8.5.2 Traceurs radioactifs artificiels
Dans les réacteurs nucléaires, les traceurs radioactifs peuvent être produits par des réactions nucléaires avec des neutrons ou par le retraitement des éléments combustibles usés (produits de fission et éléments transuraniens). Les produits de fission peuvent également être obtenus par l’irradiation de l’uranium comme cible. Dans les accélérateurs (cyclotrons ou accélérateurs linéaires), les cibles sont irradiées par des particules chargées positivement. Les caractéristiques générales des réactions nucléaires sont abordées au chapitre 6, Réactions nucléaires. Les traceurs radioactifs les plus importants sont présentés séparément dans la section 8.6.
La préparation des traceurs radioactifs comprend deux étapes : la préparation de l’isotope par réaction nucléaire et la préparation du composé souhaité par des procédés chimiques. Dans la plupart des procédés d’irradiation, les espèces chimiques de la cible et du produit sont différentes, c’est-à-dire que les espèces chimiques nécessaires à l’application ne peuvent pas toujours être produites directement. Deux processus principaux en sont responsables. Premièrement, la radiolyse de la cible peut avoir lieu pendant l’irradiation, ce qui entraîne un changement d’espèce chimique. Deuxièmement, les autres constituants de la cible peuvent également être transformés dans des réactions nucléaires ; et le produit peut également contenir d’autres isotopes radioactifs. En outre, d’autres réactions qui peuvent conduire à la formation de produits secondaires indésirables sont les réactions nucléaires des autres isotopes et des impuretés chimiques de la cible, et les réactions nucléaires secondaires avec les isotopes radioactifs déjà produits.
La cible doit être choisie de manière à ce que la quantité du produit polluant soit maintenue au minimum. Pour cette raison, la cible doit être une substance très pure et, si possible, sous forme élémentaire. Les oxydes et les carbonates conviennent également car les réactions nucléaires de l’oxygène et du carbone peuvent être ignorées et les produits sont des isotopes stables.
Lorsque les autres nucléides de l’élément irradié entrent dans des réactions nucléaires produisant des isotopes radioactifs indésirables, la cible doit être enrichie après irradiation, c’est-à-dire que la concentration de l’isotope doit être augmentée. Par exemple, l’argent naturel est composé de deux isotopes : 107Ag et 109Ag. En irradiant l’argent avec des neutrons, les isotopes 108Ag et 110Ag sont produits dans une réaction (n,γ). Lorsqu’un seul de ces isotopes est nécessaire, les isotopes de l’argent peuvent être séparés par spectrométrie de masse.
Les cibles enrichies sont utilisées lorsque la concentration du nucléide cible est très faible dans la substance ayant un rapport isotopique naturel. Par exemple, l’isotope 18F est produit à partir de 18O par irradiation aux protons. Dans le cas de cibles enrichies, l’activité spécifique du nucléide produit augmente également.
Dans certaines réactions nucléaires, des réactions nucléaires secondaires peuvent également avoir lieu. Par exemple, lors de la production de 125I, la réaction nucléaire secondaire de 125I se produit : 125I(n,γ)126I. L’effet des réactions nucléaires secondaires peut être limité en contrôlant le temps d’irradiation ou en refroidissant l’isotope indésirable si sa demi-vie est plus courte que celle du produit principal.
Les isotopes radioactifs souhaités peuvent être séparés par des méthodes radiochimiques (telles que la chromatographie, l’échange d’ions, la distillation, la sublimation, la précipitation et la thermochromatographie). Plus la méthode est simple, mieux c’est.
Comme mentionné précédemment, les isotopes radioactifs doivent être manipulés davantage pour obtenir les composés chimiques nécessaires à l’application spécifique, ce qui inclut les conditions de production (pH, potentiel redox, etc.), les réactions chimiques et les procédures de purification.
Il est important de se rappeler pendant la production de l’isotope radioactif qu’un isotope sans porteur ou contenant juste un minimum de porteur a un niveau élevé d’activité spécifique. Les isotopes sans support peuvent être produits dans des réactions nucléaires dans lesquelles le numéro atomique change ou le nucléide fille du produit est également radioactif, et ils peuvent être séparés du nucléide parent produit par la réaction nucléaire. Par exemple, la réaction de Szilard-Chalmers peut être utilisée pour produire certains isotopes radioactifs sans support. Cette méthode est basée sur le recul de l’isotope radioactif produit, ce qui entraîne la rupture de sa liaison chimique. De cette façon, un nouveau composé chimique est formé, et la cible et le produit, contenant différents isotopes des mêmes éléments, peuvent être séparés par des procédures chimiques car les isotopes radioactifs et inactifs sont dans des composés chimiques différents. Par exemple, dans les réactions nucléaires 127I(n,γ)128I, l’iode de la cible peut être un composé organique ou un iodate, et l’iode radioactif est présent sous forme d’ion iodure. Les isotopes du brome et du chlore ont des réactions nucléaires et de Szilard-Chalmers similaires. En outre, les mêmes réactions peuvent être utilisées pour les isotopes inactifs du chrome, du manganèse, du phosphore et de l’arsenic dans les ions chromate, manganate, phosphate et arséniate. Des isotopes radioactifs sans porteurs ajoutés ayant une activité spécifique élevée peuvent être produits par des réactions nucléaires à sections efficaces, en particulier lorsque la demi-vie du produit est trop courte pour permettre une irradiation pendant une durée suffisamment longue, c’est-à-dire que l’activité maximale du produit radioactif peut être approchée (voir la section 6.1 et les équations (6.9) et (6.11)).
Comme on l’a vu à la section 6.2.1, les réactions nucléaires avec des neutrons peuvent facilement être créées dans des réacteurs nucléaires. Les isotopes radioactifs peuvent être produits par l’irradiation d’une substance cible située sur les canaux d’irradiation des réacteurs nucléaires. L’autre possibilité de production de radionucléides dans les réacteurs nucléaires est le retraitement des éléments combustibles usés. Les produits de fission et les isotopes des éléments transuraniens peuvent être obtenus de cette manière. Les deux méthodes peuvent être combinées : une cible contenant un isotope 235U peut être irradiée dans les canaux d’irradiation du réacteur, puis les isotopes radioactifs peuvent être séparés de la cible. Cette procédure est importante pour la production de produits de fission à demi-vie courte.
Comme indiqué à la section 7.3.2, la première étape du retraitement des éléments combustibles usés (ou du 235U irradié) est la séparation des éléments transuraniens, dans la plupart des cas par extraction au phosphate de tributyle, suivie de procédures chimiques ultérieures. Le nombre de produits de fission est d’environ 300, y compris les isotopes ayant des demi-vies plus longues. Ces produits de fission sont les isotopes de nombreux éléments chimiques ; par conséquent, la procédure chimique est généralement compliquée. Dans un premier temps, les produits de fission chimiquement similaires sont séparés par des méthodes telles que l’extraction, l’échange d’ions et la précipitation, puis les isotopes individuels sont séparés des groupes d’éléments chimiquement similaires.
À titre d’exemple de la séparation des produits de fission, la séparation du 140Ba est présentée ici. Une solution de nitrate de plomb est ajoutée à la solution de produits de fission, puis du sulfate de plomb contenant des ions 140Ba(II) est précipité avec de l’acide sulfurique (coprécipitation):
Le précipité, pollué par 90Sr, est digéré par KNaCO3 et dissous dans l’acide nitrique. Puis le carbonate de baryum-plomb est précipité avec du carbonate d’ammonium et dissous à nouveau dans l’acide nitrique. La précipitation avec le carbonate et la dissolution avec l’acide nitrique sont répétées jusqu’à ce que la pureté radioactive du précipité devienne élevée. Lorsque la pureté souhaitée est atteinte, de l’acide chlorhydrique concentré est ajouté à la solution à 0°C. Les ions plomb sont précipités sous forme de chlorure de plomb, et les ions baryum restent dans la solution. Les ions de plomb résiduels sont éliminés par électrolyse. Par cette méthode, on obtient des isotopes 140Ba sans porteur.
Les isotopes radioactifs peuvent être produits par irradiation avec des particules chargées (comme discuté dans la section 6.2.3) dans un cyclotron (voir Fig. 8.7), ou dans des accélérateurs linéaires (voir Fig. 8.8). Cette méthode est plus ancienne que la réaction nucléaire avec des neutrons dans les réacteurs nucléaires. Comme nous l’avons vu dans la section 6.2.6, les éléments transuraniens les plus lourds ont été produits par irradiation avec des particules chargées. Lors de la production d’isotopes dans les accélérateurs, la cible devient très chaude ; le refroidissement est donc très important, et des cryogènes sont même utilisés si nécessaire (voir Fig. 8.9). Les exigences envers la cible sont les mêmes que dans les réacteurs nucléaires.
Figure 8.7. (A) Le schéma du cyclotron. (B) Le premier cyclotron de Berkeley (le diamètre du canal accélérateur est d’environ 12 cm).
Figure 8.8. Le schéma d’un accélérateur linéaire
Les protons volent à travers les tubes fonctionnant avec une alimentation en tension alternative. La longueur du tube est ajustée en fonction de la fréquence d’altération, de sorte que les protons rencontrent une tension d’accélération chaque fois qu’ils passent d’un tube à l’autre.
Figure 8.9. La conception de la cible cryogénique dans un cyclotron.
Réimprimé de Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Considérations sur la conception de la cible cryogénique pour la production de fluorure à partir de dioxyde de carbone enrichi. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), avec la permission d’Elsevier.
Certains isotopes radioactifs sont également produits par des réactions de spallation (voir section 7.3.2).
Dans la figure 6.7, les différentes possibilités qui conduisent à la production d’un nucléide de numéro atomique Z et de numéro de masse A sont résumées, y compris la formation du nucléide par des désintégrations radioactives. Lors du choix d’une méthode de production d’isotopes, il faut tenir compte des réactions nucléaires générales, des exigences de l’isotope en termes de pureté et d’utilisation, et des techniques disponibles.
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