放射性核素的制备

1、2021-11-4核技术应用1第二章第二章 放射性核素的制备放射性核素的制备2021-11-4核技术应用2主要内容主要内容放射性核素的来源放射性核素的来源反应堆生产放射性核素反应堆生产放射性核素加速器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放射性核素发生器2021-11-4核技术应用3引引 言言 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。堆、加速器直接提供，也可由放射性同位素衰变获得。 反应堆制备反应堆制备 加速器生产加速器生产 本章中将主要介绍人工放射性核素的制备方

2、法。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、所生产的核素多生产能力低，但品种多、所生产的核素多为无载体、比活度高。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目前放射性核素生产最主要的方式之一 2021-11-4核技术应用42.1 放射性核素的来源放射性核素的来源分分 类类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从自然界存在的矿石中提取从自然界存在的矿石中提取 通过人工干预的核反应制备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核反应堆生产、加速器生产和核素

3、发生器 2021-11-4核技术应用52.1.1 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 宇宙射线与大气和地表中的宇宙射线与大气和地表中的物质相互作用生成物质相互作用生成 2021-11-4核技术应用6原生放射性核素原生放射性核素 由三个天然放射性衰变系组成，即钍系由三个天然放射性衰变系组成，即钍系( (232Th或或4n系系) )，铀系（铀系（238U系或系或4n+2系），锕系（系），锕系（235U系或系或4n+3系系) )共同特点共同特点 起始都是长寿命元素，寿命大于或接近地球

4、。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。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。最后都生成稳定的核数。2021-11-4核技术应用7 钍系钍系4n系系 铀系铀系4n+2系系 4n4n表示系中各核素的质量数为表示系中各核素的质量数为4的倍数的倍数 其起始元素是其起始元素是 通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成208Pb( (稳定稳定) )Th23290 表示系中各核素的质量数为表示系中各核素的质量数为4的倍数的倍数+2+2 其起始元素是其起始元素是 通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成206Pb(稳定

5、稳定) )U238922021-11-4核技术应用8锕系锕系4n+3系系表示衰变系中各核素的质量数为表示衰变系中各核素的质量数为4 4的倍数的倍数+3+3其起始元素是其起始元素是235U通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成207Pb( (稳定稳定) )镎系镎系4n+1系系表示衰变系中各核素的质量数为表示衰变系中各核素的质量数为4 4的倍数的倍数+1+1其起始元素是其起始元素是237Np通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成209Bi( (稳定稳定) )此系非天然放射性，在此系非天然放射性，在4040年代，已通过各种核反应方法合成了这一放年代，已通过各种核反应方法合成了这一放射系的

6、所有成员。其衰变子体中无放射性气体氡（射系的所有成员。其衰变子体中无放射性气体氡（Rn）2021-11-4核技术应用9宇生放射性核素宇生放射性核素 表表2-1 宇生核素示例宇生核素示例 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和和22Na，它们是宇宙射线与空气中的，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。等作用在大气层中生成的。2021-11-4核技术应用102.1.2 人工放射性核素人工放射性核素 1934年，法国科学家约里奥年，法国科学家约里奥居居里夫妇用里夫妇用粒子轰击铝发生核反应粒子轰击铝发

7、生核反应获得了获得了第一个人工放射性核素第一个人工放射性核素。之。之后，人们通过反应堆、加速器等制后，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。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多种，其中人工放射性核素就超过超过1600种。种。 2021-11-4核技术应用11 人工放射性核素主要是通过人工放射性核素主要是通过中子和带电粒子中子和带电粒子如质子、氘核等轰击如质子、氘核等轰击天然天然稳定核素或稳定核素或235U等易裂变材料使其产生核反应来制备的。等易裂变材料使其产生核反应来制备的。 分分 类类 入射

8、粒子的种类入射粒子的种类入射粒子的能量入射粒子的能量 中子核反应中子核反应带电粒子核反应带电粒子核反应光核反应光核反应重粒子核反应重粒子核反应低能核反应低能核反应（E50MeV）中能核反应中能核反应（50MeVE1000MeV）2021-11-4核技术应用12反应堆制备反应堆制备 作为人工放射性核素生产的重要设施之一，反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，具有可同时有可同时辐照辐照多种样品、辐照的样品量大、靶子制多种样品、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，备容易、辐照操作简

9、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从反应堆运行过程中核燃料因发生裂变核反应生成裂变核反应生成的产物的产物中也可提取大量的放射性核素。中也可提取大量的放射性核素。核反应堆生产放射性核素已成为放射性核素的主要来源。核反应堆生产放射性核素已成为放射性核素的主要来源。 2021-11-4核技术应用13加速器制备加速器制备 用加速带电粒子轰击各种靶子物，能引起不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同的核反应，生成多种反应堆所不能提供的放射性核素如性核素如18F、201Tl等。这也是人工放射性核素最等。这也是人工放射性核素最重要的来源之一。

10、加速器能生产的重要的来源之一。加速器能生产的放射性核素品放射性核素品种较多种较多，约占目前已知放射性核素总数的，约占目前已知放射性核素总数的60%以以上，但它的上，但它的产量远比反应堆生产的小产量远比反应堆生产的小。 2021-11-4核技术应用14核素发生器制备核素发生器制备 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，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可为远离反应堆和加速器的地方提供短寿命放射性核素短寿命放射性核素。 所谓放射性核素发生器就是一种可所谓放射性核素发生器就是一种可从较长半衰期的母从较长半衰期的母体核素体核素

11、中不断中不断分离分离出出短半衰期子体核素短半衰期子体核素的一种装置。由于的一种装置。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。一定时间从母体核素中方便地分离出来并加以收集。2021-11-4核技术应用152.2 反应堆生产放射性核素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：核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种： （1 1）通过反应堆产生的中子流照射靶子物，直）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，即接生产或通过简单处理生产放射性核

12、素，即（n，）法法；（2 2）从辐照后的）从辐照后的235U等易裂变材料产生的裂变等易裂变材料产生的裂变产物中分离，即产物中分离，即（n，f）法法。2021-11-4核技术应用162.2.1 中子核反应及其特点中子核反应及其特点 中子不带电，当它与原子核作用时，由中子不带电，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。能引发核反应。 最主要的核反应类型有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。以及多次中子俘获。 2021-11-4核技术应用171

13、.（n, ）反应反应 （n, ）是生产放射性核素最重要、最常用的是生产放射性核素最重要、最常用的核反应，利用核反应，利用（n, ）反应可在反应堆上生产大反应可在反应堆上生产大多数元素的放射性核素。多数元素的放射性核素。 通过（通过（n, n, ）反应直接生成所需要的放射性核素）反应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, ）反应直接生成的放射性核素反应直接生成的放射性核素均为靶元素的同位素均为靶元素的同位素，不能通过化，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学方

14、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。一般都是有载体的。 2021-11-4核技术应用18 通过通过（n, ）反应，再经反应，再经核衰变核衰变生成所需要的放射性核素生成所需要的放射性核素 989999( , )mMo nMoTc Te13052(n,)Te13152-15minI13153 由于靶子元素与目标核素由于靶子元素与目标核素不是同一种元素不是同一种元素，因此可通，因此可通过物理或化学方法将靶子元素与目标核素进行过物理或化学方法将靶子元素与目标核素进行分离分离，获得，获得比活度、放射化学纯度及放射性核素纯度都很高的比活度、放射化学纯度及放射性核素纯

15、度都很高的无载体无载体的目标核素。的目标核素。 2021-11-4核技术应用192.（n, f）反应反应 235U等易裂变核素俘获中子发生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，因此裂变产反应，生成数百种裂变元素，因此裂变产物的组成相当复杂。物的组成相当复杂。 以以235U为例为例，它在热中子引起裂变的产物中包括，它在热中子引起裂变的产物中包括36种元素的种元素的160多多种核素种核素（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，如在国防工业和国民经济中有重要应用价

16、值的放射性核素，如90Sr、95Zr、99Mo、131I、137Cs、144Ce等。等。 2021-11-4核技术应用203.（n, p）反应反应4.（n, ）反应反应（n，p）反应要求中子有较高能量，一般由快中子诱发。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）反应适于反应适于制备原子序数较低的放射性核素，如制备原子序数较低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。等。 与与（n, ）反应加反应加- -衰变以及衰变以及（n，p）反应一样，利用反应一样，利用（n, ）反应反应也可以生产无载体放射性

17、核素。用富集的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生产氚就是采用了该核反应方式，即方式，即6Li（n, ）3H。2021-11-4核技术应用212.2.2 反应堆辐照法生产放反应堆辐照法生产放射性核素射性核素 反应堆辐照法生产的放射性核素，其产量与产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品质量不仅受反应堆所能提供的辐照条件与能力辐照条件与能力影影响，而且与响，而且与核反应的选择核反应的选择、靶子的制备靶子的制备、提取工艺提取工艺等因素有关。此外，还必须注意靶件在堆内辐照时等因素有关。此外，还必须注意靶件在堆内辐照时的的安全性安全性。2

18、021-11-4核技术应用221. 放射性核素生产要求反应堆提供的条件放射性核素生产要求反应堆提供的条件 A. 高中子注量率高中子注量率B. 足够的辐照时间足够的辐照时间C. 反应堆运行方式反应堆运行方式D. 反应堆安全保障反应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 多达数十个的辐照孔道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干孔道采用空气冷却靶件，湿孔道采用纯净水冷却靶件 2021-11-4核技术应

19、用232. 靶件的制备靶件的制备 （1）靶子物的选择与处理靶子物的选择与处理 A 选择适合的靶子物化学形态选择适合的靶子物化学形态 B 尽可能采用高丰度的靶子元素作为靶子物尽可能采用高丰度的靶子元素作为靶子物 靶子元素靶子元素含量尽量高含量尽量高、靶子元素的、靶子元素的化学纯度要高化学纯度要高、靶子物辐照后、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。稳定性、热稳定性、辐照稳定性）好。 如采用天然或低丰度的靶子元素作靶如采用天然或低丰度的靶子元素作靶 , ,某些核素要发生两

20、次中子俘某些核素要发生两次中子俘获才能生产获才能生产。2021-11-4核技术应用24（2）靶子物的结构设计及制备靶子物的结构设计及制备 靶件的靶件的结构设计结构设计包括包括靶筒结构设计靶筒结构设计、靶芯的结构靶芯的结构（靶子物的形（靶子物的形态）及其在态）及其在靶筒内的分布方式靶筒内的分布方式设计。靶件需要根据反应堆所能提供设计。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

21、设计，以保证辐照时靶件及反应堆的安全。具等条件设计，以保证辐照时靶件及反应堆的安全。 制备制备辐照靶件时还要考虑靶子物装载量、内外包装形式等辐照靶件时还要考虑靶子物装载量、内外包装形式等 2021-11-4核技术应用25（3）辐照）辐照靶件的焊封靶件的焊封 辐照靶件必须具有良好的辐照靶件必须具有良好的密封性密封性，以保证同位素靶件在反应堆辐，以保证同位素靶件在反应堆辐照过程中照过程中不发生放射性物质泄漏不发生放射性物质泄漏。（4）辐照）辐照靶件的质量控制靶件的质量控制 靶件需要经过靶件靶件需要经过靶件密封性密封性检测、检测、表面污染表面污染等检测合格后才能入堆辐照。等检测合格后才能入堆辐照。

22、可采用的办法有工业可采用的办法有工业CT、中子照相技术、中子照相技术、谱仪测量等进行谱仪测量等进行无损检测无损检测！2021-11-4核技术应用263. 靶件的辐照靶件的辐照 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：辐照应注意以下几点： A 选择适合的核反应及中子能谱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。以上。对于原子序数位于对于原子序数位于20和和35之间的放射性核素的生产，可以选用能量高之间的放射

23、性核素的生产，可以选用能量高的快中子；当原子序数大于的快中子；当原子序数大于36时，通常选用时，通常选用（n, ）反应生产放射性核反应生产放射性核素。素。 2021-11-4核技术应用27B 尽可能高的中子注量率尽可能高的中子注量率C 适合的辐照时间适合的辐照时间 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。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。辐照产额公式来计

24、算。 2021-11-4核技术应用28产额的计算产额的计算 假设假设稳定核素稳定核素S被入射粒子轰击生成放射性核素被入射粒子轰击生成放射性核素A，核素，核素A仅以衰变仅以衰变方式减少并且生成稳定核素方式减少并且生成稳定核素B。 (sAnSAB ， ）稳定） 1/2(2324240.5314.66NaNaMg(nbTh ， ）稳定） 例：例： 在照射时间内，核素在照射时间内，核素A的产率与入射粒子注量率的产率与入射粒子注量率（cm-2s-1）、）、热热中子俘获截面中子俘获截面s（b，1b=10-24cm2）和靶核数和靶核数Ns成正比，即核素成正比，即核素A的生的生产率为产率为sNs；同进它又随着

25、；同进它又随着ANA的衰变速率而减少。的衰变速率而减少。 2021-11-4核技术应用29因此，核素因此，核素A的净增长率为：的净增长率为： AssAAdNNNdt 式中式中 NA为照射时间为照射时间t t后核素后核素A A的原子数。的原子数。 初始条件初始条件t=0时，时，NA0，则上述微分的方程的解为：，则上述微分的方程的解为： ( )(1)ssAANtANte 其放射性活度为：其放射性活度为： ( )(1)AtAAAssA tNNe 2021-11-4核技术应用304. 辐照靶件的处理辐照靶件的处理 辐照后的靶件处理包括目标放射性物理处理、化辐照后的靶件处理包括目标放射性物理处理、化学处

26、理及其进一步加工成各种放射性制品。辐照后的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（目标核素的靶件一般都需要经过化学处理（目标核素的分离与纯分离与纯化化）后才能制成满足用户需要的放射性核素制品。）后才能制成满足用户需要的放射性核素制品。 化学处理方法化学处理方法有溶剂萃取法、沉淀法、离子交换有溶剂萃取法、沉淀法、离子交换法、蒸（干）馏、电化学法、热原子反冲法等。法、蒸（干）馏、电化学法、热原子反冲法等。 2021-11-4核技术应用315. 放射性核素产品的质量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、放射性核素的产品质量是通过物理检验、化学检验

27、以及生物检验等质量检验方法予以化学检验以及生物检验等质量检验方法予以保证的，其保证的，其产品质量指标产品质量指标包括：放射性活度、包括：放射性活度、放射性纯度、放射化学纯度、化学纯度、载放射性纯度、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。体含量及医用制剂的无菌、无热源检测等。 2021-11-4核技术应用326. 某些重要核素的生产工艺某些重要核素的生产工艺表表2-2 反应堆生产的一些重要放射性核素反应堆生产的一些重要放射性核素2021-11-4核技术应用339999mTcTc98Mo（n，）99Mo-，113mIn113mIn112Sn（n，）113 SnEcIT 1

28、25I124Xe（n，）125Xe131I130Te（n，）131Te2021-11-4核技术应用34（1）131I干法生产工艺干法生产工艺 A 一种是一种是（n，f）法，即法，即235U（n，f）131I，从辐照后的，从辐照后的235U靶件中分离裂靶件中分离裂 变产物变产物131I。但提取率较低，并且从大量的裂变产物中提取裂变。但提取率较低，并且从大量的裂变产物中提取裂变131I会另会另 外产生大量的放射性废物。外产生大量的放射性废物。 B 另一种是另一种是（n，）法，即以单质碲或碲的各种化合物为原料，入堆法，即以单质碲或碲的各种化合物为原料，入堆 辐照后，碲经过辐照后，碲经过130Te（n

29、，）131Te和和- -衰变生成衰变生成131I，再将，再将131I从靶从靶 材料中分离出来。材料中分离出来。 生产方式生产方式2021-11-4核技术应用35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 图图2-5 131I干法生产系统示意图干法生产系统示意图干法生产装置主要包括加干法生产装置主要包括加热蒸馏热蒸馏、碱液吸收碱液吸收、废气处理废气处理三部分组成。三部分组成。 干法生产装置干法生产装置2021-11-4核技术应用36 加热蒸馏装置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

30、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。2021-11-4核技术应用37（2）125I循环回路间歇式生产工艺循环回路间歇式生产工艺 生产方式生产方式生产生产125I的主要核反应的主要核反应IXenXe125125124),(目前有两种生产方法：目前有两种生产方法： A 是将是将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封装在不锈钢筒内制成内靶，然后置于高纯铝

31、筒内做成辐 照靶件入堆辐照。照靶件入堆辐照。 B 是是间歇循环回路法间歇循环回路法。采用这种方法生产。采用这种方法生产125I，不需要制备，不需要制备124Xe气体气体 靶，并且，该生产办法相对简单，得到的靶，并且，该生产办法相对简单，得到的125I纯度高，生产能力也较纯度高，生产能力也较 前一种办法高。前一种办法高。 2021-11-4核技术应用38间歇循环回路法生产间歇循环回路法生产125I的工艺流程的工艺流程 125I间歇循环生产工艺流间歇循环生产工艺流程程2021-11-4核技术应用392.2.3 从裂变产物中提取放从裂变产物中提取放射性核素射性核素1. 裂变核反应裂变核反应图图2-7

32、 2-7 中子引发的铀核裂变示意图中子引发的铀核裂变示意图 nSrXenU1094381405410235922nKrBa108936144563nKrSb1099411335142021-11-4核技术应用402. 裂变产物的组成其质量分布裂变产物的组成其质量分布 裂变产物的组成是随时间变化的。当一个可裂变物质的靶在反应堆内裂变产物的组成是随时间变化的。当一个可裂变物质的靶在反应堆内照射了照射了T时间并冷却时间并冷却t时间后，裂片核素时间后，裂片核素i i的放射性的放射性Ai可用下式来表示：可用下式来表示： (1)iiTtiiANI Yee 式中式中 N可裂变物质的原子核数；可裂变物质的原子

33、核数； I中子能量；中子能量； 裂变截面；裂变截面； Yi核素核素i的裂变产额；的裂变产额； i核素核素i的衰变常数。的衰变常数。在在N、I、不变的情况下，不变的情况下，裂变产物的放射性与裂变裂变产物的放射性与裂变产额产额Yi有关，并随着有关，并随着T、t而变化。而变化。 2021-11-4核技术应用41图图2-8 不同能量的中子诱发不同能量的中子诱发235U裂变的质量裂变的质量-产额图产额图裂变产额裂变产额是指是指裂变是指是指裂变产物的某一种核素或某产物的某一种核素或某一质量链在重核裂变过一质量链在重核裂变过程中产生的几率。它通程中产生的几率。它通常用每常用每100次核裂变产生次核裂变产生的

34、裂变产物原子数来表的裂变产物原子数来表示（示（%）。）。 2021-11-4核技术应用423. 裂变产物分离裂变产物分离离子交换分离离子交换分离 溶剂萃取分离溶剂萃取分离 萃取色层分离萃取色层分离 沉淀分离法沉淀分离法 其它方法其它方法 A 裂片元素的分离方法裂片元素的分离方法 选择性好，回收率高、易于实现自动化选择性好，回收率高、易于实现自动化操作、易于放射性屏蔽操作、易于放射性屏蔽 简便、快速、选择性高、易于连续操作和简便、快速、选择性高、易于连续操作和远距离控制远距离控制 对于性质相似的元素的分离更能显示其优对于性质相似的元素的分离更能显示其优越性越性 操作繁杂、程序冗长、回收率和去污率

35、较低操作繁杂、程序冗长、回收率和去污率较低 超临界流体萃取法和采用离子液体为超临界流体萃取法和采用离子液体为萃取介质的方法萃取介质的方法 2021-11-4核技术应用43B 长寿命裂片元素及超铀元素的分离长寿命裂片元素及超铀元素的分离 目前，长寿命裂片核素及超铀核目前，长寿命裂片核素及超铀核素主要从核动力堆卸出的乏燃料中提素主要从核动力堆卸出的乏燃料中提取。乏燃料的后处理主要目的是取。乏燃料的后处理主要目的是回收回收235U，并提取军用核素，并提取军用核素239Pu。在。在235U、239Pu提取回收后，其它的裂变产物和提取回收后，其它的裂变产物和超铀元素全部转入废液中。超铀元素全部转入废液中

36、。 2021-11-4核技术应用44C 中短寿命裂片元素的分离中短寿命裂片元素的分离裂变裂变99Mo的提取的提取 235U裂变生成裂变生成99Mo产额为产额为6.06%，可以，可以从从235U的裂变产的裂变产物中大量提取物中大量提取99Mo。裂变。裂变99Mo的提取一般采用的提取一般采用Al2O3色层色层分离、分离、HDEHP溶剂萃取或萃取色层分离溶剂萃取或萃取色层分离、-安息香肟沉安息香肟沉淀分离法等。淀分离法等。 下面以日本开展的裂变下面以日本开展的裂变99Mo生产为例介绍裂变裂变生产为例介绍裂变裂变99Mo生产技术。生产技术。2021-11-4核技术应用45a 235U靶件的制备靶件的制

37、备 图图2-9 235U靶件结构图靶件结构图 2021-11-4核技术应用46b 235U靶件的辐照及冷却靶件的辐照及冷却 辐照条件辐照条件：中子注率量：中子注率量21013cm-2s-131013cm-2s-1， 辐照辐照4d7d。冷却时间冷却时间：2d。 冷却冷却2d后，一个靶件将产生后，一个靶件将产生2.811012Bq99Mo、 4.11012Bq 131I、2.591012Bq 133Xe等裂片元素。等裂片元素。2021-11-4核技术应用47c 辐照后辐照后235U靶件的处理靶件的处理 靶件用靶件用10molL-1的硝酸溶解。在靶件的硝酸溶解。在靶件溶解时溶解时131I和和133X

38、e等放射性气等放射性气体释放出来体释放出来，经碱液吸收塔吸收，经碱液吸收塔吸收131I后，含后，含133Xe的放射性气体经过液氮冷的放射性气体经过液氮冷却的分子筛，以捕集却的分子筛，以捕集133Xe。溶解完全后，加入碘的载体以进一步除去放射性溶解完全后，加入碘的载体以进一步除去放射性131I。 向反萃液加入向反萃液加入NaNO2以除去溶液中的以除去溶液中的H2O2，并通过蒸馏办法减小，并通过蒸馏办法减小反萃液体积。经处理后的反萃液加入氧化铝色谱柱反萃液体积。经处理后的反萃液加入氧化铝色谱柱，99Mo被氧化铝所被氧化铝所吸附，然后用吸附，然后用0.1molL-1的稀硝酸和水洗涤色谱柱，再用的稀硝

39、酸和水洗涤色谱柱，再用0.1molL-1的氨的氨水将水将99Mo洗提洗提出来，即为产品。出来，即为产品。2021-11-4核技术应用48裂变裂变99Mo提取流程提取流程2021-11-4核技术应用49表表2-3 裂变裂变99Mo中放射性杂质含量中放射性杂质含量注：辐照时间7d，测量时间为辐照之后7d。2021-11-4核技术应用50裂变裂变131I的提取的提取 裂变裂变131I是裂变法生产是裂变法生产99Mo时的时的副产物副产物之一，由于裂之一，由于裂变变131I的产额为的产额为3.1%，因此可以从裂变产物中大规模生产，因此可以从裂变产物中大规模生产131I。 裂变同位素生产过程中，在切割和酸

40、性溶解时都有裂变同位素生产过程中，在切割和酸性溶解时都有131I逸出，采用负压方式可将其收集；不管采用何种方式溶靶，逸出，采用负压方式可将其收集；不管采用何种方式溶靶，留在溶液中的留在溶液中的131I一般都采用先酸化、后蒸馏或热气载带等一般都采用先酸化、后蒸馏或热气载带等措施使其分离出来。措施使其分离出来。 2021-11-4核技术应用51图图2-12 IRE裂变同位素裂变同位素99Mo、131I、133Xe分离流程图分离流程图2021-11-4核技术应用52图图2-13 纯化流程图纯化流程图2021-11-4核技术应用53第三讲2021-11-4核技术应用542.3 加速器生产放射性核素加速

41、器生产放射性核素 用加速器产生的用加速器产生的高速带电粒子轰击含有选定的稳定核素高速带电粒子轰击含有选定的稳定核素的靶的靶，可制备很多品种的放射性核素。这些放射性核素大多，可制备很多品种的放射性核素。这些放射性核素大多数因核内中子贫乏而以正电子或低能数因核内中子贫乏而以正电子或低能射形式衰变，半衰期一射形式衰变，半衰期一般较短，比活度高，并且可以得到无载体放射性核素，尽管般较短，比活度高，并且可以得到无载体放射性核素，尽管它的生产能力较低，但由于它在工业、农业，尤其是生物医它的生产能力较低，但由于它在工业、农业，尤其是生物医学方面具有学方面具有特殊的用途特殊的用途，其用量不断增加，现已成为放射

42、性，其用量不断增加，现已成为放射性核素生产不可缺少的手段。核素生产不可缺少的手段。2021-11-4核技术应用552.3.1 加速器生产反射性核加速器生产反射性核素的发展简史素的发展简史 自自1934年人工放射性核素发现后，回旋加速器就用于放射性核素的年人工放射性核素发现后，回旋加速器就用于放射性核素的制备，使人工放射性核素在短短三年内就从制备，使人工放射性核素在短短三年内就从3个增加到个增加到197个。个。 从从20世纪世纪60年代初到现在，世界上用于生产放射性核素的加速器从不年代初到现在，世界上用于生产放射性核素的加速器从不到到5台猛增到数百台；并且新增加的核医学诊断用核素中台猛增到数百台

43、；并且新增加的核医学诊断用核素中80是用加速器是用加速器生产的。近年来，生产的。近年来，医学诊断医学诊断用贫中子放射性核素的消费量逐渐增大，有些用贫中子放射性核素的消费量逐渐增大，有些核素的作用出现了逐渐取代部分反应堆生产的放射性核素的趋势。核素的作用出现了逐渐取代部分反应堆生产的放射性核素的趋势。2021-11-4核技术应用562.3.2 加速器的组成及分类加速器的组成及分类加速器主要由三个部分组成：加速器主要由三个部分组成：离子源离子源用于提供所需加速的用于提供所需加速的电子电子、正电子正电子、质子质子、反质子反质子以及以及重离重离子子等粒子；等粒子；真空加速系统真空加速系统该系统中有一定

44、形态的加速该系统中有一定形态的加速电场电场，为了使粒子在不受，为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速，整个系统放在空气分子散射的条件下加速，整个系统放在真空度真空度极高的真空室内；极高的真空室内；导引、聚焦系统导引、聚焦系统用一定形态的用一定形态的电磁场电磁场来引导并约束被来引导并约束被加速加速的的粒子束粒子束，使之沿预定使之沿预定轨道轨道接受电场的加速。接受电场的加速。 衡量一个衡量一个加速器的性能的指标加速器的性能的指标有两个：一是粒子所能达到的能量；二是有两个：一是粒子所能达到的能量；二是粒子流的强度（流强）。加速器按其粒子流的强度（流强）。加速器按其作用原理作用原理不同可分为静电加速

45、器、直不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。2021-11-4核技术应用571. 高压倍加加速器高压倍加加速器 这是最早使用过的用来加速粒子的这是最早使用过的用来加速粒子的高压装置。它利用高压装置。它利用倍压速流倍压速流的原理制成的原理制成的。虽然加速后粒子的能量不高，一般的。虽然加速后粒子的能量不高，一般在在1MeV左右，但用它得到的高速粒子左右，但用它得到的高速粒子数量大，束流强，因此至今仍有实验室数量大，束流强，因此至今仍有实验室使用它来加速粒子。使用它来加速粒子。2021-

46、11-4核技术应用582. 静电加速器静电加速器 图图2-19 范得格拉夫静电加速器示意图范得格拉夫静电加速器示意图 静电加速器是利用静电加速器是利用静电高压加速带电粒子静电高压加速带电粒子的装置。它可用以的装置。它可用以加速加速电子或质子电子或质子，通过输电，通过输电带将喷电针电晕放电的带将喷电针电晕放电的电荷输送到一个绝缘的电荷输送到一个绝缘的空心金属电极内，使之空心金属电极内，使之充电至高电压以加速带充电至高电压以加速带电粒子。电粒子。2021-11-4核技术应用593. 回旋加速器回旋加速器 图图2-20 回旋加速器示意图回旋加速器示意图 回旋加速器是回旋加速器是利用磁场使带电粒利用磁

47、场使带电粒子作回旋运动，在子作回旋运动，在运动中经高频电场运动中经高频电场反复加速的装置。反复加速的装置。 2021-11-4核技术应用602021-11-4核技术应用614. 直线加速器直线加速器 图图2-21 粒子加速器实物图粒子加速器实物图 直线加速器是利用直线加速器是利用沿直线轨道分布的高频沿直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和电场加速电子、质子和重离子的装置。重离子的装置。 2021-11-4核技术应用62Linac Coherent Light Source2021-11-4核技术应用632.3.3 加速器生产放射性核加速器生产放射性核素的特点素的特点带电粒子核反应的库仑势垒高，

48、适于带电粒子核反应的库仑势垒高，适于制备轻元素的放射性核素制备轻元素的放射性核素如如11C、13N、15O和和18F等。等。加速器生产核素时，入射粒子是带电粒子，所生成的放射性核素都加速器生产核素时，入射粒子是带电粒子，所生成的放射性核素都是是贫中子的核素贫中子的核素。加速器生产的放射性核素，一般与靶核不是同一元素，故加速器生产的放射性核素，一般与靶核不是同一元素，故易于用化易于用化学分离学分离，制得，制得高比活度或无载体的放射性核素高比活度或无载体的放射性核素。 加速器生产放射性核素也有一些加速器生产放射性核素也有一些缺点缺点，如大部分核素的生产能力要，如大部分核素的生产能力要比反应堆生产小

49、得多，生产成本高；制备靶及靶子冷却技术难度大；较短比反应堆生产小得多，生产成本高；制备靶及靶子冷却技术难度大；较短的半衰期使它的使用范围（时间、空间）受到限制。的半衰期使它的使用范围（时间、空间）受到限制。2021-11-4核技术应用642.3.4 加速器生产放射性核加速器生产放射性核素的核反应类型素的核反应类型 加速器生产放射性核素中发生的主要核反应有：加速器生产放射性核素中发生的主要核反应有：采用采用粒子引发的粒子引发的核反应、氘核引发核反应、质子核反应、核反应、氘核引发核反应、质子核反应、3He引起的核反应等引起的核反应等。采用采用粒子引发的核反应有粒子引发的核反应有（，n）、（）、（，

50、p）、（）、（，2n）等。等。氘核反应有氘核反应有（d，n）、（）、（d，2n）、（）、（d，）反应。反应。质子引发的质子引发的(p，n)反应是加速器生产放射性核素的主要核反应，反应是加速器生产放射性核素的主要核反应，3He引起的核反应有引起的核反应有（3He，n）、（）、（3He，2n）、（）、（3He，p）等。等。2021-11-4核技术应用652.3.5 加速器生产放射性核素加速器生产放射性核素加速器参数加速器参数 核反应产额核反应产额 产品核纯度产品核纯度 A 核反应的选择核反应的选择带电粒子束必须具有足够的带电粒子束必须具有足够的能量能量 带电粒子束必须具有足够的带电粒子束必须具有足

51、够的粒子流量粒子流量 入射粒子静止质量越小，能量越大，靶核入射粒子静止质量越小，能量越大，靶核原子序数越小，则产额越大原子序数越小，则产额越大 发生核反应时，可能同时会发生竞争反应，从发生核反应时，可能同时会发生竞争反应，从而导致产品纯度不高，因此需要选择而导致产品纯度不高，因此需要选择合适的核合适的核反应及入射粒子能量反应及入射粒子能量 2021-11-4核技术应用66B 加速器用靶件的制备加速器用靶件的制备 固体靶固体靶 液体靶和气体靶液体靶和气体靶 内靶方式是将靶件放在加速器的真空室内照射，内靶方式是将靶件放在加速器的真空室内照射， 其生产效率高，但操作复杂。其生产效率高，但操作复杂。外

52、靶方式是将粒子束引出真空室，在真空室外面外靶方式是将粒子束引出真空室，在真空室外面 照射靶件。照射靶件。有专门的靶材料液体有专门的靶材料液体/ /气体进出管道气体进出管道 合适的厚度、耐高温、导热性能好、热稳定性好、熔点高合适的厚度、耐高温、导热性能好、热稳定性好、熔点高2021-11-4核技术应用67C 辐照产额计算辐照产额计算 带电粒子引起核反应的反应截面，强烈地依赖于轰击粒子的能量。带电粒子引起核反应的反应截面，强烈地依赖于轰击粒子的能量。这种核反应截面随入射粒子通量变化的函数关系，称这种核反应截面随入射粒子通量变化的函数关系，称激发函数激发函数。已知激。已知激发函数后，发函数后，“厚靶

53、厚靶”辐照时所期望获得的放射性核素辐照时所期望获得的放射性核素总放射性量总放射性量A可表可表示如下：示如下：12244016.25 1010( ) ( )3.7 10tEmenJAE S E dEZ 当辐照时间显著小于（至少当辐照时间显著小于（至少5 5倍）同位素的半衰期时，上式可近似表倍）同位素的半衰期时，上式可近似表示如下：示如下：7010( ) ( )EmJtAE S E dEZT7; 2021-11-4核技术应用68D 辐照靶件的处理辐照靶件的处理 粒子束轰击后的靶件经各种物理、化学方法处理后，粒子束轰击后的靶件经各种物理、化学方法处理后，可得到可得到无载体的放射性核素无载体的放射性核

54、素。固体靶固体靶：1 1）易挥发物质：）易挥发物质：干法蒸馏技术进行分离提取干法蒸馏技术进行分离提取，固固体靶还可反复使用体靶还可反复使用；2 2）难挥发物质：）难挥发物质：溶解、萃取、层析或溶解、萃取、层析或共沉淀等，共沉淀等，靶件一次性使用靶件一次性使用。液体靶和气体靶：液体靶和气体靶：相对要简单些。相对要简单些。2021-11-4核技术应用692.3.6 加速器生产放射性核素加速器生产放射性核素的应用的应用 工业上，工业上， 57Co、22Na、109Cd作为穆斯堡尔效应、作为穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、正电子湮没技术、X 射线荧光分析用的射线荧光分析用的放射源放射源。在农业和环境保护

55、中，在农业和环境保护中，47K、74As、203Pb 示踪原子示踪原子。在医学上的应用，柠檬酸在医学上的应用，柠檬酸67Ga用于用于肿瘤诊断肿瘤诊断，123I标标记的碘化钠用于记的碘化钠用于诊断甲状腺诊断甲状腺。 2021-11-4核技术应用702.3.7 加速器生产放射性核素加速器生产放射性核素123I1. 直接法制备直接法制备 直接法制备直接法制备123I需要中、低能加速器，用质子或氘在富集需要中、低能加速器，用质子或氘在富集Te同位素同位素上引发核反应。上引发核反应。Te靶制备中使用高丰度的靶制备中使用高丰度的Te同位素如同位素如124Te、123Te和和122Te的氧化物，通过加热将这

56、些氧化物熔融在的氧化物，通过加热将这些氧化物熔融在Pt（铂）（铂）盘内形成辐照盘内形成辐照靶。照射后的靶需要经过靶。照射后的靶需要经过化学方法分离化学方法分离出出123I。 123I的化学分离方法多用的化学分离方法多用干法蒸馏法干法蒸馏法。其具有操作简单、蒸馏时。其具有操作简单、蒸馏时间短（几分钟）、回收率高（接近间短（几分钟）、回收率高（接近100%）、放射性废物量小等优点）、放射性废物量小等优点2021-11-4核技术应用712. 间接法制备间接法制备 国际上主要发展的间接法有：国际上主要发展的间接法有：127I（p，5n）123Xe123I、124Xe（p，x）123I和和124Xe（，

57、n）123Xe123I。间接法生产。间接法生产123I需要使用中、高能回旋加需要使用中、高能回旋加速器或电子加速器，主要杂质为速器或电子加速器，主要杂质为半衰期半衰期60d的的125I 20世纪世纪80年代，出现了采用高富集度的年代，出现了采用高富集度的124Xe通过通过124Xe（p，x）123I 反应生产反应生产123I 的方法。的方法。 也有用高富集度也有用高富集度124Xe、电子加速器，通过电子加速器，通过124Xe（，n）123Xe核反核反应也可制备应也可制备123I。2021-11-4核技术应用722.4 放射性核素发生器放射性核素发生器 放射性核素发生器放射性核素发生器是人工放射

58、性核素获得的是人工放射性核素获得的另一种方式。它通过简单的操作，能定期从长寿另一种方式。它通过简单的操作，能定期从长寿命的母体核素中分离出短寿命子体核素，为短寿命的母体核素中分离出短寿命子体核素，为短寿命子体核素的应用，特别是在那些远离反应堆和命子体核素的应用，特别是在那些远离反应堆和不具备加速器的地方应用提供了有利条件。目前不具备加速器的地方应用提供了有利条件。目前放射性核素发生器应用最多的还是放射性核素发生器应用最多的还是核医学核医学。它所。它所使用的母体核素也是通过反应堆或加速器生产的。使用的母体核素也是通过反应堆或加速器生产的。2021-11-4核技术应用732.4.1 放射性核素发生

59、器基放射性核素发生器基本原理本原理 放射性核素发生器放射性核素发生器，是利用母体与子体核素的，是利用母体与子体核素的半衰期和它们的物理、化学等性质上差异，采用各半衰期和它们的物理、化学等性质上差异，采用各种物理、化学手段将种物理、化学手段将不断生成的子体核素从母体核不断生成的子体核素从母体核素中分离出来的装置素中分离出来的装置。2021-11-4核技术应用74n实用的放射性核素发生器中，实用的放射性核素发生器中，子体核素的半衰子体核素的半衰期短，而母体核素的半衰期相对较长期短，而母体核素的半衰期相对较长。放射性。放射性核素发生器以其母子体核素或直接以子体核素核素发生器以其母子体核素或直接以子体

60、核素来命名，例如母体为来命名，例如母体为99Mo、子体为、子体为99mTc的装的装置就叫置就叫99Mo-99mTc发生器发生器或或99mTc发生器。发生器。2021-11-4核技术应用751. 放射性母体子体的相互关系放射性母体子体的相互关系 假设假设：t0时，只有母体核数（时，只有母体核数（N1,0），在），在t时刻，剩下的母体核数为：时刻，剩下的母体核数为： 11,1,0ttNNe 母体核素衰变只产生母体核素衰变只产生单一子体单一子体放射性核素时，对于子体核素有：放射性核素时，对于子体核素有： 12112211,022tdNNNN eNdt 12121,021()ttNNee 2021-1