第二章 放射性核素的制備

1、第二章第二章 放射性核素的制備放射性核素的制備2021-10-10核技術應用概論2主要內容主要內容放射性核素的來源放射性核素的來源反應堆生產放射性核素反應堆生產放射性核素加速器生產放射性核素加速器生產放射性核素放射性核素發(fā)生器放射性核素發(fā)生器2021-10-10核技術應用概論3引引 言言 核技術應用的基礎是射線與物質的相互作用，這些射核技術應用的基礎是射線與物質的相互作用，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。變獲得。 反應堆制備反應堆制備 加速器生產加速器生產 本章中將主要介紹人工放射性核素的制備方法。本章中將主要介

2、紹人工放射性核素的制備方法。產量大、品種數量多、生產成本相對低產量大、品種數量多、生產成本相對低 生產能力低，但品種多、所生產的生產能力低，但品種多、所生產的核素多為無載體、比活度高。核素多為無載體、比活度高。目前放射性核素生產最主要的方式之一目前放射性核素生產最主要的方式之一 2021-10-10核技術應用概論42.12.1 放射性核素的來源放射性核素的來源分分 類類天然放射性核素天然放射性核素人工放射性核素人工放射性核素從自然界存在的礦石中提取從自然界存在的礦石中提取 通過人工干預的核反應制備通過人工干預的核反應制備 核反應堆生產、加速器生產和核素發(fā)生器核反應堆生產、加速器生產和核素發(fā)生器

3、 2021-10-10核技術應用概論52.1.12.1.1 天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素原生放射性核素原生放射性核素 宇生放射性核素宇生放射性核素 原始存在于自然界中原始存在于自然界中 宇宙射線與大氣和地表宇宙射線與大氣和地表中的物質相互作用生成中的物質相互作用生成 2021-10-10核技術應用概論6原生放射性核素原生放射性核素 由三個天然放射性衰變系組成，即釷系由三個天然放射性衰變系組成，即釷系( (232th或或4n系系) )，鈾系（，鈾系（238u系或系或4n+2系），錒系（系），錒系（235u系或系或4n+3系系) )共同特點共同特點 起始都是長壽命元素，

4、壽命大于或接近地球。起始都是長壽命元素，壽命大于或接近地球。 中間產物都有放射性氣體氡。并有放射性淀質中間產物都有放射性氣體氡。并有放射性淀質生成。生成。 最后都生成穩(wěn)定的核數。最后都生成穩(wěn)定的核數。2021-10-10核技術應用概論71.1.釷系釷系4n系系2.2.鈾系鈾系4n+2系系4n4n表示系中各核素的質量數為表示系中各核素的質量數為4的倍數的倍數其起始元素是其起始元素是 通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成208pb( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )th23290表示系中各核素的質量數為表示系中各核素的質量數為4的倍數的倍數+2+2其起始元素是其起始元素是 通過一系列通過一系列衰變最后生成

5、衰變最后生成206pb(穩(wěn)定穩(wěn)定) )u238922021-10-10核技術應用概論83.3. 錒系錒系4n+3系系表示衰變系中各核素的質量數為表示衰變系中各核素的質量數為4 4的倍數的倍數+3+3其起始元素是其起始元素是235u通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成207pb( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )4.4. 镎系镎系4n+1系系表示衰變系中各核素的質量數為表示衰變系中各核素的質量數為4 4的倍數的倍數+1+1其起始元素是其起始元素是237np通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成209bi( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )此系非天然放射性，在此系非天然放射性，在4040年代，已通過各種核反應方法合

6、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（氡（rn）2021-10-10核技術應用概論9宇生放射性核素宇生放射性核素 表表2-1 2-1 宇生核素示例宇生核素示例核素核素半衰期半衰期起源起源天然活度天然活度14c5730a宇宙射線作用，14n（n，p）14c15bqg-13h12.3a宇宙射線與n和o相互作用；宇宙線散裂；6li（n，）3h1.210-3bqkg-17be53.28d宇宙射線與n和o相互作用0.01bqkg-1 除上述原生放射性核素外，除上述原生放射性核素外，自然界中一些放射性核素如自然界

7、中一些放射性核素如3h、7be、14c和和22na，它們是宇宙，它們是宇宙射線與空氣中的射線與空氣中的n、o、li等等作用在大氣層中生成的。作用在大氣層中生成的。2021-10-10核技術應用概論10 在這些天然放射性核素中，存在著一些重要核素如在這些天然放射性核素中，存在著一些重要核素如235u、238u和和232th等。等。235u和和239pu（238u經中子俘獲生成）在熱中子作經中子俘獲生成）在熱中子作用下易裂變，而且釋放出巨大的能量（一個用下易裂變，而且釋放出巨大的能量（一個235u原子裂變可產生原子裂變可產生200mev的能量并產生的能量并產生23個中子），已經廣泛用于各種放射性個

8、中子），已經廣泛用于各種放射性核素生產、核能利用等各個方面。核素生產、核能利用等各個方面。232th由于經過快中子轟擊后由于經過快中子轟擊后可生成可生成233u，因此它將是，因此它將是235u資源匱乏時潛在的替代核燃料之一。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、古人類學家和地質學家所重視，并得到了廣泛的應用。學家、古人類學家和地質學家所重視，并得到了廣泛的應用。2021-10-1

9、0核技術應用概論112.1.22.1.2 人工放射性核素人工放射性核素 1934年，法國科學家約里年，法國科學家約里奧奧居里夫婦用居里夫婦用粒子轟擊鋁粒子轟擊鋁發(fā)生核反應獲得了第一個人工發(fā)生核反應獲得了第一個人工放射性核素。之后，人們通過放射性核素。之后，人們通過反應堆、加速器等制備了大量反應堆、加速器等制備了大量的各種人工放射性核素。的各種人工放射性核素。 目前，已發(fā)現的放射性核目前，已發(fā)現的放射性核素有素有2000多種，其中人工放射多種，其中人工放射性核素就超過性核素就超過1600種。種。 19351935年獲諾貝爾化學獎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 2021

10、-10-10核技術應用概論12 人工放射性核素主要是通過中子和帶電粒子如質人工放射性核素主要是通過中子和帶電粒子如質子、氘核等轟擊天然穩(wěn)定核素或子、氘核等轟擊天然穩(wěn)定核素或235u等易裂變材料使等易裂變材料使其產生核反應來制備的。其產生核反應來制備的。 分分 類類 入射粒子的種類入射粒子的種類入射粒子的能入射粒子的能量量 中子核反應中子核反應帶電粒子核帶電粒子核反應反應光核反應光核反應重粒子核反重粒子核反應應低能核反應低能核反應（e50mev）中能核反應中能核反應（50meve1000mev）2021-10-10核技術應用概論13裂變反應堆裂變反應堆回旋加速器回旋加速器核素發(fā)生器核素發(fā)生器“母

11、母牛?！鄙a人工放射性核素的設施和裝置生產人工放射性核素的設施和裝置2021-10-10核技術應用概論14反應堆制備反應堆制備 作為人工放射性核素生產的重要設施之一，反應堆可提作為人工放射性核素生產的重要設施之一，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物中也可提取大量的放射性核素。經證實，變核反應生

12、成的產物中也可提取大量的放射性核素。經證實，經慢中子誘發(fā)經慢中子誘發(fā)235u裂變的產物約有裂變的產物約有400種。原子序數分布在種。原子序數分布在30至至65范圍內、質量數位于范圍內、質量數位于35和和139左右的裂變產物具有較大的左右的裂變產物具有較大的產額，可大量生產。產額，可大量生產。核反應堆生產放射性核素已成為放射性核素的主要來源。核反應堆生產放射性核素已成為放射性核素的主要來源。 2021-10-10核技術應用概論15加速器制備加速器制備 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應，生成多種

13、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。加速器能生產的放射性核素品種較多，約占目前已知放射性核器能生產的放射性核素品種較多，約占目前已知放射性核素總數的素總數的60%以上。它們多以軌道電子俘獲或以上。它們多以軌道電子俘獲或+衰變方式衰變方式衰變，發(fā)射單純的低能衰變，發(fā)射單純的低能射線、射線、x射線或射線或+射線。靶子物經射線。靶子物經加速器輻照后，通過分離，可以得到無載體的放射性核素，加速器輻照后，通過分離，可以得到無載體的放射性核素，但它的產量遠比反應堆生產的小。但它的產量遠比反應堆生產的小。20

14、21-10-10核技術應用概論16核素發(fā)生器制備核素發(fā)生器制備 將反應堆和加速器生產的某些放射性核素制成放射性核將反應堆和加速器生產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短壽命放射性核素射性核素。 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

15、便地分離出來并加以收集，這種生產放射間從母體核素中方便地分離出來并加以收集，這種生產放射性核素的過程又被比較形象地稱為性核素的過程又被比較形象地稱為“擠奶擠奶”，因而放射性核，因而放射性核素發(fā)生器又稱為素發(fā)生器又稱為“母牛母?！?。2021-10-10核技術應用概論172.22.2 反應堆生產放射性核素反應堆生產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：核反應堆上制備放射性核素的方法主要有兩種： （1 1）通過反應堆產生的）通過反應堆產生的中子流照射靶材中子流照射靶材，直接生產或通過簡，直接生產或通過簡單處理生產放射性核素，即單處理生產放射性核素，即（n，）法；法； 具有生產能力大、品

16、種多、放射性廢物量小、生產成本具有生產能力大、品種多、放射性廢物量小、生產成本低廉等特點。低廉等特點。（2 2）從輻照后的）從輻照后的235u等易裂變材料產生的等易裂變材料產生的裂變產物中分離裂變產物中分離，即即（n，f）法。法。 可以提取國防工業(yè)用可以提取國防工業(yè)用95zr（鋯）、鋯）、144ce（鈰鈰）等裂片元等裂片元素，也可大規(guī)模生產素，也可大規(guī)模生產99mo（鉬）（鉬）、131i（碘）（碘）等軍民兩用放射等軍民兩用放射性核素（主要用于醫(yī)學診斷、治療）。性核素（主要用于醫(yī)學診斷、治療）。2021-10-10核技術應用概論182.2.12.2.1 中子核反應及其特點中子核反應及其特點 中子

17、不帶電，當它與原子核作用時，由于不存在庫侖勢中子不帶電，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)子和中能中子主要引發(fā)（n，）反應，慢中子還能引發(fā)反應，慢中子還能引發(fā)（n，p）反應和反應和（n，）反應反應、（、（n，f）反應等；對于快中子，主反應等；對于快中子，主要是彈性散射的要是彈性散射的（n，n）反應和非彈性散射的反應和非彈性散射的（n，n）反應，反應，其次是其次是（n，）反應反應、（、（n，p）反應和反應和（n，）反應；高能反應；高能中子能引起中子能引起（n，n）反應、反

18、應、（n，n）反應反應、（、（n，p）反應反應、（n，）反應反應、（、（n，2n）反應反應、（、（n，3n）反應等。中子核反應等。中子核反應生成的核素通常是豐中子放射性核素，多以反應生成的核素通常是豐中子放射性核素，多以- -形式衰變。形式衰變。 最主要的核反應類型有最主要的核反應類型有（n，）、（）、（n，p）、）、（n，）、（）、（n，f）、（）、（n，2n），），以及多次中子俘獲。以及多次中子俘獲。 2021-10-10核技術應用概論191.（n, ）反應反應 （n, ）是生產放射性核素是生產放射性核素最重要、最常用最重要、最常用的核反應，利用的核反應，利用（n, ）反應可在反應堆上生產

19、大多數元素的放射性核素。反應可在反應堆上生產大多數元素的放射性核素。 通過（通過（n, n, ）反應直接生成所需要的放射性核素）反應直接生成所需要的放射性核素 例如例如59co（n, ）60co、191ir（n, ）192ir、31p（n, ）32p等。由于等。由于（n, ）反應直接生成的放射性反應直接生成的放射性核素均為靶元素的同位素，核素均為靶元素的同位素，不能通過化學方法將目標不能通過化學方法將目標核素與其靶元素進行分離核素與其靶元素進行分離，因此，所制備的放射性核，因此，所制備的放射性核素一般都是有載體的。素一般都是有載體的。 2021-10-10核技術應用概論20 通過通過（n, ）

20、反應，再經核衰變生成所需要的放射性核素反應，再經核衰變生成所需要的放射性核素 989999( , )mmo nmotc te13052(n,)te13152-15mini13153 由于由于靶元素與目標核素不是同一種元素靶元素與目標核素不是同一種元素，因，因此可通過物理或化學方法將靶子元素與目標核素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。核素純度都很高的無載體的目標核素。 2021-10-10核技術應用概論21 通過兩次或兩次以上的通過兩次或兩次以上的（n, ）反應直接生成所

21、需要的放射反應直接生成所需要的放射性核素，或再經過核衰變生成所需要的放射性核素。性核素，或再經過核衰變生成所需要的放射性核素。 w18674(n,)w18774(n,)w18874re18875-23.7hre1877569d 通過通過（n, ）反應過程中的反應過程中的熱原子效應熱原子效應，可以得到較高比，可以得到較高比活度的放射性核素，活度的放射性核素，如用此方法制備如用此方法制備51cr（鉻）、（鉻）、65zn等。等。 通過熱原子效應生成一系列新的化合物。使分離放射性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為分離不同狀態(tài)的化合物問題。同位素的復雜問題歸結為分離不

22、同狀態(tài)的化合物問題。2021-10-10核技術應用概論222.（n, f）反應反應 235u等易裂變核素俘獲中子發(fā)生等易裂變核素俘獲中子發(fā)生（n, f）反應，生成數反應，生成數百種裂變元素，因此裂變產物的組成相當復雜。百種裂變元素，因此裂變產物的組成相當復雜。 以以235u為例為例，它在熱中子引起裂變的產物中包括，它在熱中子引起裂變的產物中包括36種元種元素的素的160多種核素多種核素（a=72161）。）。通過化學分離的辦法可從通過化學分離的辦法可從這些裂變產物中提取在國防工業(yè)和國民經濟中有重要應用價這些裂變產物中提取在國防工業(yè)和國民經濟中有重要應用價值的放射性核素，如值的放射性核素，如90

23、sr、95zr、99mo、131i、137cs、144ce等。等。 2021-10-10核技術應用概論233.（n, p）反應反應4.（n, ）反應反應 （n，p）反應要求中子有較高能量，一般由快中子誘發(fā)。反應要求中子有較高能量，一般由快中子誘發(fā)。 由于核內勢壘隨原子序數的增大而增高，因此由于核內勢壘隨原子序數的增大而增高，因此，（，（n，p）反應反應適于制備原子序數較低的放射性核素適于制備原子序數較低的放射性核素，如，如14c、32p、58co等。等。 與與（n, ）反應加反應加- -衰變以及衰變以及（n，p）反應一樣，利用反應一樣，利用（n, ）反應也可以生產無載體放射性核素。用富集的反應

24、也可以生產無載體放射性核素。用富集的6li生生產氚就是采用了該核反應方式，即產氚就是采用了該核反應方式，即6li（n, ）3h。2021-10-10核技術應用概論242.2.22.2.2 反應堆輻照法生產放射性核素反應堆輻照法生產放射性核素 反應堆輻照法生產的放射性核素，其產量與產品質量反應堆輻照法生產的放射性核素，其產量與產品質量不僅受反應堆所能提供的不僅受反應堆所能提供的輻照條件與能力輻照條件與能力影響，而且與影響，而且與核核反應的選擇反應的選擇、靶材的制備靶材的制備、提取工藝提取工藝等因素有關。此外，等因素有關。此外，還必須注意靶件在堆內輻照時的還必須注意靶件在堆內輻照時的安全性安全性。

25、2021-10-10核技術應用概論251. 放射性核素生產要求反應堆提供的條件放射性核素生產要求反應堆提供的條件 a. 高中子注量率高中子注量率b. 足夠的輻照時間足夠的輻照時間c. 反應堆運行方式反應堆運行方式d. 反應堆安全保障反應堆安全保障一般一般51013cm-2s-1以上，特殊要求在以上，特殊要求在11015cm-2s-1以上以上 多達數十個的輻照孔道多達數十個的輻照孔道 依據生產放射性核素半衰期的長短設置不同的運行方式依據生產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干孔道采用空氣冷卻靶件，濕孔道采用純凈水冷卻靶件 2021-10-1

26、0核技術應用概論262.2. 靶件的制備靶件的制備 （1）靶材的選擇與處理靶材的選擇與處理 a 選擇適合的靶材化學形態(tài)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化為所需的化學形態(tài)、堆內輻照時靶件輻照后易于處理并轉化為所需的化學形態(tài)、堆內輻照時靶件的穩(wěn)定性（化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性）好。的穩(wěn)定性（化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性）好。 如，靶材核素如，靶材核素112sn的天然豐度的天然豐度0.96%。用天然的。用天然的s

27、n作作靶，經過（靶，經過（n，）反應得到的）反應得到的113sn含有大量的同位素載體，含有大量的同位素載體，只有用高富集度的只有用高富集度的112sn，才能得到高比活度的，才能得到高比活度的113sn。2021-10-10核技術應用概論27（2）靶材的結構設計及制備靶材的結構設計及制備 靶件的靶件的結構設計結構設計包括靶筒結構設計、靶芯的結構（靶子包括靶筒結構設計、靶芯的結構（靶子物的形態(tài)）及其在靶筒內的分布方式設計。靶件需要根據反物的形態(tài)）及其在靶筒內的分布方式設計。靶件需要根據反應堆所能提供的輻照孔道的參數（孔道尺寸、中子類型及中應堆所能提供的輻照孔道的參數（孔道尺寸、中子類型及中子注量率

28、分布）、靶件裝量及發(fā)熱量、靶件輻照管道冷卻方子注量率分布）、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。件及反應堆的安全。 制備制備輻照靶件時還要考慮靶材裝載量、內外包裝形式等輻照靶件時還要考慮靶材裝載量、內外包裝形式等 2021-10-10核技術應用概論28（3 3）輻照靶件的焊封）輻照靶件的焊封 輻照靶件必須具有良好的輻照靶件必須具有良好的密封性密封性，以保證同位素靶件在，以保證同位素靶件在反應堆輻照過程中不發(fā)生放射性物質泄漏。反應堆輻照過程中不發(fā)生放射性物質泄漏。（4 4）輻

29、照靶件的質量控制）輻照靶件的質量控制 靶件需要經過靶件靶件需要經過靶件密封性密封性檢測、檢測、表面污染表面污染等等檢測合格后檢測合格后才能入堆輻照才能入堆輻照。 可采用的辦法有工業(yè)可采用的辦法有工業(yè)ct、中子照相技術、中子照相技術、譜儀測量等進譜儀測量等進行行無損檢測無損檢測！2021-10-10核技術應用概論293. 靶件的輻照靶件的輻照 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：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選擇適合的核反應及中子能譜 適合在反應堆上生產放射性核素，一般其原子

30、序數要求適合在反應堆上生產放射性核素，一般其原子序數要求在在20以上。對于原子序數位于以上。對于原子序數位于2035之間的放射性核素的生產，之間的放射性核素的生產，可以選用能量高的可以選用能量高的快中子快中子；當原子序數；當原子序數大于大于36時，通常時，通常選用選用（n, ）反應生產反應生產放射性核素。放射性核素。 2021-10-10核技術應用概論30b 盡可能高的中子注量率盡可能高的中子注量率c 適合的輻照時間適合的輻照時間 反應堆生產放射性核素的產額與中子注量率成正比。因反應堆生產放射性核素的產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額。此，應采用盡可

31、能高的中子注量率，以提高目標核素的產額。 某一同位素生產靶件的最佳輻照時間可以根據靶件的輻某一同位素生產靶件的最佳輻照時間可以根據靶件的輻照產額公式來計算。照產額公式來計算。 2021-10-10核技術應用概論31產額的計算產額的計算 假設假設穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素s被入射粒子轟擊生成放射性核素被入射粒子轟擊生成放射性核素a，核素，核素a僅以衰變方式減少并且生成穩(wěn)定核素僅以衰變方式減少并且生成穩(wěn)定核素b。 (sansab ， ）穩(wěn)定） 1/2(2324240.5314.66nanamg(nbth ， ）穩(wěn)定） 例：例： 在照射時間內，核素在照射時間內，核素a的產率與入射粒子注量率的產率與入射粒子注量

32、率（cm-2s-1）、）、熱中子俘獲截面熱中子俘獲截面s（b，1b=10-24cm2）和靶核數和靶核數ns成正成正比，即核素比，即核素a的生產率為的生產率為sns；同進它又隨著；同進它又隨著ana的衰變速的衰變速率而減少。率而減少。 2021-10-10核技術應用概論32因此，核素因此，核素a的凈增長率為：的凈增長率為： assaadnnndt 式中式中 na為照射時間為照射時間t t后核素后核素a a的原子數。的原子數。 初始條件初始條件t=0時，時，na0，則上述微分的方程的解為：，則上述微分的方程的解為： ( )(1)ssaantante 其放射性活度為：其放射性活度為： ( )(1)a

33、taaassa tnne 核素核素a a的產生速率的產生速率核素核素a a的衰變速率的衰變速率飽和飽和因子因子2021-10-10核技術應用概論334. 輻照靶件的處理輻照靶件的處理 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過化學處理（目標核素的分離與純化）后才能制成滿足要經過化學處理（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。用戶需要的放射性核素制品。 化學處理方法化學處理方法有溶劑萃取法、沉淀法、離子交換法、

34、蒸有溶劑萃取法、沉淀法、離子交換法、蒸（干）餾、電化學法、熱原子反沖法等。（干）餾、電化學法、熱原子反沖法等。 2021-10-10核技術應用概論345. 放射性核素產品的質量放射性核素產品的質量 放射性核素的產品質量是通過物理檢驗、化學檢驗以及放射性核素的產品質量是通過物理檢驗、化學檢驗以及生物檢驗等質量檢驗方法予以保證的，其生物檢驗等質量檢驗方法予以保證的，其產品質量指標產品質量指標包括：包括：放射性活度、放射性純度、放射化學純度、化學純度、載體放射性活度、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。含量及醫(yī)用制劑的無菌、無熱源檢測等。 2021-10-10

35、核技術應用概論356. 某些重要核素的生產工藝某些重要核素的生產工藝表表2-2 2-2 反應堆生產的一些重要放射性核素反應堆生產的一些重要放射性核素核素核素半衰期半衰期核反應核反應靶子物靶子物生產方法生產方法3h12.33a6li（n，）3hli-mg，li-al照射后將靶子在真空中加熱至500600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18

36、0下減壓蒸餾除硫，加入0.1moll-1hcl和h2o2，加熱純化2h得到h332po460co5.271a59co（n，）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2021-10-10核技術應用概論36核素核素半衰期半衰期核反應核反應靶子物靶子物生產方法生產方法99mo-99mtc99mo：2.7477d99mtc：6.006hmoo3粉末溶于10moll-1氨水中，除去過量氨，用0.05moll-1hcl溶解并調節(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，112s

37、n富集靶高中子通量照射一年后，用6moll-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0.05moll-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，于750800下蒸餾，用naoh溶液吸收蒸出的131i 9999mtctc98mo（n，）99mo-，113min113min112sn（n，）113 snecit 125i124xe（n，）125xe131i130te（n，）131te2021-10-10核技術應用概論

38、37（1）131i干法生產工藝干法生產工藝 a 一種是一種是（n，f）法法，即，即235u（n，f）131i，從輻照后的，從輻照后的235u靶件中分離裂靶件中分離裂 變產物變產物131i。但提取率較低，并且從大量的裂。但提取率較低，并且從大量的裂變產物中提取裂變變產物中提取裂變131i會另外產生大量的放射性廢物。會另外產生大量的放射性廢物。 b 另一種是另一種是（n，）法法，即以單質碲或碲的各種化合物為原，即以單質碲或碲的各種化合物為原料，入堆輻照后，碲經過料，入堆輻照后，碲經過130te（n，）131te和和- -衰變生成衰變生成131i，再將，再將131i從靶材料中分離出來。從靶材料中分離

39、出來。 生產方式生產方式 131 131i i廣泛用于甲狀腺癌、甲亢、甲狀腺機能衰退和其他腎廣泛用于甲狀腺癌、甲亢、甲狀腺機能衰退和其他腎臟疾病的診斷和治療。臟疾病的診斷和治療。2021-10-10核技術應用概論38n濕法蒸餾濕法蒸餾操作過程復雜、由于使用了濃硫酸及過氧化操作過程復雜、由于使用了濃硫酸及過氧化氫，危險性大，操作周期長（氫，危險性大，操作周期長（24h24h），產生大量廢液，），產生大量廢液，很少被用于很少被用于131131i i生產。生產。n干法蒸餾干法蒸餾具有分離時間短，具有分離時間短，產品回收率高，產品比活產品回收率高，產品比活度高，雜質含量低，不產度高，雜質含量低，不產生

40、廢液。比活度高有利于生廢液。比活度高有利于制備各種標記化合物，制制備各種標記化合物，制備治療腫瘤用備治療腫瘤用膠囊、微球膠囊、微球。碘碘-131-131膠囊膠囊分離方式：分離方式：干法蒸餾、濕法蒸餾、電解蒸餾干法蒸餾、濕法蒸餾、電解蒸餾2021-10-10核技術應用概論39過濾器，過濾器，b b流量計，流量計，c c壓力計，壓力計，d d蒸發(fā)爐，蒸發(fā)爐，e e純化爐，純化爐，f f吸收柱，吸收柱，g g閥，閥，活性碳柱，活性碳柱，i i活性碳測量柱，活性碳測量柱，j j真空泵真空泵 圖圖2-5 2-5 131131i i干法生產系統(tǒng)示意圖干法生產系統(tǒng)示意圖 主要包括主要包括加熱蒸餾加熱蒸餾、堿

41、液吸收堿液吸收、廢氣處理廢氣處理三部分組成。三部分組成。 干法生產裝置干法生產裝置2021-10-10核技術應用概論40 加熱蒸餾裝置加熱蒸餾裝置 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。舟皿、石英加熱管組成。 堿液吸收裝置堿液吸收裝置 由兩級堿液吸收柱組成。第一級吸收柱容積由兩級堿液吸收柱組成。第一級吸收柱容積50ml，第二，第二級吸收柱容積級吸收柱容積250ml。 廢氣處理裝置廢氣處理裝置 廢物處理裝置由三級強堿液洗滌塔組成，每級洗滌塔容廢物處理裝置由三級強堿液洗滌塔組成，每級洗滌塔容積積1000ml, ,堿液濃

42、度為堿液濃度為5.0moll-1naoh。除此之外，操作的工。除此之外，操作的工作箱或熱室需配置除碘過濾器。作箱或熱室需配置除碘過濾器。2021-10-10核技術應用概論41 將輻照后將輻照后teo2裝入石英舟皿內，并置于蒸餾爐內，連接裝入石英舟皿內，并置于蒸餾爐內，連接好系統(tǒng)。將系統(tǒng)加熱到好系統(tǒng)。將系統(tǒng)加熱到700900，131i被蒸餾出來，隨之被蒸餾出來，隨之被載氣載帶至純化爐被載氣載帶至純化爐（200400）內，隨載氣帶出來的內，隨載氣帶出來的teo2在此溫度下冷卻并沉積在純化爐中，實現在此溫度下冷卻并沉積在純化爐中，實現teo2與與131i分離。分離。除去除去teo2后的含有后的含有1

43、31i放射性氣體通過堿液洗滌，被吸收在堿放射性氣體通過堿液洗滌，被吸收在堿液中。未被吸收的液中。未被吸收的131i主要通過多級堿液洗滌塔（主要通過多級堿液洗滌塔（5moll-1naoh溶液）進一步除去尾氣中的溶液）進一步除去尾氣中的131i，以降低，以降低131i的排放。的排放。干法生產流程干法生產流程2021-10-10核技術應用概論42國家藥典對國家藥典對nana131131i i口服液的質量要求：口服液的質量要求：產品形狀：無色透明液體；產品形狀：無色透明液體；ph=79；由由譜儀檢測譜儀檢測131i核素的純度，沒檢測出其它雜質核素；核素的純度，沒檢測出其它雜質核素；放化純大于放化純大于

44、95%。產品質量控制產品質量控制2021-10-10核技術應用概論43（2）125i循環(huán)回路間歇式生產工藝循環(huán)回路間歇式生產工藝 125i的性質與應用的性質與應用 125 125i i的半衰期的半衰期t t1/21/2=60d,=60d,主要釋放主要釋放27kevx27kevx射線，能有效殺滅射線，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)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、乳腺癌的境無污染。主要用于前列腺癌、乳腺癌的125125i i中子源插植治中子源插植治療，有效率達療，有效率達95%95%以上。以上。 125125i i種子

45、種子(seed)(seed)源源2021-10-10核技術應用概論44（2）125i循環(huán)回路間歇式生產工藝循環(huán)回路間歇式生產工藝 生產方式生產方式主要核反應主要核反應ixenxe125125124),(目前有兩種生產方法：目前有兩種生產方法： a 氣體靶法氣體靶法 將將124xe封裝在不銹鋼筒內制成內靶，然后置封裝在不銹鋼筒內制成內靶，然后置于高純鋁筒內做成輻照靶件入堆輻照。于高純鋁筒內做成輻照靶件入堆輻照。 b 間歇循環(huán)回路間歇循環(huán)回路 采用這種方法生產采用這種方法生產125i，不需要制備，不需要制備124xe氣氣體靶，該生產辦法相對簡單，得到的體靶，該生產辦法相對簡單，得到的125i純度高

46、，生產能力純度高，生產能力也較前一種辦法高。也較前一種辦法高。 2021-10-10核技術應用概論45間歇循環(huán)回路法生產間歇循環(huán)回路法生產125i的工藝流程的工藝流程 n將一定豐度的將一定豐度的124124xexe氣體通過循氣體通過循環(huán)回路打入位于反應堆內的環(huán)回路打入位于反應堆內的輻輻照瓶照瓶內，輻照一定時間（內，輻照一定時間（1-1-1.5t1.5t1/21/2）后，由堆外的衰變瓶）后，由堆外的衰變瓶將輻照后的將輻照后的124124xexe氣體吸入放置氣體吸入放置衰變衰變3d-5d3d-5d，大部分，大部分125125xexe衰變衰變成成125125i i，未被利用的，未被利用的124124

47、xexe打回打回循環(huán)回路。循環(huán)回路。125125i i用用naohnaoh溶液吸溶液吸收，產品檢驗合格后再分裝。收，產品檢驗合格后再分裝。n在循環(huán)回路上可接多個衰變瓶，在循環(huán)回路上可接多個衰變瓶，循環(huán)利用。循環(huán)利用。2021-10-10核技術應用概論462.2.32.2.3 從裂變產物中提取放射性核素從裂變產物中提取放射性核素 反應堆生產放射性核素的第二種方法是從反應堆生產放射性核素的第二種方法是從235235u u等易裂變等易裂變材料在輻照后產生的裂片元素及超鈾元素中提取放射性核素，材料在輻照后產生的裂片元素及超鈾元素中提取放射性核素，它們包括原子序數很大范圍的放射性核素，通過分離可以獲它們

48、包括原子序數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。得比活度很高的裂變放射性核素。 2021-10-10核技術應用概論471. 裂變核反應裂變核反應圖圖2-7 2-7 中子引發(fā)的鈾核裂變示意圖中子引發(fā)的鈾核裂變示意圖 nsrxenu1094381405410235922nkrba108936144563nkrsb109941133514 在中子的作用下，重核裂變的產在中子的作用下，重核裂變的產物組成較復雜，以物組成較復雜，以235235u u為例：為例： 2021-10-10核技術應用概論482. 裂變產物的組成及其質量分布裂變產物的組成及其質量分布 裂變產物的組成是

49、隨時間變化的。當一個可裂變物質的靶裂變產物的組成是隨時間變化的。當一個可裂變物質的靶在反應堆內照射了在反應堆內照射了t時間并冷卻時間并冷卻t時間后，裂片核素時間后，裂片核素i i的放射性的放射性ai可用下式來表示：可用下式來表示： (1)iittiiani yee式中式中 n可裂變物質的原子核數；可裂變物質的原子核數； i中子注量；中子注量； 裂變截面；裂變截面； yi核素核素i的裂變產額；的裂變產額； i核素核素i的衰變常數。的衰變常數。在在n、i、不變的情不變的情況下，裂變產物的放況下，裂變產物的放射性與裂變產額射性與裂變產額yi有有關，并隨著關，并隨著t、t而變而變化。化。 2021-1

50、0-10核技術應用概論49圖圖2-82-8 不同能量的中子誘發(fā)不同能量的中子誘發(fā)235235u u裂變的質量裂變的質量- -產額圖產額圖 是指裂變產物的某一種核是指裂變產物的某一種核素或某一質量鏈在重核裂變素或某一質量鏈在重核裂變過程中產生的幾率。過程中產生的幾率。它通常它通常用每用每100次核裂變產生的裂變次核裂變產生的裂變產物原子數來表示（產物原子數來表示（%）。）。 裂變產額裂變產額“雙駝峰雙駝峰”曲曲線線2021-10-10核技術應用概論503. 裂變產物分離裂變產物分離離子交換分離離子交換分離 溶劑萃取分離溶劑萃取分離 萃取色層分離萃取色層分離 沉淀分離法沉淀分離法 其它方法其它方法

51、 a 裂片元素的分離方法裂片元素的分離方法 選擇性好，回收率高、易于實現選擇性好，回收率高、易于實現自動化操作、易于放射性屏蔽自動化操作、易于放射性屏蔽 簡便、快速、選擇性高、易于簡便、快速、選擇性高、易于連續(xù)操作和遠距離控制連續(xù)操作和遠距離控制 對于性質相似的元素的分離更對于性質相似的元素的分離更能顯示其優(yōu)越性能顯示其優(yōu)越性 操作繁雜、程序冗長、回收率操作繁雜、程序冗長、回收率和去污率較低和去污率較低 超臨界流體萃取法超臨界流體萃取法和采用離子和采用離子液體為萃取介質的方法液體為萃取介質的方法 2021-10-10核技術應用概論51b 長壽命裂片元素及超鈾元素的分離長壽命裂片元素及超鈾元素的

52、分離 目前，長壽命裂片核素及超鈾核素主要從生產堆卸目前，長壽命裂片核素及超鈾核素主要從生產堆卸出的乏燃料中提取。乏燃料的后處理主要目的是回收出的乏燃料中提取。乏燃料的后處理主要目的是回收235u，并提取軍用核素并提取軍用核素239pu。在。在235u、239pu提取回收后，其它提取回收后，其它的裂變產物和超鈾元素全部轉入廢液中。的裂變產物和超鈾元素全部轉入廢液中。 關于裂變產物核素的分離和分析有許多專著可供借鑒關于裂變產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物的分離分析專和參考，如美國曼哈頓計劃中有關裂變產物的分離分析專著著radiochemical stud

53、ies：the fission products 2021-10-10核技術應用概論52c 中短壽命裂片元素的分離中短壽命裂片元素的分離裂變裂變99mo的提取的提取 235u裂變生成裂變生成99mo產額為產額為6.06%，可以從，可以從235u的裂變產物的裂變產物中大量提取中大量提取99mo。裂變。裂變99mo的提取一般采用的提取一般采用al2o3色層分離、色層分離、hdehp溶劑萃取或萃取色層分離溶劑萃取或萃取色層分離、安息香肟沉淀分離法安息香肟沉淀分離法等。等。 下面以日本開展的裂變下面以日本開展的裂變99mo生產為例介紹裂變生產為例介紹裂變99mo生產生產技術。技術。 99mo、1311

54、31i i在醫(yī)學上需求量較大，這里主要介紹它們的提取。在醫(yī)學上需求量較大，這里主要介紹它們的提取。2021-10-10核技術應用概論53a、 235u靶件的制備靶件的制備 圖圖2-9 235u靶件結構圖靶件結構圖 把把24guo24guo2 2壓制成圓片狀，燒結處理。壓制成圓片狀，燒結處理。5 5片裝入片裝入不銹鋼包殼內不銹鋼包殼內。2021-10-10核技術應用概論54b、 235u靶件的輻照及冷卻靶件的輻照及冷卻 輻照條件輻照條件：中子注率量：中子注率量21013cm-2s-131013cm-2s-1， 輻照輻照4d7d。冷卻時間冷卻時間：2d。 冷卻冷卻2d后，一個靶件將產生后，一個靶件

55、將產生2.811012bq99mo、 4.11012bq 131i、2.591012bq 133xe等裂片元素。等裂片元素。2021-10-10核技術應用概論55裂變裂變99mo提取流程提取流程c、輻照后、輻照后235u靶件的處理靶件的處理 2021-10-10核技術應用概論56表表2-3 裂變裂變99mo中放射性雜質含量中放射性雜質含量放射性雜質放射性雜質半衰期半衰期比活度（比活度（與與99mo之比之比）131i8.05d110-5103ru39.5d510-795nb35.0d210-6141ce32.5d110-5789sr52.7d610-691y58.8d910-895zr65.5d

56、510-9132te77.7d110-4137cs30.0d310-9140ba12.8d210-7239np2.346d210-3注：注：輻照時間輻照時間7d，測量，測量時間為輻時間為輻照之后照之后7d。2021-10-10核技術應用概論57裂變裂變131i的提取的提取 裂變裂變131i是裂變法生產是裂變法生產99mo時的副產物之一，由于時的副產物之一，由于裂裂變變131i的產額為的產額為3.1%，因此可以從裂變產物中大規(guī)模生產，因此可以從裂變產物中大規(guī)模生產131i。 裂變同位素生產過程中，在切割和酸性溶解時都有裂變同位素生產過程中，在切割和酸性溶解時都有131i逸出，逸出，采用負壓方式可

57、將其收集采用負壓方式可將其收集；不管采用何種方式溶靶，；不管采用何種方式溶靶，留在溶液中的留在溶液中的131i一般都采用先酸化、后蒸餾或熱氣載帶等一般都采用先酸化、后蒸餾或熱氣載帶等措施使其分離出來。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（下面簡單介紹比利時國家放射元素研究院（ireire）從）從堿性溶靶溶液中分離純化堿性溶靶溶液中分離純化131i的工藝流程的工藝流程。 2021-10-10核技術應用概論58圖圖2-12 ire裂變同位素裂變同位素99mo、131i、133xe分離流程圖分離流程圖堿性溶靶時，大部分裂變產物以堿性溶靶時，大部分裂變產物以固態(tài)形式存在，只有少量的

58、其它固態(tài)形式存在，只有少量的其它裂變元素與鉬一起溶解。溶解出裂變元素與鉬一起溶解。溶解出的放射性雜質較酸性溶靶少。的放射性雜質較酸性溶靶少。 2021-10-10核技術應用概論594. 利用溶液堆生產放射性核素利用溶液堆生產放射性核素 溶液堆溶液堆（solution reactor）是是20世紀世紀40年年代提出的一種堆型，它代提出的一種堆型，它使用的核燃料不是通常使用的核燃料不是通常的固體燃料棒形式，而的固體燃料棒形式，而是易裂變物質如是易裂變物質如235u的均的均相水溶液，所以又稱為相水溶液，所以又稱為均勻水溶液堆（均勻水溶液堆（aqueous homogeneous solution r

59、eactor）。）。 2021-10-10核技術應用概論60（1）水溶液堆的發(fā)展概況）水溶液堆的發(fā)展概況 1944年，年，richard feynman首次提出，該反應堆型中所用首次提出，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的高豐度鈾鹽（如硝酸鈾酰或硫酸鈾酰）溶液高豐度鈾鹽（如硝酸鈾?；蛄蛩徕欟＃┤芤骸Ｍ?，美國。同年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（洛斯阿拉莫斯國家實驗室（lanl）建成世界上第一座功率）建成世界上第一座功率為為0.01kw的均勻性溶液堆（的均勻性溶液堆（lopo）。）。 20世世紀紀90年代，

60、由于年代，由于99mo、89sr、131i等醫(yī)用同位素的使用等醫(yī)用同位素的使用量急劇增加，傳統(tǒng)方法已經不能滿足人們的需要。由于利用量急劇增加，傳統(tǒng)方法已經不能滿足人們的需要。由于利用溶液堆生產裂變元素的周期短、產量大、操作簡便（無靶件溶液堆生產裂變元素的周期短、產量大、操作簡便（無靶件制備、運輸、切割、溶解等工序）、鈾利用率高、廢物產生制備、運輸、切割、溶解等工序）、鈾利用率高、廢物產生量小等特點，人們開始了利用溶液堆進行醫(yī)用同位素生產的量小等特點，人們開始了利用溶液堆進行醫(yī)用同位素生產的研究。美國研究。美國babcokbabcok & & wicoswicos（b&wb&w）公司提出的）公司