第二章 放射性核素的制备.ppt
《第二章 放射性核素的制备.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第二章 放射性核素的制备.ppt(106页珍藏版)》请在课桌文档上搜索。
1、第二章 放射性核素的制备,2023/12/15,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,2023/12/15,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。,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一,2023/12/15,核技术应用概论,4,2.1 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
2、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,2023/12/15,核技术应用概论,5,2.1.1 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,宇宙射线与大气和地表中的物质相互作用生成,2023/12/15,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。,2023/12/15,核技术应用概论,7,
3、钍系4n系,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 通过一系列衰变最后生成208Pb(稳定),表示系中各核素的质量数为4的倍数+2其起始元素是 通过一系列衰变最后生成206Pb(稳定),2023/12/15,核技术应用概论,8,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通过一系列衰变最后生成207Pb(稳定),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
4、),2023/12/15,核技术应用概论,9,宇生放射性核素,表2-1 宇生核素示例,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。,2023/12/15,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23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
5、,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。,2023/12/15,核技术应用概论,11,2.1.2 人工放射性核素,1934年,法国科学家约里奥居里夫妇用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,2023/1
6、2/15,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,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(E1000MeV),2023/12/15,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,2023/12/15,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
7、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。,2023/12/15,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+衰变方式衰变,发射单纯的低能射线、
8、X射线或+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。,2023/12/15,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”。,2023/12/15,核技术应用概论,1
9、7,2.2 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,)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)。,2023/12/15,核技术应用概论,18,2.2.1 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
10、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,)反应,慢中子还能引发(n,p)反应和(n,)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,)反应、(n,p)反应和(n,)反应;高能中子能引起(n,n)反应、(n,n)反应、(n,p)反应、(n,)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-形式衰变。,最主要的核反应类型有(n,)、(n,p)、(n,)、(n,f)、(n,2n),以及多次中子俘获。,2023/12/15,核技术应用概论,19,1.(n,)反应,(n,)是生
11、产放射性核素最重要、最常用的核反应,利用(n,)反应可在反应堆上生产大多数元素的放射性核素。,通过(n,)反应直接生成所需要的放射性核素 例如59Co(n,)60Co、191Ir(n,)192Ir、31P(n,)32P等。由于(n,)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。,2023/12/15,核技术应用概论,20,通过(n,)反应,再经核衰变生成所需要的放射性核素,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
12、的无载体的目标核素。,2023/12/15,核技术应用概论,21,通过两次或两次以上的(n,)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。,通过(n,)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。,2023/12/15,核技术应用概论,22,2.(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16
13、0多种核素(A=72161)。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。,2023/12/15,核技术应用概论,23,3.(n,p)反应,4.(n,)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,)反应加-衰变以及(n,p)反应一样,利用(n,)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,)3H
14、。,2023/12/15,核技术应用概论,24,2.2.2 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。,2023/12/15,核技术应用概论,25,1.放射性核素生产要求反应堆提供的条件,一般51013cm-2s-1以上,特殊要求在11015cm-2s-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,2023/12/15,核技术应用概论,26,2.
15、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,)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。,2023/12/15,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
16、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,2023/12/15,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、谱仪测量等进行无损检测!,2023/12/15,核技术应用概论,29,3.靶件的辐照,选择
17、合适的辐照条件和保证辐照过程的安全是至关重要的。靶件的辐照应注意以下几点:,A 选择适合的核反应及中子能谱,适合在反应堆上生产放射性核素,一般其原子序数要求在20以上。对于原子序数位于2035之间的放射性核素的生产,可以选用能量高的快中子;当原子序数大于36时,通常选用(n,)反应生产放射性核素。,2023/12/15,核技术应用概论,30,B 尽可能高的中子注量率,C 适合的辐照时间,反应堆生产放射性核素的产额与中子注量率成正比。因此,应采用尽可能高的中子注量率,以提高目标核素的产额。,某一同位素生产靶件的最佳辐照时间可以根据靶件的辐照产额公式来计算。,2023/12/15,核技术应用概论,
18、31,产额的计算,假设稳定核素S被入射粒子轰击生成放射性核素A,核素A仅以衰变方式减少并且生成稳定核素B。,例:,在照射时间内,核素A的产率与入射粒子注量率(cm-2s-1)、热中子俘获截面s(b,1b=10-24cm2)和靶核数Ns成正比,即核素A的生产率为sNs;同进它又随着ANA的衰变速率而减少。,2023/12/15,核技术应用概论,32,因此,核素A的净增长率为:,式中 NA为照射时间t后核素A的原子数。,初始条件t=0时,NA0,则上述微分的方程的解为:,其放射性活度为:,核素A的产生速率,核素A的衰变速率,饱和因子,2023/12/15,核技术应用概论,33,4.辐照靶件的处理,
19、辐照后的靶件处理包括目标放射性物理处理、化学处理及其进一步加工成各种放射性制品。辐照后的靶件一般都需要经过化学处理(目标核素的分离与纯化)后才能制成满足用户需要的放射性核素制品。,化学处理方法有溶剂萃取法、沉淀法、离子交换法、蒸(干)馏、电化学法、热原子反冲法等。,2023/12/15,核技术应用概论,34,5.放射性核素产品的质量,放射性核素的产品质量是通过物理检验、化学检验以及生物检验等质量检验方法予以保证的,其产品质量指标包括:放射性活度、放射性纯度、放射化学纯度、化学纯度、载体含量及医用制剂的无菌、无热源检测等。,2023/12/15,核技术应用概论,35,6.某些重要核素的生产工艺,
20、表2-2 反应堆生产的一些重要放射性核素,2023/12/15,核技术应用概论,36,98Mo(n,)99Mo-,,124Xe(n,)125Xe,130Te(n,)131Te,2023/12/15,核技术应用概论,37,(1)131I干法生产工艺,A 一种是(n,f)法,即235U(n,f)131I,从辐照后的235U靶件中分离裂 变产物131I。但提取率较低,并且从大量的裂变产物中提取裂变131I会另外产生大量的放射性废物。,B 另一种是(n,)法,即以单质碲或碲的各种化合物为原料,入堆辐照后,碲经过130Te(n,)131Te和-衰变生成131I,再将131I从靶材料中分离出来。,生产方式
21、,131I广泛用于甲状腺癌、甲亢、甲状腺机能衰退和其他肾脏疾病的诊断和治疗。,2023/12/15,核技术应用概论,38,湿法蒸馏操作过程复杂、由于使用了浓硫酸及过氧化氢,危险性大,操作周期长(24h),产生大量废液,很少被用于131I生产。,干法蒸馏具有分离时间短,产品回收率高,产品比活度高,杂质含量低,不产生废液。比活度高有利于制备各种标记化合物,制备治疗肿瘤用胶囊、微球。,碘-131胶囊,分离方式:干法蒸馏、湿法蒸馏、电解蒸馏,2023/12/15,核技术应用概论,39,过滤器,B流量计,C压力计,D蒸发炉,E纯化炉,F吸收柱,G阀,活性碳柱,I活性碳测量柱,J真空泵 图2-5 131I
22、干法生产系统示意图,主要包括加热蒸馏、碱液吸收、废气处理三部分组成。,干法生产装置,2023/12/15,核技术应用概论,40,加热蒸馏装置 由管式加热电炉(带温度控制仪)、纯化加热炉、石英舟皿、石英加热管组成。碱液吸收装置 由两级碱液吸收柱组成。第一级吸收柱容积50mL,第二级吸收柱容积250mL。废气处理装置 废物处理装置由三级强碱液洗涤塔组成,每级洗涤塔容积1000mL,碱液浓度为5.0molL-1NaOH。除此之外,操作的工作箱或热室需配置除碘过滤器。,2023/12/15,核技术应用概论,41,将辐照后TeO2装入石英舟皿内,并置于蒸馏炉内,连接好系统。将系统加热到700900,13
23、1I被蒸馏出来,随之被载气载带至纯化炉(200400)内,随载气带出来的TeO2在此温度下冷却并沉积在纯化炉中,实现TeO2与131I分离。除去TeO2后的含有131I放射性气体通过碱液洗涤,被吸收在碱液中。未被吸收的131I主要通过多级碱液洗涤塔(5molL-1NaOH溶液)进一步除去尾气中的131I,以降低131I的排放。,干法生产流程,2023/12/15,核技术应用概论,42,国家药典对Na131I口服液的质量要求:产品形状:无色透明液体;pH=79;由谱仪检测131I核素的纯度,没检测出其它杂质核素;放化纯大于95%。,产品质量控制,2023/12/15,核技术应用概论,43,(2)
24、125I循环回路间歇式生产工艺,125I的性质与应用,125I的半衰期T1/2=60d,主要释放27keVX射线,能有效杀灭肿瘤细胞,易屏蔽,对患者及周围人群辐射剂量较小,对环境无污染。主要用于前列腺癌、乳腺癌的125I中子源插植治疗,有效率达95%以上。,125I种子(seed)源,2023/12/15,核技术应用概论,44,(2)125I循环回路间歇式生产工艺,生产方式,主要核反应,目前有两种生产方法:,A 气体靶法 将124Xe封装在不锈钢筒内制成内靶,然后置于高纯铝筒内做成辐照靶件入堆辐照。,B 间歇循环回路 采用这种方法生产125I,不需要制备124Xe气体靶,该生产办法相对简单,得
25、到的125I纯度高,生产能力也较前一种办法高。,2023/12/15,核技术应用概论,45,间歇循环回路法生产125I的工艺流程,将一定丰度的124Xe气体通过循环回路打入位于反应堆内的辐照瓶内,辐照一定时间(1-1.5T1/2)后,由堆外的衰变瓶将辐照后的124Xe气体吸入放置衰变3d-5d,大部分125Xe衰变成125I,未被利用的124Xe打回循环回路。125I用NaOH溶液吸收,产品检验合格后再分装。在循环回路上可接多个衰变瓶,循环利用。,2023/12/15,核技术应用概论,46,2.2.3 从裂变产物中提取放射性核素,反应堆生产放射性核素的第二种方法是从235U等易裂变材料在辐照后
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二章 放射性核素的制备 第二 放射性 核素 制备
链接地址:https://www.desk33.com/p-841262.html