108Ag- ja 110Ag-isotooppeja. Kun tarvitaan vain toista näistä isotoopeista, hopean isotoopit voidaan erottaa toisistaan massaspektrometrisesti.
Rikastettuja kohteita käytetään silloin, kun kohteen nuklidin pitoisuus on hyvin pieni aineessa, jolla on luonnollinen isotooppisuhde. Esimerkiksi 18F-isotooppi tuotetaan 18O:sta protonisäteilytyksellä. Rikastetuissa kohteissa myös tuotteen nuklidin ominaisaktiivisuus kasvaa.
Joissain ydinreaktioissa voi tapahtua myös sekundaarisia ydinreaktioita. Esimerkiksi 125I:n tuotannossa tapahtuu 125I:n myöhempi ydinreaktio: 125I(n,γ)126I. Toissijaisten ydinreaktioiden vaikutusta voidaan rajoittaa säätelemällä säteilytysaikaa tai jäähdyttämällä ei-toivottua isotooppia, jos sen puoliintumisaika on päätuotteen puoliintumisaikaa lyhyempi.
Halutut radioaktiiviset isotoopit voidaan erottaa toisistaan radiokemiallisin menetelmin (kuten kromatografialla, ioninvaihdolla, tislauksella, sublimaatiolla, saostuksella ja termokromatografialla). Mitä yksinkertaisempi menetelmä on, sitä parempi.
Kuten aiemmin mainittiin, radioaktiivisia isotooppeja on edelleen muokattava, jotta saadaan tiettyyn sovellukseen tarvittavia kemiallisia yhdisteitä, mikä käsittää tuotanto-olosuhteet (pH, redox-potentiaali jne.), kemialliset reaktiot ja puhdistusmenetelmät.
Radioaktiivisen isotoopin valmistuksessa on tärkeää muistaa, että kantoaineettomalla tai vain vähän kantoaineita sisältävällä isotoopilla on korkea spesifisen aktiivisuuden taso. Kantoaineettomia isotooppeja voidaan tuottaa ydinreaktioissa, joissa atominumero muuttuu tai tuotteen tytärnuklidi on myös radioaktiivinen, ja ne voidaan erottaa ydinreaktiossa syntyneestä kantanuklidista. Esimerkiksi Szilard-Chalmersin reaktiolla voidaan tuottaa tiettyjä kantoaineettomia radioaktiivisia isotooppeja. Tämä menetelmä perustuu tuotetun radioaktiivisen isotoopin rekyyliin, joka johtaa sen kemiallisen sidoksen katkeamiseen. Näin muodostuu uusi kemiallinen yhdiste, ja kohde ja tuote, jotka sisältävät samojen alkuaineiden eri isotooppeja, voidaan erottaa toisistaan kemiallisin menetelmin, koska radioaktiiviset ja inaktiiviset isotoopit ovat eri kemiallisissa yhdisteissä. Esimerkiksi 127I(n,γ)128I-ydinreaktioissa kohteen jodi voi olla orgaaninen yhdiste tai jodaatti, ja radioaktiivinen jodi esiintyy jodidi-ionina. Bromin ja kloorin isotoopeilla on samanlaiset ydin- ja Szilard-Chalmers-reaktiot. Lisäksi samoja reaktioita voidaan käyttää kromaatti-, mangaani-, fosfori- ja arseeni-ionien inaktiivisille kromi-, manganaatti-, fosfaatti- ja arsenaatti-isotoopeille. Suuren ominaisaktiivisuuden omaavia radioaktiivisia isotooppeja, joilla ei ole kantajaa, voidaan tuottaa ydinreaktioilla, joilla on suuri poikkileikkaus, erityisesti silloin, kun tuotteen puoliintumisaika on liian lyhyt, jotta sitä voitaisiin säteilyttää sopivan pitkään, eli radioaktiivisen tuotteen maksimiaktiivisuutta voidaan lähestyä (ks. kohta 6.1 ja yhtälöt (6.9) ja (6.11)).
Kuten kohdassa 6.2.1 käsiteltiin, neutronien kanssa tapahtuvat ydinreaktiot ovat helposti luotavissa ydinkeskustan reaktoreissa. Radioaktiivisia isotooppeja voidaan tuottaa säteilyttämällä kohdeainetta, joka sijaitsee ydinreaktorien säteilytyskanavissa. Toinen mahdollisuus radionuklidien tuottamiseen ydinreaktoreissa on käytettyjen polttoaine-elementtien jälleenkäsittely. Tällä tavoin voidaan saada fissiotuotteita ja transuraanielementtien isotooppeja. Nämä kaksi menetelmää voidaan yhdistää: 235U-isotooppia sisältävää kohdetta voidaan säteilyttää reaktorin säteilytyskanavissa, minkä jälkeen radioaktiiviset isotoopit voidaan erottaa kohteesta. Tämä menettely on merkittävä sellaisten fissiotuotteiden tuotannossa, joilla on lyhyt puoliintumisaika.
Kuten kohdassa 7.3.2 käsiteltiin, käytetyn polttoaineen alkuaineiden (tai säteilytetyn 235U:n) jälleenkäsittelyn ensimmäinen vaihe on transuraani-alkuaineiden erottaminen, useimmiten tributyylifosfaatilla tapahtuvan uuttamisen avulla, jota seuraavat kemialliset menettelyt. Fissiotuotteita on noin 300, mukaan lukien isotoopit, joilla on pidempi puoliintumisaika. Nämä fissiotuotteet ovat monien kemiallisten alkuaineiden isotooppeja, joten kemiallinen menettely on yleensä monimutkainen. Ensin kemiallisesti samankaltaiset fissiotuotteet erotetaan toisistaan esimerkiksi uuttamalla, ioninvaihtamalla ja saostamalla, minkä jälkeen yksittäiset isotoopit erotetaan kemiallisesti samankaltaisten alkuaineiden ryhmistä.
Esimerkkinä fissiotuotteiden erottelusta esitetään tässä 140Ba:n erottelu. Fissiotuotteiden liuokseen lisätään lyijynitraattiliuosta, minkä jälkeen 140Ba(II)-ioneja sisältävä lyijysulfaatti saostetaan rikkihapolla (coprecipitation):
90Sr:llä pilaantunut sakka sulatetaan KNaCO3:lla ja liuotetaan typpihappoon. Sitten barium-lyijykarbonaatti saostetaan ammoniumkarbonaatilla ja liuotetaan jälleen typpihappoon. Saostaminen karbonaatilla ja liuottaminen typpihappoon toistetaan, kunnes saostuman radioaktiivinen puhtaus on korkea. Kun haluttu puhtaus on saavutettu, liuokseen lisätään väkevää suolahappoa 0 °C:ssa. Lyijyionit saostuvat lyijykloridina ja bariumionit jäävät liuokseen. Jäljelle jäävät lyijyionit poistetaan elektrolyysillä. Tällä menetelmällä saadaan kantoaineettomia 140Ba-isotooppeja.
Radioaktiivisia isotooppeja voidaan tuottaa säteilyttämällä varatuilla hiukkasilla (kuten kohdassa 6.2.3 käsitellään) syklotronissa (ks. kuva 8.7) tai lineaarikiihdyttimissä (ks. kuva 8.8). Tämä menetelmä on vanhempi kuin ydinreaktoreissa neutronien kanssa tapahtuva ydinreaktio. Kuten kohdassa 6.2.6 käsiteltiin, raskaampia transuraanisia alkuaineita on tuotettu säteilyttämällä niitä varatuilla hiukkasilla. Kiihdyttimissä tapahtuvan isotooppituotannon aikana kohteesta tulee hyvin kuuma, joten jäähdytys on erittäin tärkeää, ja tarvittaessa käytetään jopa kryogeenejä (ks. kuva 8.9). Kohteeseen kohdistuvat vaatimukset ovat samat kuin ydinreaktoreissa.
Kuva 8.7. (A) Syklotronin kaavio. (B) Berkeleyn ensimmäinen syklotroni (kiihdytinkanavan halkaisija on noin 12 cm).
Kuva 8.8. Lineaarikiihdyttimen kaavio
Protonit lentävät vaihtojännitesyötöllä toimivien putkien läpi. Putken pituus säädetään suhteessa vaihtotaajuuteen siten, että protonit kohtaavat kiihdyttävän jännitteen aina, kun ne siirtyvät putkesta toiseen.
Kuva 8.9. Kryogeenisen maalin rakenne syklotronissa.
Painettu teoksesta Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Cryogenic target design considerations for the production of fluoride from enriched carbon dioxide. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753. Firouzbakht et al. (2006), Elsevierin luvalla.
Joitakin radioaktiivisia isotooppeja tuotetaan myös spallatioreaktioissa (ks. kohta 7.3.2).
Kuvassa 6.7 on esitetty yhteenveto eri mahdollisuuksista, jotka johtavat Z-atomiluvun ja A-massaluvun omaavan nuklidin tuottamiseen, mukaan luettuna nuklidin muodostuminen radioaktiivisten hajoamisten avulla. Isotooppituotantomenetelmää valittaessa on otettava huomioon yleiset ydinreaktiot, isotoopin vaatimukset puhtauden ja käytön suhteen sekä käytettävissä olevat tekniikat.