《放射性核素的制备》由会员分享，可在线阅读，更多相关《放射性核素的制备（111页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西南科技大学国防科技学院,第二章 放射性核素的制备,2017/10/26,核技术应用,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,2017/10/26,核技术应用,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一,2017/10/26,核技术应用,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
2、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,2017/10/26,核技术应用,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,2017/10/26,核技术应用,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。,2017/10/26,核技术应用,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),2017/10/26,核技术应用,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、,2017/10/26,核技术应用,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。,2017/10/26,核技术应用,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，因此它
5、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。,2017/10/26,核技术应用,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。,2017/10/26,核技术应用,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
6、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（E50MeV）中能核反应（50MeVE1000MeV）,2017/10/26,核技术应用,13,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
7、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。,2017/10/26,核技术应用,14,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、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,2017/10/26,核技术应用,15,核素发生器制备,将反应堆和加速器
8、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”。,2017/10/26,核技术应用,16,2.2 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，）法；（2）从辐照后的
9、235U等易裂变材料产生的裂变产物中分离，即（n，f）法。,前者具有生产能力大、品种多、放射性废物量小、生产成本低廉等特点，后者可以提取国防工业用95Zr、144Ce等裂片元素，也可大规模生产99Mo、131I等军民两用放射性核素（主要用于医学诊断、治疗）。,2017/10/26,核技术应用,17,2.2.1 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。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，
10、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。,2017/10/26,核技术应用,18,1.（n, ）反应,（n, ）是生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, ）192
11、Ir、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。,2017/10/26,核技术应用,19, 通过（n, ）反应，再经核衰变生成所需要的放射性核素,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。,2017/10/26,核技术应用,20, 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
12、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、65Zn等。,2017/10/26,核技术应用,21,2.（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=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。,2017/10/26,核技术应用,22,3.（n, p）反应,4.（n, ）反应,（n，p）反
13、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。,2017/10/26,核技术应用,23,2.2.2 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、靶子的制备、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。,2017
14、/10/26,核技术应用,24,1. 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,2017/10/26,核技术应用,25,2. 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,B 尽可能采用高丰度的靶子元素作为靶子物,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。,如采用天然或低丰度的靶
15、子元素作靶 ,某些核素要发生两次中子俘获才能生产。,2017/10/26,核技术应用,26,（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。,制备辐照靶件时还要考虑靶子物装载量、内外包装形式等,2017/10/26,核技术应用,27,（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,（
16、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！,2017/10/26,核技术应用,28,3. 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, ）反应生产放射性核素。,2017/10/26,核技术应用,29,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。,
