Traccianti radioattivi

8.5.2 Traccianti radioattivi artificiali

Nei reattori nucleari, i traccianti radioattivi possono essere prodotti da reazioni nucleari con neutroni o dal ritrattamento di elementi di combustibile esaurito (prodotti di fissione ed elementi transuranici). I prodotti di fissione possono anche essere ottenuti dall’irraggiamento dell’uranio come bersaglio. Negli acceleratori (ciclotroni o acceleratori lineari), i bersagli sono irradiati con particelle caricate positivamente. Le caratteristiche generali delle reazioni nucleari sono discusse nel Capitolo 6, Reazioni nucleari. I più importanti traccianti radioattivi sono mostrati separatamente nella Sezione 8.6.

La preparazione dei traccianti radioattivi consiste in due fasi: la preparazione dell’isotopo tramite reazione nucleare e la preparazione del composto desiderato tramite processi chimici. Nella maggior parte dei processi di irradiazione, le specie chimiche del bersaglio e del prodotto sono diverse, cioè le specie chimiche necessarie per l’applicazione non possono sempre essere prodotte direttamente. Due processi principali sono responsabili di questo. In primo luogo, la radiolisi del bersaglio può avvenire durante l’irradiazione, con conseguente cambiamento della specie chimica. In secondo luogo, anche gli altri costituenti del bersaglio possono essere trasformati in reazioni nucleari; e il prodotto può contenere anche altri isotopi radioattivi. Inoltre, ulteriori reazioni che possono portare alla formazione di prodotti collaterali indesiderati sono le reazioni nucleari degli altri isotopi e impurità chimiche del bersaglio, e reazioni nucleari secondarie con gli isotopi radioattivi già prodotti.

Il bersaglio deve essere selezionato in modo che la quantità del prodotto inquinante sia mantenuta al minimo. Per questo motivo, il bersaglio deve essere una sostanza molto pura e, se possibile, in forma elementare. Anche gli ossidi e i carbonati sono adatti perché le reazioni nucleari dell’ossigeno e del carbonio possono essere ignorate, e i prodotti sono isotopi stabili.

Quando gli altri nuclidi dell’elemento irradiato entrano in reazioni nucleari producendo isotopi radioattivi indesiderati, il target deve essere arricchito dopo l’irradiazione, cioè la concentrazione dell’isotopo deve essere aumentata. Per esempio, l’argento naturale consiste di due isotopi: 107Ag e 109Ag. Irradiando l’argento con neutroni, gli isotopi 108Ag e 110Ag sono prodotti in una reazione (n,γ). Quando solo uno di questi isotopi è necessario, gli isotopi dell’argento possono essere separati con la spettrometria di massa.

I bersagli arricchiti sono usati quando la concentrazione del nuclide target è molto bassa nella sostanza con un rapporto isotopico naturale. Per esempio, l’isotopo 18F è prodotto da 18O per irradiazione di protoni. Nel caso di bersagli arricchiti, aumenta anche l’attività specifica del nuclide prodotto.

In alcune reazioni nucleari, possono avvenire anche reazioni nucleari secondarie. Per esempio, nella produzione di 125I, avviene la successiva reazione nucleare del 125I: 125I(n,γ)126I. L’effetto delle reazioni nucleari secondarie può essere limitato controllando il tempo di irradiazione o raffreddando l’isotopo indesiderato se il suo tempo di dimezzamento è più breve di quello del prodotto principale.

Gli isotopi radioattivi desiderati possono essere separati con metodi radiochimici (come cromatografia, scambio ionico, distillazione, sublimazione, precipitazione e termocromatografia). Più semplice è il metodo, meglio è.

Come menzionato in precedenza, gli isotopi radioattivi devono essere ulteriormente manipolati per ottenere i composti chimici necessari per l’applicazione specifica, che include le condizioni di produzione (pH, potenziale redox, ecc.), le reazioni chimiche e le procedure di purificazione.

È importante ricordare durante la produzione dell’isotopo radioattivo che un isotopo senza portatore o solo minimamente contenente portatore ha un alto livello di attività specifica. Gli isotopi senza portatore possono essere prodotti in reazioni nucleari in cui il numero atomico cambia o il nuclide figlio del prodotto è anche radioattivo, e possono essere separati dal nuclide padre prodotto dalla reazione nucleare. Per esempio, la reazione di Szilard-Chalmers può essere usata per produrre certi isotopi radioattivi senza portatore. Questo metodo si basa sul rinculo dell’isotopo radioattivo prodotto, che porta alla rottura del suo legame chimico. In questo modo, si forma un nuovo composto chimico, e il target e il prodotto, contenenti diversi isotopi degli stessi elementi, possono essere separati con procedure chimiche perché l’isotopo radioattivo e quello inattivo si trovano in composti chimici diversi. Per esempio, nelle reazioni nucleari 127I(n,γ)128I, lo iodio nel target può essere un composto organico o uno iodato, e lo iodio radioattivo è presente come ione ioduro. Gli isotopi del bromo e del cloro hanno reazioni nucleari e di Szilard-Chalmers simili. Inoltre, le stesse reazioni possono essere utilizzate per gli isotopi inattivi di cromo, manganese, fosforo e arsenico in ioni cromato, manganato, fosfato e arsenato. Gli isotopi radioattivi senza portatore aggiunto con alta attività specifica possono essere prodotti da reazioni nucleari con alte sezioni d’urto, specialmente quando il tempo di dimezzamento del prodotto è troppo breve per permettere l’irradiazione per un tempo adeguatamente lungo, cioè l’attività massima del prodotto radioattivo può essere avvicinata (vedi Sezione 6.1 ed Eq. (6.9) ed Eq. (6.11)).

Come discusso nella Sezione 6.2.1, le reazioni nucleari con neutroni possono essere facilmente create nei reattori nucleari. Gli isotopi radioattivi possono essere prodotti dall’irradiazione di una sostanza bersaglio situata sui canali di irradiazione dei reattori nucleari. L’altra possibilità per la produzione di radionuclidi nei reattori nucleari è il ritrattamento di elementi di combustibile esaurito. Prodotti di fissione e isotopi di elementi transuranici possono essere ottenuti in questo modo. I due metodi possono essere combinati: un bersaglio contenente l’isotopo 235U può essere irradiato nei canali di irradiazione del reattore, e poi gli isotopi radioattivi possono essere separati dal bersaglio. Questa procedura è significativa nella produzione di prodotti di fissione con emivita breve.

Come discusso nella sezione 7.3.2, il primo passo del ritrattamento degli elementi di combustibile esaurito (o il 235U irradiato) è la separazione degli elementi transuranici, nella maggior parte dei casi tramite estrazione con tributil fosfato, seguita da successive procedure chimiche. Il numero di prodotti di fissione è di circa 300, compresi gli isotopi con emivita più lunga. Questi prodotti di fissione sono gli isotopi di molti elementi chimici; pertanto, la procedura chimica è solitamente complicata. All’inizio, i prodotti di fissione chimicamente simili sono separati con metodi come l’estrazione, lo scambio ionico e la precipitazione, e poi i singoli isotopi sono separati dai gruppi di elementi chimicamente simili.

Il precipitato, inquinato con 90Sr, viene digerito con KNaCO3 e sciolto in acido nitrico. Poi il carbonato di bario-piombo viene precipitato con carbonato di ammonio e dissolto nuovamente in acido nitrico. La precipitazione con carbonato e la dissoluzione con acido nitrico viene ripetuta fino a quando la purezza radioattiva del precipitato diventa elevata. Quando la purezza desiderata è raggiunta, l’acido cloridrico concentrato viene aggiunto alla soluzione a 0°C. Gli ioni di piombo sono precipitati come cloruro di piombo, e gli ioni di bario rimangono nella soluzione. Gli ioni di piombo residui vengono eliminati tramite elettrolisi. Con questo metodo, si ottengono isotopi 140Ba senza portatori.

Gli isotopi radioattivi possono essere prodotti per irradiazione con particelle cariche (come discusso nella Sezione 6.2.3) in ciclotrone (vedi Fig. 8.7), o in acceleratori lineari (vedi Fig. 8.8). Questo metodo è più vecchio della reazione nucleare con neutroni nei reattori nucleari. Come discusso nella sezione 6.2.6, gli elementi transuranici più pesanti sono stati prodotti per irradiazione con particelle cariche. Durante la produzione di isotopi negli acceleratori, il bersaglio diventa molto caldo; perciò il raffreddamento è molto importante, e anche i criogeni sono applicati, se necessario (vedi Fig. 8.9). I requisiti al bersaglio sono gli stessi dei reattori nucleari.

Figura 8.7. (A) Lo schema del ciclotrone. (B) Il primo ciclotrone a Berkeley (il diametro del canale acceleratore è di circa 12 cm).

Figura 8.8. Schema di un acceleratore lineare

I protoni volano attraverso i tubi funzionanti con alimentazione a tensione alternata. La lunghezza del tubo è regolata in relazione alla frequenza di alterazione in modo che i protoni incontrano una tensione accelerante ogni volta che passano da un tubo al successivo.

Figura 8.9. Il disegno del bersaglio criogenico in un ciclotrone.

Ristampato da Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Considerazioni sul design del bersaglio criogenico per la produzione di fluoruro da biossido di carbonio arricchito. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), con il permesso di Elsevier.

Alcuni isotopi radioattivi sono prodotti anche da reazioni di spallazione (vedi Sezione 7.3.2).

In Fig. 6.7, sono riassunte le diverse possibilità che portano alla produzione di un nuclide con un numero atomico Z e un numero di massa A, inclusa la formazione del nuclide per decadimenti radioattivi. Quando si sceglie un metodo per la produzione di un isotopo, si devono prendere in considerazione le reazioni nucleari generali, i requisiti dell’isotopo in termini di purezza e uso, e le tecniche disponibili.