Физика ядерной медицины
![]()
|
2. Производство радионуклидов на ядерных реакторахНаиболее мощным и экономически выгодным источником нейтронов для наработки р/н является ядерный реактор. Ядерные реакторы производят нейтроны за счет реакции деления 235U, 239Pu или 233U. Нейтроны, образующиеся при делении, имеют непрерывный энергетический спектр в интервале от 0,1 до 20 МэВ с наиболее вероятной энергией, равной 1 Мэв и средней энергией, равной 2 МэВ. За счет процессов взаимодействия и замедления спектр нейтронов модифицируется и расширяется в область малых энергий (вплоть до тепловых энергий). Конкретный вид спектра зависит от типа реактора и конструкции активной зоны. Мощные энергетические реакторы мало приспособлены для производства р/н, поэтому для этих целей используются, как правило, исследовательские реакторы теплового типа. Типичный энергетический спектр такого реактора показан на рис. 8.1. ![]() Рис. 8.1. Типичный энергетический спектр нейтронов реактора на тепловых нейтронах Нейтроны обычно группируются в три категории: тепловые нейтроны (En < 0,4 эВ), эпитепловые нейтроны (0,4 эВ < En < 100 кэВ) и быстрые нейтроны (En >100 кэВ). Энергетический спектр тепловых нейтронов аппроксимируется распределением Максвелла с максимумом около энергии 0,025 эВ. Эти нейтроны наиболее эффективны (имеют максимальные сечения взаимодействия) для получения р/н. Используемая плотность потока таких нейтронов зависит от мощности реактора и расположения мишени и находится в диапазоне от 5·106 до 5·1015 нейтрон/(см2·с). Большинство исследовательских реакторов на тепловых нейтронах имеют активную зону, погруженную в бассейн с водой или тяжелой водой, которая одновременно выполняет функции замедления нейтронов, охлаждения реактора и защиты от излучений. Мишени для облучения обычно размещают в специальных каналах, проходящих через активную зону реактора. В табл. 8.1 приводится список р/н, важных для ЯМ, которые производятся на ядерных реакторах. Для этого применяются три типа ядерных реакций: реакция захвата нейтрона (n,γ); захват нейтрона с последующим радиоактивным распадом; деление. Наиболее широко используется реакция (n,γ) с тепловыми нейтронами в силу простоты реализации и высокого выхода продукта. Во многих случаях мишени делаются из такого же элемента (иногда природного материала), поэтому не требуется последующее химическое разделение мишени и продукта. Этот же момент является недостатком данной технологии, так как при невозможности химического отделения радиоактивного продукта стабильные атомы разбавляют радиоактивные. Такое разбавление приводит к уменьшению специфической (удельной) активности конечного продукта. Другой недостаток заключается в возможности образования радиоактивных примесей вследствие реакции (n,γ) на других изотопах элемента мишени или химических примесей в мишени. Применение изотопного обогащения мишени помогает минимизировать наличие радиоактивных примесей в продукте, однако существенно увеличивает его стоимость. Тем не менее, такое обогащение применяется достаточно часто. В некоторых случаях возможно повышение удельной активности р/н, получаемых по (n,γ) реакции, используя процесс Сциларда-Чалмерса [2]. Данный процесс основывается на том, что после поглощения нейтрона испускается γ-квант, который может вызвать отдачу ядра и последующее нарушение молекулярной связи. Это возбуждение в некоторых случаях переводит "горячий" атом в другое химическое состояние, отличное от атомов, не встпавших в реакцию. Таким образом, становится возможным химическое разделение. Таблица 8.1. Перечень наиболее важных для ЯМ радионуклидов, производимых на ядерных реакторах [1]
* – распад через захват электрона. Другая ситуация возникает в результате (n,γ) реакции, когда представляет интерес распад промежуточного р/н в требуемый продукт. Такой процесс используется при получении р/н 125I с помощью реакции 124Xe(n,γ)135Xe → 125I. Так как конечный продукт в этом случае может быть химически отделен от мишени, то становится достижимой удельная активность, соответствующая теоретическому значению для чистого р/н. Очевидно, что необходимо применять химически чистые мишени и реагенты, чтобы избежать попадания в продукт стабильных нуклидов. В примере с 125I это означает, что как мишень, так и реагенты не должны содержать стабильный иод. Желательно также использовать обогащенные мишени, чтобы минимизировать попадание в продукт долгоживущих р/н или стабильных нуклидов. Для примера, если 126Xe (относительное содержание 0,09 % в природном ксеноне) облучается вместе с 124Хе, то образуется 127Xe, который затем распадается в стабильный 127I. В этом случае, однако, так как мишень и продукт химически разделяются, то имеется возможность восстановления обогащенного мишенного материала для повторного использования. В результате деления 235U образуются продукты деления с атомными номерами от 30 до 66, разделить которые и выделить интересующий р/н можно с помощью химических процедур. Наиболее важными медицинскими р/н, получаемые с использованием реакции деления, являются 131I, 133Xe и 99Mo. Ряд полезных р/н получают, применяя реакцию (n,p), идущую при облучении мишеней быстрыми нейтронами (например, 35S, 64Cu), или цепочку "непрямых" реакций. Например, при облучении нейтронами 6Li образуется 3H с достаточно высокой энергией, чтобы вызвать реакцию с соседним ядром 16O (в соединении Li2CO3), в результате которой образуется 18F. |