8.5.2 Traçadores Radioativos Artificiais
Em reatores nucleares, os traçadores radioativos podem ser produzidos por reações nucleares com neutrões ou pelo reprocessamento de elementos de combustível irradiado (produtos de fissão e elementos transuranianos). Os produtos de fissão também podem ser obtidos pela radiação do urânio como alvo. Em aceleradores (ciclotrões ou aceleradores lineares), os alvos são irradiados com partículas com carga positiva. As características gerais das reações nucleares são discutidas no Capítulo 6, Reações Nucleares. Os traçadores radioativos mais importantes são mostrados separadamente na Seção 8.6.
A preparação dos traçadores radioativos consiste em duas etapas: a preparação do isótopo por reação nuclear e a preparação do composto desejado por processos químicos. Na maioria dos processos de irradiação, as espécies químicas do alvo e do produto são diferentes, ou seja, as espécies químicas necessárias para a aplicação nem sempre podem ser produzidas diretamente. Dois processos principais são responsáveis por isso. Em primeiro lugar, a radiólise do alvo pode ocorrer durante a irradiação, resultando na mudança da espécie química. Segundo, os outros constituintes do alvo também podem ser transformados em reações nucleares; e o produto também pode conter outros isótopos radioativos. Além disso, outras reacções que podem levar à formação de produtos secundários indesejáveis são as reacções nucleares dos outros isótopos e impurezas químicas do alvo, e reacções nucleares secundárias com os isótopos radioactivos já produzidos.
O alvo tem de ser seleccionado de modo a que a quantidade do produto poluente seja mantida no mínimo. Por este motivo, o alvo tem de ser uma substância muito pura e, se possível, de forma elementar. Óxidos e carbonatos também são adequados porque as reações nucleares de oxigênio e carbono podem ser ignoradas, e os produtos são isótopos estáveis.
Quando os outros nuclídeos do elemento irradiado entram em reações nucleares produzindo isótopos radioativos indesejáveis, o alvo tem que ser enriquecido após a irradiação, ou seja, a concentração do isótopo tem que ser aumentada. Por exemplo, a prata natural consiste em dois isótopos: 107Ag e 109Ag. Por irradiação da prata com neutrões, os isótopos 108Ag e 110Ag são produzidos em uma reação (n,γ). Quando apenas um destes isótopos é necessário, os isótopos de prata podem ser separados por espectrometria de massa.
Objetos enriquecidos são usados quando a concentração do nuclídeo alvo é muito baixa na substância com uma razão isotópica natural. Por exemplo, o isótopo 18F é produzido a partir do 18O por irradiação de prótons. No caso de alvos enriquecidos, a atividade específica do produto nuclídeo também aumenta.
Em algumas reações nucleares, reações nucleares secundárias também podem ter lugar. Por exemplo, na produção do 125I, a reação nuclear subseqüente do 125I ocorre: 125I(n,γ)126I. O efeito das reações nucleares secundárias pode ser limitado pelo controle do tempo de irradiação ou resfriamento do isótopo indesejável se sua meia-vida for menor que a do produto principal.
Os isótopos radioativos desejados podem ser separados por métodos radioquímicos (como cromatografia, troca iônica, destilação, sublimação, precipitação e termocromatografia). Quanto mais simples for o método, melhor.
Como mencionado anteriormente, os isótopos radioativos devem ser manipulados para obter os compostos químicos necessários para a aplicação específica, o que inclui as condições de produção (pH, potencial redox, etc.), reações químicas e procedimentos de purificação.
É importante lembrar durante a produção do isótopo radioativo que um isótopo livre de portador ou apenas minimamente portador tem um alto nível de atividade específica. Isótopos sem portador podem ser produzidos em reações nucleares nas quais o número atômico muda ou o nuclídeo filha do produto também é radioativo, e podem ser separados do nuclídeo pai produzido pela reação nuclear. Por exemplo, a reação Szilard-Chalmers pode ser usada para produzir certos isótopos radioativos livres de portadores. Este método é baseado no recuo do isótopo radioativo produzido, o que leva à quebra de sua ligação química. Desta forma, um novo composto químico é formado, e o alvo e o produto, contendo diferentes isótopos dos mesmos elementos, podem ser separados por procedimentos químicos, pois os isótopos radioativos e os inativos estão em diferentes compostos químicos. Por exemplo, nas reações nucleares 127I(n,γ)128I, o iodo no alvo pode ser um composto orgânico ou iodato, e o iodo radioativo está presente como íon iodeto. Os isótopos de bromo e cloro têm reações nucleares e Szilard-Chalmers similares. Além disso, as mesmas reações podem ser usadas para os isótopos inativos de cromo, manganês, fósforo e arsênico em cromato, manganato, fosfato e íons arsenato. Isótopos radioativos não portadores com alta atividade específica podem ser produzidos por reações nucleares com alta seção transversal, especialmente quando a meia-vida do produto é muito curta para permitir a irradiação por um tempo adequadamente longo, ou seja, a atividade máxima do produto radioativo pode ser abordada (veja Seção 6.1 e Eq. (6.9) e Eq. (6.11)).
Como discutido na Seção 6.2.1, as reações nucleares com nêutrons podem ser facilmente criadas em reatores nucleares. Isótopos radioativos podem ser produzidos pela irradiação de uma substância alvo localizada nos canais de irradiação dos reatores nucleares. A outra possibilidade para a produção de radionuclídeos em reatores nucleares é o reprocessamento de elementos de combustível irradiado. Produtos de fissão e isótopos de elementos transuranianos podem ser obtidos desta forma. Os dois métodos podem ser combinados: um alvo contendo 235U isótopo pode ser irradiado nos canais de irradiação do reator, e então os isótopos radioativos podem ser separados do alvo. Este procedimento é significativo na produção de produtos de fissão com meia-vida curta.
Como discutido na Seção 7.3.2, o primeiro passo do reprocessamento de elementos de combustível irradiado (ou a 235U irradiada) é a separação dos elementos transuranianos, na maioria dos casos por extração com fosfato tributário, seguida de procedimentos químicos subsequentes. O número de produtos de fissão é de cerca de 300, incluindo os isótopos com semi-vidas mais longas. Estes produtos de fissão são os isótopos de muitos elementos químicos; portanto, o procedimento químico é geralmente complicado. No início, os produtos de fissão quimicamente similares são separados por métodos como extração, troca iônica e precipitação, e então os isótopos individuais são separados dos grupos dos elementos quimicamente similares.
Como exemplo da separação dos produtos de fissão, a separação de 140Ba é mostrada aqui. A solução de nitrato de chumbo é adicionada à solução de produtos de fissão, e então o sulfato de chumbo contendo íons 140Ba(II) é precipitado com ácido sulfúrico (coprecipitação):
O precipitado, poluído com 90Sr, é digerido com KNaCO3 e dissolvido em ácido nítrico. Depois, o carbonato de chumbo de bário é precipitado com carbonato de amónio e dissolvido novamente em ácido nítrico. A precipitação com carbonato e a dissolução com ácido nítrico é repetida até que a pureza radioativa do precipitado se torne alta. Quando a pureza desejada é atingida, o ácido clorídrico concentrado é adicionado à solução a 0°C. Os íons chumbo são precipitados como cloreto de chumbo, e os íons bário permanecem na solução. Os iões de chumbo residuais são eliminados por electrólise. Por este método, são obtidos isótopos livres de portadores 140Ba.
Isótopos radioativos podem ser produzidos por irradiação com partículas carregadas (como discutido na Seção 6.2.3) em ciclotrão (veja Fig. 8.7), ou em aceleradores lineares (veja Fig. 8.8). Este método é mais antigo que a reação nuclear com nêutrons em reatores nucleares. Como discutido na Seção 6.2.6, os elementos transuranianos mais pesados foram produzidos por irradiação com partículas carregadas. Durante a produção de isótopos em aceleradores, o alvo torna-se muito quente; portanto, o arrefecimento é muito importante, e mesmo criogénicos são aplicados, se necessário (ver Fig. 8.9). Os requisitos para o alvo são os mesmos que nos reatores nucleares.
Figure 8.7. (A) O esquema do ciclotrão. (B) O primeiro ciclotron em Berkeley (o diâmetro do canal acelerador é de cerca de 12 cm).
Figure 8.8. O Esquema de um Acelerador Linear
Os botões voam através dos tubos operados com alimentação de tensão alternada. O comprimento do tubo é ajustado em relação à frequência de alteração para que os prótons encontrem uma tensão acelerada sempre que passam de um tubo para o próximo.
Figure 8.9. O desenho do alvo criogênico em um ciclotron.
Reimpresso de Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Considerações sobre o projeto de alvos criogênicos para a produção de flúor a partir de dióxido de carbono enriquecido. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), com permissão da Elsevier.
Alguns isótopos radioativos também são produzidos por reações de espalação (ver Seção 7.3.2).
Na Fig. 6.7, as diferentes possibilidades que levam à produção de um nuclídeo com um número atômico Z e um número de massa A são resumidas, incluindo a formação do nuclídeo por decaimentos radioativos. Ao selecionar um método de produção de isótopos, as reações nucleares gerais, as exigências do isótopo em termos de pureza e uso e as técnicas disponíveis devem ser levadas em conta.