放射性同位素技术及其应用

放射性同位素技术及其应用

引言

1896年贝克勒尔（A. H. Becquerel）发现铀的放射性，人类首次认识了放射性核素。1911年英国物理学家索迪（F. Soddy）提出“同位素”概念（除特殊说明，依习惯，“同位素”一词与术语“核素”在本章中不作严格的概念区分），使人们第一次认识到一种化学元素可以包含几种质量数不同而化学性质几乎完全相同的原子。1934年约里奥·居里夫妇（Joliot. Curie）用α粒子轰击轻元素发现了人工放射性核素，从而为人工制备放射性同位素开辟了途径。1942年费米（E. Fermi）在美国建成了世界上第一座核反应堆，实现了人类历史上首次自持链式反应。核反应堆的建成为放射性同位素规模化生产奠定了基础。

放射性同位素技术是以核物理、放射化学和相关学科为理论基础，研究放射性核素（含制品）的特性、制备、鉴定和应用的一门综合性高技术。

经过几十年的发展，放射性同位素技术作为核科学技术和平利用中一股最活跃的力量，已在世界100多个国家得以研究、开发和应用，正如20世纪90年代IAEA的报告中讲到：就应用的广度而言，只有现代电子学和信息技术才能与同位素及辐射技术相提并论。放射性同位素技术经过50多年的发展，已经被广泛应用于工业、交通、通讯、医学、农业、环保、军事与科学研究等领域，并取得了显著的经济效益、社会效益与环境效益，为繁荣社会经济、合理利用自然资源、保护生态环境、提高人民的生活水平与保证社会与经济的可持续发展发挥着越来越重要的作用。

第一节放射性同位素

同位素包括了稳定同位素和不稳定同位素，不稳定同位素即放射性同位素。现在已经发现的2500多种同位素中，稳定的同位素只有280种左右，其余2200多种都是放射性同位素。放射性同位素可以通过天然的方法获得，也可以通过人工的手段得到。自然界中宇宙间天然存在的放射性同位素，即天然放射性同位素，用人工方法生产的放射性同位素，即人工放射性同位素。

一、天然放射性同位素

天然放射性同位素包含原生放射性核素和宇生放射性核素两种。其中，自有地球以来就存在于地壳的放射性核素，称为原生放射性核素。原生放射性核素包括有衰变系列的核素，主要是钍系（4n系，以232Th为母核的放射系）、铀系或称铀-镭系（4n+1系，以238U为母核的放射系）和锕系或称锕—铀系（4n+3系，以235U为母核的放射系）。这些系列最终衰变产物分别是稳定核素208Pb、206Pb和207Pb。

此外，自然界中还存在着至少22个天然的、单一或无衰变系列的原始放射性核素。这些核素大多数由于具有半衰期长，同位素丰度小等特点，因此它们的环境辐射剂量很小。这些核素中最重要的有40K。钾元素有3个天然同位素，39K、40K和41K，丰度分别为93.26%、0.01%、6.73%。只有40K具有放射性，半衰期为1.28×109a。

由宇宙射线与大气层和地球表面氧、氮等多种元素的原子核相互作用后产生的放射性核素称为宇生放射性核素。宇生放射性核素约有20种，如3H、14C、7Be和22Na等。

二、人工放射性同位素

天然放射性同位素的放射性活度一般都很低，不能满足人们在科研、生产、医疗等方面应用的需求，因此，随着科学技术的发展，人们又根据不同的需要，利用反应堆和加速器生产了各种各样的人工放射性同位素。

1．反应堆生产放射性同位素

反应堆是最强的中子源，其中子注量率为1012~1016cm -2·s -1。利用反应堆产生的中子照射不同核素的靶材料，引发中子核反应，可生产出不同的放射性核素。中子核反应生成的核

素通常是丰中子放射性核素，多以β—形式衰变。此方法生产的放射性核素，成本相对较低、

产额高。主要核反应主要有：（n ，γ）反应、（n ，f ）反应、（n ，p ）反应、（n ，α）反应，次级核反应等。

（1）（n ，γ）反应

这种核反应一般由热中子引起的，几乎周期表中所有的元素均可发生（n ，γ）反应，它是生产放射性同位素最重要、最常用的核反应，有以下几种反应方式：

① 通过（n ，γ）反应直接生产放射性核素。例如： 59Co （n ，γ）60Co

191Ir （n ，γ）192Ir

31P （n ，γ）32P

（n ，γ）反应直接生成的放射性核素，是靶元素的同位素，不能用化学方法将其与靶元素分离，因而一般来说，所制备的放射性核素比活度较低。

② 通过（n ，γ）反应，再由β衰变获得放射性核素。例如：

I Te ) Te(n,131(30h)β130130??→?-γ Xe Xe ) Xe(n,124(16.9h)β125124

???→?-γ 此种方法制备的放射性核素与靶元素不是同一种元素的同位素，经过化学分离，可以得到高比活度、无载体的核素。

③ 通过两次及以上的（n ，γ）反应直接生成放射性核素，或再经过核素衰变生成放射性核素。例如，在高通量堆上辐照富集的186W ，186W 通过两次中子俘获生成188W ；188W 再

经β—衰变，生成188Re 。

186W （n ，γ） 187W （n ，γ） 188W （n ，γ） β— 188Re

（2）（n ，f ）反应

核燃料在反应堆中受中子照射后发生裂变，即（n ，f ）反应，能生产几百种核素。在反应堆内短期辐照235U 靶，通过化学分离和纯化，可以获得某些短寿命裂变核素，如最重要的医用放射性核素99Mo ，还有133Xe ，131I 等。乏燃料元件经化学后处理，可以提取若干种有重要应用价值的核素如85Kr ，90Sr ，137Cs ，147Pm 等。

（3）（n ，p ）反应

（n ，p ）反应要求中子有较高的能量，一般由快中子诱发，适于制备原子序数较低的放射性核素。例如：

14N （n ，p ）14C

32S （n ，p ）32P

（n ，p ）反应制备的放射性核素与靶元素不是同一种元素的同位素，经过化学分离，可以得到无载体、高比活度的放射性核素。

（4）（n ，α）反应

原子核在反应堆中俘获一个快中子后，放出一个α粒子。（n ，α）反应后生产的核素与靶元素不是同一种元素的同位素。如：6Li （n ，α）3H 。

（5）次级核反应

反应堆的中子诱导6Li 裂变反应，生产能量为2.73MeV 的氚核，同较轻元素的原子核作用，生产一些有用的短寿命核素，如18F 。

2．加速器生产放射性同位素

被加速器加速的带电粒子（质子、负氢离子、氘核、α粒子、等）轰击某些靶子，引起核反应，如（p，χn）、（d，χn）、（α，χn）和（3He，χn）等反应，用以生产放射性核素。加速器生产的核素多数为缺中子放射性核素，且与靶子元素不是同位素，可通过物理、化学分离方法获得高比活度核素。这些核素大多数以β+或轨道电子俘获方式衰变，发射的光子能量较单一，而且较低50~300keV，不伴随其他带电粒子的放射。但加速器核素生产方法产量低，成本相对较高，较适合生产某些低能量、短寿命的核素，如医学上常用的放射性核素11C、18F、15O、64Cu、111In、123I、124I、201Tl等。

3．从乏燃料中提取放射性同位素

从核动力堆卸出的乏燃料元件，经过一定时间冷却后，在后处理工厂采用普雷克斯（Purex）流程进行化学后处理，以提取Pu和回收U。再从后处理的强放废液中分离出其它有用的核素。如，分离出裂变产额高、半衰期长的核素90Sr、137Cs、147Pm，可广泛应用于制作核电池、放射源和荧光材料；还能分离出一些自然界中找不到或稀有的贵重金属核素99Tc、103Rh、107Pd，以及超铀和超钚核素237Np、241Am、242Cm等，它们在国防和国民经济中有着重要用途。

第三节开放型放射性物质的安全操作

放射性同位素技术所使用的放射源，有密封源和非密封源。对于密封源，正常情况下，其中放射性物质不会逸散出来。这种源的辐射防护主要考虑外照射，防止丢失和密封包壳破损；而对于非密封源（即开放型放射性物质），一方面要防护外照射；另一方面还必须防护内照射。操作开放型放射性物质中的防护问题，要比操作密封源时复杂得多。绝大多数情况下，放射性废水和废气是由开放型操作造成的，因此，应尤其关注开放型操作的安全问题。

在放射性“三废”中，含等量的放射性物质，固体废物处理不当造成的环境污染范围与废水和废气相比，一般较小，易于清除和控制。放射性的废水和废气的排放和逃逸影响范围较大，治理困难，其中废气更为突出。

在开放型操作过程中，很容易发生放射性物质的溅、泼、洒、滴、漏、扬和挥发等情况，有可能使工作场所和外部环境受到放射性物质的污染。很多放射性物质，例如131I、210Po等溶液，挥发性很强，即使在常温常压下，也会使工作场所空气、乃至工作人员体表和设备表面等受到严重污染。在此环境中，工作人员会摄入放射性物质，受到内照射危害。皮肤污染时，即使是完整的皮肤，也阻挡不住放射性物质的渗入体内，皮肤有伤口，放射性物质就可能直接进入血液中，危害更大。

操作开放型放射性物质，其危害程度与放射性物质的数量、辐射类型、能量、物理和化学状态，操作工艺的繁简程度以及操作者的技术熟练程度，操作场所的环境条件，操作的时间和距离，以及操作者个人防护措施和“三废”处理的安全程度等有关。

1. 开放型放射性物质操作的基本要求

在操作开放型放射性物质的一切实践活动中，应遵守实践正当性、辐射防护最优化和个人剂量当量不超过相应规定限值的三项原则。

为了减少操作人员及其他各类人员的内外辐射照射，降低对环境的影响，应用和操作开放型放射性物质时，应当符合以下几项基本要求：

(1)限制数量

使用、操作和在工作场所存放的放射性物质数量应尽量少。如果用较少的放射性数量能达到工作目的，就不用比它大的量。例如，在放射性核素诊断时，注入的放射性物质应控制在所需量的最小值，这样不但可使患者免受超过诊断所需求的剂量，也可使医务工作者免遭不必要的照射。剩余或暂时不用的放射性物质应贮存在专门的地方，工作人员经常出入或逗留的地方不能存放，以减少翻洒、丢失等机会。

(2)选用毒性较低的核素

放射性核素分为极毒、高毒、中毒和低毒。毒性高的核素对机体产生的内照射危害也大。以体内最大容许积存量作比较，低毒组的3H可比极毒组的238Pu大上万倍。在医疗上，尽量选址毒性低的核素代替毒性高的核素，这一原则与限制放射性物质用量同样有意义，它可以减少患者与医务人员所受的照射。例如，131I和123I在医疗诊断上可以认为具有相同的作用，但从甲状腺所接受的剂量上看则相差很多。例如均用7.4×104Bq对患者进行诊断时，由于123I的半衰期很短(13.2h)，射线能量较低，甲状腺所受剂量仅是131I的1%左右。123I还有一个优点就是它发射的γ射线能量单一（159keV），γ照相机上的影像很清晰，诊断阳性率高。另外123I衰减快，放射性废物处理上也可以大大简化。

(3)改进操作，设法密闭操作

从工艺上改革，广泛推行机械化和自动化，使操作简便、有效。采用隔离式操作和密闭操作，可以有效地防止工作场所和环境受到放射性物质污染。

(4)缩短操作时间

在实际工作中由于不熟练就会延长操作时间甚至可能造成事故，这样不仅导致多受剂量，而且还会造成大量人力物力的浪费。所以为执行一项任务，往往事先需要用没有放射性物质或很少量的放射性物质作同样的多次模拟操作。正式操作前，从物资上如器材设备和工具等，做好充分准备，这样可以有效地缩短在现场的工作时间，从而减少所受的照射。有组织地进行一次完整的模拟操作，可以检验我们操作技术的熟练程度和准备工作的状况，这在处理事故或特殊操作时被普遍采用。

(5) 采取合适防护

不同的放射性操作，产生的辐射影响不同，采取的防护措施也就不同。辐射影响大小是由操作的放射性核素性质、物理化学状态、操作量和操作方式等因素确定的。采取合适的防护设施（通风柜、手套箱、工作箱和热室）和手段（防护服、手套、铅眼镜、操作工具、局部防护器具等），可以有效地确保工作人员的人身安全和环境的安全，还可以方便快速地完成操作。

(6) 正确收集和处理放射性“三废”

放射性“三废”收集和处理不妥，容易变成新的污染源，使放射性污染扩散，造成更多的“三废”，甚至形成事故。严格区分污染物和非污染物，用专用容器收集和存放“三废”。依据核素半衰期，分类存放废物，并标识清楚废物中核素种类、状态和产生的时间等内容。尤其要注意挥发性强，易于扩散核素废物的密封收贮，应安全可靠。

2. 放射性工作单位的分类

一个单位的“三废”排放量（加上事故时的逃逸量），直接影响到环境污染的范围和严重程度，在操作量确定之后，一般情况下的“三废”排放量也可以被估计出来；在少数情况下，只有采取特殊的辐射防护措施，才可以进一步大大减少“三废”排放量。

一般情况下，按照各单位排放的“三废”对环境可能造成影响的程度，将放射性工作单位划分三类，各类单位地址选择要求条件和防护监测的规定也是不同的。放射性工作场所的分类是根据各单位的放射性物质等效年用量来划分的，具体如下表。

表2-1 操作开放型放射性物质单位的分类

单位类别等效年用量(Bq)

第一类第二类第三类

>1.85×1012

1.85×1011~1.85×1012

<1.85×1011

等效年用量是由所用的各种放射性核素的年用量分别乘以放射性核素毒性组别系数，然后逐项相加得出的。毒性组别系数的数值是：极毒组为10，高度组为1，中毒组为0.1，低

毒组为0.01。常用放射性核素毒性分组参见表2-8。

为了控制放射性工作场所附近的人数，第一类单位的工作场所应设在单独的建筑物内，第二、三类单位的工作场所可设在一般建筑物内，但应集中在一层或一端，与非放射性工作场所分开，并有单独的出入口，避免与本工作无关的人员由于经常出入于此而受到辐射照射或扩大污染的范围。

3. 工作场所的分级

在防护条件相同的情况下，操作量大的工作场所和环境，其污染的可能性会相应增加和严重。操作量不同的场所，其辐射防护设施配置上必须有所差别，以确保操作量较大情况下也能安全。为了便于对开放型放射性工作场所（实验室、车间）的辐射设施的安全控制，按放射性核素操作量的大小，将其分为甲、乙、丙三级。各级工作场所允许的日最大操作量如下表：

表2-2 开放型放射性物质工作场所日最大操作量

放射性核素毒性组别

日最大操作量（Bq）

甲级乙级丙级

极毒组(I) 高度组(II) 中毒组(III) 低毒组(IV) ＞3.7×108

＞3.7×109

＞3.7×1010

＞3.7×1011

3.7×108~1.85×106

3.7×108~1.85×107

3.7×1010~1.85×108

3.7×1011~1.85×109

1.85×106~3.7×103

1.85×107~3.7×104

1.85×108~3.7×105

1.85×109~3.7×106

日最大操作量是指一个工作日中操作放射性物质最多的那一片刻所具有的量，因为操作量最大的那一刻危险性最大，各项防护条件应该以此量为出发点，即满足该时刻的要求。

表2-17列出的最大操作量，是对普通的化学操作规定的。而操作中造成的内照射危险的可能程度（主要指造成空气污染和表面污染的范围大小和严重程度），与操作放射性物质的方式有很大关系。根据操作性质应加以修正，下表列出了不同操作性质的修正系数。

表2-3 操作性质修正系数

操作性质修正系数

贮存

简单的湿式操作

普通的化学操作

有溅出危险的复杂湿式操作和简单的干式操作干式操作和发尘操作100 10 1 0.1 0.01

4. 工作场所内部的要求

开放型操作的各级工作场所（实验室）应满足下列要求：

①平面布局要合理；

②要有合适的屏蔽设施；

③要有满足放射性监测和测量的仪器、仪表；

④通风要适量并组织得合理；

⑤要有适于密闭操作的设备；

⑥各类表面要易于去除污染；

⑦要有方便、安全的“三废”处理设施；

⑧要有必要的卫生设施；

⑨要有放射性物品的储存设备。

现把它们的详细要求和有关设施分别介绍如下。