8.5.2 Mesterséges radioaktív nyomjelzők
A nukleáris reaktorokban radioaktív nyomjelzőket lehet előállítani neutronokkal végzett nukleáris reakciókkal vagy a kiégett fűtőelemek (hasadási termékek és transzurán elemek) újrafeldolgozásával. A hasadási termékeket uránium mint céltárgy besugárzásával is elő lehet állítani. A gyorsítókban (ciklotronokban vagy lineáris gyorsítókban) a céltárgyakat pozitív töltésű részecskékkel sugározzák be. A magreakciók általános jellemzőit a 6. fejezet, A magreakciók tárgyalja. A legfontosabb radioaktív nyomjelzőket külön-külön a 8.6. fejezetben mutatjuk be.
A radioaktív nyomjelzők előállítása két lépésből áll: az izotóp előállítása nukleáris reakcióval és a kívánt vegyület előállítása kémiai folyamatokkal. A legtöbb besugárzási folyamat során a céltárgy és a termék kémiai fajai különböznek, azaz az alkalmazáshoz szükséges kémiai faj nem mindig állítható elő közvetlenül. Ezért két fő folyamat felelős. Először is, a besugárzás során a céltárgy radiolízise is végbemehet, ami a kémiai faj megváltozását eredményezi. Másodszor, a céltárgy egyéb alkotóelemei is átalakulhatnak a nukleáris reakciók során; és a termék más radioaktív izotópokat is tartalmazhat. Emellett további reakciók, amelyek nemkívánatos melléktermékek keletkezéséhez vezethetnek, a target egyéb izotópjainak és kémiai szennyeződéseinek magreakciói, valamint a már keletkezett radioaktív izotópokkal lejátszódó másodlagos magreakciók.
A targetet úgy kell kiválasztani, hogy a szennyező termék mennyisége minimális legyen. Ezért a céltárgynak nagyon tiszta anyagnak kell lennie, és lehetőleg elemi formában. Az oxidok és karbonátok is alkalmasak, mert az oxigén és a szén magreakciói figyelmen kívül hagyhatók, és a termékek stabil izotópok.
Ha a besugárzott elem más nuklidjai nemkívánatos radioaktív izotópokat eredményező magreakciókba lépnek, a céltárgyat a besugárzás után fel kell dúsítani, azaz az izotóp koncentrációját növelni kell. A természetes ezüst például két izotópból áll: 107Ag és 109Ag. Az ezüst neutronokkal történő besugárzásával 108Ag és 110Ag izotópok keletkeznek egy (n,γ) reakcióban. Ha csak az egyik izotópra van szükség, az ezüst izotópjai tömegspektrometriával szétválaszthatók.
A feldúsított céltárgyakat akkor használják, ha a természetes izotóparányú anyagban a célnuklid koncentrációja nagyon alacsony. Például a 18F izotópot 18O-ból protonbesugárzással állítják elő. Dúsított céltárgyak esetén a termék nuklid fajlagos aktivitása is megnő.
Egyes magreakciókban másodlagos magreakciók is lejátszódhatnak. Például a 125I előállítása során a 125I utólagos magreakciója következik be: 125I(n,γ)126I. A másodlagos magreakciók hatása a besugárzási idő szabályozásával vagy a nemkívánatos izotóp hűtésével korlátozható, ha annak felezési ideje rövidebb, mint a főterméké.
A kívánt radioaktív izotópok radiokémiai módszerekkel (például kromatográfiával, ioncserével, desztillációval, szublimációval, kicsapással és termokromatográfiával) elválaszthatók. Minél egyszerűbb a módszer, annál jobb.
Mint már említettük, a radioaktív izotópokat tovább kell manipulálni, hogy az adott alkalmazáshoz szükséges kémiai vegyületeket kapjuk, ami magában foglalja a gyártási feltételeket (pH, redoxpotenciál stb.), a kémiai reakciókat és a tisztítási eljárásokat.
A radioaktív izotóp előállítása során fontos megjegyezni, hogy a hordozómentes vagy csak minimálisan hordozót tartalmazó izotópnak magas a fajlagos aktivitása. Hordozómentes izotópokat olyan magreakciókban lehet előállítani, amelyekben az atomszám megváltozik, vagy a termék leánynuklidja is radioaktív, és ezek elválaszthatók a magreakcióban keletkező anyanuklidtól. Például a Szilard-Chalmers-reakcióval bizonyos hordozómentes radioaktív izotópok állíthatók elő. Ez a módszer a keletkezett radioaktív izotóp visszahatásán alapul, ami a kémiai kötés felbontásához vezet. Ily módon új kémiai vegyület jön létre, és az azonos elemek különböző izotópjait tartalmazó target és termék kémiai eljárásokkal szétválasztható, mivel a radioaktív és az inaktív izotópok különböző kémiai vegyületekben vannak. Például a 127I(n,γ)128I nukleáris reakciókban a targetben lévő jód lehet szerves vegyület vagy jodát, a radioaktív jód pedig jodidionként van jelen. A bróm és a klór izotópjai hasonló nukleáris és Szilard-Chalmers-reakciókkal rendelkeznek. Ezenkívül ugyanezek a reakciók alkalmazhatók az inaktív króm-, mangán-, foszfor- és arzénizotópok esetében is a kromát-, manganát-, foszfát- és arzenátionokban. Nagy fajlagos aktivitású, hordozó nélküli radioaktív izotópok nagy keresztmetszetű magreakciókkal állíthatók elő, különösen akkor, ha a termék felezési ideje túl rövid ahhoz, hogy megfelelően hosszú ideig lehessen besugározni, azaz megközelíthető a radioaktív termék maximális aktivitása (lásd a 6.1. szakaszt és a (6.9) és (6.11) egyenletet).
Amint azt a 6.2.1. szakaszban tárgyaltuk, a neutronokkal történő magreakciók könnyen létrehozhatók a magreaktorokban. Az atomreaktorok besugárzó csatornáin elhelyezkedő célanyag besugárzásával radioaktív izotópok állíthatók elő. A radionuklidok nukleáris reaktorokban történő előállításának másik lehetősége a kiégett fűtőelemek újrafeldolgozása. Ily módon hasadási termékek és transzurán elemek izotópjai nyerhetők. A két módszer kombinálható: a reaktor besugárzó csatornáiban 235U izotópot tartalmazó céltárgyat lehet besugározni, majd a radioaktív izotópok leválaszthatók a céltárgyról. Ennek az eljárásnak a rövid felezési idejű hasadási termékek előállításában van jelentősége.
Amint azt a 7.3.2. szakaszban tárgyaltuk, a kiégett fűtőelemek (vagy a besugárzott 235U) újrafeldolgozásának első lépése a transzurán elemek leválasztása, a legtöbb esetben tributil-foszfáttal történő extrakcióval, majd ezt követő kémiai eljárásokkal. A hasadási termékek száma körülbelül 300, beleértve a hosszabb felezési idejű izotópokat is. Ezek a hasadási termékek számos kémiai elem izotópjai, ezért a kémiai eljárás általában bonyolult. Először a kémiailag hasonló hasadási termékeket választják el olyan módszerekkel, mint az extrakció, az ioncsere és a kicsapás, majd az egyes izotópokat választják el a kémiailag hasonló elemek csoportjaiból.
A hasadási termékek elválasztásának példájaként a 140Ba elválasztását mutatjuk be. A hasadási termékek oldatához ólom-nitrát oldatot adunk, majd a 140Ba(II)-ionokat tartalmazó ólomszulfátot kénsavval kicsapjuk (koprecipitáció):
A 90Sr-rel szennyezett csapadékot KNaCO3-mal feltárjuk és salétromsavban feloldjuk. Ezután a bárium-ólom-karbonátot ammónium-karbonáttal kicsapjuk és ismét salétromsavban feloldjuk. A karbonátos kicsapást és a salétromsavas oldást addig ismételjük, amíg a csapadék radioaktív tisztasága magas nem lesz. A kívánt tisztaság elérésekor 0 °C-on tömény sósavat adunk az oldathoz. Az ólomionok ólom-klorid formájában kicsapódnak, a báriumionok pedig az oldatban maradnak. A maradék ólomionokat elektrolízissel távolítják el. Ezzel a módszerrel hordozómentes 140Ba izotópokat kapunk.
Radioaktív izotópok előállíthatók töltött részecskékkel való besugárzással (amint azt a 6.2.3. szakasz tárgyalja) ciklotronban (lásd a 8.7. ábrát), vagy lineáris gyorsítókban (lásd a 8.8. ábrát). Ez a módszer régebbi, mint az atomreaktorokban neutronokkal történő magreakció. Amint azt a 6.2.6. szakaszban tárgyaltuk, a nehezebb transzurán elemeket töltött részecskékkel való besugárzással állították elő. A gyorsítókban történő izotópgyártás során a céltárgy nagyon felforrósodik, ezért nagyon fontos a hűtés, sőt, ha szükséges, kriogéneket is alkalmaznak (lásd a 8.9. ábrát). A targettel szemben támasztott követelmények ugyanazok, mint az atomreaktorokban.
8.7. ábra. (A) A ciklotron sémája. (B) Az első ciklotron Berkeleyben (a gyorsító csatorna átmérője kb. 12 cm).
8.8. ábra. Egy lineáris gyorsító sémája
A váltakozó feszültségű tápfeszültséggel működtetett csöveken protonok repülnek át. A cső hosszát a változási frekvencia függvényében úgy állítják be, hogy a protonok mindig gyorsító feszültséggel találkozzanak, amikor az egyik csőből a másikba jutnak.
8.9. ábra. A kriogén céltárgy kialakítása egy ciklotronban.
A következő forrásból: Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Kriogén céltárgy tervezési megfontolások fluorid előállításához dúsított szén-dioxidból. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), az Elsevier engedélyével.
Egyes radioaktív izotópokat spallációs reakciókkal is előállítanak (lásd a 7.3.2. szakaszt).
A 6.7. ábrán a Z atomszámú és A tömegszámú nuklid előállításához vezető különböző lehetőségeket foglaljuk össze, beleértve a nuklid radioaktív bomlásokkal történő keletkezését. Az izotóp előállítására szolgáló módszer kiválasztásakor figyelembe kell venni az általános nukleáris reakciókat, az izotóp tisztasági és felhasználási követelményeit, valamint a rendelkezésre álló technikákat.