放射性核素制备.ppt

关于放射性核素的制备第一张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用2引引 言言 核技术应用的基础是射线与物质的相互作用，这些射线可由反应堆、加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。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、所生产的核素多为无生产能力低，但品种多、所生产的核素多为无载体、比活度高。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 第二张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用32.1 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、加速器生产和核素发生器 第三张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用42.1.1 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物质宇宙射线与大气和地表中的物质相互作用生成相互作用生成 第四张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用5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。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。第五张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用61.1.钍系钍系4n系系2.2.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)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(稳定稳定)第六张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用73.3.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)4.4.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射系的所有成员。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（其衰变子体中无放射性气体氡（Rn）第七张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用8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等作用在大气层中生成的。成的。第八张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用92.1.2 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里居里夫妇用夫妇用粒子轰击铝发生核反应获得了粒子轰击铝发生核反应获得了第一个人工放射性核素第一个人工放射性核素。之后，人们。之后，人们通过反应堆、加速器等制备了大量的各通过反应堆、加速器等制备了大量的各种人工放射性核素。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超过多种，其中人工放射性核素就超过1600种。种。第九张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用10 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、氘核等轰击天然稳定核素或天然稳定核素或235U等易裂变材料使其产生核反应来制备的。等易裂变材料使其产生核反应来制备的。分分 类类 入入射射粒粒子子的的种种类类入入射射粒粒子子的的能能量量 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）第十张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用11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，反应堆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，具有可同时辐照辐照多种样品、辐照的样品量大、靶子制备容易、辐多种样品、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过程中核燃料因发生裂变核反应生成的产物裂变核反应生成的产物中也可提取中也可提取大量的放射性核素。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。第十一张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用12加速器制备加速器制备 用加速带电粒子轰击各种靶子物，能引起不同的核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。加速器能生产的器能生产的放射性核素品种较多放射性核素品种较多，约占目前已知放射性，约占目前已知放射性核素总数的核素总数的60%以上，但它的以上，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。第十二张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用13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，可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体核从较长半衰期的母体核素素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。由于放射性的一种装置。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。从母体核素中方便地分离出来并加以收集。第十三张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用142.2 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，直接生）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，即产或通过简单处理生产放射性核素，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产物等易裂变材料产生的裂变产物中分离，即中分离，即（n，f）法法。第十四张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用152.2.1 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，由于中子不带电，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不存在库仑势垒，因此不同能量的中子均能引发核反应。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。第十五张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用161.（n,）反应反应 （n,）是生产放射性核素最重要、最常用的核反是生产放射性核素最重要、最常用的核反应，利用应，利用（n,）反应可在反应堆上生产大多数元素反应可在反应堆上生产大多数元素的放射性核素。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,）反应反应直接生成的放射性核素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，不能通过化学方法将目标核素与其靶，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。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。第十六张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用17 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 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，因此可通过物，因此可通过物理或化学方法将靶子元素与目标核素进行理或化学方法将靶子元素与目标核素进行分离分离，获得比活度、，获得比活度、放射化学纯度及放射性核素纯度都很高的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。无载体的目标核素。第十七张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用182.（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，因此裂变产物的组反应，生成数百种裂变元素，因此裂变产物的组成相当复杂。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多种核素多种核素（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，如济中有重要应用价值的放射性核素，如90Sr、95Zr、99Mo、131I、137Cs、144Ce等。等。第十八张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用193.（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）反应适于制备原子序反应适于制备原子序数较低的放射性核素，如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,）反应也可以生反应也可以生产无载体放射性核素。用富集的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，即生产氚就是采用了该核反应方式，即6Li（n,）3H。第十九张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用202.2.2 反应堆辐照法生产放射性反应堆辐照法生产放射性核素核素 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响，影响，而且与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等因素有关。此外，还必须注意靶件在堆内辐照时的关。此外，还必须注意靶件在堆内辐照时的安全性安全性。第二十张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用211.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 第二十一张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用222.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、靶子物辐照后易于处、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、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 ,某些核素要发生两次中子俘获才能生产某些核素要发生两次中子俘获才能生产。第二十二张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用23（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（靶子物的形态）及其（靶子物的形态）及其在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的辐照孔道的设计。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、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。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 第二十三张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用24（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照过程中，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。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！第二十四张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用253.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。靶件的辐照应注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：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。对以上。对于原子序数位于于原子序数位于20和和35之间的放射性核素的生产，可以选用能量高的快中子；当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,）反应生产放射性核素。反应生产放射性核素。第二十五张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用26B 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比。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。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辐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。照产额公式来计算。第二十六张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用27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仅以衰变方式减少并且生仅以衰变方式减少并且生成稳定核素成稳定核素B。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）、）、热中子俘获截热中子俘获截面面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的生产率为的生产率为sNs；同进；同进它又随着它又随着ANA的衰变速率而减少。的衰变速率而减少。第二十七张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用28因此，核素因此，核素A的净增长率为：的净增长率为：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：其放射性活度为：其放射性活度为：第二十八张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用294.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、化学处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（目标核素的都需要经过化学处理（目标核素的分离与纯化分离与纯化）后才能制）后才能制成满足用户需要的放射性核素制品。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、离子交换法、蒸有溶剂萃取法、沉淀法、离子交换法、蒸（干）馏、电化学法、热原子反冲法等。（干）馏、电化学法、热原子反冲法等。第二十九张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用305.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、载体含放射性纯度、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。量及医用制剂的无菌、无热源检测等。第三十张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用316.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 反反应应堆生堆生产产的一些重要放射性核素的一些重要放射性核素第三十一张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用3298Mo（n，）99Mo-，112Sn（n，）113 SnEcIT 124Xe（n，）125Xe130Te（n，）131Te第三十二张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用33（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，）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。生产方式生产方式第三十三张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用34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第三十四张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用35 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。第三十五张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用36（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。第三十六张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用37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间间歇歇循循环环生生产产工工艺艺流流程程第三十七张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用382.2.3 从裂变产物中提取放射性从裂变产物中提取放射性核素核素1.裂变核反应裂变核反应图图2-7 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 第三十八张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用392.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照射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：式中式中 N可裂变物质的原子核数；可裂变物质的原子核数；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而而变化。变化。第三十九张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用40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产是指是指裂变产物的某一种核素或某一质物的某一种核素或某一质量链在重核裂变过程中产量链在重核裂变过程中产生的几率。它通常用每生的几率。它通常用每100次核裂变产生的裂变产次核裂变产生的裂变产物原子数来表示（物原子数来表示（%）。）。第四十张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用413.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 裂裂片片元元素素的的分分离离方方法法 选择性好，回收率高、易于实现自动化操作、易于选择性好，回收率高、易于实现自动化操作、易于放射性屏蔽放射性屏蔽 简便、快速、选择性高、易于连续操作和远距简便、快速、选择性高、易于连续操作和远距离控制离控制 对于性质相似的元素的分离更能显示其优越性对于性质相似的元素的分离更能显示其优越性 操作繁杂、程序冗长、回收率和去污率较低操作繁杂、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萃取超临界流体萃取法和采用离子液体为萃取介质的方法介质的方法 第四十一张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用42B 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素目前，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取。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提取提取回收后，其它的裂变产物和超铀元素全回收后，其它的裂变产物和超铀元素全部转入废液中。部转入废液中。第四十二张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用43C 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的裂变产物中大量的裂变产物中大量提取提取99Mo。裂变。裂变99Mo的提取一般采用的提取一般采用Al2O3色层分离、色层分离、HDEHP溶溶剂萃取或萃取色层分离剂萃取或萃取色层分离、-安息香肟沉淀分离法等。安息香肟沉淀分离法等。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生生产技术。产技术。第四十三张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用44a 235U靶件的制备靶件的制备 图图2-9 235U靶件结构图靶件结构图 第四十四张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用45b 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。第四十五张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用46c 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133Xe等放射性气体释放出来等放射性气体释放出来，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却的分子筛，以捕的放射性气体经过液氮冷却的分子筛，以捕集集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反萃液体积。，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经处理后的反萃液加入氧化铝色谱柱，99Mo被氧化铝所吸附，然后用被氧化铝所吸附，然后用0.1molL-1的的稀硝酸和水洗涤色谱柱，再用稀硝酸和水洗涤色谱柱，再用0.1molL-1的氨水将的氨水将99Mo洗提洗提出来，即为产品。出来，即为产品。第四十六张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用47裂裂变变99Mo提提取取流流程程第四十七张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用48表表2-3 裂裂变变99Mo中放射性中放射性杂质杂质含量含量注：辐照时间7d，测量时间为辐照之后7d。第四十八张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用49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，由于裂变之一，由于裂变131I的的产额为产额为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131I一一般都采用先酸化、后蒸馏或热气载带等措施使其分离出来。般都采用先酸化、后蒸馏或热气载带等措施使其分离出来。第四十九张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用50图图2-12 IRE裂裂变变同位素同位素99Mo、131I、133Xe分离流程分离流程图图第五十张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用51图图2-13 纯纯化流程化流程图图第五十一张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用52第三讲第五十二张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用532.3 加速器生产放射性核素加速器生产放射性核素 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的靶高速带电粒子轰击含有选定的稳定核素的靶，可制，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电子或低能射形式衰变，半衰期一般较短，比活度高，并且可以得射形式衰变，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，尽管它的生产能力较低，但由于它在工业、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，尤其是生物医学方面具有农业，尤其是生物医学方面具有特殊的用途特殊的用途，其用量不断增加，现已，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。成为放射性核素生产不可缺少的手段。第五十三张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用542.3.1 加速器生产反射性核素的加速器生产反射性核素的发展简史发展简史 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制备，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到年代初到现在，世界上用于生产放射性核素的加速器从不到5台猛增到数百台猛增到数百台；并且新增加的核医学诊断用核素中台；并且新增加的核医学诊断用核素中80是用加速器生产的。近年来，是用加速器生产的。近年来，医学诊断医学诊断用贫中子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。素的趋势。第五十四张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用552.3.2 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子重离子等粒子；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，为了使粒子在不受空气分子散，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，使之沿预定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；二是粒子流有两个：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器、直线加速器、回旋加速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。器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。第五十五张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用561.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。的原理制成的。虽然加速后粒子的能量不高，一般在虽然加速后粒子的能量不高，一般在1MeV左右，但用它得到的高速粒子数量左右，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使用它大，束流强，因此至今仍有实验室使用它来加速粒子。来加速粒子。第五十六张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用572.静电加速器静电加速器 图图2-19 范得格拉夫静范得格拉夫静电电加速器示意加速器示意图图 静电加速器是利用静电加速器是利用静电静电高压加速带电粒子高压加速带电粒子的装置。的装置。它可用以它可用以加速电子或质子加速电子或质子，通过输电带将喷电针电晕通过输电带将喷电针电晕放电的电荷输送到一个绝放电的电荷输送到一个绝缘的空心金属电极内，使缘的空心金属电极内，使之充电至高电压以加速带之充电至高电压以加速带电粒子。电粒子。第五十七张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用583.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 回旋加速器是利用回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经旋运动，在运动中经高频电场反复加速的高频电场反复加速的装置。装置。第五十八张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用59第五十九张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核技术应用604.直线加速器直线加速器 图图2-21 粒子加速器粒子加速器实实物物图图 直线加速器是利用沿直线加速器是利用沿直线轨道分布的高频电场直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和重离子加速电子、质子和重离子的装置。的装置。第六十张，PPT共九十三页，创作于2022年6月2022/10/18核