8.5.2 Trasori radioactivi artificiali
În reactoarele nucleare, trasorii radioactivi pot fi produși prin reacții nucleare cu neutroni sau prin reprelucrarea elementelor combustibile uzate (produse de fisiune și elemente transuranice). Produsele de fisiune pot fi obținute, de asemenea, prin iradierea uraniului ca țintă. În acceleratoare (ciclotroni sau acceleratoare liniare), țintele sunt iradiate cu particule încărcate pozitiv. Caracteristicile generale ale reacțiilor nucleare sunt discutate în capitolul 6, Reacții nucleare. Cei mai importanți urmăritori radioactivi sunt prezentați separat în secțiunea 8.6.
Prepararea urmăritorilor radioactivi constă în două etape: prepararea izotopului prin reacție nucleară și prepararea compusului dorit prin procese chimice. În majoritatea proceselor de iradiere, speciile chimice ale țintei și ale produsului sunt diferite, adică speciile chimice necesare pentru aplicație nu pot fi întotdeauna produse direct. Două procese principale sunt responsabile pentru acest lucru. În primul rând, în timpul iradierii poate avea loc radioliza țintei, ceea ce duce la schimbarea speciilor chimice. În al doilea rând, ceilalți constituenți ai țintei pot fi, de asemenea, transformați în reacții nucleare; iar produsul poate conține și alți izotopi radioactivi. În plus, alte reacții care pot duce la formarea de produse secundare nedorite sunt reacțiile nucleare ale celorlalți izotopi și impurități chimice ale țintei, precum și reacțiile nucleare secundare cu izotopii radioactivi deja produși.
Tinta trebuie selectată astfel încât cantitatea de produs poluant să fie menținută la un nivel minim. Din acest motiv, ținta trebuie să fie o substanță foarte pură și, dacă este posibil, sub formă elementară. Oxizii și carbonații sunt, de asemenea, adecvați, deoarece reacțiile nucleare ale oxigenului și carbonului pot fi ignorate, iar produsele sunt izotopi stabili.
Când ceilalți nuclizi ai elementului iradiat intră în reacții nucleare care produc izotopi radioactivi indezirabili, ținta trebuie să fie îmbogățită după iradiere, adică concentrația izotopului trebuie să fie crescută. De exemplu, argintul natural este format din doi izotopi: 107Ag și 109Ag. Prin iradierea argintului cu neutroni, se produc izotopi 108Ag și 110Ag într-o reacție (n,γ). Atunci când este necesar doar unul dintre acești izotopi, izotopii argintului pot fi separați prin spectrometrie de masă.
Obiectivele îmbogățite sunt utilizate atunci când concentrația nuclidului țintă este foarte mică în substanța cu un raport izotopic natural. De exemplu, izotopul 18F este produs din 18O prin iradiere cu protoni. În cazul țintelor îmbogățite, crește și activitatea specifică a nuclidului produs.
În unele reacții nucleare, pot avea loc și reacții nucleare secundare. De exemplu, în cazul producerii de 125I, are loc reacția nucleară secundară a 125I: 125I(n,γ)126I. Efectul reacțiilor nucleare secundare poate fi limitat prin controlul timpului de iradiere sau prin răcirea izotopului nedorit dacă timpul de înjumătățire al acestuia este mai scurt decât cel al produsului principal.
Izotopii radioactivi doriți pot fi separați prin metode radiochimice (cum ar fi cromatografia, schimbul de ioni, distilarea, sublimarea, precipitarea și termocromatografia). Cu cât metoda este mai simplă, cu atât mai bine.
Cum s-a menționat anterior, izotopii radioactivi trebuie să fie manipulați în continuare pentru a obține compușii chimici necesari pentru aplicația specifică, ceea ce include condițiile de producție (pH, potențial redox etc.), reacțiile chimice și procedurile de purificare.
Este important de reținut în timpul producerii izotopului radioactiv că un izotop fără purtător sau care conține doar un purtător minim are un nivel ridicat de activitate specifică. Izotopii fără purtător pot fi produși în reacții nucleare în care numărul atomic se modifică sau nuclidul fiică al produsului este de asemenea radioactiv, iar aceștia pot fi separați de nuclidul părinte produs de reacția nucleară. De exemplu, reacția Szilard-Chalmers poate fi utilizată pentru a produce anumiți izotopi radioactivi fără purtător. Această metodă se bazează pe reculul izotopului radioactiv produs, ceea ce duce la ruperea legăturii chimice a acestuia. În acest fel, se formează un nou compus chimic, iar ținta și produsul, care conțin izotopi diferiți ai acelorași elemente, pot fi separate prin proceduri chimice, deoarece izotopii radioactivi și cei inactivi se află în compuși chimici diferiți. De exemplu, în reacțiile nucleare 127I(n,γ)128I, iodul din țintă poate fi un compus organic sau un iodat, iar iodul radioactiv este prezent sub formă de ion iodură. Izotopii bromului și clorului au reacții nucleare și reacții Szilard-Chalmers similare. În plus, aceleași reacții pot fi utilizate pentru izotopii inactivi ai cromului, manganului, fosforului și arsenicului în ioni de cromat, manganat, fosfat și arsenat. Izotopii radioactivi fără adaos de purtător cu activitate specifică ridicată pot fi produși prin reacții nucleare cu secțiuni transversale mari, în special atunci când timpul de înjumătățire al produsului este prea scurt pentru a permite iradierea pentru o perioadă de timp suficient de lungă, adică se poate apropia de activitatea maximă a produsului radioactiv (a se vedea secțiunea 6.1 și ecuația (6.9) și ecuația (6.11)).
După cum s-a discutat în secțiunea 6.2.1, reacțiile nucleare cu neutroni pot fi create cu ușurință în reactoare nucleare. Izotopii radioactivi pot fi produși prin iradierea unei substanțe țintă situate pe canalele de iradiere ale reactoarelor nucleare. Cealaltă posibilitate de producere a radionuclizilor în reactoarele nucleare este reprocesarea elementelor combustibile uzate. În acest mod se pot obține produse de fisiune și izotopi ai elementelor transuraniene. Cele două metode pot fi combinate: o țintă care conține izotopul 235U poate fi iradiată în canalele de iradiere ale reactorului, iar apoi izotopii radioactivi pot fi separați din țintă. Această procedură este semnificativă în producerea de produse de fisiune cu timpi de înjumătățire scurți.
După cum s-a discutat în secțiunea 7.3.2, prima etapă a reprocesării elementelor de combustibil uzat (sau a 235U iradiat) este separarea elementelor transuraniene, în cele mai multe cazuri prin extracție cu fosfat de tributil, urmată de proceduri chimice ulterioare. Numărul de produse de fisiune este de aproximativ 300, inclusiv izotopii cu timpi de înjumătățire mai lungi. Acești produse de fisiune sunt izotopi ai multor elemente chimice; prin urmare, procedura chimică este, de obicei, complicată. La început, produsele de fisiune asemănătoare din punct de vedere chimic sunt separate prin metode cum ar fi extracția, schimbul de ioni și precipitarea, iar apoi izotopii individuali sunt separați din grupurile de elemente asemănătoare din punct de vedere chimic.
Ca exemplu de separare a produselor de fisiune, este prezentată aici separarea 140Ba. Soluția de nitrat de plumb se adaugă la soluția de produși de fisiune, iar apoi sulfatul de plumb care conține ioni de 140Ba(II) este precipitat cu acid sulfuric (coprecipitare):
Precipitatul, poluat cu 90Sr, se digeră cu KNaCO3 și se dizolvă în acid azotic. Apoi carbonatul de bariu-plumb se precipită cu carbonat de amoniu și se dizolvă din nou în acid azotic. Precipitarea cu carbonat și dizolvarea cu acid azotic se repetă până când puritatea radioactivă a precipitatului devine ridicată. Când se atinge puritatea dorită, se adaugă acid clorhidric concentrat la soluție la 0°C. Ionii de plumb sunt precipitați sub formă de clorură de plumb, iar ionii de bariu rămân în soluție. Ionii reziduali de plumb sunt eliminați prin electroliză. Prin această metodă se obțin izotopi de 140Ba fără purtători.
Izotopii radioactivi pot fi produși prin iradiere cu particule încărcate (așa cum s-a discutat în secțiunea 6.2.3) în ciclotron (vezi Fig. 8.7), sau în acceleratoare liniare (vezi Fig. 8.8). Această metodă este mai veche decât reacția nucleară cu neutroni din reactoarele nucleare. După cum s-a discutat în secțiunea 6.2.6, elementele transuraniane mai grele au fost produse prin iradiere cu particule încărcate. În timpul producerii izotopilor în acceleratoare, ținta se încălzește foarte tare; prin urmare, răcirea este foarte importantă și se aplică chiar criogeni, dacă este necesar (a se vedea Fig. 8.9). Cerințele față de țintă sunt aceleași ca și în cazul reactoarelor nucleare.
Figura 8.7. (A) Schema de funcționare a ciclotronului. (B) Primul ciclotron din Berkeley (diametrul canalului de accelerare este de aproximativ 12 cm).
Figura 8.8. Schema unui accelerator liniar
Protonii zboară prin tuburile exploatate cu alimentare cu tensiune alternativă. Lungimea tubului este reglată în funcție de frecvența de alterare, astfel încât protonii să întâlnească o tensiune de accelerare ori de câte ori trec de la un tub la altul.
Figura 8.9. Proiectarea țintei criogenice într-un ciclotron.
Reprodus din 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), cu permisiunea Elsevier.
Câțiva izotopi radioactivi sunt produși și prin reacții de spallație (a se vedea secțiunea 7.3.2).
În Fig. 6.7, sunt rezumate diferitele posibilități care conduc la producerea unui nuclid cu un număr atomic Z și un număr de masă A, inclusiv formarea nuclidului prin dezintegrare radioactivă. Atunci când se alege o metodă de producere a izotopilor, trebuie să se țină seama de reacțiile nucleare generale, de cerințele izotopului în ceea ce privește puritatea și utilizarea și de tehnicile disponibile.
.