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关于同位素最全的科普

2021-07-22 16:35          放射性同位素放射性核素
01 同位素的应用

什么是(放射性)同位素?

同位素:具有相同原子序数,但质量数不同的一类核素。

放射性同位素:能自发发出射线的同位素被称之为放射性同位素。

本篇中提到的放射性同位素均指人工放射性同位素。


 

同位素应用:医学诊断

钼-99(99mTc)是显像检查中最常用的放射性同位素,占全世界显像药物80%以上。

基于钼-99(99mTc)的单光子发射计算机断层成像(SPECT)诊断技术是癌症早期检测的必备手段。

其他临床应用包括:

• 骨骼显像

• 心脏灌注断层显像

• 甲状腺显像

• 局部脑血流断层显像

• 肾动态显像及肾图检查

• 阿尔茨海默症早期诊断

同位素应用:放射治疗

碘-131是现阶段最高效的甲状腺疾病治疗药物,其治疗效果好、副作用少(肝、肾损伤等)、治疗成本低,是甲状腺疾病治疗的常见手段。用于治疗甲亢、神经内分泌肿瘤、胃癌、骨转移癌及缓解骨转移灶疼痛。

锶-89是一种优良的骨肿瘤缓解治疗内照射治疗剂,用于治疗骨肿瘤和骨转移灶疼痛,有助于缓解骨痛和提高生活质量。主要利用其发射β射线杀死癌细胞来镇痛,改善病人生活质量,减少临终前的痛苦;另一目的是使骨转移灶缩小或消失,缓解病情,延长病人的生命。
 

同位素应用:食品保藏

辐射保藏的原理:利用同位素产生的粒子束流照射食品,达到杀虫、灭菌、抑制发芽、抑制成熟等目的,从而减少食品在储运环节的损耗,增加供应量,延长货架期,提高食品的卫生品质等。

辐射保藏是一种“冷加工”,不需要加入添加剂,能保持食品原有的风味,有的还可提高食品的工艺质量;辐射食品中没有药剂或辐射残留,也不污染环境,不会感生放射性。
 

同位素应用:农业育种

辐射育种是近年来发展起来的一种种植技术。它利用各种射线(如X射线、中子等)照射农作物的种子、植株或某些器官和组织,促使它们产生各种变异,再从中选择需要的可遗传优良变异,培育成新的优良品种。
 

同位素应用:虫害控制

昆虫不育技术是一种利用电离辐射对在特殊饲养设施内大规模繁殖的雄蝇进行绝育的害虫防治形式。当系统性地在陆地或空中释放大量不育雄蝇后,它们会与自然界中的野生雌蝇交配。结果是没有新的后代产生。久而久之就会使得昆虫种群减少,或在一些情况下根除整个种群。
 

同位素应用:环境监测

放射性同位素技术可对各种环境污染物进行灵敏的监测与跟踪,特别是动态考察它们在环境中的分布、转移、分解和积聚、残留等,从而为评价污染物的预防与治理提供科学依据。


 

同位素应用:废物处理

同位素可以用于工业污水、生活废水和抗生素菌渣的无害化处理,其基本原理是水分子在辐射作用下会生成一系列具有很强活性的辐解产物,如OH、H、H2O2等自由基。这些产物与废(污)水中的有机物产生反应可以使它们分解或改性。

如:石油工业中广泛应用的黄原胶水溶液,因黄原胶为超大分子物质,虽溶于水,常规方法难彻底溶解,易形成肉眼不易分辨的分子团,需要使用辐照降解。


同位素应用:灭菌消毒

辐射灭菌消毒方法,可以减少有害化学品的的使用,缩短消毒时间。

本次新冠疫情之前,我国国标医用防护服大多采用环氧乙烷灭菌,需要7-14天时间。疫情期间根据《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》采用辐射灭菌技术则将时间缩短到1天以内。应用辐射灭菌技术对缓解治疗、防疫一线医用防护服的巨大缺口发挥了重要的作用,为中国夺取抗疫狙击战的胜利做出了很大贡献。


同位素应用:热电源

同位素电源(RTG)或同位素热源(RHU)均采用二氧化钚陶瓷(主要为238Pu)制造,利用钚放射性衰变产生的热能,RTG可将热能转换为电能,为航天器运行提供持续的热能和电能,以保持其长期可靠的运行。目前,RTG已广泛应用在人类深空探测活动中。
 

02 同位素的生产
 

同位素生产:产业规模


2004年,美国同位素产业

• 销售额超3000亿美元;

• 就业岗位超400万个;

• 贡献值高于核能发电 。

但为保障同位素供应,美国政府启动国家同位素计划。

• 加拿大CRU研究堆实际2018年退役

• 荷兰Petten堆计划2022年退役

• 全球钼-99供应能力下降,阿贡国家实验室2020年试图恢复美国国内生产钼-99能力。


同位素生产:产业规模

2015年我国同位素产业产值规模达到3000亿元,预期将持续以每年20%以上速度增长。然而国内同位素生产中:

• 反应堆辐照生产除了60Co和131I外,完全依赖于进口;

• 加速器、核素发生器等仅有小规模生产;

• 乏燃料提取同位素掌握了相关技术,未有商业生产。


同位素生产:反应堆辐照

反应堆中子注量率高,可以大量生产多种放射性同位素,是同位素生产的主要途径。

秦山三期每年生产600万Ci的60Co,满足国内大部分市场需求,2019年首批医用钴靶件出堆,突破医用钴进口依赖。

2020年,核动力院生产的首批国产化堆照89Sr核素交付。

3H、14C、32P、60Co、63Ni、89Sr、99Mo、125/131I、131Ba、153Sm、177Lu等均可通过反应堆辐照生产。
 

同位素生产:加速器生产

2007年始,原子能院与原子高科合作开展了利用Cyclone-30加速器制备123I的研究工作,建立了用于制备高纯医用123I的系统,批生产能力可达4Ci,123I放射性核纯度大于99.8%,并于2017年实现常规化生产。

北京大学肿瘤医院近年来也发展基于小型医用回旋加速器的64Cu制备工艺,批生产能力能达到100mCi。

多家同位素生产商与大型医院引进了百余台小型医用回旋加速器,用于11C、13N、15O、18F等正电子核素及配套药物的制备。

美国为恢复钼-99生产能力,正在北美各地研发新生产方式,其中加速质子流、光子流轰击Mo-100靶件的生产方式不产生放射性废物。
 
 

同位素生产:核素发生器


 

同位素生产:乏燃料/高放废物提取

高放废液中含90Sr、137Cs、147Pm以及锕系元素等,均可以用于工业放射源的制备;90Sr,还可用于医用敷贴器和90Sr-90Y发生器制备。

清华大学掌握了超铀元素萃取技术(TRPO)。TRPO处理高放废液可以有效缩减地质处置库与生物圈隔离的时限,具有良好的物性、辐照稳定性和对三价、四价和六价锕系元素良好的萃取选择性。

泰拉能源(TerraPower)计划在埃弗雷特的核废料储存地通过开采废料每年生产20万至60万剂锕-225。

n从重水堆慢化剂废树脂中可提取14C,优点是产量高,缺点是还需进一步浓缩。

n工艺流程如下:

中国核能高质量发展大会

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