Radioaktiva spårämnen

8.5.5.2 Konstgjorda radioaktiva spårämnen

I kärnreaktorer kan radioaktiva spårämnen framställas genom kärnreaktioner med neutroner eller genom upparbetning av använda bränslematerial (klyvningsprodukter och transuranelement). Klyvningsprodukter kan också erhållas genom strålning av uran som måltavla. I acceleratorer (cyklotroner eller linjära acceleratorer) bestrålas målen med positivt laddade partiklar. De allmänna egenskaperna hos kärnreaktioner diskuteras i kapitel 6, Kärnreaktioner. De viktigaste radioaktiva spårämnena visas separat i avsnitt 8.6.

Förberedelsen av radioaktiva spårämnen består av två steg: beredning av isotopen genom kärnreaktion och beredning av den önskade föreningen genom kemiska processer. I de flesta bestrålningsprocesser är de kemiska arterna hos målet och produkten olika, dvs. de kemiska arterna som behövs för tillämpningen kan inte alltid framställas direkt. Två huvudprocesser är ansvariga för detta. För det första kan radiolys av målet äga rum under bestrålningen, vilket leder till en förändring av den kemiska arten. För det andra kan målets övriga beståndsdelar också omvandlas i kärnreaktioner, och produkten kan också innehålla andra radioaktiva isotoper. Ytterligare reaktioner som kan leda till bildning av oönskade biprodukter är dessutom kärnreaktioner av målets övriga isotoper och kemiska föroreningar samt sekundära kärnreaktioner med de redan producerade radioaktiva isotoperna.

Målet måste väljas så att mängden av den förorenande produkten hålls på ett minimum. Därför måste målet vara ett mycket rent ämne och om möjligt i elementär form. Oxider och karbonater är också lämpliga eftersom syrets och kolets kärnreaktioner kan ignoreras och produkterna är stabila isotoper.

När de andra nukliderna i det bestrålade grundämnet går in i kärnreaktioner som ger upphov till oönskade radioaktiva isotoper, måste målet anrikas efter bestrålningen, det vill säga koncentrationen av isotopen måste ökas. Naturligt silver består till exempel av två isotoper: 107Ag och 109Ag. Genom bestrålning av silver med neutroner bildas 108Ag- och 110Ag-isotoper i en (n,γ)-reaktion. När endast en av dessa isotoper behövs kan silverisotoper separeras med masspektrometri.

Anrikade mål används när koncentrationen av målnykliden är mycket låg i ämnet med ett naturligt isotopförhållande. Exempelvis framställs 18F-isotopen från 18O genom protonbestrålning. Vid anrikade mål ökar också den specifika aktiviteten hos produktnykliden.

I vissa kärnreaktioner kan också sekundära kärnreaktioner äga rum. Vid produktion av 125I sker till exempel en efterföljande kärnreaktion av 125I: 125I(n,γ)126I. Effekten av de sekundära kärnreaktionerna kan begränsas genom att kontrollera bestrålningstiden eller kyla den oönskade isotopen om dess halveringstid är kortare än huvudproduktens.

De önskade radioaktiva isotoperna kan separeras med radiokemiska metoder (t.ex. kromatografi, jonbyte, destillation, sublimering, utfällning och termokromatografi). Ju enklare metoden är, desto bättre.

Som tidigare nämnts måste de radioaktiva isotoperna manipuleras ytterligare för att erhålla de kemiska föreningar som behövs för den specifika tillämpningen, vilket inkluderar produktionsförhållanden (pH, redoxpotential etc.), kemiska reaktioner och reningsförfaranden.

Det är viktigt att komma ihåg under framställningen av den radioaktiva isotopen att en bärarfri eller bara minimalt bärarhaltig isotop har en hög nivå av specifik aktivitet. Bärarfria isotoper kan framställas i kärnreaktioner där atomnumret ändras eller där produktens dotternuklid också är radioaktiv, och de kan separeras från den modernuklid som produceras av kärnreaktionen. Exempelvis kan Szilard-Chalmers-reaktionen användas för att producera vissa bärarfria radioaktiva isotoper. Denna metod bygger på att den producerade radioaktiva isotopen rekylerar, vilket leder till att dess kemiska bindning bryts. På så sätt bildas en ny kemisk förening, och målet och produkten, som innehåller olika isotoper av samma grundämnen, kan separeras genom kemiska förfaranden eftersom de radioaktiva och inaktiva isotoperna finns i olika kemiska föreningar. I 127I(n,γ)128I-kärnreaktioner kan t.ex. jodet i målet vara en organisk förening eller jodat, och det radioaktiva jodet finns som jodidjon. Brom- och klorisotoper har liknande kärnreaktioner och Szilard-Chalmers-reaktioner. Dessutom kan samma reaktioner användas för de inaktiva krom-, mangan-, fosfor- och arsenikisotoperna i kromat-, manganat-, fosfat- och arsenatjoner. Bärarlösa radioaktiva isotoper med hög specifik aktivitet kan framställas genom kärnreaktioner med höga tvärsnitt, särskilt när produktens halveringstid är för kort för att möjliggöra bestrålning under en lämpligt lång tid, dvs. den radioaktiva produktens maximala aktivitet kan närma sig (se avsnitt 6.1 och ekv. (6.9) och ekv. (6.11)).

Som diskuterats i avsnitt 6.2.1 kan kärnreaktioner med neutroner lätt skapas i kärnreaktorer. Radioaktiva isotoper kan framställas genom bestrålning av ett målämne som befinner sig på bestrålningskanalerna i kärnreaktorerna. Den andra möjligheten att framställa radionuklider i kärnreaktorer är upparbetning av använda bränsleelement. Klyvningsprodukter och isotoper av transuranelement kan erhållas på detta sätt. De två metoderna kan kombineras: ett mål som innehåller 235U-isotopen kan bestrålas i reaktorns bestrålningskanaler, och sedan kan de radioaktiva isotoperna separeras från målet. Detta förfarande är betydelsefullt vid framställning av fissionsprodukter med kort halveringstid.

Som diskuteras i avsnitt 7.3.2 är det första steget i upparbetningen av använda bränsleelement (eller det bestrålade 235U) separering av transuranelement, i de flesta fall genom extraktion med tributylfosfat, följt av efterföljande kemiska förfaranden. Antalet klyvningsprodukter är cirka 300, inklusive isotoper med längre halveringstider. Dessa fissionsprodukter är isotoper av många kemiska grundämnen; därför är det kemiska förfarandet vanligtvis komplicerat. Först separeras de kemiskt likartade fissionsprodukterna genom sådana metoder som extraktion, jonbyte och fällning, och sedan separeras de enskilda isotoperna från grupperna av kemiskt likartade grundämnen.

Fällningen, som är förorenad med 90Sr, smälts med KNaCO3 och löses i salpetersyra. Därefter fälls bariumblykarbonat med ammoniumkarbonat och löses återigen i salpetersyra. Utfällningen med karbonat och upplösningen med salpetersyra upprepas tills utfällningens radioaktiva renhet blir hög. När önskad renhet har uppnåtts tillsätts koncentrerad saltsyra till lösningen vid 0 °C. Blyjoner fälls ut som blyklorid och bariumjoner finns kvar i lösningen. De kvarvarande blyjonerna avlägsnas genom elektrolys. Med denna metod erhålls bärarfria 140Ba isotoper.

Radioaktiva isotoper kan framställas genom bestrålning med laddade partiklar (som diskuteras i avsnitt 6.2.3) i cyklotron (se fig. 8.7), eller i linjäracceleratorer (se fig. 8.8). Denna metod är äldre än kärnreaktionen med neutroner i kärnreaktorer. Som diskuterats i avsnitt 6.2.6 har de tyngre transuranelementen framställts genom bestrålning med laddade partiklar. Under isotoptillverkningen i acceleratorer blir målet mycket varmt; därför är kylningen mycket viktig, och även kryogener används vid behov (se fig. 8.9). Kraven på målet är desamma som i kärnreaktorer.

Figur 8.7. (A) Schema för cyklotron. (B) Den första cyklotronen i Berkeley (accelerationskanalens diameter är ca 12 cm).

Figur 8.8. Schema för en linjär accelerator

Protoner flyger genom rören som drivs med växelspänning. Rörets längd justeras i förhållande till växlingsfrekvensen så att protonerna möter en accelererande spänning varje gång de passerar från ett rör till nästa.

Figur 8.9. Utformningen av det kryogena målet i en cyklotron.

Upptryck från Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Överväganden om utformning av kryogena mål för produktion av fluorid från anrikad koldioxid. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), med tillstånd från Elsevier.

Vissa radioaktiva isotoper produceras också genom spallationsreaktioner (se avsnitt 7.3.2).

I figur 6.7 sammanfattas de olika möjligheter som leder till produktion av en nuklid med ett Z-atomnummer och ett A-massatal, inklusive bildandet av nukliden genom radioaktivt sönderfall. När man väljer en metod för isotopframställning ska man ta hänsyn till de allmänna kärnreaktionerna, isotopens krav på renhet och användning samt de tillgängliga teknikerna.