電沉積LEU2靶件生產(chǎn)醫(yī)用99Mo的工藝研究

梁積新，沈亦佳，吳宇軒，向?qū)W琴，于寧文，郭 澍，吳久偉，羅志福

(中國原子能科學(xué)研究院 同位素研究所，北京 102413)

99mTc藥物是目前核醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用最廣泛的放射性藥物，約占臨床所用放射性藥物的70%以上。醫(yī)用99mTc主要從其母體核素99Mo衰變得到，而99Mo的來源主要從235U裂變產(chǎn)物中提取。裂變99Mo高比活度，有利于99Mo-99mTc發(fā)生器的制備并得到高質(zhì)量的99mTc藥物。

采用高濃鈾(HEU，235U富集度90%以上)大規(guī)模生產(chǎn)裂變99Mo，是多年來醫(yī)用99Mo的主要生產(chǎn)方式。然而，由于HEU可用于核武器制備，為了防止核擴(kuò)散，HEU的使用受到“核不擴(kuò)散條約”(NPT)的限制。因此，采用低濃鈾(LEU，235U富集度小于20%)生產(chǎn)裂變99Mo是今后發(fā)展的趨勢。南非核能公司(South African Nuclear Energy Corporation,NECSA)、澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)組織(Austrialian Nuclear Science and Technology Orgnisation,ANSTO)、阿根廷國家原子能委員會(Commission National of Energy Atomic,CNEA)、印度尼西亞國家原子能機(jī)構(gòu)(Badan Tenaga Nuclir Nasional,BATAN)等裂變99Mo生產(chǎn)商已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了LEU技術(shù)轉(zhuǎn)化[1]。

由235U制備99Mo工藝流程復(fù)雜，包括鈾靶件設(shè)計(jì)與制備、鈾靶件的輻照、鈾靶件溶解、目標(biāo)核素99Mo的放射化學(xué)分離(從幾十種元素、100多種核素構(gòu)成的復(fù)雜裂變產(chǎn)物體系中分離提取高純醫(yī)用99Mo核素)等[2]。裂變99Mo分離純化方法與鈾靶件形式與靶件溶解方式密切相關(guān)[3]。鈾靶件形式主要有U-Al合金、U-Al彌散體、電沉積UO2、金屬鈾箔等。電沉積UO2靶件具有鈾密度高、溶解液體積小、放射化學(xué)操作時間短、產(chǎn)生的放射性廢物少等優(yōu)點(diǎn)[4]。且與金屬鈾箔靶件比較而言，電沉積UO2靶件制備技術(shù)簡單。鈾靶件溶解通常分堿溶解與酸溶解兩種方法。Cintichem流程是上世紀(jì)七八十年代美國Cintichem公司建立并用于裂變99Mo生產(chǎn)，即輻照過的UO2靶件采用硝酸或硝酸與硫酸的混合液溶解，放射性氣體(包括131I2等)經(jīng)溶靶系統(tǒng)捕獲，往溶靶液中加入AgNO3、Ru和Rh的反載體以減少M(fèi)o沉淀內(nèi)放射性污染，再加入KMnO4將Mo氧化成Mo6+后，用α-安息香肟(α-BO)沉淀法提取裂變99Mo，再用活性炭色層法、涂銀活性炭和水合氧化鋯等色層法純化99Mo，以保證裂變99Mo各項(xiàng)指標(biāo)符合醫(yī)用要求[5]。

本工作是基于LEU UO2靶件生產(chǎn)醫(yī)用裂變99Mo的工藝研究，包括電沉積UO2靶件制備、靶件溶解、裂變99Mo的化學(xué)提取等工藝研究，以期建立其工藝流程，為采用LEU UO2靶件生產(chǎn)醫(yī)用99Mo打下研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：DH1718E-4，北京大華無線電儀器廠產(chǎn)品；指針精密電流表：C64型，電表儀器廠產(chǎn)品；分光光度計(jì)：UV-2450，島津國際貿(mào)易(上海)有限公司；電子天平：Sartorius BS100S，北京賽多利斯天平有限公司；放射性活度計(jì)：CRC-15R，美國Capintec公司產(chǎn)品；自動伽瑪計(jì)數(shù)器：2470型，芬蘭Perkin Elmer公司；高純鍺γ譜儀：Cryo-cycle，Canberra公司；Mili-Q超純水系統(tǒng)：Advantage 10，美國Millipore公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 電沉積UO2靶件制備

采用不銹鋼管作為基材，將UO2電沉積在不銹鋼管內(nèi)壁。電沉積之前，制靶用不銹鋼管分別用無水乙醇和丙酮浸泡除去油污后，用 25%硫酸溶液浸泡20 min，蒸餾水洗凈，晾干。

電沉積鈾采用UO2(NO3)2-(NH4)2CO4·H2O水溶液體系電鍍，將硝酸鈾酰固體稱重溶解，加入一定量的草酸銨溶液，使用稀硝酸或稀氨水調(diào)節(jié)電沉積液 pH，攪拌均勻即得到電沉積液。考察電沉積液pH、陰極電流密度、溫度以及硝酸鈾酰濃度對電鍍UO2層的影響，通過實(shí)驗(yàn)最終確定電沉積鈾的最佳工藝條件。不銹鋼管內(nèi)壁上U沉積量采用分光光度法測定。

電沉積完畢后，為了便于焊接，將不銹鋼管兩端于稀硝酸溶液中浸泡數(shù)分鐘，以除去兩端的UO2鍍層。按圖1所示，將靶件各部件裝配，將不銹鋼管兩端焊封，用氦氣質(zhì)譜檢漏儀檢漏。

圖1 LEU UO2 靶件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure scheme of LEU UO2 target

2.2 UO2靶件溶解

設(shè)計(jì)了UO2靶件的溶解裝置，示意圖示于圖2。采用臥式溶靶器，將靶筒水平置于溶靶器中，靶筒外壁有加熱套，加熱套內(nèi)有熱傳感器，可設(shè)定合適的溫度進(jìn)行溶靶。靶筒橫置有利于減少溶靶液體積，為了使溶靶液均勻的溶解靶物質(zhì)，靶筒底部連接旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可旋轉(zhuǎn)靶筒，使得溶靶液與整個靶筒均勻接觸。

2.3 裂變產(chǎn)物中99Mo 的化學(xué)提取工藝研究

2.3.1α-BO沉淀法分離99Mo

向200mL電沉積UO2靶件溶解液(含U4.94g)(溶解介質(zhì)為6mol/L HNO3溶液)中，加入18.31mg Mo(以99Mo為示蹤劑)、3.95 mg I(以131I為示蹤劑)、11.03 mg Sr、27.18 mg Zr、13.51mg Ru等(基于中國先進(jìn)研究堆CARR生產(chǎn)千居里級裂變99Mo所用的U質(zhì)量、產(chǎn)生的99Mo質(zhì)量以及其他主要裂變產(chǎn)物生成量的質(zhì)量比)，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH，配制成待分離的模擬液。往模擬溶液中緩慢加入一定體積1% α-BO的0.4mol/L NaOH溶液，室溫下反應(yīng)10 min，生成白色沉淀99MoO2(α-BO)2，過濾，用稀酸與去離子水充分洗滌沉淀，用0.4mol/L NaOH溶液將沉淀再溶解,過濾，收集濾液并定容后取樣，采用高純鍺γ譜儀測量99Mo放射性計(jì)數(shù)并計(jì)算99Mo回收率。

圖2 LEU UO2靶件溶解裝置示意圖Fig.2 Structure scheme of dissolver for LEU UO2 target

99Mo回收率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，R為99Mo的回收率；Cdis為沉淀再溶解液中99Mo放射性計(jì)數(shù)；Cini為溶靶液99Mo放射性計(jì)數(shù)。

2.3.2AG1-×8陰離子交換法純化99Mo

取規(guī)格為15 mm×200 mm，在下端具聚四氟乙烯閥門的玻璃色層柱(柱內(nèi)下端固定有玻璃砂芯)，注入預(yù)處理過的AG1-×8樹脂，使之距柱子頂端約2 cm，然后用玻璃毛及玻璃珠壓住，用1mol/L NH4OH溶液預(yù)平衡色層柱。

將沉淀99MoO2(α-BO)2再溶解液，加載到AG1-×8色層柱上，分別用200mL 1mol/L NH4OH溶液、200mL去離子水洗柱后，用250mL 1mol/L(NH4)2SO4溶液將99Mo解吸，控制流速為5mL/min，收集解吸液，5mL溶液為一個樣品，采用高純鍺γ譜儀測定99Mo放射性計(jì)數(shù)，以99Mo計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)，淋洗體積(mL)為橫坐標(biāo)，作99Mo的解吸曲線。

99Mo回收率的計(jì)算公式：

(2)

式中，R為99Mo回收率；Cag為陰離子交換色層柱純化后溶液中99Mo放射性計(jì)數(shù)；Cdis為沉淀再溶解液中99Mo放射性總計(jì)數(shù)。

2.3.3活性炭色層法純化99Mo

取規(guī)格為15 mm×200 mm，在下端具聚四氟乙烯閥門的玻璃色層柱(柱內(nèi)下端固定有玻璃砂芯)，注入預(yù)處理后的活性炭使之距柱子頂端約2 cm，然后用玻璃毛及玻璃珠壓住，用pH=2.5的 HNO3溶液預(yù)平衡色層柱。

將陰離子交換樹脂純化后的料液，用濃HNO3調(diào)pH至2.5左右，將調(diào)酸后的99Mo料液加載到活性炭色層柱上，分別用100mL pH=2.5的HNO3溶液、100mL 3%溴水洗滌色譜柱后，用150mL 0.2mol/L NaOH溶液解吸99Mo，控制流速為5mL/min，收集解吸液，5mL溶液為一個樣品，采用高純鍺γ譜儀測定99Mo放射性計(jì)數(shù)，以99Mo計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)，淋洗體積為橫坐標(biāo)，作99Mo的解吸曲線。

99Mo回收率的計(jì)算公式如下：

(3)

式中，R為99Mo回收率；Cac為活性炭色層柱純化后溶液中99Mo放射性計(jì)數(shù)；Cag為(NH4)2SO4解吸液中99Mo放射性總計(jì)數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 電沉積UO2靶件制備

通過大量條件實(shí)驗(yàn)后，確定了UO2電鍍的優(yōu)化條件：在pH=7、電流0.5～2 mA/cm2、溫度75～90℃、鍍液中U濃度5g/L條件下，經(jīng)過約210h電沉積，不銹鋼管內(nèi)壁上UO2沉積層質(zhì)量達(dá)到42mg/cm2，一根不銹鋼管內(nèi)壁鍍層UO2含量16.0g(如靶材為富集度19.75%的LEU，則235U含量為2.78g)。

對鍍層進(jìn)行掃描電子顯微鏡-能譜儀(SEM-EDS)檢測(圖3與圖4)，圖3顯示，UO2鍍層較細(xì)致，分布均勻，與基材結(jié)合較牢固。圖4檢測結(jié)果顯示沉積層化學(xué)成分為UO2，無其他雜質(zhì)。

圖3 UO2鍍層表面SEM檢測圖譜Fig.3 SEM image of UO2 deposit surface

圖4 UO2電沉積層表面EDS檢測結(jié)果Fig.4 EDS analysis of UO2 deposit composition

3.2 UO2靶件溶解

將制備成功的模擬靶件進(jìn)行溶靶實(shí)驗(yàn)，靶件中UO2質(zhì)量為15.0g，加入150mL 6mol/L HNO3溶液，在95℃下反應(yīng)30 min后，不銹管內(nèi)壁UO2鍍層完全溶解，內(nèi)壁光滑(圖5)。溶解液為澄清透明黃色溶液。采用分光光度法測定溶靶液中U濃度，靶件溶解工藝中U回收率為91.6%。還有很小部分U因溶液在容器壁上殘留以及溶液轉(zhuǎn)移等因素導(dǎo)致?lián)p失。

圖5 UO2鍍層溶解前后的對比照片F(xiàn)ig.5 Comparison of images of the inner wall of stainless steel before and after UO2 dissolution

3.3 裂變99Mo的提取工藝

3.3.1α-BO沉淀法分離99Mo

α-BO沉淀法分離99Mo工藝流程包括α-BO沉淀99Mo、99MoO2(α-BO)2的過濾與洗滌、99MoO2(α-BO)2再溶解以及99Mo的回收。此工藝流程中99Mo的回收率(90.6±3.3)%(n=6)。

在α-BO沉淀法提取99Mo工藝中，待沉淀99MoO2(α-BO)2再溶解后，取樣測定雜質(zhì)的含量或放射性計(jì)數(shù)(其中131I采用γ計(jì)數(shù)器測定，待131I充分衰變后，90Sr、95Zr、103Ru、238U(代表α核素)含量采用ICP-MS方法測定)并計(jì)算去除率。各種主要裂變雜質(zhì)的去除情況列于表1。 從表1可看出，α-BO沉淀法提取99Mo，主要裂變雜質(zhì)131I、95Zr、103Ru、238U(代表α核素)等的去除率均大于99%，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)核素99Mo與其他雜質(zhì)的初步分離，對保證產(chǎn)品99Mo的化學(xué)純度起到關(guān)鍵的作用。

由研究結(jié)果可看出，α-BO沉淀法提取99Mo工藝流程為醫(yī)用裂變99Mo分離純化的關(guān)鍵步驟，可以去除大部分裂變雜質(zhì)元素，同時99Mo的回收率大于90%，保證了目標(biāo)核素的有效提取。

3.3.2陰離子交換法純化裂變99Mo

將收集到的沉淀99MoO2(α-BO)2再溶解液加載到預(yù)處理過的AG1-×8陰離子交換色層柱上，分別經(jīng)NH4OH溶液、去離子水洗滌后，用1mol/L (NH4)2SO4溶液將99Mo解吸，收集解吸液，5mL溶液為一個樣品，采用高純鍺γ譜儀測定99Mo放射性計(jì)數(shù)，以99Mo放射性計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)，淋洗體積為橫坐標(biāo)，作99Mo的解吸曲線(圖6)。用1mol/L (NH4)2SO4解吸99Mo呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：99Mo組分主要集中在第85～150mL 解吸液中，淋洗峰窄，無拖尾現(xiàn)象；99Mo解析率高，為(91.3±1.7)%(n=6)。

表1 裂變 99Mo提取工藝過程中各種雜質(zhì)的去除情況Table 1 Removal of the impurities in the separation process of fission 99Mo

圖6 99Mo在AG1-×8交換色層柱上的解吸曲線(1mol/L (NH4)2SO4溶液)Fig.6 Elution profile of 99Mo fraction with 1mol/L (NH4)2SO4 on AG1-×8 column

沉淀MoO2[α-BO]2再溶解液經(jīng)AG1-×8色層柱純化后，收集解吸液，取樣測定雜質(zhì)的含量或放射性計(jì)數(shù)(其中131I采用γ計(jì)數(shù)器測定，待131I充分衰變后，90Sr、95Zr、103Ru、238U(代表α核素)采用ICP-MS方法測定，)并計(jì)算去除率。各雜質(zhì)的去除情況列于表1。由表1可知，經(jīng)AG1-×8色層法純化后，99Mo溶液中各種主要雜質(zhì)90Sr、95Zr、103Ru、238U(代表α核素)與131I的去除率均大于99.9%。

3.3.3活性炭色層法純化裂變99Mo

將AG1-×8樹脂純化后含99Mo的(NH4)2SO4解吸液，用濃HNO3調(diào)pH至2.5左右，將調(diào)酸后的99Mo料液加載到活性炭色層柱上，經(jīng)酸洗、水洗與3%溴水洗滌后，用0.2mol/L NaOH溶液將99Mo解吸，收集解吸液，5mL溶液為一個樣品，采用高純鍺γ譜儀測定99Mo放射性計(jì)數(shù)，以99Mo放射性計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)，淋洗體積為橫坐標(biāo)，作99Mo的解吸曲線。99Mo解吸曲線示于圖7。

圖7 99Mo在活性炭色層柱上的解吸曲線(0.2mol/L NaOH溶液)Fig.7 Elution profile of 99Mo fraction with 0.2mol/L NaOH on activated charcoal column

由圖7結(jié)果可知，用0.2mol/L NaOH溶液從活性炭色層柱解吸99Mo，99Mo組分主要集中在第60～90mL解吸液中，99Mo回收率為(87.0±2.1)%(n=6)，99Mo在活性炭柱上有一定的保留。

經(jīng)活性炭色層柱純化后的99Mo溶液，取樣測定雜質(zhì)的含量或放射性計(jì)數(shù)(其中131I采用γ計(jì)數(shù)器測定，待131I充分衰變后，90Sr、95Zr、103Ru、238U(代表α核素)含量采用ICP-MS方法測定)并計(jì)算去除率。各雜質(zhì)的去除情況列于表1。由表1可知，主要雜質(zhì)131I、90Sr、95Zr、103Ru、238U(代替α雜質(zhì))的去除率均大于99.99%，表明研究工作中建立的裂變99Mo提取工藝流程對各種主要雜質(zhì)具有很好的去污效果。

3.4 99Mo溶液中雜質(zhì)含量的分析

對醫(yī)用99Mo產(chǎn)品，主要考慮131I、103Ru、89/90Sr、α核素等雜質(zhì)含量，《歐洲藥典》(9.0版本)規(guī)定：131I、103Ru、90Sr、α核素等的放射性活度相對總放射性活度分別不得大于5×10-3%、 5×10-3%、6×10-5%、 1×10-7%。

經(jīng)活性炭色層柱純化后的99Mo溶液，取樣測定雜質(zhì)的含量或放射性計(jì)數(shù)(其中131I采用γ計(jì)數(shù)器測定，Sr、Zr、Ru、U等與Mo的含量待131I充分衰變后采用ICP-MS方法測定，計(jì)算雜質(zhì)核素活度與99Mo活度的比值，并與《歐洲藥典》進(jìn)行比較[11](表2)。結(jié)果表明，131I、95Zr、103Ru、90Sr、238U與99Mo放射性活度比值分別為4.47×10-6%、8.67×10-7%、2.57×10-6%、7.40×10-7%、1.69×10-14%，均小于《歐洲藥典》的相關(guān)規(guī)定，說明經(jīng)分離純化得到的99Mo樣品中各種裂變雜質(zhì)含量符合規(guī)定，滿足醫(yī)用要求。

表2 純化后99Mo樣品中雜質(zhì)活度/99Mo活度與《歐洲藥典》要求比較Table 2 Ratios of the radioactivity of impurities to that of 99Mo in 99Mo solution

注：1) 表示《歐洲藥典》中沒有相關(guān)要求。

裂變產(chǎn)物中含有100多種放射性核素，成分復(fù)雜，因而從裂變產(chǎn)物中提取醫(yī)用99Mo是一個非常復(fù)雜的工藝過程。進(jìn)行醫(yī)用99Mo生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)時既要考慮雜質(zhì)元素的去污效果，又要考慮99Mo回收率，以滿足工藝的商用價值。本研究工作選用濃硝酸溶解電鍍UO2靶件，溶解充分，U回收率達(dá)91.6%；然后采用α-BO沉淀法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)核素99Mo與基體U及各種裂變雜質(zhì)的分離，此工藝中各種雜質(zhì)的去除率均大于99%，99Mo回收率大于90%；對于99Mo的純化，采用AG1-×8陰離子交換色層法與活性炭色層法聯(lián)用，在有效地除去各種雜質(zhì)的同時，提高99Mo的回收率。得到的99Mo溶液中各種主要雜質(zhì)含量滿足醫(yī)用要求，99Mo總回收率大于65%。

4 結(jié)論

研究工作建立了基于電鍍LEU UO2靶件生產(chǎn)醫(yī)用裂變99Mo的工藝流程，包括電鍍UO2靶件制備、UO2靶件溶解、裂變產(chǎn)物中99Mo提取、99Mo溶液的質(zhì)量分析等工藝。采用已建立的工藝流程從模擬靶件溶解液提取99Mo，99Mo總回收率大于65%；純化后得到的99Mo溶液中，131I、90Sr、95Zr、103Ru、238U(代表α核素)等雜質(zhì)的放射性活度與99Mo活度的比值均符合《歐洲藥典》相關(guān)規(guī)定，滿足醫(yī)用要求。研究工作突破了電鍍LEU UO2靶件制備與99Mo放化分離等關(guān)鍵技術(shù)，為我國實(shí)現(xiàn)裂變99Mo的自主化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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