8.5.2 Trazadores radiactivos artificiales
En los reactores nucleares, los trazadores radiactivos pueden ser producidos por reacciones nucleares con neutrones o por el reprocesamiento de elementos combustibles gastados (productos de fisión y elementos transuránicos). Los productos de fisión también pueden obtenerse mediante la radiación del uranio como blanco. En los aceleradores (ciclotrones o aceleradores lineales), los blancos se irradian con partículas cargadas positivamente. Las características generales de las reacciones nucleares se analizan en el capítulo 6, Reacciones nucleares. Los trazadores radiactivos más importantes se muestran por separado en la Sección 8.6.
La preparación de trazadores radiactivos consta de dos pasos: la preparación del isótopo por reacción nuclear y la preparación del compuesto deseado por procesos químicos. En la mayoría de los procesos de irradiación, las especies químicas del blanco y del producto son diferentes, es decir, no siempre se pueden producir directamente las especies químicas necesarias para la aplicación. Esto se debe a dos procesos principales. En primer lugar, durante la irradiación puede producirse la radiolisis del blanco, lo que provoca el cambio de la especie química. En segundo lugar, los demás componentes del blanco también pueden transformarse en reacciones nucleares; y el producto puede contener también otros isótopos radiactivos. Además, otras reacciones que pueden conducir a la formación de productos secundarios no deseados son las reacciones nucleares de los otros isótopos e impurezas químicas del blanco, y las reacciones nucleares secundarias con los isótopos radiactivos ya producidos.
El blanco tiene que ser seleccionado de manera que la cantidad del producto contaminante se mantenga al mínimo. Por esta razón, el blanco tiene que ser una sustancia muy pura y, si es posible, en forma elemental. Los óxidos y los carbonatos también son adecuados porque se pueden ignorar las reacciones nucleares del oxígeno y del carbono, y los productos son isótopos estables.
Cuando los otros nucleidos del elemento irradiado entran en reacciones nucleares produciendo isótopos radiactivos no deseados, el blanco tiene que ser enriquecido después de la irradiación, es decir, la concentración del isótopo tiene que ser aumentada. Por ejemplo, la plata natural consta de dos isótopos: 107Ag y 109Ag. Al irradiar la plata con neutrones, se producen los isótopos 108Ag y 110Ag en una reacción (n,γ). Cuando sólo se necesita uno de estos isótopos, los isótopos de la plata se pueden separar por espectrometría de masas.
Los blancos enriquecidos se utilizan cuando la concentración del nucleido objetivo es muy baja en la sustancia con una relación isotópica natural. Por ejemplo, el isótopo 18F se produce a partir del 18O por irradiación de protones. En el caso de blancos enriquecidos, la actividad específica del nucleido producto también aumenta.
En algunas reacciones nucleares, también pueden tener lugar reacciones nucleares secundarias. Por ejemplo, en la producción de 125I, se produce la reacción nuclear posterior de 125I 125I(n,γ)126I. El efecto de las reacciones nucleares secundarias puede limitarse controlando el tiempo de irradiación o enfriando el isótopo indeseable si su vida media es más corta que la del producto principal.
Los isótopos radiactivos deseados pueden separarse por métodos radioquímicos (como la cromatografía, el intercambio iónico, la destilación, la sublimación, la precipitación y la termocromatografía). Cuanto más sencillo sea el método, mejor.
Como se ha mencionado anteriormente, los isótopos radiactivos tienen que ser manipulados aún más para obtener los compuestos químicos necesarios para la aplicación específica, lo que incluye las condiciones de producción (pH, potencial redox, etc.), las reacciones químicas y los procedimientos de purificación.
Es importante recordar durante la producción del isótopo radiactivo que un isótopo libre de portador o que sólo contenga un portador mínimo tiene un alto nivel de actividad específica. Los isótopos libres de portador pueden producirse en reacciones nucleares en las que el número atómico cambia o el nucleido hijo del producto es también radiactivo, y pueden separarse del nucleido padre producido por la reacción nuclear. Por ejemplo, la reacción de Szilard-Chalmers puede utilizarse para producir ciertos isótopos radiactivos sin portador. Este método se basa en el retroceso del isótopo radiactivo producido, lo que lleva a romper su enlace químico. De este modo, se forma un nuevo compuesto químico, y el blanco y el producto, que contienen diferentes isótopos de los mismos elementos, pueden separarse mediante procedimientos químicos porque los isótopos radiactivos y los inactivos se encuentran en compuestos químicos diferentes. Por ejemplo, en las reacciones nucleares de 127I(n,γ)128I, el yodo del blanco puede ser un compuesto orgánico o yodato, y el yodo radiactivo está presente como ion yoduro. Los isótopos de bromo y cloro tienen reacciones nucleares y de Szilard-Chalmers similares. Además, se pueden utilizar las mismas reacciones para los isótopos inactivos de cromo, manganeso, fósforo y arsénico en iones de cromato, manganato, fosfato y arsenato. Los isótopos radiactivos sin portador con alta actividad específica pueden producirse mediante reacciones nucleares con altas secciones transversales, especialmente cuando la vida media del producto es demasiado corta para permitir la irradiación durante un tiempo adecuadamente largo, es decir, la actividad máxima del producto radiactivo puede aproximarse (véase la sección 6.1 y las ecuaciones (6.9) y (6.11)).
Como se discutió en la sección 6.2.1, las reacciones nucleares con neutrones pueden crearse fácilmente en los reactores nucleares. Los isótopos radiactivos pueden ser producidos por la irradiación de una sustancia objetivo situada en los canales de irradiación de los reactores nucleares. La otra posibilidad de producción de radionúclidos en los reactores nucleares es el reprocesamiento de los elementos combustibles gastados. De este modo se pueden obtener productos de fisión e isótopos de elementos transuránicos. Los dos métodos pueden combinarse: un blanco que contenga el isótopo 235U puede irradiarse en los canales de irradiación del reactor y, a continuación, los isótopos radiactivos pueden separarse del blanco. Este procedimiento es significativo en la producción de productos de fisión con vidas medias cortas.
Como se discutió en la sección 7.3.2, el primer paso del reprocesamiento de los elementos de combustible gastado (o del 235U irradiado) es la separación de los elementos de transuranio, en la mayoría de los casos mediante la extracción con fosfato de tributo, seguida de procedimientos químicos posteriores. El número de productos de fisión es de unos 300, incluidos los isótopos con vidas medias más largas. Estos productos de fisión son los isótopos de muchos elementos químicos, por lo que el procedimiento químico suele ser complicado. Al principio, los productos de fisión químicamente similares se separan por métodos como la extracción, el intercambio de iones y la precipitación, y luego los isótopos individuales se separan de los grupos de los elementos químicamente similares.
Como ejemplo de la separación de los productos de fisión, se muestra aquí la separación de 140Ba. Se añade una solución de nitrato de plomo a la solución de productos de fisión, y a continuación se precipita con ácido sulfúrico el sulfato de plomo que contiene iones de 140Ba(II) (coprecipitación):
El precipitado, contaminado con 90Sr, se digiere con KNaCO3 y se disuelve en ácido nítrico. A continuación, el carbonato de bario-plomo se precipita con carbonato de amonio y se disuelve de nuevo en ácido nítrico. La precipitación con carbonato y la disolución con ácido nítrico se repiten hasta que la pureza radiactiva del precipitado sea elevada. Cuando se alcanza la pureza deseada, se añade ácido clorhídrico concentrado a la solución a 0°C. Los iones de plomo se precipitan como cloruro de plomo y los iones de bario permanecen en la solución. Los iones de plomo residuales se eliminan por electrólisis. Con este método se obtienen isótopos de 140Ba libres de portadores.
Los isótopos radiactivos pueden producirse por irradiación con partículas cargadas (como se ha comentado en el apartado 6.2.3) en ciclotrón (véase la Fig. 8.7), o en aceleradores lineales (véase la Fig. 8.8). Este método es más antiguo que la reacción nuclear con neutrones en los reactores nucleares. Como se ha comentado en el apartado 6.2.6, los elementos transuránicos más pesados se han producido por irradiación con partículas cargadas. Durante la producción de isótopos en los aceleradores, el blanco se calienta mucho; por lo tanto, la refrigeración es muy importante, e incluso se aplican criógenos, si es necesario (véase la Fig. 8.9). Los requisitos para el blanco son los mismos que en los reactores nucleares.
Figura 8.7. (A) El esquema del ciclotrón. (B) El primer ciclotrón de Berkeley (el diámetro del canal de aceleración es de unos 12 cm).
Figura 8.8. Esquema de un acelerador lineal
Los protones vuelan a través de los tubos operados con alimentación de tensión alterna. La longitud del tubo se ajusta en relación con la frecuencia de alteración para que los protones se encuentren con una tensión de aceleración cada vez que pasan de un tubo al siguiente.
Figura 8.9. El diseño del blanco criogénico en un ciclotrón.
Reproducido de Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Consideraciones sobre el diseño de objetivos criogénicos para la producción de fluoruro a partir de dióxido de carbono enriquecido. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), con permiso de Elsevier.
Algunos isótopos radiactivos se producen también por reacciones de espalación (véase la sección 7.3.2).
En la Fig. 6.7 se resumen las diferentes posibilidades que conducen a la producción de un nucleido con un número atómico Z y un número másico A, incluyendo la formación del nucleido por desintegración radiactiva. A la hora de seleccionar un método de producción de isótopos, hay que tener en cuenta las reacciones nucleares generales, los requisitos del isótopo en términos de pureza y uso, y las técnicas disponibles.