8.5.2 Sztuczne znaczniki promieniotwórcze
W reaktorach jądrowych znaczniki promieniotwórcze mogą być wytwarzane przez reakcje jądrowe z neutronami lub przez przerób zużytych elementów paliwowych (produkty rozszczepienia i pierwiastki transuranowe). Produkty rozszczepienia można również uzyskać poprzez napromieniowanie uranu jako celu. W akceleratorach (cyklotronach lub akceleratorach liniowych) tarcze są napromieniowywane dodatnio naładowanymi cząstkami. Ogólna charakterystyka reakcji jądrowych jest omówiona w rozdziale 6, Reakcje jądrowe. Najważniejsze znaczniki promieniotwórcze przedstawiono oddzielnie w rozdziale 8.6.
Przygotowanie znaczników promieniotwórczych składa się z dwóch etapów: przygotowania izotopu w wyniku reakcji jądrowej oraz przygotowania pożądanego związku w wyniku procesów chemicznych. W większości procesów napromieniania, gatunki chemiczne celu i produktu są różne, to znaczy, że gatunki chemiczne potrzebne do zastosowania nie zawsze mogą być produkowane bezpośrednio. Odpowiedzialne są za to dwa główne procesy. Po pierwsze, podczas napromieniowania może dojść do radiolizy celu, co prowadzi do zmiany gatunku chemicznego. Po drugie, inne składniki tarczy mogą również ulec przemianie w reakcjach jądrowych, a produkt może zawierać również inne izotopy promieniotwórcze. Ponadto, dalsze reakcje, które mogą prowadzić do powstawania niepożądanych produktów ubocznych, to reakcje jądrowe innych izotopów i zanieczyszczeń chemicznych celu oraz wtórne reakcje jądrowe z już wytworzonymi izotopami promieniotwórczymi.
Cel musi być tak dobrany, aby ilość zanieczyszczającego produktu była utrzymana na minimalnym poziomie. Z tego powodu cel musi być bardzo czystą substancją i, jeśli to możliwe, w postaci elementarnej. Tlenki i węglany są również odpowiednie, ponieważ reakcje jądrowe tlenu i węgla można pominąć, a produkty są stabilnymi izotopami.
Gdy inne nuklidy napromieniowanego pierwiastka wchodzą w reakcje jądrowe wytwarzając niepożądane izotopy promieniotwórcze, cel musi być wzbogacony po napromieniowaniu, to znaczy stężenie izotopu musi być zwiększone. Na przykład, naturalne srebro składa się z dwóch izotopów: 107Ag i 109Ag. W wyniku napromieniowania srebra neutronami, w reakcji (n,γ) powstają izotopy 108Ag i 110Ag. Gdy potrzebny jest tylko jeden z tych izotopów, izotopy srebra można rozdzielić za pomocą spektrometrii mas.
Cele wzbogacone są stosowane, gdy stężenie nuklidu docelowego jest bardzo niskie w substancji o naturalnym stosunku izotopowym. Na przykład, izotop 18F jest produkowany z 18O przez napromieniowanie protonami. W przypadku celów wzbogaconych wzrasta również aktywność właściwa nuklidu produktu.
W niektórych reakcjach jądrowych mogą zachodzić również wtórne reakcje jądrowe. Na przykład, przy produkcji 125I zachodzi następcza reakcja jądrowa 125I: 125I(n,γ)126I. Efekt wtórnych reakcji jądrowych może być ograniczony przez kontrolę czasu napromieniowania lub chłodzenie niepożądanego izotopu, jeżeli jego okres połowicznego zaniku jest krótszy niż głównego produktu.
Pożądane izotopy promieniotwórcze mogą być rozdzielane metodami radiochemicznymi (takimi jak chromatografia, wymiana jonowa, destylacja, sublimacja, wytrącanie i termochromatografia). Im prostsza jest metoda, tym lepiej.
Jak wspomniano wcześniej, izotopy promieniotwórcze muszą być dalej manipulowane w celu uzyskania związków chemicznych potrzebnych do konkretnego zastosowania, co obejmuje warunki produkcji (pH, potencjał redox, itp.), reakcje chemiczne i procedury oczyszczania.
Ważne jest, aby pamiętać podczas produkcji izotopu promieniotwórczego, że izotop bez nośnika lub tylko minimalnie zawierający nośnik ma wysoki poziom aktywności właściwej. Izotopy beznośnikowe mogą być produkowane w reakcjach jądrowych, w których zmienia się liczba atomowa lub nuklid potomny produktu jest również promieniotwórczy i można je oddzielić od nuklidu macierzystego powstałego w wyniku reakcji jądrowej. Na przykład, reakcja Szilarda-Chalmersa może być stosowana do wytwarzania niektórych beznośnikowych izotopów promieniotwórczych. Metoda ta opiera się na odrzucie wytworzonego izotopu promieniotwórczego, co prowadzi do rozerwania jego wiązania chemicznego. W ten sposób powstaje nowy związek chemiczny, a cel i produkt, zawierające różne izotopy tych samych pierwiastków, mogą być rozdzielone za pomocą procedur chemicznych, ponieważ izotopy promieniotwórcze i nieaktywne znajdują się w różnych związkach chemicznych. Na przykład, w reakcjach jądrowych 127I(n,γ)128I jod w tarczy może być związkiem organicznym lub jodanem, a jod promieniotwórczy występuje jako jon jodkowy. Izotopy bromu i chloru mają podobne reakcje jądrowe i reakcje Szilarda-Chalmersa. Ponadto te same reakcje mogą być zastosowane do nieaktywnych izotopów chromu, manganu, fosforu i arsenu w jonach chromianowych, manganianowych, fosforanowych i arsenianowych. Beznośnikowe izotopy promieniotwórcze o dużej aktywności właściwej mogą być wytwarzane przez reakcje jądrowe o dużych przekrojach poprzecznych, zwłaszcza gdy okres połowicznego zaniku produktu jest zbyt krótki, aby umożliwić napromieniowanie przez odpowiednio długi czas, czyli można zbliżyć się do maksymalnej aktywności produktu promieniotwórczego (patrz punkt 6.1 i równania (6.9) i (6.11)).
Jak omówiono w punkcie 6.2.1, reakcje jądrowe z neutronami można łatwo wytworzyć w reaktorach jądrowych. Izotopy promieniotwórcze mogą być produkowane przez napromieniowanie substancji docelowej umieszczonej na kanałach napromieniowujących reaktorów jądrowych. Inną możliwością produkcji radionuklidów w reaktorach jądrowych jest przerób zużytych elementów paliwowych. Można w ten sposób otrzymać produkty rozszczepienia i izotopy pierwiastków transuranowych. Obie metody mogą być łączone: cel zawierający izotop 235U może być napromieniowany w kanałach napromieniowujących reaktora, a następnie izotopy promieniotwórcze mogą być oddzielone od celu. Procedura ta ma istotne znaczenie w produkcji produktów rozszczepienia o krótkich okresach półtrwania.
Jak omówiono w punkcie 7.3.2, pierwszym etapem przerobu wypalonych elementów paliwowych (lub napromieniowanego 235U) jest oddzielenie pierwiastków transuranowych, w większości przypadków poprzez ekstrakcję fosforanem tributylu, a następnie kolejne procedury chemiczne. Liczba produktów rozszczepienia wynosi około 300, w tym izotopy o dłuższych okresach półtrwania. Te produkty rozszczepienia są izotopami wielu pierwiastków chemicznych, dlatego też procedura chemiczna jest zazwyczaj skomplikowana. Na początku chemicznie podobne produkty rozszczepienia są oddzielane za pomocą takich metod jak ekstrakcja, wymiana jonowa i wytrącanie, a następnie poszczególne izotopy są oddzielane od grup chemicznie podobnych pierwiastków.
Jako przykład rozdzielania produktów rozszczepienia pokazano tutaj rozdzielanie 140Ba. Do roztworu produktów rozszczepienia dodaje się roztwór azotanu ołowiu, a następnie siarczan ołowiu zawierający jony 140Ba(II) wytrąca się kwasem siarkowym (koprecypitacja):
Osad, zanieczyszczony 90Sr, wytrawia się KNaCO3 i rozpuszcza w kwasie azotowym. Następnie węglan barowo-ołowiowy wytrąca się węglanem amonu i ponownie rozpuszcza w kwasie azotowym. Wytrącanie węglanem i rozpuszczanie kwasem azotowym powtarza się aż do uzyskania wysokiej czystości radioaktywnej osadu. Gdy pożądana czystość zostanie osiągnięta, do roztworu dodaje się stężonego kwasu solnego w temperaturze 0°C. Jony ołowiu są wytrącane w postaci chlorku ołowiu, a jony baru pozostają w roztworze. Resztki jonów ołowiu są usuwane przez elektrolizę. Za pomocą tej metody otrzymuje się beznośnikowe izotopy 140Ba.
Radioaktywne izotopy mogą być produkowane przez napromieniowanie naładowanymi cząstkami (jak omówiono w rozdziale 6.2.3) w cyklotronie (patrz rys. 8.7), lub w akceleratorach liniowych (patrz rys. 8.8). Metoda ta jest starsza niż reakcje jądrowe z neutronami w reaktorach jądrowych. Jak wspomniano w rozdziale 6.2.6, cięższe pierwiastki transuranowe były produkowane przez napromieniowanie cząstkami naładowanymi. Podczas produkcji izotopów w akceleratorach tarcza staje się bardzo gorąca, dlatego bardzo ważne jest jej chłodzenie, a w razie potrzeby stosuje się nawet kriogeny (patrz Rys. 8.9). Wymagania wobec tarczy są takie same jak w reaktorach jądrowych.
Rysunek 8.7. (A) Schemat cyklotronu. (B) Pierwszy cyklotron w Berkeley (średnica kanału przyspieszającego wynosi około 12 cm).
Rysunek 8.8. Schemat akceleratora liniowego
Protony przelatują przez rury zasilane napięciem zmiennym. Długość rurki jest regulowana w zależności od częstotliwości zmian tak, że protony napotykają napięcie przyspieszające przy każdym przejściu z jednej rurki do drugiej.
Rysunek 8.9. Konstrukcja tarczy kriogenicznej w cyklotronie.
Przedruk z 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), za zgodą Elsevier.
Niektóre izotopy promieniotwórcze są produkowane również w reakcjach spallacji (patrz punkt 7.3.2).
Na Rys. 6.7 zestawiono różne możliwości prowadzące do produkcji nuklidu o liczbie atomowej Z i liczbie masowej A, w tym powstawanie nuklidu w wyniku rozpadów promieniotwórczych. Przy wyborze metody produkcji izotopu należy brać pod uwagę ogólne reakcje jądrowe, wymagania izotopu co do czystości i zastosowania oraz dostępne techniki.
.