第二章 放射性核素的制备

第二章放射性核素的制备2020/2/18核技术应用概论2主要内容放射性核素的来源反应堆生产放射性核素加速器生产放射性核素放射性核素发生器2020/2/18核技术应用概论3引言核技术应用的基础是射线与物质的相互作用，这些射线可由反应堆、加速器直接提供，也可由放射性同位素衰变获得。反应堆制备加速器生产本章中将主要介绍人工放射性核素的制备方法。产量大、品种数量多、生产成本相对低生产能力低，但品种多、所生产的核素多为无载体、比活度高。目前放射性核素生产最主要的方式之一2020/2/18核技术应用概论42.1放射性核素的来源分类天然放射性核素人工放射性核素从自然界存在的矿石中提取通过人工干预的核反应制备核反应堆生产、加速器生产和核素发生器2020/2/18核技术应用概论52.1.1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线与大气和地表中的物质相互作用生成2020/2/18核技术应用概论6原生放射性核素由三个天然放射性衰变系组成，即钍系(232Th或4n系)，铀系（238U系或4n+2系），锕系（235U系或4n+3系)共同特点✰起始都是长寿命元素，寿命大于或接近地球。✰中间产物都有放射性气体氡。并有放射性淀质生成。✰最后都生成稳定的核数。2020/2/18核技术应用概论71.钍系—4n系2.铀系—4n+2系4n表示系中各核素的质量数为4的倍数其起始元素是通过一系列α衰变最后生成208Pb(稳定)Th23290表示系中各核素的质量数为4的倍数+2其起始元素是通过一系列α衰变最后生成206Pb(稳定)U238922020/2/18核技术应用概论83.锕系—4n+3系表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数+3其起始元素是235U通过一系列α衰变最后生成207Pb(稳定)4.镎系—4n+1系表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数+1其起始元素是237Np通过一系列α衰变最后生成209Bi(稳定)此系非天然放射性，在40年代，已通过各种核反应方法合成了这一放射系的所有成员。其衰变子体中无放射性气体氡（Rn）2020/2/18核技术应用概论9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宇宙射线作用，14N（n，p）14C～15Bq·g-13H12.3a宇宙射线与N和O相互作用；宇宙线散裂；6Li（n，α）3H～1.2×10-3Bq·kg-17Be53.28d宇宙射线与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，它们是宇宙射线与空气中的N、O、Li等作用在大气层中生成的。2020/2/18核技术应用概论10在这些天然放射性核素中，存在着一些重要核素如235U、238U和232Th等。235U和239Pu（238U经中子俘获生成）在热中子作用下易裂变，而且释放出巨大的能量（一个235U原子裂变可产生200MeV的能量并产生2～3个中子），已经广泛用于各种放射性核素生产、核能利用等各个方面。232Th由于经过快中子轰击后可生成233U，因此它将是235U资源匮乏时潜在的替代核燃料之一。其它一些核素也有着较为重要的作用，如通过测古代遗物中14C的含量可以推断该遗物所处年代。该方法自问世以来就被考古学家、古人类学家和地质学家所重视，并得到了广泛的应用。2020/2/18核技术应用概论112.1.2人工放射性核素1934年，法国科学家约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝发生核反应获得了第一个人工放射性核素。之后，人们通过反应堆、加速器等制备了大量的各种人工放射性核素。目前，已发现的放射性核素有2000多种，其中人工放射性核素就超过1600种。1935年获诺贝尔化学奖伊雷娜·约里奥—居里和丈夫弗雷德里奥·约里奥—居里2020/2/18核技术应用概论12人工放射性核素主要是通过中子和带电粒子如质子、氘核等轰击天然稳定核素或235U等易裂变材料使其产生核反应来制备的。分类入射粒子的种类入射粒子的能量中子核反应带电粒子核反应光核反应重粒子核反应低能核反应（E50MeV）中能核反应（50MeVE1000MeV）高能核反应（E1000MeV）2020/2/18核技术应用概论13裂变反应堆回旋加速器核素发生器“母牛”生产人工放射性核素的设施和装置2020/2/18核技术应用概论14反应堆制备作为人工放射性核素生产的重要设施之一，反应堆可提供不同能谱的中子和较大的辐照空间，具有可同时辐照多种样品、辐照的样品量大、靶子制备容易、辐照操作简便、成本低廉等优点。此外，从反应堆运行过程中核燃料因发生裂变核反应生成的产物中也可提取大量的放射性核素。经证实，经慢中子诱发235U裂变的产物约有400种。原子序数分布在30至65范围内、质量数位于35和139左右的裂变产物具有较大的产额，可大量生产。核反应堆生产放射性核素已成为放射性核素的主要来源。2020/2/18核技术应用概论15加速器制备用加速带电粒子轰击各种靶子物，能引起不同的核反应，生成多种反应堆所不能提供的放射性核素如18F、201Tl等。这也是人工放射性核素最重要的来源之一。加速器能生产的放射性核素品种较多，约占目前已知放射性核素总数的60%以上。它们多以轨道电子俘获或β+衰变方式衰变，发射单纯的低能γ射线、X射线或β+射线。靶子物经加速器辐照后，通过分离，可以得到无载体的放射性核素，但它的产量远比反应堆生产的小。2020/2/18核技术应用概论16核素发生器制备将反应堆和加速器生产的某些放射性核素制成放射性核素发生器，可为远离反应堆和加速器的地方提供短寿命放射性核素。所谓放射性核素发生器就是一种可从较长半衰期的母体核素中不断分离出短半衰期子体核素的一种装置。由于放射性子体核素伴随母体核素的衰变而不断累积，可每隔一定时间从母体核素中方便地分离出来并加以收集，这种生产放射性核素的过程又被比较形象地称为“挤奶”，因而放射性核素发生器又称为“母牛”。2020/2/18核技术应用概论172.2反应堆生产放射性核素核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种：（1）通过反应堆产生的中子流照射靶材，直接生产或通过简单处理生产放射性核素，即（n，γ）法；具有生产能力大、品种多、放射性废物量小、生产成本低廉等特点。（2）从辐照后的235U等易裂变材料产生的裂变产物中分离，即（n，f）法。可以提取国防工业用95Zr（锆）、144Ce（铈）等裂片元素，也可大规模生产99Mo（钼）、131I（碘）等军民两用放射性核素（主要用于医学诊断、治疗）。2020/2/18核技术应用概论182.2.1中子核反应及其特点中子不带电，当它与原子核作用时，由于不存在库仑势垒，因此不同能量的中子均能引发核反应。能量很低的慢中子和中能中子主要引发（n，γ）反应，慢中子还能引发（n，p）反应和（n，α）反应、（n，f）反应等；对于快中子，主要是弹性散射的（n，n）反应和非弹性散射的（n，n′）反应，其次是（n，α）反应、（n，p）反应和（n，γ）反应；高能中子能引起（n，n）反应、（n，n′）反应、（n，p）反应、（n，α）反应、（n，2n）反应、（n，3n）反应等。中子核反应生成的核素通常是丰中子放射性核素，多以β-形式衰变。最主要的核反应类型有（n，γ）、（n，p）、（n，α）、（n，f）、（n，2n），以及多次中子俘获。2020/2/18核技术应用概论191.（n,γ）反应（n,γ）是生产放射性核素最重要、最常用的核反应，利用（n,γ）反应可在反应堆上生产大多数元素的放射性核素。①通过（n,γ）反应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）反应直接生成的放射性核素均为靶元素的同位素，不能通过化学方法将目标核素与其靶元素进行分离，因此，所制备的放射性核素一般都是有载体的。2020/2/18核技术应用概论20②通过（n,γ）反应，再经核衰变生成所需要的放射性核素989999(,)mMonMoTcTe13052(n,γ)Te13152β-15minI13153由于靶元素与目标核素不是同一种元素，因此可通过物理或化学方法将靶子元素与目标核素进行分离，获得比活度、放射化学纯度及放射性核素纯度都很高的无载体的目标核素。2020/2/18核技术应用概论21③通过两次或两次以上的（n,γ）反应直接生成所需要的放射性核素，或再经过核衰变生成所需要的放射性核素。W18674(n,γ)w18774(n,γ)W18874Re18875ββ--23.7hRe1877569d④通过（n,γ）反应过程中的热原子效应，可以得到较高比活度的放射性核素，如用此方法制备51Cr（铬）、65Zn等。通过热原子效应生成一系列新的化合物。使分离放射性同位素的复杂问题归结为分离不同状态的化合物问题。2020/2/18核技术应用概论222.（n,f）反应235U等易裂变核素俘获中子发生（n,f）反应，生成数百种裂变元素，因此裂变产物的组成相当复杂。以235U为例，它在热中子引起裂变的产物中包括36种元素的160多种核素（A=72~161）。通过化学分离的办法可从这些裂变产物中提取在国防工业和国民经济中有重要应用价值的放射性核素，如90Sr、95Zr、99Mo、131I、137Cs、144Ce等。2020/2/18核技术应用概论233.（n,p）反应4.（n,α）反应（n，p）反应要求中子有较高能量，一般由快中子诱发。由于核内势垒随原子序数的增大而增高，因此，（n，p）反应适于制备原子序数较低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。与（n,γ）反应加β-衰变以及（n，p）反应一样，利用（n,α）反应也可以生产无载体放射性核素。用富集的6Li生产氚就是采用了该核反应方式，即6Li（n,α）3H。2020/2/18核技术应用概论242.2.2反应堆辐照法生产放射性核素反应堆辐照法生产的放射性核素，其产量与产品质量不仅受反应堆所能提供的辐照条件与能力影响，而且与核反应的选择、靶材的制备、提取工艺等因素有关。此外，还必须注意靶件在堆内辐照时的安全性。2020/2/18核技术应用概论251.放射性核素生产要求反应堆提供的条件A.高中子注量率B.足够的辐照时间C.反应堆运行方式D.反应堆安全保障一般5×1013cm-2·s-1以上，特殊要求在1×1015cm-2·s-1以上多达数十个的辐照孔道依据生产放射性核素半衰期的长短设置不同的运行方式干孔道采用空气冷却靶件，湿孔道采用纯净水冷却靶件2020/2/18核技术应用概论262.靶件的制备（1）靶材的选择与处理A选择适合的靶材化学形态B尽可能采用高丰度的靶材元素作为靶材靶材元素含量尽量高、靶材元素的化学纯度要高、靶材辐照后易于处理并转化为所需的化学形态、堆内辐照时靶件的稳定性（化学稳定性、热稳定性、辐照稳定性）好。如，靶材核素112Sn的天然丰度0.96%。用天然的Sn作靶，经过（n，γ）反应得到的113Sn含有大量的同位素载体，只有用高富集度的112Sn，才能得到高比活度的113Sn。2020/2/18核技术应用概论27（2）靶材的结构设计及制备靶件的结构设计包括靶筒结构设计、靶芯的结构（靶子物的形态）及其在靶筒内的分布方式设计。靶件需要根据反应堆所能提供的辐照孔道的参数（孔道尺寸、中子类型及中子注量率分布）、靶件装量及发热量、靶件辐照管道冷却方式以及靶件出入堆的抓取工具等条件设计，以保证辐照时靶件及反应堆的安全。制备辐照靶件时还要考虑靶材装载量、内外包装形式等2020/2/18核技术应用概论28（3）辐照靶件的焊封辐照靶件必须具有良好的密封性，以保证同位素靶件在反应堆辐照过程中不发生放射性物质泄漏。（4）辐照靶件的质量控制靶件需要经过靶件密封性检测、表面污染等检测合格后才能入堆辐照。可采用的办法有工业CT、中子照相技术、γ谱仪测量等进行无损检测！2020/2/18核技术应用概论293.靶件的辐照选择合适的辐照条件和保证辐照过