توليد راديوايزوتوپها
توليد راديوايزوتوپها
راديوايزوتوپها نيز مانند ايزوتوپهاي پايدار كاربرد گستردهاي را در تحقيقات، صنعت پزشكي، آبشناسي (هيدرولوژي) و كشاورزي پيدا كردهاند. در اينجا توجه خود را به توليد
راديوايزوتوپها، مخصوصاً ايزوتوپهاي با كاربرد گسترده معطوف ميداريم.
راديواكتيويته طبيعي اورانيم در سال 1896 به وسيله بكرل كشف شد و تا سال 1934 تنها مواد راديواكتيو طبيعي شناخته شده بودند. راديوايزوتوپهاي طبيعي دو نوع هستند. راديوايزوتوپهاي با نيمه عمر بالا، K40، Rb87، U238، U235و Th232 كه از بدو به وجود آمدن عناصر زميني از حدود 109×5/4 سال پيش باقي ماندهاند و راديوايزوتوپهاي همانند C14 كه داراي نيمه عمر نسبتاً كوتاه بوده و به طور مداوم به وسيله برهمكنشهاي پرتـوهاي كيهاني در اتمسفر بالاتر تشكيل ميشوند.
تعداد قابل ملاحظهاي از راديوايزوتوپها با كاربردهاي گوناگون به طور مصنوعي توليد ميشوند. اولين راديونوكليد مصنوعي در سال 1934 به وسيله كوريها (Curies) هنگام بمباران آلومينيم با ذرات a حاصل از Po210 طبيعي كشف گرديد. واكنش
فسفر راديواكتيو(radiophosphorus) را توليد نمود. در مراحل بعد چشمههاي نوتروني (a,n) همچون Be -Ra226 و شتابدهندهها توسعه يافتند. تلاش ها به طرف شتاب ذرات -a، پروتونها و دئوترونها روي هدفهاي گوناگون پايدار جهت توليد و شناسايي راديونوكليدهاي جديد هدايت گرديد. با ساخته شدن رآكتورهاي هستهاي نوترونها براي توليد ايزوتوپها قابل استفاده شدهاند.
بررسيهاي عمومي
فرآيند هستهاي اصلي
عناصر پايدار هنگام تغيير نسبت نوترون ـ پروتون (نسبت N/Z) در هسته تمايل به راديواكتيو شدن دارند. فرآيند توليد راديوايزوتوپ موجب تغيير نسبت N/Z عنصر از طريق بمباران ماده هدف مناسب به وسيله نوترونها يا ذرات باردار ميگردد. بمباران نوتروني عموماً ايزوتوپهاي “غني از نوترون” توليد ميكنند كه معمولاً به وسيله گسيل-b (نگاترون) فروپاشي نموده و غالباً همراه با تابش g ميباشند. در مقابل آن، بمباران با ذره باردار توليد ايزوتوپهاي با “كمبود نوترون” نموده كه به روش +b (پوزيترون) يا گيراندازي الكترون(EC) فروپاشي ميكنند. در اين حالت ممكن است تابش g نيز با آن همراه باشد. اين فرآيند در شكل 12 . 1 توضيح داده شده است.
بمباران نوتروني هدفهاي انتخاب شده در رآكتورها تاكنون معمولترين مسير توليد راديوايزوتوپ بوده است. ذرات باردار با انرژي كافي محصولي را توليد ميكند كه ايزوتوپ عنصر هدف نيست. لذا جداسازي شيميايي منجر به محصولي با اكتيويته ويژه بالا ميگردد.
در حال حاضر 3 رآكتـور تحقيقاتي در بارك، مومبائي، آپسارا، سيروس (CIRUS) و دوروا (Dhruva) وجود دارند كه نيازهاي كشور هندوستان براي توليد ايزوتوپ را تأمين ميكنند. حداكثر شار نوترون قابل حصول در آپسارا، سيروس و دوروا به ترتيب 1013 ، 1013 ×6 و 1014 ×8/1 نوترون بر ثانيه به ازاي هر سانتيمتر مربع ميباشد. با توجه به اين كه نوترون از نظر بار الكتريكي خنثي است دفع الكترواستاتيكي هسته هـدف بر آن اثري ندارد. لذا، حتي نوترونهاي با انرژي پايين (نوترونهاي حرارتي) موجب واكنشهاي هستهاي ميشوند. بسته به انرژيزايي واكنش، هسته هدف ابتدا يك نوترون را جذب و يك فوتون-g يا يك ذره باردار ( مثلاً p يا a) را گسيل ميكند. انواع واكنشهاي القائي نوتروني كه عموماً براي توليد ايزوتوپ مورد استفاده قرار ميگيرند ذيلاً به طور خلاصه شرح داده ميشوند.
واكنش (n,g)
اين واكنش گيراندازي تابشي ناميده شده و معمولترين شكل برهمكنش نوترون حرارتي با هر هسته، اتمي است. محصول واكنش ايزوتوپي از هسته هدف است كه عدد جرمي آن يك واحد بالاتر از هسته هدف ميباشد گيراندازي نوترون به دنبال گسيل فوتون -g است. نسبت N/Z كل افزايش پيدا نموده و معمولاً راديونوكليد تشكيل شده با -b فروپاشي ميكند.
با توجه به اينكه محصول واكنش ايزوتوپي از عنصر هدف است، جداسازي شيميايي آن از ايزوتوپهاي پايدار غيرممكن ميباشد. اكتيويته ويژه (اكتيويته برگرم) محدود به شار نوتروني قابل دسترس است. واكنش(n,g) براي توليد بيش از نصف راديوايزوتوپها كه كاربرد متداول دارند مورد استفاده قرار ميگيرد
واكنش (n,g) كه با فروپاشي -b دنبال ميشود
بعضي از واكنشهاي(n,g) توليد راديوايزوتوپي با عمر كوتاه مينمايند كه اين راديوايزوتوپ خود
به راديوايزوتوپ ديگري با نيمه عمر بلندتر فروپاشي ميكند. واكنش (n,g) با تلـوريوم محصولي
همچون I131 توليد ميكند كه از نظر شيميايي متفاوت از هدف است.
لذا ايزوتوپ محصول به راحتي قابل جداسازي بوده و منجر به اكتيويته ويژه بالايي ميگردد.
واكنش (n,p)
پس از اينكه يك نوترون به وسيله هسته هدف قاپيده شد، گسيل ذره باردار همچون پروتون يا ذره -a از هسته مركب (CN) تنها زماني امكانپذير است كه انرژي برانگيختگي كافي در CN قابل دسترس بوده و به نيروهاي پيوندي آخرين پروتون غلبه نمايد. لذا، اين واكنش نياز به نوترونهاي با انرژي بالا (نوترونهاي سريع) به جز حالت عناصر سبك دارد. چند مثال از اين واكنشها در جدول 12 . 2 داده شدهاند.
با توجه به اينكه نوكليد محصول ايزوتوپ عنصر هدف نيست، جداساز شيميايي امكانپذير بوده و اكتيويته ويژه بسيار بالا امكانپذير ميباشد.
واكنش (n,a)
در بعضي از هستهها گيراندازي نوترون منجر به گسيل a گشته و محصول راديوايزوتوپي است كه از نظر شيميايي متفاوت از هسته هدف ميباشد
فرآيند چندمرحلهاي گيراندازي نوترون
اين روش مستلزم گيراندازي پيدرپي نوترون بوده و مخصوصاً در ميان عناصر سنگين داراي اهميت ويژهاي است. بعضي از ايزوتوپهاي ترانس اورانيم (مثلاً Am241) با بهكار بردن اين روش توليدشدهاند.
واكنش شكافت
شكافت القائي نوترونيU235 وPu239 در طي كار عادي رآكتور تعداد قابل ملاحظهاي راديوايزوتوپ را به عنوان محصولات جانبي توليد ميكند. حداكثر بهره شكافت 6% به ايزوتوپهاي با اعداد جرمي100-95 و 140-135 مربوط ميشود. با توجه به اين كه طي واكنش شكافت علاوه بر راديوايزوتوپها ايزوتوپهاي پايدار ديگري تشكيل ميشوند، اكتيويتههاي ويژه ايزوتوپهاي گوناگون از عنصري به عنصر ديگر متفاوت است. مثلاً راديوايزوتوپ Mo99 يك محصول شكافت است كه به همراه ايزوتوپ پايدار Mo100 تشكيل ميگردد. محصولات شكافت با نيمه عمر بلند همچون Cs137، Sr90، Kr85 و Pm147 داراي اهميت صنعتي هستند. اين ايزوتوپها در طي فرآيند باز فرآوري سوخت مصرف شده از محلول پسمان محصولات شكافت جداسازي ميشوند.
محصولات شكافت با نيمه عمركوتاه همچون Mo99، Ba140، Sr89، I131، Xe133 و ... داراي اهميت هستند ولي قبل از اين كه پسمان محصولات شكافت به منظور فرآيند بازيابي در دسترس قرار بگيرند، فروپاشي ميكنند. براي توليد اين ايزوتوپها هدفهاي اورانيم طبيعي يا غني شده براي مدت كوتاه در رآكتور پرتودهي شده و به وسيله روشهاي معمولي راديوشيمايي جداسازي ميشوند. محصولات شكافت Sr90، Ru106، I132، Cs137 و Ba140 را نميتوان به وسيله روش(n,g) توليد نمود.
واكنش غير مستقيم
ذره گسيل شده از هدف در يك واكنش القائي نوترون ميتواند موجب يك واكنش هستهاي ديگري گردد. براي مثال ترايتونهاي پر انرژي به وسيله واكنش H3(n,a) Li6 توليد ميشوند. هنگامي كه كربنات ليتيم به وسيله شاري از نوترونهاي حرارتي پرتودهي ميشود F18 يك ايزوتوپ گسيل كننده پوزيترون با نيمه عمري معادل110 دقيقه توليد ميشود
فرآيند زيلارد-چالمرز(SC)
گاهي واكنش(n,g) به دليل انرژي كه به واسطه پسزنيهاي هستهاي هنگام گسيل پرتو g حاصل ميشود موجب اثرات شيميايي ميگردد. اين انرژي پسزن براي شكستن پيوندهاي معيني كافي است. چنانچه پس از شكستن پيوند، اتم محصول در يك حالت شيميايي متفاوت و قابل جداسازي از اتمهاي هدف باشد، در اين صورت محصول ميتواند از جرم بالاي هدف
غيراكتيو جدا گردد. اين فرآيند به نام فرآيند زيلارد- چالمرز شناخته ميشود. اگر چه هدف و محصول ايزوتوپ هستند، اين پديده روشهايي براي به دست آوردن محصول با اكتيويته ويژه بالا است.
زيلارد(Szilard) و چالمرز (Chalmers) (SC) كشف كردند هنگامي كه يديداتيل با نوترونها پرتودهي ميشود، اتمهاي I128 تشكيل شده از I128(n,g) I127 از تركيب پس زده شده و ميتواند به صورت يد آزاد با آب استخراج گردد.
مولدهاي راديوايزوتوپ
يك روش جهت به دست آوردن راديوايزوتوپ با نيمه عمر كوتاه جهت استفاده به عنوان ردياب در پزشكي و صنعت در مكانهاي دور از تجهيزات رآكتور يا سيكلوترون، به كار بردن مولد راديوايزوتوپ مادر- دختر است. در مولد يك مادر با نيمه عمر بلندتر به دختر با نيمه عمر كوتاهتر فروپاشي ميكند. بسته به نيمه عمرها اين دو راديونوكليد در يك حالت تعادلگذاري يا عام بين خود هستند. نوكليد دختر به طور انتخابي از مولد دوشيده شده اختلافي بين رفتارهاي شيميايي دو عنصر خـواهـد داشـت مثالهايي از سيستـم مـولـد عبارتند از: Bam137 – Cs137،
La 140 – Ba140، mTc99- Mo99، Y90-Sr 90 و In m113 - Sn113.
راديوايزوتوپ مادر در رآكتور يا سيكلوترون توليد ميگردد و معمولاً روي يك ماده پشتيبان مثلاً، يك رزين مبادله كننده در يك ستون بسته جذب ميشود. دختر با نيمه عمر كوتاه با بهكار بردن حلالهاي انتخابي دوشيده ميشود. نوكليد دختر به رشد خود ادامه داده و پس از يك دوره 4-3 برابر مدت نيمه عمر به اكتيويته ماكزيمم ميرسد. لذا دوشيدن تكراري امكانپذير خواهد بود.
به نام خدا