放射性核素的制备

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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子物，直 接生产或通过简单处理生产放射性核素，即（n， γ）法； （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。
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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。
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1. 钍系—4n系 4n表示系中各核素的质量数为4的倍数 其起始元素是 23920T通h 过一系列α衰变最后生成208Pb(稳定)
2. 铀系—4n+2系 表示系中各核素的质量数为4的倍数+2
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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
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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)
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3. 靶件的辐照
选择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20和35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, γ）反应生产放射性核素。
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2. 靶件的制备
（1）靶子物的选择与处理
A 选择适合的靶子物化学形态 靶子元素含量尽量高、靶子元素的化学纯度要高、靶子物辐照后易
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。
B 尽可能采用高丰度的靶子元素作为靶子物 如采用天然或低丰度的靶子元素作靶 ,某些核素要发生两次中子俘获
其起始元素是 29328U通过一系列α衰变最后生成206Pb(稳定)
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3. 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)
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分类
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。
入 中子核反应
射 粒
带电粒子核反应
子
的 光核反应
种
类 重粒子核反应
入 低能核反应（E<50MeV）
射 粒
中能核反应
子 （50MeV<E<1000MeV）
第二章 放射性核素的制备
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
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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
产量大、品种数量多、生产成本相对低
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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，因此不同能量的中子均能 引发核反应。
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。
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1.（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。
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因此，核素A的净增长率为：
dNA dt
sNs
ANA
式中 NA为照射时间t后核素A的原子数。
初始条件t=0时，NA＝0，则上述微分的方程的解为：
其放射性活度为：
NA(t)sA Ns (1eAt)
A A (t)A N A sN s(1 e A t)
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目前放射性核素生产最主要的方式之一
加速器生产
生产能力低，但品种多、所生产的核素多 为无载体、比活度高。
本章中将主要介绍人工放射性核素的制备方法。
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2.1 放射性核素的来源
天然放射性核素
分
从自然界存在的矿石中提取
类
人工放射性核素
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
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4. 辐照靶件的处理
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。
核反应堆生产放射性核素已成为放射性核素的主要来源。
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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， 但它的产量远比反应堆生产的小。
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子元素进行分离，因此，所制备的放射性核素 一般都是有载体的。
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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。
才能生产。
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（2）靶子物的结构设计及制备
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。
例：
S ( n ， s ） A A B (稳 定 ）
2 3 N a ( 0 n . ， 5 3 b ） 2 4 N a T 1 / 2 1 4 . 6 6 h 2 4 M g ( 稳 定 ）
在照射时间内，核素A的产率与入射粒子注量率Ф（cm-2·s-1）、热中 子俘获截面σs（b，1b=10-24cm2）和靶核数Ns成正比，即核素A的生产 率为ФσsNs；同进它又随着λANA的衰变速率而减少。
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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。
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② 通过（n, γ）反应，再经核衰变生成所需要的放射性核素
98M o(n, )99M o 99 T cm
Te Te 130
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(n,γ)
131 52
β-
15min
I 131
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由于靶子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。
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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。
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6. 某些重要核素的生产工艺
表2-1 宇生核素示例
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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。
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B 尽可能高的中子注量率
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。