第二章 放射性核素的制備

第二章放射性核素的制備2023/10/181核技術(shù)應用概論主要內(nèi)容放射性核素的來源反應堆生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素放射性核素發(fā)生器2023/10/182核技術(shù)應用概論引言核技術(shù)應用的基礎是射線與物質(zhì)的相互作用，這些射線可由反應堆、加速器直接提供，也可由放射性同位素衰變獲得。反應堆制備加速器生產(chǎn)本章中將主要介紹人工放射性核素的制備方法。產(chǎn)量大、品種數(shù)量多、生產(chǎn)成本相對低生產(chǎn)能力低，但品種多、所生產(chǎn)的核素多為無載體、比活度高。目前放射性核素生產(chǎn)最主要的方式之一

2023/10/183核技術(shù)應用概論2.1放射性核素的來源分類天然放射性核素人工放射性核素從自然界存在的礦石中提取通過人工干預的核反應制備核反應堆生產(chǎn)、加速器生產(chǎn)和核素發(fā)生器2023/10/184核技術(shù)應用概論2.1.1天然放射性核素天然放射性核素原生放射性核素宇生放射性核素原始存在于自然界中宇宙射線與大氣和地表中的物質(zhì)相互作用生成2023/10/185核技術(shù)應用概論原生放射性核素由三個天然放射性衰變系組成，即釷系(232Th或4n系)，鈾系（238U系或4n+2系），錒系（235U系或4n+3系)共同特點起始都是長壽命元素，壽命大于或接近地球。中間產(chǎn)物都有放射性氣體氡。并有放射性淀質(zhì)生成。最后都生成穩(wěn)定的核數(shù)。2023/10/186核技術(shù)應用概論釷系—4n系鈾系—4n+2系4n表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)其起始元素是通過一系列α衰變最后生成208Pb(穩(wěn)定)表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)+2其起始元素是通過一系列α衰變最后生成206Pb(穩(wěn)定)2023/10/187核技術(shù)應用概論錒系—4n+3系表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)+3其起始元素是235U通過一系列α衰變最后生成207Pb(穩(wěn)定)镎系—4n+1系表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)+1其起始元素是237Np通過一系列α衰變最后生成209Bi(穩(wěn)定)此系非天然放射性，在40年代，已通過各種核反應方法合成了這一放射系的所有成員。其衰變子體中無放射性氣體氡（Rn）2023/10/188核技術(shù)應用概論宇生放射性核素表2-1宇生核素示例核素半衰期起源天然活度14C5730a宇宙射線作用，14N（n，p）14C～15Bq·g-13H12.3a宇宙射線與N和O相互作用；宇宙線散裂；6Li（n，α）3H～1.2×10-3Bq·kg-17Be53.28d宇宙射線與N和O相互作用～0.01Bq·kg-1除上述原生放射性核素外，自然界中一些放射性核素如3H、7Be、14C和22Na，它們是宇宙射線與空氣中的N、O、Li等作用在大氣層中生成的。2023/10/189核技術(shù)應用概論在這些天然放射性核素中，存在著一些重要核素如235U、238U和232Th等。235U和239Pu（238U經(jīng)中子俘獲生成）在熱中子作用下易裂變，而且釋放出巨大的能量（一個235U原子裂變可產(chǎn)生200MeV的能量并產(chǎn)生2～3個中子），已經(jīng)廣泛用于各種放射性核素生產(chǎn)、核能利用等各個方面。232Th由于經(jīng)過快中子轟擊后可生成233U，因此它將是235U資源匱乏時潛在的替代核燃料之一。其它一些核素也有著較為重要的作用，如通過測古代遺物中14C的含量可以推斷該遺物所處年代。該方法自問世以來就被考古學家、古人類學家和地質(zhì)學家所重視，并得到了廣泛的應用。2023/10/1810核技術(shù)應用概論2.1.2人工放射性核素1934年，法國科學家約里奧·居里夫婦用α粒子轟擊鋁發(fā)生核反應獲得了第一個人工放射性核素。之后，人們通過反應堆、加速器等制備了大量的各種人工放射性核素。目前，已發(fā)現(xiàn)的放射性核素有2000多種，其中人工放射性核素就超過1600種。1935年獲諾貝爾化學獎伊雷娜·約里奧—居里和丈夫弗雷德里奧·約里奧—居里2023/10/1811核技術(shù)應用概論人工放射性核素主要是通過中子和帶電粒子如質(zhì)子、氘核等轟擊天然穩(wěn)定核素或235U等易裂變材料使其產(chǎn)生核反應來制備的。分類入射粒子的種類入射粒子的能量中子核反應帶電粒子核反應光核反應重粒子核反應低能核反應（E<50MeV）中能核反應（50MeV<E<1000MeV）高能核反應（E>1000MeV）2023/10/1812核技術(shù)應用概論裂變反應堆回旋加速器核素發(fā)生器“母?！鄙a(chǎn)人工放射性核素的設施和裝置2023/10/1813核技術(shù)應用概論反應堆制備作為人工放射性核素生產(chǎn)的重要設施之一，反應堆可提供不同能譜的中子和較大的輻照空間，具有可同時輻照多種樣品、輻照的樣品量大、靶子制備容易、輻照操作簡便、成本低廉等優(yōu)點。此外，從反應堆運行過程中核燃料因發(fā)生裂變核反應生成的產(chǎn)物中也可提取大量的放射性核素。經(jīng)證實，經(jīng)慢中子誘發(fā)235U裂變的產(chǎn)物約有400種。原子序數(shù)分布在30至65范圍內(nèi)、質(zhì)量數(shù)位于35和139左右的裂變產(chǎn)物具有較大的產(chǎn)額，可大量生產(chǎn)。核反應堆生產(chǎn)放射性核素已成為放射性核素的主要來源。2023/10/1814核技術(shù)應用概論加速器制備用加速帶電粒子轟擊各種靶子物，能引起不同的核反應，生成多種反應堆所不能提供的放射性核素如18F、201Tl等。這也是人工放射性核素最重要的來源之一。加速器能生產(chǎn)的放射性核素品種較多，約占目前已知放射性核素總數(shù)的60%以上。它們多以軌道電子俘獲或β+衰變方式衰變，發(fā)射單純的低能γ射線、X射線或β+射線。靶子物經(jīng)加速器輻照后，通過分離，可以得到無載體的放射性核素，但它的產(chǎn)量遠比反應堆生產(chǎn)的小。2023/10/1815核技術(shù)應用概論核素發(fā)生器制備將反應堆和加速器生產(chǎn)的某些放射性核素制成放射性核素發(fā)生器，可為遠離反應堆和加速器的地方提供短壽命放射性核素。所謂放射性核素發(fā)生器就是一種可從較長半衰期的母體核素中不斷分離出短半衰期子體核素的一種裝置。由于放射性子體核素伴隨母體核素的衰變而不斷累積，可每隔一定時間從母體核素中方便地分離出來并加以收集，這種生產(chǎn)放射性核素的過程又被比較形象地稱為“擠奶”，因而放射性核素發(fā)生器又稱為“母牛”。2023/10/1816核技術(shù)應用概論2.2反應堆生產(chǎn)放射性核素核反應堆上制備放射性核素的方法主要有兩種：（1）通過反應堆產(chǎn)生的中子流照射靶材，直接生產(chǎn)或通過簡單處理生產(chǎn)放射性核素，即（n，γ）法；具有生產(chǎn)能力大、品種多、放射性廢物量小、生產(chǎn)成本低廉等特點。（2）從輻照后的235U等易裂變材料產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物中分離，即（n，f）法。可以提取國防工業(yè)用95Zr（鋯）、144Ce（鈰）等裂片元素，也可大規(guī)模生產(chǎn)99Mo（鉬）、131I（碘）等軍民兩用放射性核素（主要用于醫(yī)學診斷、治療）。2023/10/1817核技術(shù)應用概論2.2.1中子核反應及其特點中子不帶電，當它與原子核作用時，由于不存在庫侖勢壘，因此不同能量的中子均能引發(fā)核反應。能量很低的慢中子和中能中子主要引發(fā)（n，γ）反應，慢中子還能引發(fā)（n，p）反應和（n，α）反應、（n，f）反應等；對于快中子，主要是彈性散射的（n，n）反應和非彈性散射的（n，n′）反應，其次是（n，α）反應、（n，p）反應和（n，γ）反應；高能中子能引起（n，n）反應、（n，n′）反應、（n，p）反應、（n，α）反應、（n，2n）反應、（n，3n）反應等。中子核反應生成的核素通常是豐中子放射性核素，多以β-形式衰變。最主要的核反應類型有（n，γ）、（n，p）、（n，α）、（n，f）、（n，2n），以及多次中子俘獲。2023/10/1818核技術(shù)應用概論1.（n,γ）反應（n,γ）是生產(chǎn)放射性核素最重要、最常用的核反應，利用（n,γ）反應可在反應堆上生產(chǎn)大多數(shù)元素的放射性核素。①通過（n,γ）反應直接生成所需要的放射性核素例如59Co（n,γ）60Co、191Ir（n,γ）192Ir、31P（n,γ）32P等。由于（n,γ）反應直接生成的放射性核素均為靶元素的同位素，不能通過化學方法將目標核素與其靶元素進行分離，因此，所制備的放射性核素一般都是有載體的。2023/10/1819核技術(shù)應用概論②通過（n,γ）反應，再經(jīng)核衰變生成所需要的放射性核素

由于靶元素與目標核素不是同一種元素，因此可通過物理或化學方法將靶子元素與目標核素進行分離，獲得比活度、放射化學純度及放射性核素純度都很高的無載體的目標核素。2023/10/1820核技術(shù)應用概論③通過兩次或兩次以上的（n,γ）反應直接生成所需要的放射性核素，或再經(jīng)過核衰變生成所需要的放射性核素。

④通過（n,γ）反應過程中的熱原子效應，可以得到較高比活度的放射性核素，如用此方法制備51Cr（鉻）、65Zn等。通過熱原子效應生成一系列新的化合物。使分離放射性同位素的復雜問題歸結(jié)為分離不同狀態(tài)的化合物問題。2023/10/1821核技術(shù)應用概論2.（n,f）反應

235U等易裂變核素俘獲中子發(fā)生（n,f）反應，生成數(shù)百種裂變元素，因此裂變產(chǎn)物的組成相當復雜。

以235U為例，它在熱中子引起裂變的產(chǎn)物中包括36種元素的160多種核素（A=72~161）。通過化學分離的辦法可從這些裂變產(chǎn)物中提取在國防工業(yè)和國民經(jīng)濟中有重要應用價值的放射性核素，如90Sr、95Zr、99Mo、131I、137Cs、144Ce等。2023/10/1822核技術(shù)應用概論3.（n,p）反應4.（n,α）反應（n，p）反應要求中子有較高能量，一般由快中子誘發(fā)。由于核內(nèi)勢壘隨原子序數(shù)的增大而增高，因此，（n，p）反應適于制備原子序數(shù)較低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。與（n,γ）反應加β-衰變以及（n，p）反應一樣，利用（n,α）反應也可以生產(chǎn)無載體放射性核素。用富集的6Li生產(chǎn)氚就是采用了該核反應方式，即6Li（n,α）3H。2023/10/1823核技術(shù)應用概論2.2.2反應堆輻照法生產(chǎn)放射性核素反應堆輻照法生產(chǎn)的放射性核素，其產(chǎn)量與產(chǎn)品質(zhì)量不僅受反應堆所能提供的輻照條件與能力影響，而且與核反應的選擇、靶材的制備、提取工藝等因素有關。此外，還必須注意靶件在堆內(nèi)輻照時的安全性。2023/10/1824核技術(shù)應用概論1.

放射性核素生產(chǎn)要求反應堆提供的條件A.

高中子注量率B.

足夠的輻照時間C.

反應堆運行方式D.

反應堆安全保障一般5×1013cm-2·s-1以上，特殊要求在1×1015cm-2·s-1以上多達數(shù)十個的輻照孔道

依據(jù)生產(chǎn)放射性核素半衰期的長短設置不同的運行方式干孔道采用空氣冷卻靶件，濕孔道采用純凈水冷卻靶件2023/10/1825核技術(shù)應用概論2.靶件的制備（1）靶材的選擇與處理A選擇適合的靶材化學形態(tài)B盡可能采用高豐度的靶材元素作為靶材靶材元素含量盡量高、靶材元素的化學純度要高、靶材輻照后易于處理并轉(zhuǎn)化為所需的化學形態(tài)、堆內(nèi)輻照時靶件的穩(wěn)定性（化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性）好。

如，靶材核素112Sn的天然豐度0.96%。用天然的Sn作靶，經(jīng)過（n，γ）反應得到的113Sn含有大量的同位素載體，只有用高富集度的112Sn，才能得到高比活度的113Sn。2023/10/1826核技術(shù)應用概論（2）靶材的結(jié)構(gòu)設計及制備靶件的結(jié)構(gòu)設計包括靶筒結(jié)構(gòu)設計、靶芯的結(jié)構(gòu)（靶子物的形態(tài)）及其在靶筒內(nèi)的分布方式設計。靶件需要根據(jù)反應堆所能提供的輻照孔道的參數(shù)（孔道尺寸、中子類型及中子注量率分布）、靶件裝量及發(fā)熱量、靶件輻照管道冷卻方式以及靶件出入堆的抓取工具等條件設計，以保證輻照時靶件及反應堆的安全。制備輻照靶件時還要考慮靶材裝載量、內(nèi)外包裝形式等2023/10/1827核技術(shù)應用概論（3）輻照靶件的焊封

輻照靶件必須具有良好的密封性，以保證同位素靶件在反應堆輻照過程中不發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏。（4）輻照靶件的質(zhì)量控制

靶件需要經(jīng)過靶件密封性檢測、表面污染等檢測合格后才能入堆輻照。可采用的辦法有工業(yè)CT、中子照相技術(shù)、γ譜儀測量等進行無損檢測！2023/10/1828核技術(shù)應用概論3.

靶件的輻照選擇合適的輻照條件和保證輻照過程的安全是至關重要的。靶件的輻照應注意以下幾點：A

選擇適合的核反應及中子能譜適合在反應堆上生產(chǎn)放射性核素，一般其原子序數(shù)要求在20以上。對于原子序數(shù)位于20~35之間的放射性核素的生產(chǎn)，可以選用能量高的快中子；當原子序數(shù)大于36時，通常選用（n,γ）反應生產(chǎn)放射性核素。2023/10/1829核技術(shù)應用概論B盡可能高的中子注量率C適合的輻照時間反應堆生產(chǎn)放射性核素的產(chǎn)額與中子注量率成正比。因此，應采用盡可能高的中子注量率，以提高目標核素的產(chǎn)額。某一同位素生產(chǎn)靶件的最佳輻照時間可以根據(jù)靶件的輻照產(chǎn)額公式來計算。2023/10/1830核技術(shù)應用概論產(chǎn)額的計算

假設穩(wěn)定核素S被入射粒子轟擊生成放射性核素A，核素A僅以衰變方式減少并且生成穩(wěn)定核素B。

例：在照射時間內(nèi)，核素A的產(chǎn)率與入射粒子注量率Ф（cm-2·s-1）、熱中子俘獲截面σs（b，1b=10-24cm2）和靶核數(shù)Ns成正比，即核素A的生產(chǎn)率為ФσsNs；同進它又隨著λANA的衰變速率而減少。2023/10/1831核技術(shù)應用概論因此，核素A的凈增長率為：

式中NA為照射時間t后核素A的原子數(shù)。初始條件t=0時，NA＝0，則上述微分的方程的解為：

其放射性活度為：

核素A的產(chǎn)生速率核素A的衰變速率飽和因子2023/10/1832核技術(shù)應用概論4.輻照靶件的處理輻照后的靶件處理包括目標放射性物理處理、化學處理及其進一步加工成各種放射性制品。輻照后的靶件一般都需要經(jīng)過化學處理（目標核素的分離與純化）后才能制成滿足用戶需要的放射性核素制品。

化學處理方法有溶劑萃取法、沉淀法、離子交換法、蒸（干）餾、電化學法、熱原子反沖法等。2023/10/1833核技術(shù)應用概論5.放射性核素產(chǎn)品的質(zhì)量放射性核素的產(chǎn)品質(zhì)量是通過物理檢驗、化學檢驗以及生物檢驗等質(zhì)量檢驗方法予以保證的，其產(chǎn)品質(zhì)量指標包括：放射性活度、放射性純度、放射化學純度、化學純度、載體含量及醫(yī)用制劑的無菌、無熱源檢測等。2023/10/1834核技術(shù)應用概論6.某些重要核素的生產(chǎn)工藝表2-2反應堆生產(chǎn)的一些重要放射性核素核素半衰期核反應靶子物生產(chǎn)方法3H12.33a6Li（n，α）3HLi-Mg，Li-Al照射后將靶子在真空中加熱至500℃～600℃以分離14C5730a14N（n，p）14CBe3N2，硝酸鋇靶子用65%的硫酸溶解，加入H2O2，生成的14CO2，14CO，14CH4等用N2氣流帶出，通過750℃的CuO后，生成的14CO2用NaOH吸收，再沉淀成Ba14CO332P14.282d32S（n，p）32P蒸餾純化的硫照射后于180℃下減壓蒸餾除硫，加入0.1mol·L-1HCl和H2O2，加熱純化2h得到H332PO460Co5.271a59Co（n，γ）60Co純度＞98%的Co絲直接可制成各種形式和各種放射性活度的鈷源2023/10/1835核技術(shù)應用概論核素半衰期核反應靶子物生產(chǎn)方法99Mo-99mTc99Mo：2.7477d99mTc：6.006hMoO3粉末溶于10mol·L-1氨水中，除去過量氨，用0.05mol·L-1HCl溶解并調(diào)節(jié)溶液pH為3-4，吸附在氧化鋁柱上，最后用生理鹽水洗脫99mTc113Sn-113mIn112Sn：115.09d113mIn：1.658h錫絲，112Sn富集靶高中子通量照射一年后，用6mol·L-1HCl加熱溶解，蒸干，加Br2水氧化成Sn4+，然后將它吸附在氧化鋯吸附柱上，用0.05mol·L-1HCl洗脫113mIn125I59.407d124Xe氣124Xe氣體靶入堆輻照后，取出、冷卻衰變一星期，然用NaOH吸收125I。131I8.040dTeO2TeO2置于馬弗爐內(nèi)，于750℃～800℃下蒸餾，用NaOH溶液吸收蒸出的131I98Mo（n，γ）99Moβ-，γ112Sn（n，γ）113SnEcIT124Xe（n，γ）125Xeβ－130Te（n，γ）131Teβ－2023/10/1836核技術(shù)應用概論（1）131I干法生產(chǎn)工藝

A

一種是（n，f）法，即235U（n，f）131I，從輻照后的235U靶件中分離裂變產(chǎn)物131I。但提取率較低，并且從大量的裂變產(chǎn)物中提取裂變131I會另外產(chǎn)生大量的放射性廢物。B

另一種是（n，γ）法，即以單質(zhì)碲或碲的各種化合物為原料，入堆輻照后，碲經(jīng)過130Te（n，γ）131Te和β-衰變生成131I，再將131I從靶材料中分離出來。生產(chǎn)方式131I廣泛用于甲狀腺癌、甲亢、甲狀腺機能衰退和其他腎臟疾病的診斷和治療。2023/10/1837核技術(shù)應用概論濕法蒸餾操作過程復雜、由于使用了濃硫酸及過氧化氫，危險性大，操作周期長（>24h），產(chǎn)生大量廢液，很少被用于131I生產(chǎn)。干法蒸餾具有分離時間短，產(chǎn)品回收率高，產(chǎn)品比活度高，雜質(zhì)含量低，不產(chǎn)生廢液。比活度高有利于制備各種標記化合物，制備治療腫瘤用膠囊、微球。碘-131膠囊分離方式：干法蒸餾、濕法蒸餾、電解蒸餾2023/10/1838核技術(shù)應用概論Ａ—過濾器，B—流量計，C—壓力計，D—蒸發(fā)爐，E—純化爐，F(xiàn)—吸收柱，G—閥，Ｈ—活性碳柱，I—活性碳測量柱，J—真空泵圖2-5131I干法生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖主要包括加熱蒸餾、堿液吸收、廢氣處理三部分組成。干法生產(chǎn)裝置2023/10/1839核技術(shù)應用概論①加熱蒸餾裝置

由管式加熱電爐（帶溫度控制儀）、純化加熱爐、石英舟皿、石英加熱管組成。②堿液吸收裝置

由兩級堿液吸收柱組成。第一級吸收柱容積50mL，第二級吸收柱容積250mL。③廢氣處理裝置

廢物處理裝置由三級強堿液洗滌塔組成，每級洗滌塔容積1000mL,堿液濃度為5.0mol·L-1NaOH。除此之外，操作的工作箱或熱室需配置除碘過濾器。2023/10/1840核技術(shù)應用概論將輻照后TeO2裝入石英舟皿內(nèi)，并置于蒸餾爐內(nèi)，連接好系統(tǒng)。將系統(tǒng)加熱到700℃～900℃，131I被蒸餾出來，隨之被載氣載帶至純化爐（200℃～400℃）內(nèi)，隨載氣帶出來的TeO2在此溫度下冷卻并沉積在純化爐中，實現(xiàn)TeO2與131I分離。除去TeO2后的含有131I放射性氣體通過堿液洗滌，被吸收在堿液中。未被吸收的131I主要通過多級堿液洗滌塔（5mol?L-1NaOH溶液）進一步除去尾氣中的131I，以降低131I的排放。干法生產(chǎn)流程2023/10/1841核技術(shù)應用概論國家藥典對Na131I口服液的質(zhì)量要求：產(chǎn)品形狀：無色透明液體；pH=7～9；由γ譜儀檢測131I核素的純度，沒檢測出其它雜質(zhì)核素；放化純大于95%。產(chǎn)品質(zhì)量控制2023/10/1842核技術(shù)應用概論（2）125I循環(huán)回路間歇式生產(chǎn)工藝

125I的性質(zhì)與應用125I的半衰期T1/2=60d,主要釋放27keVX射線，能有效殺滅腫瘤細胞，易屏蔽，對患者及周圍人群輻射劑量較小，對環(huán)境無污染。主要用于前列腺癌、乳腺癌的125I中子源插植治療，有效率達95%以上。125I種子(seed)源2023/10/1843核技術(shù)應用概論（2）125I循環(huán)回路間歇式生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)方式主要核反應目前有兩種生產(chǎn)方法：A

氣體靶法將124Xe封裝在不銹鋼筒內(nèi)制成內(nèi)靶，然后置于高純鋁筒內(nèi)做成輻照靶件入堆輻照。B間歇循環(huán)回路采用這種方法生產(chǎn)125I，不需要制備124Xe氣體靶，該生產(chǎn)辦法相對簡單，得到的125I純度高，生產(chǎn)能力也較前一種辦法高。2023/10/1844核技術(shù)應用概論間歇循環(huán)回路法生產(chǎn)125I的工藝流程

將一定豐度的124Xe氣體通過循環(huán)回路打入位于反應堆內(nèi)的輻照瓶內(nèi)，輻照一定時間（1-1.5T1/2）后，由堆外的衰變瓶將輻照后的124Xe氣體吸入放置衰變3d-5d，大部分125Xe衰變成125I，未被利用的124Xe打回循環(huán)回路。125I用NaOH溶液吸收，產(chǎn)品檢驗合格后再分裝。在循環(huán)回路上可接多個衰變瓶，循環(huán)利用。2023/10/1845核技術(shù)應用概論2.2.3從裂變產(chǎn)物中提取放射性核素反應堆生產(chǎn)放射性核素的第二種方法是從235U等易裂變材料在輻照后產(chǎn)生的裂片元素及超鈾元素中提取放射性核素，它們包括原子序數(shù)很大范圍的放射性核素，通過分離可以獲得比活度很高的裂變放射性核素。2023/10/1846核技術(shù)應用概論1.

裂變核反應圖2-7中子引發(fā)的鈾核裂變示意圖在中子的作用下，重核裂變的產(chǎn)物組成較復雜，以235U為例：2023/10/1847核技術(shù)應用概論2.

裂變產(chǎn)物的組成及其質(zhì)量分布裂變產(chǎn)物的組成是隨時間變化的。當一個可裂變物質(zhì)的靶在反應堆內(nèi)照射了T時間并冷卻t時間后，裂片核素i的放射性Ai可用下式來表示：式中N—可裂變物質(zhì)的原子核數(shù)；

I—中子注量；σ—裂變截面；Yi—核素i的裂變產(chǎn)額；λi—核素i的衰變常數(shù)。在N、I、σ不變的情況下，裂變產(chǎn)物的放射性與裂變產(chǎn)額Yi有關，并隨著T、t而變化。2023/10/1848核技術(shù)應用概論圖2-8不同能量的中子誘發(fā)235U裂變的質(zhì)量-產(chǎn)額圖是指裂變產(chǎn)物的某一種核素或某一質(zhì)量鏈在重核裂變過程中產(chǎn)生的幾率。它通常用每100次核裂變產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物原子數(shù)來表示（%）。

裂變產(chǎn)額“雙駝峰”曲線2023/10/1849核技術(shù)應用概論3.

裂變產(chǎn)物分離離子交換分離溶劑萃取分離萃取色層分離沉淀分離法其它方法A裂片元素的分離方法選擇性好，回收率高、易于實現(xiàn)自動化操作、易于放射性屏蔽簡便、快速、選擇性高、易于連續(xù)操作和遠距離控制對于性質(zhì)相似的元素的分離更能顯示其優(yōu)越性操作繁雜、程序冗長、回收率和去污率較低超臨界流體萃取法和采用離子液體為萃取介質(zhì)的方法2023/10/1850核技術(shù)應用概論B長壽命裂片元素及超鈾元素的分離目前，長壽命裂片核素及超鈾核素主要從生產(chǎn)堆卸出的乏燃料中提取。乏燃料的后處理主要目的是回收235U，并提取軍用核素239Pu。在235U、239Pu提取回收后，其它的裂變產(chǎn)物和超鈾元素全部轉(zhuǎn)入廢液中。關于裂變產(chǎn)物核素的分離和分析有許多專著可供借鑒和參考，如美國曼哈頓計劃中有關裂變產(chǎn)物的分離分析專著《RadiochemicalStudies：TheFissionProducts》

2023/10/1851核技術(shù)應用概論C中短壽命裂片元素的分離①裂變99Mo的提取

235U裂變生成99Mo產(chǎn)額為6.06%，可以從235U的裂變產(chǎn)物中大量提取99Mo。裂變99Mo的提取一般采用Al2O3色層分離、HDEHP溶劑萃取或萃取色層分離、α—安息香肟沉淀分離法等。下面以日本開展的裂變99Mo生產(chǎn)為例介紹裂變99Mo生產(chǎn)技術(shù)。99Mo、131I在醫(yī)學上需求量較大，這里主要介紹它們的提取。2023/10/1852核技術(shù)應用概論A、235U靶件的制備圖2-9235U靶件結(jié)構(gòu)圖

把24gUO2壓制成圓片狀，燒結(jié)處理。5片裝入不銹鋼包殼內(nèi)。2023/10/1853核技術(shù)應用概論B、235U靶件的輻照及冷卻

輻照條件：中子注率量2×1013cm-2·s-1~3×1013cm-2·s-1，

輻照4d~7d。冷卻時間：2d。冷卻2d后，一個靶件將產(chǎn)生2.81×1012Bq99Mo、4.1×1012Bq131I、2.59×1012Bq133Xe等裂片元素。2023/10/1854核技術(shù)應用概論裂變99Mo提取流程C、輻照后235U靶件的處理

2023/10/1855核技術(shù)應用概論表2-3裂變99Mo中放射性雜質(zhì)含量放射性雜質(zhì)半衰期比活度（與99Mo之比）131I8.05d1×10-5103Ru39.5d5×10-795Nb35.0d2×10-6141Ce32.5d1×10-5789Sr52.7d＜6×10-691Y58.8d＜9×10-895Zr65.5d＜5×10-9132Te77.7d＜1×10-4137Cs30.0d＜3×10-9140Ba12.8d＜2×10-7239Np2.346d＜2×10-3注：輻照時間7d，測量時間為輻照之后7d。2023/10/1856核技術(shù)應用概論②裂變131I的提取裂變131I是裂變法生產(chǎn)99Mo時的副產(chǎn)物之一，由于裂變131I的產(chǎn)額為3.1%，因此可以從裂變產(chǎn)物中大規(guī)模生產(chǎn)131I。裂變同位素生產(chǎn)過程中，在切割和酸性溶解時都有131I逸出，采用負壓方式可將其收集；不管采用何種方式溶靶，留在溶液中的131I一般都采用先酸化、后蒸餾或熱氣載帶等措施使其分離出來。下面簡單介紹比利時國家放射元素研究院（IRE）從堿性溶靶溶液中分離純化131I的工藝流程。2023/10/1857核技術(shù)應用概論圖2-12IRE裂變同位素99Mo、131I、133Xe分離流程圖堿性溶靶時，大部分裂變產(chǎn)物以固態(tài)形式存在，只有少量的其它裂變元素與鉬一起溶解。溶解出的放射性雜質(zhì)較酸性溶靶少。2023/10/1858核技術(shù)應用概論4.

利用溶液堆生產(chǎn)放射性核素溶液堆（Solutionreactor）是20世紀40年代提出的一種堆型，它使用的核燃料不是通常的固體燃料棒形式，而是易裂變物質(zhì)如235U的均相水溶液，所以又稱為均勻水溶液堆（Aqueoushomogeneoussolutionreactor）。2023/10/1859核技術(shù)應用概論（1）水溶液堆的發(fā)展概況

1944年，RichardFeynman首次提出，該反應堆型中所用的核材料不是通常使用的固體燃料，而是溶解在普通輕水中的高豐度鈾鹽（如硝酸鈾?；蛄蛩徕欟＃┤芤?。同年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）建成世界上第一座功率為0.01kW的均勻性溶液堆（LOPO）。20世紀90年代，由于99Mo、89Sr、131I等醫(yī)用同位素的使用量急劇增加，傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足人們的需要。由于利用溶液堆生產(chǎn)裂變元素的周期短、產(chǎn)量大、操作簡便（無靶件制備、運輸、切割、溶解等工序）、鈾利用率高、廢物產(chǎn)生量小等特點，人們開始了利用溶液堆進行醫(yī)用同位素生產(chǎn)的研究。美國Babcok&Wicos（B&W）公司提出的“MIPR”。2023/10/1860核技術(shù)應用概論（2）水溶液堆的特點MIPR負溫度系數(shù)大，具有反應自調(diào)節(jié)性，固有安全性好。水溶液堆的建堆成本較低。總成本不足靶件輻照堆的1/2;水溶液堆生產(chǎn)能力大。理論上200kW功率的堆，全年可生產(chǎn)100000Ci的99Mo、20000Ci的131I、40000Ci的89Sr。235U的需要量少，但利用率高。放射性核素提取工藝簡單、放射性廢物量少。水溶液堆是進行醫(yī)用同位素生產(chǎn)的一種理想堆型。2023/10/1861核技術(shù)應用概論2.3加速器生產(chǎn)放射性核素核反應堆雖然可大量生產(chǎn)放射性核素，但核素品種和性質(zhì)并不能完全滿足應用上的需要。用可制備很多品種的放射性核素，這些放射性核素大多數(shù)因核內(nèi)中子貧乏而以正電子或低能γ射形式衰變，半衰期一般較短，比活度高，并且可以得到無載體放射性核素，盡管它的生產(chǎn)能力較低，但由于它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，尤其是在生物醫(yī)學方面具有特殊的用途，其用量不斷增加，現(xiàn)已成為放射性核素生產(chǎn)不可缺少的手段。2023/10/1862核技術(shù)應用概論2.3.1加速器生產(chǎn)放射性核素的發(fā)展簡史1934年人工放射性核素發(fā)現(xiàn)后，回旋加速器就用于放射性核素的制備，使人工放射性核素在三年內(nèi)就從3個增加到197個。1945年后，反應堆開始大量生產(chǎn)并供應廉價的放射性核素。從20世紀60年代初到現(xiàn)在，世界上用于生產(chǎn)放射性核素的加速器從不到5臺猛增到數(shù)百臺；并且新增加的核醫(yī)學診斷用核素中80％是用加速器生產(chǎn)的。近年來，醫(yī)學診斷用貧中子放射性核素的消費量逐漸增大，有些核素的作用出現(xiàn)了逐漸取代部分反應堆生產(chǎn)的放射性核素的趨勢。2023/10/1863核技術(shù)應用概論2.3.2加速器的組成及分類加速器主要由三個部分組成：離子源用于提供所需加速的電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子以及重離子等粒子；真空加速系統(tǒng)該系統(tǒng)中有一定形態(tài)的加速電場，為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速，整個系統(tǒng)放在真空度極高的真空室內(nèi)；導引、聚焦系統(tǒng)用一定形態(tài)的電磁場來引導并約束被加速的粒子束，使之沿預定軌道接受電場的加速。衡量一個加速器的性能的指標有兩個：一是粒子所能達到的能量；二是粒子流的強度（流強）。加速器按其作用原理不同可分為靜電加速器、直線加速器、回旋加速器、電子感應加速器、同步回旋加速器、對撞機等。2023/10/1864核技術(shù)應用概論高壓倍加加速器靜電加速器回旋加速器直線加速器2023/10/1865核技術(shù)應用概論1.高壓倍加加速器Cockcroft-Waltonaccelerator這是最早用來加速粒子的高壓裝置。它利用倍壓整流的原理制成的。雖然加速后粒子的能量在1MeV左右，但用它得到的束流強，因此至今仍有實驗室使用它來加速粒子。2023/10/1866核技術(shù)應用概論2.靜電加速器VandeGraffaccelerator圖2-19范得格拉夫靜電加速器示意圖靜電加速器是利用靜電高壓加速帶電粒子的裝置，用以加速電子或質(zhì)子。輸電帶將噴電針電暈放電的電荷輸送到一個絕緣的空心金屬電極內(nèi)，使之充電至高電壓以加速帶電粒子。2023/10/1867核技術(shù)應用概論3.回旋加速器圖2-20

回旋加速器示意圖

回旋加速器是利用磁場使帶電粒子作回旋運動，在運動中經(jīng)高頻電場反復加速的裝置。2023/10/1868核技術(shù)應用概論4.直線加速器直線加速器是利用沿直線軌道分布的高頻電場加速電子、質(zhì)子和重離子的裝置。2023/10/1869核技術(shù)應用概論2.3.3加速器生產(chǎn)放射性核素的特點帶電粒子核反應的庫侖勢壘高，適于制備輕元素的放射性核素如11C、13N、15O和18F等。加速器生產(chǎn)核素時，入射粒子是帶電粒子，所生成的放射性核素都是貧中子的核素。加速器生產(chǎn)的放射性核素，一般與與靶核不是同一元素，故易于用化學分離，制得高比活度或無載體的放射性核素。加速器生產(chǎn)放射性核素也有一些缺點，如大部分核素的生產(chǎn)能力要比反應堆生產(chǎn)小得多，生產(chǎn)成本高；制備靶及靶冷卻技術(shù)難度大；較短的半衰期使它的使用范圍（時間、空間）受到限制。2023/10/1870核技術(shù)應用概論2.3.4加速器生產(chǎn)放射性核素的核反應類型加速器生產(chǎn)放射性核素中發(fā)生的主要核反應有：采用α粒子引發(fā)的核反應、氘核引發(fā)核反應、質(zhì)子核反應、3He引起的核反應等。由α粒子引發(fā)的核反應（α，n）、（α，p）、（α，2n）等。氘核反應有（d，n）、（d，2n）、（d，α）反應。質(zhì)子引發(fā)的(p，n)反應是加速器生產(chǎn)放射性核素的主要核反應。3He引起的核反應有（3He，n）、（3He，2n）、（3He，p）等。2023/10/1871核技術(shù)應用概論2.3.5加速器生產(chǎn)放射性核素加速器參數(shù)核反應產(chǎn)額產(chǎn)品核純度A

核反應的選擇①帶電粒子束必須具有足夠的能量②帶電粒子束必須具有足夠的粒子流量

入射粒子靜止質(zhì)量越小，能量越大，靶核原子序數(shù)越小，則產(chǎn)額越大

發(fā)生核反應時，可能同時會發(fā)生競爭反應，從而導致產(chǎn)品純度不高，需要選擇合適的核反應及入射粒子能量

2023/10/1872核技術(shù)應用概論B加速器用靶件的制備

固體靶

液體靶和氣體靶

①內(nèi)靶方式是將靶件放在加速器的真空室內(nèi)照射，其生產(chǎn)效率高，但操作復雜。②外靶方式是將粒子束引出真空室，在真空室外面照射靶件。有專門的靶材料液體/氣體進出管道

合適的厚度、耐高溫、導熱性能好、熱穩(wěn)定性好、熔點高2023/10/1873核技術(shù)應用概論C輻照產(chǎn)額計算帶電粒子引起核反應的反應截面，強烈地依賴于轟擊粒子的能量。這種核反應截面隨入射粒子通量變化的函數(shù)關系，稱激發(fā)函數(shù)。已知激發(fā)函數(shù)后，“厚靶”輻照時所期望獲得的放射性核素總放射性量A可表示如下：

當輻照時間顯著小于（至少5倍）同位素的半衰期時，上式可近似表示如下：2023/10/1874核技術(shù)應用概論D輻照靶件的處理粒子束轟擊后的靶件經(jīng)各種物理、化學方法處理后，可得到無載體的放射性核素。對于固體靶，當產(chǎn)物為123I、75Br等易揮發(fā)物質(zhì)時，可通過干法蒸餾技術(shù)進行分離提取，固體靶還可反復使用；當產(chǎn)物為難揮發(fā)物質(zhì)時，必須將靶材料進行溶解、萃取、層析或共沉淀等操作，過程繁瑣，靶件一次性使用。液體靶和氣體靶件的處理相對要簡單些。但不管何種靶件，要求選用的流程效率高、不引入載體、周期短。對壽命很短的放射性核素還要求能在線直接合成標記化合物。2023/10/1875核技術(shù)應用概論2.3.6加速器生產(chǎn)放射性核素的應用在工業(yè)和科學研究中，57Co、22Na、109Cd可作為穆斯堡爾效應、正電子湮沒技術(shù)、X射線熒光分析用的放射源。在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護中，47K、74As、203Pb可用作示蹤原子。在醫(yī)學上的應用更為廣泛，檸檬酸67Ga用于腫瘤診斷，能顯示其部位，也能用于淋巴結(jié)、肺、骨等顯像；111In標記的二亞乙基三胺五乙酸可用于腦顯像；123I標記的碘化鈉用于診斷甲狀腺疾病時，對病人產(chǎn)生的輻射劑量只有131I的百分之一等。2023/10/1876核技術(shù)應用概論2.3.7加速器生產(chǎn)放射性核素123I1.直接法制備直接法制備123I需要中、低能加速器，用質(zhì)子或氘在富集Te同位素上引發(fā)核反應。Te靶制備中使用高豐度的Te同位素如124Te、123Te和122Te的氧化物，通過加熱將這些氧化物熔融在Pt盤內(nèi)形成輻照靶。照射后的靶需要經(jīng)過化學方法分離出123I。123I的化學分離方法多用干法蒸餾法。其具有操作簡單、蒸餾時間短（幾分鐘）、回收率高（接近100%）、放射性廢物量小等優(yōu)點2023/10/1877核技術(shù)應用概論2.間接法制備國際上主要發(fā)展的間接法有：127I（p，5n）123Xe→123I、124Xe（p，x）123I和124Xe（γ，n）123Xe→123I。間接法生產(chǎn)123I需要使用中、高能回旋加速器或電子加速器，主要雜質(zhì)為半衰期60d的125I。20世紀80年代，出現(xiàn)了采用高富集度的124Xe通過124Xe（p，x）123I

反應生產(chǎn)123I

的方法。也有用高富集度124Xe、電子加速器，通過124Xe（γ，n）123Xe核反應也可制備123I。2023/10/1878核技術(shù)應用概論2.4放射性核素發(fā)生器

1920年，F(xiàn)ailla從226Ra中分離出222Rn，從而提出發(fā)生器的概念。1951年美國的MW格林等人研制出世界上第一個人工放射性核素發(fā)生器132Te-132I發(fā)生器。它通過簡單的操作，能定期從長壽命的母體核素中分離出短壽命子體核素，為短壽命子體核素的應用，特別是在那些遠離反應堆和不具備加速器的地方應用提供了有利條件。目前放射性核素發(fā)生器應用最多