Способ получения радиоизотопа молибден-99

Способ получения радиоизотопа молибден-99

Реферат

Область техники

Изобретение относится к реакторной технологии получения радиоизотопов для ядерной медицины.

Известно, что одним из самых востребованных диагностических радиоизотопов в настоящее время является ^99mТс. До 80% диагностических процедур в мире осуществляется с использованием ^99mТс, который получают с помощью ⁹⁹Mo/^99mTc изотопных генераторов.

Для получения материнского ⁹⁹Mo применяется один из следующих методов:

- выделение ⁹⁹Mo из осколков деления урановой мишени;

- радиационно-захватный метод на основе реакции ⁹⁸Mo(n, γ)⁹⁹Mo;

- циклотронный метод на основе реакции ¹⁰⁰Mo(p, pn)⁹⁹Mo.

Основное количество товарного ⁹⁹Mo в мире сегодня производят из осколков деления высокообогащенного урана. Радиационно-захватный метод и циклотронный метод имеют в настоящее время ограниченное применение.

Каждый из названных методов имеет свои преимущества и недостатки.

Настоящее изобретение может быть использовано для усовершенствования радиационно-захватного метода в части повышения удельной активности ⁹⁹Mo, позволяющей применять его в стандартных сорбционных генераторах, в которых используется сегодня «осколочный» ⁹⁹Mo.

Предшествующий уровень техники.

В настоящее время для повышения удельной активности ⁹⁹Mo, получаемого радиационно-захватным методом, предлагаются различные способы, основанные на эффекте Сцилларда-Чалмерса. Суть эффекта Сцилларда-Чалмерса состоит в следующем. В результате захвата нейтрона ядро переходит в возбужденное состояние. При снятии возбуждения путем испусканием мгновенного гамма-кванта ядро отдачи (в данном случае ⁹⁹Mo) получает импульс, достаточный для разрыва химических связей атомов и перемещения образующегося радионуклида внутри материала мишени, либо выхода его за границы структурного элемента мишени (если характерный размер структурного элемента мишени меньше длины пробега ядра отдачи в материале мишени).

Известен способ повышения удельной активности ⁹⁹Mo [Радченко В.М., Ротманов К.В., Маслаков Г.И., Рисованный В.Д., Гончаренко Ю.Д. «Способ получения радионуклида ⁹⁹Mo». Патент РФ №2426184, Вып. №22, опубликован 10.08.2011]. В качестве стартового материала авторы предложили использовать тугоплавкие радиационно и термически устойчивые соединения молибдена в виде частиц размером до 100 нанометров (нм), облучение которых проводят нейтронами с плотностью потока более 10¹⁴ см^-2 с^-1 в течение 7÷15 суток, а радиоизотоп ⁹⁹Mo выделяют из поверхностного слоя частиц путем растворения этого слоя в кислоте или щелочи.

Основным недостатком указанного способа является низкая удельная активность ⁹⁹Mo. При растворении после облучения приповерхностного слоя наноразмерных частиц мишени (в котором, по мнению авторов, должен концентрироваться радиоизотоп ⁹⁹Mo) в раствор вместе с ⁹⁹Mo переходит большое число атомов мишени (авторы приводят значения 19% и 25%). Согласно приведенным в патенте данным, обогащение по ⁹⁹Mo составило всего 1.5÷1.6 раза. Авторы приводят значение удельной активности ⁹⁹Mo, полученной указанным способом, на уровне 1 Ки/г, что существенно уступает удельной активности осколочного ⁹⁹Mo (≈10⁵ Ки/г). При удельной активности ⁹⁹Mo на уровне 1 Ки/г невозможно использовать стандартный ⁹⁹Mo/^99mTc-генератор сорбционного типа, поскольку потребуются большие колонки и, соответственно, размеры генератора тоже станут неприемлемо большие, в результате чего увеличатся весогабаритные характеристики радиационной защиты. Кроме того, для элюирования ^99mTc из такой колонки понадобится большой расход элюата, что приведет к снижению объемной активности раствора и необходимости последующей концентрации ^99mTc.

Известен способ повышения удельной активности ⁹⁹Mo [B.S. Tomar, О.М. Steineback, В.Е. Terpstra, P. Bode and H. Th. Wolterbeek «Studies on production of high specific activity ⁹⁹Mo and ⁹⁰Y by Szilard Chalmers reaction», Radiochim. Acta 98, 499-506 (2010)].

В работе исследована возможность с помощью эффекта Сцилларда-Чалмерса повышать удельную активность ⁹⁹Mo, получаемого радиационно-захватным методом. В качестве мишеней использовали металлоорганическое соединение молибдена природного изотопного состава (Mo-oxinate). Облучение проводили на реакторе в потоке нейтронов 10¹² с^-1 см^-2. Время облучения варьировали от 15 минут до 4 часов. После облучения мишени выдерживали для распада короткоживущих изотопов ¹⁰¹Mo и ¹⁰¹Tc, затем растворяли в дихлорметане, после чего отделяли радиоизотоп ⁹⁹Mo экстракцией в водную фазу. Проведено исследование зависимости выхода и коэффициента обогащения (отношения удельной активности ⁹⁹Mo после отделения от материала мишени к удельной активности до разделения) от величины pH. При оптимальных условиях разделения и облучения был получен коэффициент обогащения, равный ~200.

Основными недостатками указанного способа являются сложность синтеза и деструкция материала исходной мишени (металлоорганического соединения) под действием нейтронов и гамма-квантов в процессе облучения в реакторе, существенно уменьшающая коэффициент обогащения ⁹⁹Mo. Согласно приводимым в работе данным, всего за 4 часа облучения в относительно невысоком потоке нейтронов коэффициент обогащения ⁹⁹Mo падает в три раза. Учитывая выше сказанное, есть основания полагать, что при облучении Mo-oxinate в течение нескольких суток (времени, необходимого для наработки практически значимой активности ⁹⁹Mo) деструкция материала мишени может свести на нет потенциальные возможности повышения удельной активности ⁹⁹Mo, основанные на эффекте Сцилларда-Чалмерса.

В качестве прототипа выбран способ, предложенный в [Артюхов Α.Α., Загрядский В.А., Кравец Я.М., Меньшиков Л.И., Рыжков А.В., Чувилин Д.Ю. «Способ получения радиоизотопа молибден-99». Патент РФ №2490737, от 20.08.2013]. Авторами предложено использовать мишень в виде структурированного материала, состоящего из наночастиц молибдена или его соединений, окруженных буфером в виде твердого вещества, растворимого в воде или других растворителях, при этом d (характерный размер наночастиц) выбирают из условия λ/d >> 1, где λ - длина пробега в веществе наночастицы атомов отдачи ⁹⁹Mo. После облучения мишени наночастицы и буфер разделяют одним из известных методов, после чего буфер направляют на радиохимическую переработку для выделения радиоизотопа ⁹⁹Mo, а наночастицы возвращают в активную зону реактора в составе новой мишени. Кроме того, в формуле изобретения авторами уточняется габаритный размер наночастиц (≤5 нм) и предлагается вариант буфера (NaCl).

Основные недостатки прототипа заключаются в следующем:

1. Задача создания структурированного материала, состоящего из наночастиц молибдена или его соединений, окруженных буфером в виде твердого вещества, растворимого в воде или других растворителях, представляется технологически сложной (в прототипе не уточняется как это можно сделать).

2. Успешность обогащения по ⁹⁹Mo (и, соответственно, величина удельной активности получаемого ⁹⁹Mo) зависят от того, насколько качественно удается отделить буфер от наночастиц молибдена, что, в свою очередь, связано с выбором конкретного буфера. Однако в основной части формулы изобретения прототип не предлагает однозначного состава буфера и процедуры его отделения от наночастиц молибдена.

3. Предложенный в п. 6 формулы изобретения вариант реализации метода предполагает локализацию «горячих» атомов ⁹⁹Mo в NaCl, и последующее отделение ⁹⁹Mo от наночастиц мишени растворением NaCl в воде. Однако при растворении NaCl в воде возможно образование нерастворимых в воде окислов ⁹⁹MoO₂ и ⁹⁹MoO₃, которые сложно отделить от наночастиц мишени.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение удельной активности ⁹⁹Mo, получаемого радиационно-захватным методом по реакции ⁹⁸Mo(n, γ)⁹⁹Mo при облучении в ядерном реакторе мишени из природного или обогащенного по изотопу ⁹⁸Mo молибдена. При этом величина удельной активности, достигаемая предлагаемым способом, позволяет использовать получаемый ⁹⁹Mo в стандартных сорбционных генераторах, в которых используется сегодня «осколочный» ⁹⁹Mo.

Для достижения указанной цели предложен способ получения радиоизотопа ⁹⁹Mo, включающий облучение потоком нейтронов мишени, представляющей собой наночастицы металлического молибдена или его соединений, с последующим выделением целевого радиоизотопа, образующегося в результате ⁹⁸Mo(n, γ)⁹⁹Mo реакции, при этом в качестве соединений молибдена используют соединения, нерастворимые в воде, или водном растворе щелочи, или водном растворе NH₄OH, облучение мишени проводят в воде, или водном растворе щелочи, или водном растворе NH₄OH, и отделяют ⁹⁹Mo в составе аниона растворимого в воде молибдата (⁹⁹MoO₄)^-2 от наночастиц.

Способ получения радиоизотопа ⁹⁹Mo, основан на эффекте Сцилларда-Чалмерса, и включает облучение в потоке нейтронов мишени, с последующим выделением целевого радиоизотопа, полученного в результате реакции ⁹⁸Мо(n, γ)⁹⁹Mo, при этом мишень представляет собой наночастицы металлического молибдена или нерастворимых в воде, в водных растворах щелочей и NH₄OH соединений молибдена, помещенное в воду или водный раствор щелочи или NH₄ОН. При облучении в результате захвата нейтронов ядрами мишени (⁹⁸Mo) образовавшиеся ядра ⁹⁹Mo первоначально находятся в возбужденном состоянии. При снятии возбуждения путем испускания мгновенных гамма-квантов часть атомов отдачи (⁹⁹Mo) получает импульс, достаточный для разрыва химических связей и выхода из наночастиц в водную среду. При этом по мере движения внутри наночастицы «горячий» атом теряет внешнюю электронную оболочку, преобразуясь в ион Mo⁺⁶. В водной среде ион Mo⁺⁶ присоединяет атомы кислорода, образуя малорастворимый в воде окисел молибдена ⁹⁹MoО₃. В результате вторичной реакции - реакции гидратации в среде с наличием свободных ионов гидроксила ОН^-

⁹⁹Mo переходит в состав аниона растворимого в воде молибдата. Следует подчеркнуть, что во время облучения в реакторе свободные ионы гидроксила ОН^- будут присутствовать не только в водных растворах с основными свойствами: водных растворах щелочей и NH₄OH, но и просто в воде вследствие ее радиолиза нейтронами и γ-квантами [В.М. Бяков, Ф.Г. Ничипоров «Радиолиз воды в ядерных реакторах», Москва, Энергоатомиздат, 1990 г.]. В составе молибдата ⁹⁹Mo легко может быть отделен от нерастворимых в воде наночастиц, либо путем фильтрования наночастиц (при наличии соответствующего фильтра), либо путем элюирования воды с молибдатом (водного раствора щелочи с молибдатом, либо водного раствора NH₄OH с молибдатом) и наночастицами через анионообменную колонку или колонку с Al₂O₃. Из-за малых размеров наночастицы не фильтруются колонками и остаются в элюате. ⁹⁹Mo в составе аниона (⁹⁹MoO₄)^-2 будет сорбирован на колонках. Собранный с колонок элюат с наночастицами может быть повторно использован в составе новой мишени. После промывки колонок водой ⁹⁹Mo в виде (⁹⁹MoО₄)^-2 может быть элюирован с них концентрированным водным раствором щелочи.

Пример осуществления изобретения

Порошок металлического молибдена природного изотопного состава в количестве 50 мг с размером частиц преимущественно 10÷40 нм смешивали с 0.1 М водным раствором NH₄OH и помещали в кварцевую ампулу диаметром 8 мм и длиной 80 мм. Ампулу герметично заваривали и облучали в исследовательском реакторе ИР-8 в потоке нейтронов 1.5·10¹³ с^-1 см^-2 в течение ~4 часов до достижения интегрального потока ~2·10¹⁷ с^-1 см^-2. После извлечения из реактора и трех суток выдержки проводили измерение активности мишени. Затем ампулу вскрывали, извлекали облученную смесь наноразмерных частиц молибдена с 0.1 M водным раствором NH₄OH, к содержимому добавляли ~30 мл 0.1 M водного раствора NH₄OH, перемешивали и полученную взвесь наноразмерных частиц молибдена в 0.1 M водном растворе NH₄OH элюировали через анионообменную колонку с Dowex-1 (200-400 mesh в Cl^- форме) с расходом ~1 мл/мин, собирая в элюате наночастицы молибдена, а на колонке ионы (⁹⁹MoО₄)^-2. Промывали колонку водой и, убедившись, что в смыве отсутствует активность ⁹⁹Mo, элюировали с колонки ⁹⁹Mo 5 M водным раствором NaOH. Затем измеряли активность ⁹⁹Mo в элюате. Выдерживали элюат в течение примерно двух месяцев, снизив активность до фоновых значений, и измерили в нем содержание Mo с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES). Коэффициент обогащения ⁹⁹Mo (отношение удельной активности ⁹⁹Mo в элюате к удельной активности ⁹⁹Mo в облученной мишени до выделения ⁹⁹Mo) составил величину 2.3·10². Поскольку механизмы образования растворимых в водной среде молибдатов (с ⁹⁹Mo в составе аниона) для воды, водного раствора NH₄OH или водных растворах щелочей одни и те же (см. (1)) и определяются присутствием свободных ионов гидроксила ОН^-, то коэффициенты обогащения ⁹⁹Mo при облучении одних и тех же наночастиц молибдена в воде, водном растворе NH₄OH или водных растворах щелочей не будут практически отличаться друг от друга.

Оценим возможность применения ⁹⁹Mo, получаемого предложенным способом, в стандартных сорбционных генераторах, работающих сегодня на «осколочном» ⁹⁹Mo. В качестве примера такого генератора можно рассмотреть генератор, разработанный в НИФХИ им. Л.Я. Карпова (филиал в г.Обнинске). Параметры сорбционной колонки указанного генератора составляют: длина сорбента из Al₂O₃ в колонке 56 мм, диаметр 4 мм, масса 2 г. Соответственно объем сорбента равен 0.703 см³, а насыпная плотность Al₂O₃ равна 2 г/0.703 см³=2.845 г/см³. Известно, что в штатном режиме генератор имеет активность по ⁹⁹Mo около 1 кюри и примерно 90% всей активности расположено на 1 см длины колонки. Один сантиметр длины колонки соответствует 0.3573 г Al₂Ο₃. Сорбционная емкость Al₂Ο₃ по данным, например [Boyd R.E. Molybdenum-99:Technetium-99m Generator. // Radiochimica Acta 30 / Akademische Verlagsgesellschaft. - Wiesbaden, 1982, p.123-145], может составлять 20÷80 мг молибдена на один грамм Al₂O₃. Для определенности оценки используем в расчетах нижнее значение сорбционной емкости 20 мг Mo/грамм Al₂O₃. Тогда на длине колонки 1 см может быть сорбировано 7.146 мг Mo. Согласно прототипу в 1 г металлического молибдена природного изотопного состава за 7 суток облучения в потоке нейтронов 2·10¹⁴ см^-2 с^-1 можно без труда наработать 1 кюри ⁹⁹Mo. Принимая во внимание коэффициент обогащения, равный 2.3·10², удельная активность ⁹⁹Mo, получаемого предлагаемым способом, может составить 2.3·10²×1 кюри/грамм Mo=230 кюри/грамм ⁹⁹Mo. Указанная удельная активность позволяет сорбировать на 1 см колонки активность ⁹⁹Mo, равную: 7.146 мг Mo×230×10^-3 кюри/мг Mo=1.64 кюри, что в 1.64 раза превышает штатную активность ⁹⁹Mo в генераторе. Использование высокообогащенного ⁹⁸Mo вместо природного молибдена в качестве мишени позволит поднять удельную активность еще примерно в 4 раза. Таким образом, полученный настоящим способом ⁹⁹Mo может использоваться в стандартных сорбционных генераторах, обеспечивая их штатную эксплуатацию.

Способ получения радиоизотопа ⁹⁹Mo, включающий облучение потоком нейтронов мишени, представляющей собой наночастицы металлического молибдена или его соединений, с последующим выделением целевого радиоизотопа, образующегося в результате ⁹⁸Mo(n,γ)⁹⁹Mo реакции, отличающийся тем, что в качестве соединений молибдена используют соединения, нерастворимые в воде, или водном растворе щелочи, или водном растворе NH₄OH, облучение мишени проводят в воде, или водном растворе щелочи, или водном растворе NH₄OH, и отделяют ⁹⁹Mo в составе аниона растворимого в воде молибдата (⁹⁹MoO₄)^-2 от наночастиц.