张建栋,陈 真,陈雅宏

(成都欣科医药有限公司,成都 610200)

99Mo是99mTc的母体核素。99mTc具有优异的核性质,其半衰期为 6.01 h,衰变发射140 keV的γ射线,非常适合显像,是医学显像诊断人体疾病最常用的放射性示踪剂,1960年首款99mTc标记药物的问世推动了99mTc放射性药物的临床应用。目前,全球已批准的放射性药物中,99mTc药物品种最多,如美国FDA批准的69种放射性药物中有22种为99mTc药物(截至2023年初),我国2020年版药典(二部)收录的30种放射性药品有13种99mTc药物。临床核医学诊治中,用99mTc放射性药物显像诊断占比>90%,近年来尽管受18F-PET药物显像影响,99mTc-SPECT显像仍然占比超过85%[1-5,53]。目前,SPECT采用更高分辨率的固体探测器,探测器体积更小,可组成探测器阵列,配合更精准的计算机算法,获得的诊断图像更清晰,诊断肿瘤的大小可达亚毫米量级,显著提高了诊断的准确性,缩小了与PET影像的差距,且成本更低。99mTc药物纳入了许多国家医保,推动了99Mo需求的持续增长。据预测,99Mo的需求年增速为2%,到2025年,每周99Mo需求量(基于加工6 d后)可达0.6 PBq(6×1014Bq),按照辐照结束时(EOB)计算,需求量为2.8 PBq,北美、欧洲、亚太和其他地区对99Mo的需求占比分别为50%、20%、20%和10%。因此,99mTc-放射性药物在未来相当长的一段时间内仍然具有较大的优势[2]。全球主要研究堆超期服役,故障频发,导致生产99Mo的靶辐照非计划中断。核不扩散条约限制高浓铀(HEU)民用,生产医用99Mo的靶转换为低浓铀(LEU)。转换为LEU靶需要系统研究靶的制备技术,靶生产能力建设和辐照工艺以及辐照后靶的溶解、萃取、纯化等工艺,还需要得到各国药品监管部门的批准,这一进程导致医用99Mo处于严重短缺状态,因此,各国大力支持医用99Mo生产的新工艺技术研发。本研究对全球工业化生产医用99Mo新技术探索所涉及的靶件制备、辐照、分离纯化技术进行介绍,并展望99Mo工业化生产技术的主要路线。

1 99Mo生产技术

1.1 主要核反应

医用99Mo生产需要从不同的核反应中选择较优的路线,选择核反应的原则主要有靶原子材料价廉易于获得、靶核素丰度高、靶材料的化学组成简单且性能稳定、靶的核反应截面大、能长时间经受强辐射高温作用、辐照后其他副产物少,尤其是发射高能射线的长寿命产物。

目前报道的生产99Mo的主要核反应列于表1[2-14],从核设施(反应堆、加速器和粒子源)、靶材料、辐照系统、产额、放化分离纯化等情况来看,目前成熟的235U(n,f)→99Mo、98Mo(n,γ)→99Mo核反应仍是主要的工艺路线,而238U(γ,f)→99Mo、100Mo(γ,n)→99Mo等核反应可能是未来99Mo工业化生产有前景的技术路线。尤其是利用数量众多、位置分布广泛的科研和医用加速器,实现局部地区99Mo的稳定供应成为研究热点。

表1 生产99Mo的主要核反应路线[2-14]Table 1 Nuclear reaction for 99Mo production routes[2-14]

1.2 靶制备技术

选择靶材料后,理论计算辐照靶的最佳厚度是获得较高99Mo产额的关键,入堆辐照的最大靶厚计算见公式(1)[2]:

(1)

结合靶材料的自屏蔽效应、靶材料的性能参数、传热性能和靶辐照系统的冷却性能等因素,通过公式(1)计算出理论最佳靶厚度,通过辐照考核实验,即可确定适宜的靶厚度。

铀靶件形式主要有U-Al 合金、 U-Al 弥散体、电沉积UO2、金属铀箔等。图1为生产裂变99Mo的常用HEU或LEU靶的结构示意图,所用靶件主要有铀铝合金靶和铀镁弥散靶两种,中间层为铀铝(或镁)合金粒子分散在铝合金中,靶规格为长10～15 cm、宽3～5 cm和厚1～2 mm[10,15-16],防止裂变气体产物泄露的外包层铝比靶心的铝更硬。靶的组成元素性质列于表2,根据这些参数制备适合厚度的靶。

图1 三明治结构的铀靶解剖结构示意图Fig.1 Sandwich Al-UAlx-Al target used for 99Mo production

表2 HEU或LEU靶组成元素的性质Table 2 Content element properties in HEU or LEU target

核反应为232Th(p,f)→99Mo的靶制备,将丰度为99.0%232Th制备成直径为8 mm、厚度为0.55 mm的金属片,固定在靶托上,用能量为20 MeV或40 MeV、束流强度为25～60 μA的质子束轰击,靶室保持通风载带出裂变气体。为了消除裂变气体对环境和人员的危害,可将232Th烧结成氧化物研磨成粉末,密封在铝容器中,检漏,置于靶托上辐照[7-8]。

以98,100Mo为原料,制备靶相对容易,将MoO3粉末压块烧成一定规格的圆片或圆柱,每一个靶所用MoO3的量为2.5 g左右,用铝管密封后入堆辐照或置于加速器束下靶系统的靶托上辐照,根据中子、γ光子、质子的能量和束流强度辐照对应的时间,一般热中子的质量率为1×1014n·cm-2·s-1,辐照时间为1周,即可获得99Mo[18]。

医用同位素生产溶液堆(medical isotope production reactor, MIPR),235U既是燃料,又是生产99Mo的靶材料,制靶有两种主要路线,一种是将235U用浓硫酸溶解制成硫酸铀酰溶液;另一种是将235U用硝酸溶解制成硝酸铀酰溶液,硝酸铀酰在辐射下发生辐射降解,生成NOx、亚硝酸盐、氨等产物,从溶液中逸出,溶液的pH发生显著变化,要求在辐照过程中根据pH的变化,不断加入硝酸,保持体系的pH<3。目前重点研究的靶溶液为硫酸铀酰和硝酸铀酰,尽管硫酸铀酰燃料的靶溶液具有更好的辐照性能和更好的产物,更利于99Mo等医用放射性同位素的分离提取和纯化,但综合考虑各种因素,硝酸铀酰靶溶液使MIPR生产99Mo更有优势。

1.3 辐照技术

辐照技术应根据靶的组成、性质、产额、核纯、放化纯度等要求,制备不同形状的靶如片、箔或固体、液体和气体等靶,还应根据靶性质进行理论计算并由实验确定束流种类(n,p,d,γ等)、束流能量、辐照时间等参数和安全性,才能达到更高的产额、更少的放射性核素杂质等要求。

采用研究堆辐照HEU靶或LEU靶,热中子注量率一般为1014n·cm-2·s-1量级,当然热中子注量率越高越好。为实现更高的热中子注量率,通过降低研究堆的高径比,可提高辐照孔道的换热率(靶的冷却效率)、减小堆芯燃料的装载量、提高堆运行的安全性、降低研究堆运行和维护成本、提高热中子注量率和增加垂直辐照孔道数量,大幅度提升靶的辐照能力和经济性。

采用高浓铀靶反应堆辐照工艺时,一般是辐照高浓铀靶5～7 d,待生成99Mo的量达到饱和产量的70%～80%时,停止辐照,辐照过程中消耗的235U约为2%～3%。将辐照后的高浓铀靶从反应堆孔道中卸出,冷却1 d或短半衰期的裂片核素几乎衰变完成,再进行99Mo分离的放射化学操作[10]。

由图2可看出,靶辐照结束(EOB)时99Mo活度最高约为6×104Ci,99Mo/99mTc销售时活度仅为1×104Ci,即仅有16.7%辐照后生成的99Mo能进入市场。

图2 235U靶辐照生产99Mo的活度随时间的变化以及99mTc发生器供应所需的时间[10]Fig.2 99Mo activity increase with time in a uranium target during irradiation and the decay of 99Mo after target processing[10]

98Mo(n,γ)99Mo法的98Mo靶有金属靶、钼氧化物粉末靶,其中应用最多是钼氧化物粉末靶:将钼氧化物粉末靶,装入铝罐进行辐照,需要重视辐照过程靶的冷却和散热。对热中子注量率要求不高,所有研究堆和中子源均可获得一定产额的99Mo。但在热中子注量率高的孔道,获得的产额更大。采用丰度为98%的98Mo靶,在同样辐照条件下,金属靶(含粉末靶)和天然钼钯的靶质量相同情况下,99Mo的产额比天然钼靶高3倍[23]。

中国科学院核能安全技术研究所 FDS 中科凤麟核能团队设计开发的一种氘氚聚变中子源驱动的99Mo次临界生产系统方案,采用加速器产生的氘束轰击氚靶,产生14 MeV、注量率为5×1013n·S-1的中子束,辐照硫酸铀酰(UO2SO4)溶液,可获得27 Ci/d的99Mo产量,能满足国内一个中等省份的医疗诊断需求[18]。日本小泽一郎用40 MeV、2 mA的氘束轰击碳靶产生14 MeV的快中子,用快中子轰击4个25 g的100MoO3圆片靶,单个靶的规格为φ30 mm×11.6 mm,4个靶总长度为46.4 mm,总重量为102.440 g,发生100Mo(n,2n′)99Mo核反应,每批次的产量为几十居里到数百居里,产品通过了美国药典的质量控制检验,理论上可提供50%日本需求的99Mo[56],获得的99Mo比活度仅为裂变产物的1/5 000100Mo(γ,n)99Mo反应的截面为1.5×10-25cm2。在γ能量为14.5 MeV时,100Mo核发生强烈的共振[2],此时产率高。此外,还有用0.119 1～0.393 1 g的natMo、面积为19.6 mm2的Mo金属箔,用10 MeV电子束打在钽靶,通过韧致辐射产生的γ射线辐照Mo金属箔3～4 h[19],获得医用99Mo。

能量为22 MeV和 40 MeV的质子束轰击232Th靶,通过232Th(p,f)→99Mo核反应获得99Mo[2]。

在反应堆或加速器、靶、辐照系统(研究堆的辐照孔道和加速器的束下系统等)、产额和核纯等指标确定后,辐照的工艺参数即可确定。

2 99Mo分离与纯化工艺技术

2.1 靶溶解

HEU或LEU的铀铝合金靶一般用碱性溶液溶靶。在溶靶过程中,除99Mo、放射性碘等少数核素外,大部分裂变产物与未裂变的铀均以沉淀形式分离出来。对于铀镁合金靶,一般在加热条件下使用硝酸溶解靶,未裂变的铀以及大部分裂变产物均溶解在硝酸中。将沉淀分离后,液体溶液进入下一步的99Mo分离纯化[10]。

对于以Mo为靶生产99Mo的技术,将辐照后的靶进行冷却,然后用氢氧化钠溶液进行溶解,根据靶的数量,用一定体积的3 mol/L NaOH溶液在80 ℃下溶解辐照后MoO3靶,制备成钼酸钠溶液母液,用于凝胶型99Mo/99mTc发生器的制备[18]。

96Zr(α,n)99Mo,纯度为99%的天然Zr制成长宽皆为16 mm、厚度为5 μm的Zr箔靶,用24 MeV的α束辐照,束流强度2 nA辐照3 h[20]。目前的研究主要聚焦于测量不同α粒子能量、不同束流、不同丰度的96Zr靶在不同辐照时间下的产率,辐照后的靶用浓硝酸溶解[21]。

2.2 99Mo分离技术

235U的裂变产物中有50多种元素的100多种放射性裂片核素,裂片核素的原子序数主要分布在30～60、原子质量主要分布在100～140。裂变法生产99Mo的放射化学分离工艺技术主要有三种,即强碱性阴离子树脂交换法、α-安息香肟(α-benzoin oxime,缩写为α-BO)沉淀法以及酸性Al2O3柱无机离子交换法。基于这三种方法,目前已建立了成熟的99Mo分离工艺流程主要有:1) 美国研发的Cintichem 流程;2) 比利时的靶碱溶样后溶液用氧化铝色层柱、阴离子交换柱和活性炭色层柱分离纯化99Mo;3) 南非的靶碱溶样后溶液用AG1-X 8 阴离子交换柱、Chelex 100 螯合树脂交换柱和氧化铝色层柱分离纯化99Mo[23-24]。

LEU靶辐照产生的α杂质核素239Pu比HEU靶的含量高20倍,需要针对239Pu高含量的情况下改进99Mo的分离纯化工艺技术,采用α-BO(结构式见图3)作为Mo的络合剂,即使在较宽的pH范围内,也能与Mo特异性结合,形成Mo2[α-BO]2的白色沉淀,未裂变的U以及U裂变产生的I、Sr、Zr、Ru、Cs等杂质元素在酸性条件下不与α-BO发生反应形成沉淀,也不会与Mo2[α-BO]2形成共沉淀,实现99Mo的特异性分离。α-BO沉淀法提取99Mo具有回收率高、对杂质元素除去效果好、操作过程中产生的放射性废物少且操作时间较短等优点。

α-安息香肟的结构(alpha-benzoin oxine)

10-5mol/L HCl的三辛胺作为有机相从99Mo/99mTc 的平衡混合物中将99Mo分离出来。采用阴离子和阳离子交换剂,三辛胺和HDEHP从94,95,95m,96Tc,92m,95Nb,88Zr和87,87m,88Y等存在的溶液中进行放射化学分离,得到高纯的99Mo[25]。

选择99Mo分离工艺的要求是高产的化学或物理方法、分离速度快、杂质少、可重复,产品的核纯、放化纯度和化学纯度高等[26]。柱色层基于柱材料对母体核素99Mo具有高的结合能力(KD),而子体核素99mTc的KD低,通过使用淋洗剂将子体核素从柱上洗脱,实现母体核素与子体核素的高效分离。柱色层分离涉及分离的目标、柱的类型、柱的规格、柱层的数量、吸附剂的化学性质、柱层的预处理、吸附剂上载到柱的工艺技术、分离后的目标样品、样品的产量、用于淋洗目标核素的淋洗试剂等。

LEU靶生产99Mo技术含裂片放射性核素多,以及U、Pu、Np等α核素及其裂变产物复杂,与HEU靶相比,99Mo产额更低,分离纯化更难。Naumov等[28]报道了采用LEU靶(235U的丰度仅为3%,235U2)生产99Mo的方法,用20%癸基氧肟酸(DHA)的正癸酸溶液,进行萃取、喷淋洗涤和反冲洗后,Mo回收率约98%,125I的去污系数达到2×104,其他核素的去污系数106。

利用Mo氧化物和Tc氧化物具有不同的热性质,通过加热升华实现Mo与Tc的分离、Mo靶辐照后极微量Tc的分离,但产率较低,仅为20%～25%,少数回收率可达50%。升华的优点是辐照后直接加热升华获得产品,不用化学试剂。

除柱分离、溶剂萃取、化学沉淀、升华外,许多研究者在探索固相萃取、萃取色层、电化学分离、固定的液体膜(supported liquid membrane)、离子液体、热色层和超临界萃取等分离方法,但仍在基础研究阶段,尚不具备工业化生产能力[26]。

96Zr(α,n)99Mo 辐照后的靶用浓硝酸溶解,Zr与Mo的分离方法有离子交换法、溶剂萃取法和沉淀法等,但常用沉淀法,即用氨水调节溶解液的pH将锆沉淀,实现Zr与Mo的分离,获得钼酸铵溶液[21]。对于通过232Th(n,f)99Mo制备99Mo,用盐酸或硝酸溶解辐照后的钍靶,制备成pH为0.75～2含盐酸的水相,取适量萃取剂磺酰基桥联环芳烃( H4L) ,用三氯甲烷稀释到一定体积制备成萃取有机相,萃取钍,Mo保留在水相,供进一步的纯化处理[22]。

MIPR是均匀性水溶液反应堆,以硝酸铀酰或硫酸铀酰为燃料,燃料235U的富集度<20%,开展了20 kW的水溶液堆99Mo、89Sr、131I等同位素的提取研究,使用固体吸附剂(成分为顺丁烯酸酐多聚物和α-安息香肟)从均相水溶液堆的硫酸铀酰燃料中提取裂变99Mo,该吸附剂对99Mo的吸附率高于90%,而对其他裂变产物的吸附率低于2%、对铀的吸附率低于0.01%。从252Cf裂变产物中分离99Mo,采用Al2O3吸附、D2EPHA萃取、α-安息香肟沉淀和离子交换树脂螯合等处理,然后用NH3·H2O反萃,反萃效率为95%,获得高放化纯度的99Mo产物[29]。

综上所述,从技术、工艺、分离纯化时间、产量、产品性质、废物处理、可重复大量生产等因素考虑,柱色层和液-液萃取分离仍是工业化生产医用99Mo的主要工艺技术。

离子交换色层(ion-exchange chromatography)是99Mo分离纯化的主要方法,普渡大学开发了VERSE模拟程序[31],用于研究柱色层的工艺参数,主要包括柱长和柱直径、吸附剂的粒径、料液上载时间、溶液流速、温度、Mo、U和其他裂片核素的浓度等,通过计算获得柱参数和工艺的优化结果,如等温吸附、物质传递和柱系统参数等,对柱色层离子交换分离具有重要意义。阿贡实验室建立了溶液堆生产99Mo的分离纯化工艺方法[31],35 MeV/10 kW的直线加速器的电子轰击钽靶产生中子辐照含硫酸铀酰140 g/L的靶溶液(也是燃料),辐照后的溶液用TiO2柱色层分离,上载时间2 h,99Mo的回收率为97.5%。

Lei Ling等[32]用正相和反相固态萃取法(normal and reverse solid-phase extraction)从硫酸铀酰溶液萃取99Mo,采用TiO2柱,通过理论计算对柱的直径和长度进行优化,在柱体积最小时,柱长最大化,通过实验室规模的验证,99Mo的回收率达到(95±5)%。Monir等[33]采用离子液体氯化三辛酰甲基胺浸渍在壳聚糖载体上,从含137Cs、85Sr和131I等裂片产物中分离和纯化99Mo,吸附快速,3 min即可达到吸附平衡,在pH为3～11的较宽范围内,实现99Mo的分离和纯化,在碱性溶液中获得的99Mo纯度>99%。

尺寸排阻色谱(size-exclusion chromatography)利用聚合物的分子网效应(molecular-sieve effect)实现目标物质的分离和纯化,常用的聚合物有聚苯乙烯二乙烯苯树脂、聚丙烯酸酯、脲醛树脂等,其柱的孔隙对不同离子有不同的吸附性质,从而实现目标离子的分离。

除了前述方法外,还有学者尝试用多种技术协同方法(miscellaneous purification methods)进行99Mo的分离纯化,让99Mo产品的分离纯化工艺更简单、分离时间更短,放化纯度和核纯更好,比活度更高。

3 柱材料与发生器制备技术

3.1 钼锝分离方法

99Mo 与99mTc的分离纯化方法主要有离子交换色层(ion exchange chromatography),液-液萃取(liquid-liquid extraction, LLX),电沉积(electrodeposition)等。99mTc 柱色层采用Al2O3、Fe和Mn的氧化物作为固定相,离子交换柱也用于从99Mo中分离99mTc,丁酮(methylethyl ketone, MEK)或甲基异丁基(甲)酮 (methylisobutyl ketone, MIBK) 作为常用的溶剂从99Mo/99mTc发生器中分离出99mTc。Mandal等[30]99Mo的纯化常规采用液-液溶剂萃取方法(liquid-liquid extraction),将2 mol/L的三异辛胺(TIOA)用3倍的水稀释,将99Mo-99mTc 动态平衡的溶液加入,然后用0.1 mol/L的DTPA水溶液将99mTc反萃出来,99Mo保留在TIOA有机相中,实现分离和纯化。常用的柱材料有Al2O3、水合氧化锆、水合氧化钛、水合氧化锰、硅凝胶和滑石粉等作为99Mo/99mTc发生器的柱材料,但从长期的生产和使用效果来看,Al2O3柱性能更好,是99Mo/99mTc发生器柱的主要材料[34-36]。

3.2 柱材料选择与制备技术

来自印度孟买Bhabha原子研究中心放射性药物部的Ashutosh Dash团队用实验证明了Al2O3吸附钼酸根离子的能力为2～20 mg/g,酸性Al2O3吸附裂变99Mo,Al2O3在酸性介质中表面带正电荷,可以吸附呈负电荷状态的钼酸根离子,而在中性或碱性介质中,Al2O3表面呈中性或负电性,不吸附钼酸根离子[10]。98Mo(n,γ)99Mo的99Mo比活度<111 GBq/g(3 Ci/g),含大量载体98Mo,制备99Mo/99mTc发生器需用柱直径2 cm、高4 cm的大体积Al2O3色层柱,装柱时间>2 h,每次用10 mL相同体积的生理盐水淋洗的效率为40%～90%,漏穿率为10-3。用235U(n,f)反应的裂变产物99Mo制备99Mo/99mTc发生器,同样的Al2O3柱,装柱时间小于5 min,比活度高达37 TBq/g(1 000 Ci/g),发生器的直径小于0.3 cm,长2 cm,每次用4 mL相同体积的生理盐水淋洗的效率为95%,漏穿率为10-4[26]。裂变99Mo的发生器性能及其淋洗的NaTcO4溶液指标都比(n,γ)要优异得多。

针对98Mo(n,γ)工艺,开发高吸附容量的柱材料一直是热点,聚合锆化合物(PZC)、聚合氯氧化钛、合成含磺酸基团的Al2O3等材料,这些材料对Mo的吸附容量高达 200～500 mg/g,远高于Al2O3的2～20 mg/g,但存在吸附动力学慢、淋洗液纯度和放射性活度不满足医用等缺点[37]。利用纳米材料高的比表面积表面活性,开发纳米材料作为吸附剂的色层柱,吸附容量远高于Al2O3,同时,解决了PZC等材料提高吸附动力学速度慢、淋洗液纯度差和放射性活度低等问题,如将立方形纳米 ZrO2( t-ZrO2)、纳米晶的γ-Al2O3、介孔纳米 Al2O3(MA) 作为吸附剂,t-ZrO2静态吸附容量是(250±10) mg Mo/g,动态吸附约80 mg/g,静态纳米晶 γ-Al2O3的吸附容量达到(205±5) mg/g,利用合成纳米-TiO2(nanotitania)、纳米-ZrO2(nanozirconia)、纳米-γ-Al2O3(nanoalumina)和多孔-Al2O3(mesoporous alumina)作为99Mo/99mTc发生器的柱材料,显著增强对钼酸钠的吸附,降低99Mo的漏穿率,但需要提高纳米吸附材料在大剂量99Mo装柱情况下的抗辐射降解性能[37-48]。

3.3 发生器制备技术

4 99Mo生产技术路线展望

4.1 有前景的核反应或核设施技术路线

从表1的核反应及其所依赖的核设施来看,近几年对99Mo生产的核反应研究的文献非常多,如Ranjana[50]介绍了快中子、钍-循环和加速器驱动的次临界堆(ADS)等工艺技术。探索了次临界装置、中子发生器、粒子束、加速器、低功率研究堆、光核裂变、光核嬗变、激光、医用同位素生产溶液堆等,这些核反应依赖其对应的核装置都能获得99Mo的合适产额。

加拿大和美国正在积极探索核电站的动力堆生产99Mo的方法,Jawad等[51]从理论、安全、靶、工艺技术和分离纯化等角度进行系统研究。2019年底,加拿大利用达灵吨核电厂的加压重水堆启动99Mo的生产,由37个靶组成圆形生产靶组件,每一个靶用含0.2%wt235UO2的贫铀构成内芯,在内芯上包裹厚度为79.36 μm、235U富集度为19.5%wt UO2镀层(图4只列出了其中的8个靶构成的组件),生产99Mo靶件的结构和尺寸与动力重水堆燃料棒相同。裂变产生的99Mo用氯气与氧气的混合气体载带出来,导入热室,进行分离纯化[10],实现长期稳定可靠的99Mo供应。美国克林顿核电站研发了一项99Mo生产技术,即向核电站反应堆的燃料棒间空穴中插入非放射性的靶(98Mo)棒,然后卸除含有放射性钼同位素的靶棒,这种操作将以周为单位反复进行,获得的原料制备为三相反相99Mo/99mTc发生器。

图4 动力堆生产99Mo的靶及其由8个靶组成的组件Fig.4 A schematic of the 8-element Molybdenum-99 producing bundle[51]

Yu等[52]采用2 MW的熔盐堆和LEU靶,研究了生产99Mo的可行性,每周(6 d)可生产9 415 Ci的99Mo。

考虑到99Mo巨大的需要量、成本、周期性稳定供应等因素,除传统方法外,未来有前途的重点核反应工艺主要如下。

1)98Mo(n,γ)99Mo工艺。以丰度95%的98Mo为靶,利用现有成熟的研究堆技术,成本低廉,对研究堆的功率、运行等要求不高,还可回收靶材料重复使用,产量大,如果用于RadioGenix系统发生器,则可实现99Mo的稳定供应。

2) MIPR。阿贡实验室在美国能源部资助下联合Babcock and Wilcox Technical 服务集团(BWTSG)开发以LEU(235U为19.75%)的硝酸铀酰和硫酸铀酰均相的水溶液反应堆或加速器裂变生产99Mo的技术,采用TiO2柱吸附从硫酸铀酰或硝酸铀酰溶液中回收99Mo[31,53]。以加速器驱动裂变低浓缩铀盐溶液的生产方式具有无反应堆、无高浓缩铀、放射性废物少等优势,是未来的重点研究方向,技术逐渐成熟。美、俄、中等进行了建堆的安全性研究与评估、生产工艺模拟研究、投资可行性研究,很快即可进入99Mo的生产。

3) 动力堆生产方法。加拿大和美国通用原子公司(GA)利用核电站动力堆稳定运行时间长、中子注量率高、生产量大、分离纯化工艺相对简单等优点生产99Mo,可从供货时间和产量上满足市场的需求。

4.2 高品质靶制备技术

用于生产99Mo的靶,从化学组成来看,越简单越好,金属、氧化物等更好。从形态来看,纳米晶、纳米膜、纳米沉积膜等具有热传导性好、中子自吸收率低等优点,可确保辐照过程的安全、辐照产额高、靶易于溶解,还可制成粉末、薄膜、圆片或圆柱等形状的靶,实现靶辐照过程的安全可靠、产额最大化,以及辐照后的靶易于溶解以及分离纯化工艺简单的目标。

因逐渐消除HEU的民用,235U裂变工艺生产99Mo的靶以LEU为主要靶材料,LEU靶的制备技术成熟,许多机构采用此生产工艺过程,已大量供应产品。

4.3 99Mo分离纯化技术

在成熟的HEU的235U裂变产物中分离纯化99Mo的技术基础上,重点研究LEU靶辐照后的裂变产物分离技术,从LEU靶裂变产物中分离纯化99Mo的技术已经成熟,得到美国FDA的批准,在澳大利亚和南非等国的生产中得到应用,但还在不断完善中。

研发特异性、吸附容量高、可长期重复使用、易于废物处理的分离材料或萃取剂仍是研究人员关注的重点,但满足大生产需要的可靠分离纯化技术仍然是以Al2O3、TiO2、ZrO2以及高选择性的阴离子树脂或阳离子树脂等少数材料和工艺技术为主。

4.4 发生器制备新技术

发生器的核心是高性能吸附材料制备的吸附柱。柱材料研究方向是制备高性能的纳米晶的介孔材料,增大比表面积,提高材料对99Mo的容量,另一个方向是赋予材料特定的官能团,增强对99Mo吸附的特异性,如用离子液体浸渍在柱材料上,提高柱对99Mo吸附的特异性。这些新的材料与方法显著提升了柱的吸附能力、降低99Mo的漏穿率。目前,99Mo/99mTc 发生器制备技术的发展趋势是研发纳米吸附剂的介孔柱色谱发生器。

5 小结

本研究对因研究堆非计划停堆和禁用HEU靶所带来的99Mo供应中断的替代生产技术进行了系统梳理,列举了这些替代技术的优缺点。鉴于全球巨大的需求量,未来大规模工业化生产和供应99Mo的技术路线主要有LEU靶的(n,f)反应和富集度为98%的98Mo(n,γ)99Mo核反应,涉及的核设施为研究堆、加速器、MIPR,以及核电站动力堆等方法,而光核裂变、光核嬗变以及次临界辐照等仅为前面四种主要方法的填补。加速器驱动裂变低浓缩铀盐MIPR,作为专用生产堆,不需要加工生产靶,辐照后不需要冷却和溶解靶,在线连续提取,满足多数关键医用同位素的稳定可靠供应是未来的重点研究方向。动力堆因长期稳定可靠性运行,对实现产品的稳定供应具有极其重要的意义,得到越来越多的重视,但需要对安全性、可靠性、工艺技术进行系统研究和验证,还需各国药品监管机构的批准,这还需要一个漫长的过程。

从辐照后的靶中大量分离纯化99Mo,重点关注纳米材料、离子液体、介孔材料等新技术。针对98Mo(n,γ)99Mo核反应,以富集度98%的98Mo为靶,在同样辐照条件下,99Mo的产额是天然Mo靶的3倍,用此产品制备三相反相99Mo/99mTc 发生器是主要发展方向,美国北极星医用同位素公司的RadioGenix发生器系统及其相关软件已经得到FDA的批准应用于临床。LEU靶获得的原料,制备99Mo/99mTc 发生器的发展趋势是研发纳米吸附剂的色谱柱发生器。