راديونوكليدهاي توليدي راكتور

راديونوكليدهاي توليدي راكتور

تعداد زيادي از راديونوكليدها در راكتورهاي هسته اي توليد مي شوند. يك راكتور هسته اي از ميله هاي سوخت حاوي مواد شكافت پذير همچون اورانيوم غني شده ²³⁵U و ²³⁹Pu ساخته شده است. اين هسته هاي سوخت با احتمال خيلي پائيني متحمل شكافت خودبخود مي شوند. شكافت به صورت شكسته شدن يك هسته سنگين به دو پاره با جرم تقريباً مساوي بهمراه با گسيل دو يا سه نوترون با انرژي هاي ميانگين 1/5MeV تعريف مي گردد. در هر شكافت، رهائي انرژي معادل 200MeV همراه است كه بصورت گرما ظاهر شده و معمولاً بوسيله مبدل هاي حرارتي جهت توليد برق در نيروگاههاي هسته اي مورد استفاده قرار مي گيرد.

نوترونهاي گسيل شده در هر شكافت مي تواند موجب شكافت هسته هاي ديگر در ميله هاي سوخت گردد بشرطي كه شرايط لازم مهيا باشد. اين امر آشكارا موجب يك واكنش زنجيره اي شده، در نهايت منجر به يك حالت ذوب در راكتور مي گردد. اين واكنش زنجيره اي بايد كنترل گردد، كه با اندازه، شكل و جرم مناسب ماده سوخت و روشهاي ديگر پيچيده و ماهرانه مهندسي حاصل
مي شود. براي كنترل يك واكنش زنجيره پايدار، نوترونهاي اضافي
(بيشتر از يك) با قراردادن ميله هاي كادميم در قلب راكتور حذف مي شود (كادميم داراي احتمال بالاي جذب نوترون گرمائي است). ميله هاي سوخت مواد قابل شكافت، در قلب راكتور با فاصله بين يكديگر پراكنده شده اند. نوترونهاي گسيل يافته با انرژي ميانگيني معادل 1/5MeV از سطح ميله سوخت داراي احتمال پايين برهمكنش با ديگر هسته ها بوده و لذا براي مقاصد مفيد كاربردي ندارند. با وجود اين، ملاحظه شده است كه نوترونها با انرژي حرارتي ((0/025eV با بسياري از هسته ها برهمكنش داده، بطور كارآمدي راديونوكليدهاي متعددي توليد مي كنند. براي مفيدتر ساختن نوترونهاي با انرژي بالا يا به اصطلاح سريع با برهمكنش با مواد با وزن مولكولي پايين همچون آب، آب سنگين، بريليم و گرافيت كه در فضاي بين ميله هاي سوخت پراكنده شده اند كند مي شوند. اين مواد بنام كند كننده ها هستند. شار يا شدت نوترونهاي گرمائي از 10¹¹ تا 10¹⁴ نوترون بر سانتي متر مربع بر ثانيه بوده و در توليد راديونوكليدهاي متعددي داراي اهميت هستند. هنگامي كه يك عنصر هدف در قلب راكتور قرار داده مي شود، يك نوترون گرمائي با احتمال معيني جهت توليد نوكليد ديگر با هسته هدف برهمكنش مي دهد. احتمال تشكيل يك راديونوكليد بوسيله نوترونهاي گرمائي از عنصري به عنصر ديگر متفاوت است.

در يك راكتور، دو نوع برهمكنش با نوترونهاي گرمائي داراي اهميت قابل
ملاحظه اي در توليد راديونوكليدهاي مفيد مي باشد : شكافت عناصر سنگين و واكنش گيراندازي نوترون (n,g). اين دو نوع واكنش در ذيل توضيح
داده شده اند.

 

واكنش شكافت يا (n,f)

همانگونه كه ذكر شد، شكافت عبارت است از شكسته شدن يك هسته سنگين به دو پاره با جرم تقريباً مساوي. هنگامي كه هدفي از عناصر سنگين در قلب راكتور قرار مي گيرد، هسته هاي سنگين نوترونهاي گرمائي را جذب نموده و شكافته
مي شوند. عناصر سنگين قابل شكافت ²³⁵U، ²³⁹Pu، ²³⁷Np، ²³³U، ²³²Th و بسياري ديگر با اعداد اتمي بزرگتر از 90 هستند. شكافت عناصر سنگين همچنين ممكن است در سيكلوتروني بوسيله پرتودهي با ذرات باردار القاء گردد، ولي احتمال شكافت بستگي به نوع و انرژي ذره پرتابه دارد. نوكليدهاي توليد شده بوسيله شكافت ممكن است با اعداد اتمي تقريباً 28 تا نزديك 65 باشد. اين ايزوتوپها عناصر گوناگون بوسيله روشهاي شيميائي مناسب كه مستلزم
ته نشيني، استخراج با حلال، تبادل يوني، كروماتوگرافي و تقطير است جداسازي شوند. اين روشها بطور مفصل در فصل 8 توضيح داده شده اند. راديونوكليدهاي شكافت معمولاً بدون همراه بر يا NCA بوده و لذا ايزوتوپهاي با اكتيويته ويژه بالا از شكافت قابل دسترسي هستند. از آنجا كه رفتار شيميائي ايزوتوپهاي عناصر متعدد گوناگون مشابه هستند، غالباً آلودگي مسئله مهمي در جداسازي راديونوكليد ويژه اي بود و لذا روشهاي دقيق از خالص سازي براي جدا كردن آلودگي ها لازم است. محصولات شكافت معمولاً غني از نوترون هستند و بوسيله گسيل b ^- واپاشي مي نمايند.

راديونوكليدهاي مفيد كلينيكي متعددي همچون ¹³¹I، ⁹⁹Mo، ¹³³Xe و ¹³⁷Cs‌ بروش شكافت ²³⁵U توليد مي شوند. مثالي از شكافت گرمائي ²³⁵U‌ در ذيل ارائه داده شده، نشاندهنده تنها چند راديونوكليد شاخص مي باشد.

 

 

 

 

                          

                         

                            

                           

                           

                           

بايد توجه كرد كه تعداد زيادي از ساير نوكليدها نيز در كنار نوكليدهاي مذكور در مثال توليد مي شوند.

 

يد – 131

براي جداسازي شيميائي ¹³¹I از هدف ²³⁵U پرتو ديده، هدف در 18 درصد NaOH بوسيله گرما حل و هيدروكسيدهاي يونهاي متعدد فلز با خنك نمودن
ته نشين مي شوند. محلول فوق حاوي يديد سديم با اسيد سولفوريك در يك سيستم بسته تقطير اسيدي مي گردد. يديد بوسيله اسيد اكسيد شده و يد در يك محلول NaOH بوسيله تقطير جمع آوري مي شود.

 

موليبدن – 99

براي جداسازي ⁹⁹Mo هدف اورانيوم پرتو ديده در اسيد نيتريك حل و محلول روي يك ستون آلومين (Al₂o₃) جذب مي شود. سپس ستون براي جدا كردن كاتيونهاي اورانيوم و محصولات شكافت شسته مي شود. پس از آن موليبدن با هيدروكسيد آمونيوم شستشو مي گردد. مجدداً با جذب موليبدات آمونيوم روي رزين مبادله كننده آنيوني Dowex – 1 و شستشوي ستون با Hcl غليظ جهت جداسازي مابقي ناخالصي ها خالص سازي مي شود. موليبدات آمونيوم در نهايت با Hcl‌ رقيق شسته شده و در نهايت براي مولد ⁹⁹Mo – ^99mTc بكار
مي رود. راديونوكليد ⁹⁹Mo توليد شده بوسيله شكافت بدون همراه بر يا NCA بوده و معمولترين آلوده كننده هاي آن ¹³¹I و ¹⁰³Ru مي باشد.

 

واكنش گيراندازي نوترون يا (n,g)

در واكنش گيراندازي نوترون، هسته هدف يك نوترون حرارتی جذب نموده و پرتوهاي - g جهت توليد ايزوتوپ همان عنصر گسيل مي كند. لذا راديونوكليد توليد شده بدون همراه بر نبوده و اكتيويته ويژه (متعاقباً توضيح داده خواهد شد) نسبتاً پايين است. اين واكنش در تقريباً كليه عناصر با احتمال گوناگون رخ
مي دهد. از آنجا كه هسته هاي هدف و محصول متعلق به يك عنصر است، جداسازي شيميائي آشكارا غير ضروري بوده مگر اين كه ناخالصي ها بدليل واپاشي راديوايزوتوپهاي گوناگون يا راديونوكليدهاي بيگانه كه بوسيله
ناخالصي ها توليد شده در هدف حاصل شوند. در كليه اين حالات، جداسازي شيميائي بايد انجام پذيرد.

راديوايزوتوپهاي مفيد گوناگون توليد شده بوسيله اين واكنش عبارتند از ¹³¹Te
( كه بوسيله واپاشي ^- b با نيمه عمر 25 دقيقه توليد ¹³¹I مي كند)، ⁹⁹Mo، ¹⁹⁷Hg، ⁵⁹Fe، ⁵¹Cr و غيره. اين راديونوكليدها غالباً غني از نوترون بوده و لذا با گسيل
^- b واپاشي مي كنند. مثالهائي از واكنش هاي گيراندازي نوترون عبارتند از ⁹⁸Mo(n,g)⁹⁹Mo، ¹⁹⁶Hg(n,g)¹⁹⁷Hg، ⁵⁰Cr(n,g)⁵¹Cr. موليبدن - 99 توليد شده بنام موليبدن پرتو ديده برعكس موليبدن شكافت است كه قبلاً توضيح داده شد.

بايد متذكر شد كه واكنش گيراندازي نوترون اساس آناليز بروش فعالسازی نوتروني فلزات گوناگون كم مقدار است. نمونه هاي داراي فلزات كم مقدار با نوترونهاي گرمائي پرتودهي شده و اتم فلز كم مقدار نوتروني را جهت توليد راديونوكليد گير مي اندازد كه مي تواند بوسيله آشكارسازي تابش آشكار سازي گردد. آناليز بروش فضاسازي نوتروني روشي مهم در آشكارسازي حضور عناصر كم مقدار در امور جنائي، صنعتي و علوم بيولوژيكي است.

 

هدف و فراوري آن

انواع گوناگون هدفها طراحي شده و براي پرتودهي در راكتور و سيكلوترون مورد استفاده قرار گرفته اند. در طراحي هدفها، ملاحظه اوليه براي انتقال گرما در هدف بوسيله پرتودهي با نوترونها در راكتور يا ذرات باردار در سيكلوترون داده شده است. در هر دو حالت، دما مي تواند تا  افزايش يافته، چنانچه ماده مناسبي بكار نرود يا روشي از پراكندگي گرما بطور مناسبي طراحي نشود، هدف احتمالاً مي سوزد. بهمين دليل، خنك شدن با آب سوند سيكلوترون كه به هدف متصل شده معمولاً وجود خواهد داشت. در حالت راكتور، خنك كننده قلب راكتور براي خنك كردن هدف كافي است. غالباً، هدفها به شكل ورقه اي براي به حداكثر رساندن هر واكنش گرما طراحي مي شوند. عنصر هدف بطور ايده آل
تك ايزوتوپي بوده يا حداقل ايزوتوپ غني شده جهت اجتناب از واكنش هاي خارجي باشد. غني سازي يك ايزوتوپ معلوم بوسيله جدا كننده ايزوتوپي انجام شده و غني سازي به فراواني درصدي ايزوتوپ در عنصر طبيعي بستگي دارد. چنانچه واكنش هاي هسته اي تداخل گر در حداقل باشد، در اين صورت هدفهاي با فراواني طبيعي نيز قابل استفاده هستند.

شكل عادي هدف يك ورقه فلزي مثلاً مس، آلومينيوم، اورانيوم، واناديوم، و غيره است. ساير شكلهاي هدفها اكسيدها، كربناتها، نيتراتها و كلريدهاي قرار گرفته در لوله آلومينيوم هستند كه متعاقب آن مسطح مي شوند. لوله آلومينيومي به دليل بالا بودن نقطه ذوب آن مورد استفاده قرار گيرد. در بعضي از حالات، تركيبات روي ورقه فلزي مناسبي بوسيله تقطير خلأ يا بوسيله ته نشيني الكتريكي نشسته و سپس محصولات بصورت يك هدف بكار مي رود. غالباً يك لوله با فشار هوا
( پنوماتيك) براي حمل هدف به داخل راكتور يا سيكلوترون و خروج از آنها مورد استفاده قرار مي گيرد. در حالات ويژه اي، مثلاً در توليد ¹²³I محفظه اي كه داخل آن با پودر تلوريوم بعنوان هدف است بكار مي رود ( قبلاً مورد بحث قرار گرفت). پس از پرتودهي، هدف بايد در يك حلال مناسب اسيدي، يا باز حل گردد. روشهاي متعدد شيميائي، همچون ته نشيني، تبادل يوني، استخراج با حلال،‌ تقطير، و كروماتوگرافي ژل، براي جداسازي ايزوتوپهاي گوناگون از محصول هدف مورد استفاده قرار گيرد. اين روشها بطور مفصل در فصل 8 توضيح داده شدند ( روشهاي جداسازي شيميائي كليه راديونوكليدهاي عنصري در سري علوم مهندسي كه بوسيله آكادمي ملي شوراي تحقيقات ملي علوم ايالات متحده انتشار يافته توضيح داده شده).