氙同位素應用及生產(chǎn)綜述

周永勝　謝全新　耿冰霜

【摘 要】高豐度的氙同位素被廣泛應用于醫(yī)療診斷、慣性導航、基礎物理以及放射性同位素生產(chǎn)等領域，其中124Xe被用來生產(chǎn)放射性同位素125I，超極化氣體129Xe和131Xe是肺部磁共振成像以及核磁共振陀螺儀的關鍵材料，而136Xe被用于濃縮氙觀測站。采用專用設備進行氙同位素分離是目前獲取氙同位素最有效的方法。本文對氙同位素的應用領域、分離方法以及氙同位素的生產(chǎn)現(xiàn)狀進行綜述。

【關鍵詞】氙同位素；磁共振成像；核磁共振陀螺儀

Review of Application and Production of Xe Isotopes

ZHOU Yong-sheng XIE Quan-xin GENG Bing-shuang

（Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry， Tianjin 300180， China）

【Abstract】Xenon isotopes with high abundance are widely applied in fields such as medical diagnosis， inertial navigation， basic physics and the production of radioisotopes. 124Xe is used in the production of the radioisotope 125I， hyperpolarized 129Xe and 131Xe are the key materials of magnetic resonance imaging（MRI）and nuclear magnetic resonance gyros（NMRG）， and 136Xe is used in the enriched xenon observatory（EXO）. Separating xenon isotopes by special equipment is proved to be the most efficient method for obtaining xenon isotopes. The application fields， separation method and production current status of Xe isotopes are reviewed.

【Key words】Xenon isotopes； Magnetic resonance imaging； Nuclear magnetic resonance gyros

0 引言

氙是一種非金屬元素，化學符號Xe，原子序數(shù)54，氙單質在常溫下是無色無味的氣體，分子以單原子構成，相對分子質量為131.30。氙屬于惰性氣體，化學性質極不活潑，主要存在于空氣中，但含量極低，每100毫升空氣中含氙約0.0087毫升。天然氙一般從液態(tài)空氣中與氪一起被分離得到。氙有九種穩(wěn)定同位素，各同位素及其天然含量分別為：124Xe（0.094%）、126Xe（0.089%）、128Xe（1.875%）、129Xe（26.074%）、130Xe（4.011%）、131Xe（21.210%）、132Xe（27.108%）、134Xe（10.451%）、136Xe（9.088%）。氙同位素被廣泛應用于醫(yī)療診斷、慣性導航技術、基礎物理研究以及放射性同位素生產(chǎn)等諸多領域。分離氙同位素的方法主要是氣體離心法。本文主要介紹氙同位素的應用領域、氙同位素分離方法的技術特點以及國內外氙同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀。

1 Xe同位素的應用

應用最廣的氙同位素主要有124Xe、129Xe、131Xe和136Xe四種同位素。

124Xe同位素作為初始靶材，通過反應堆中的中子輻照得到125Xe，125Xe經(jīng)β衰變后生成放射性同位素125I。由于125I的半衰期較長（59.407 d）、γ射線能量低且無β輻射，對人體產(chǎn)生的輻射損傷小，因此125I在生物醫(yī)學、放射免疫體外診斷和近距離植入治療腫瘤等方面得到了廣泛應用。尤其是近年來，在放射物理和放射生物學蓬勃發(fā)展的基礎上，粒子植入治療計劃系統(tǒng)不斷提高與完善，植入治療設備不斷改進，近距離治療取得良好的臨床療效[1]。國內用穩(wěn)定同位素124Xe生產(chǎn)放射性同位素125I的單位主要有中國核動力研究設計院、中國原子能科學研究院以及中國工程物理研究院等單位。

129Xe和131Xe是核磁共振陀螺儀的關鍵試驗材料。陀螺儀是慣性導航和慣性測量的核心部件，主要是測量運載體的角速度，在航天、航空、航海等領域的各種運載體中通過數(shù)學變換后可以測量出運載體行進的距離、速度、角速度及姿態(tài)信息。核磁共振陀螺儀屬于固態(tài)陀螺，沒有運動部件，性能由原子材料決定，理論上動態(tài)測量范圍無限，綜合運用了量子物理、光、電磁和微電子等領域中的技術，是未來陀螺儀發(fā)展的新方向，它的誕生和發(fā)展將更進一步開拓核磁共振陀螺儀在軍事和民用中的應用[2]?？梢灶A見，隨著核磁共振陀螺儀的應用與推廣，129Xe和131Xe同位素的需求將不斷增加。

129Xe的另一個重要應用領域是超極化129Xe磁共振成像（MRI），超極化惰性氣體安全無毒，磁共振成像無放射性傷害，是一種非侵入安全有效的成像方式。利用磁共振成像方式的多樣性，可以對肺部形態(tài)與功能進行多方面評估。超極化129Xe磁共振成像不僅能反映肺部的形態(tài)學信息，也可提供肺部重要的氣體交換功能信息，是對現(xiàn)有肺部成像技術的補充。中國肺部疾病形勢嚴重，目前有4400萬慢性阻塞性肺部疾病患者，約占全球的70%。塵肺患者91萬，約占全球的50%。預計到2025年，每年僅死于肺癌的人數(shù)將接近100萬[3]。隨著空氣污染加重，肺部重大疾病已經(jīng)成為非常嚴重的公共衛(wèi)生問題，因此發(fā)展對肺部疾病影像學診斷技術刻不容緩。目前，受限于129Xe同位素的價格和超極化儀器的高技術門檻，超極化氣體肺部磁共振成像尚未用于臨床，但國內外醫(yī)學界均已意識到這項技術的潛力，并正在開展相關技術研究。隨著氙同位素生產(chǎn)技術的成熟以及超極化儀器的普及，可望在不久的將來，超極化129Xe磁共振成像技術將得到廣泛應用。

136Xe國際上有大量需求，比如由美國斯坦福大學主導，俄羅斯、加拿大、意大利等國參與的濃縮氙觀測臺項目EXO（Enriched Xenon Observatory）大量需要136Xe同位素。EXO項目用136Xe同位素的雙β衰變來尋找是否有“無中微子”的衰變發(fā)生。該項目分階段進行，初始階段叫EXO-200，于2008-2009年實施。EXO-200是指在項目中豐度為85%的液態(tài)136Xe的用量為200公斤。所有136Xe的濃縮工作由俄羅斯用離心法完成。初始階段總投資近3千萬美金，其中50%的費用花在136Xe的濃縮上，折合人民幣近1億元。接下來將擴大試驗規(guī)模，EXO將用1-2噸的豐度為85%液態(tài)136Xe。

2 氙同位素的生產(chǎn)方法及技術特點

當前對于氙同位素主要是利用專用設備進行分離，該方法具有以下技術特點：

第一，對分離工質有嚴格要求，分離工質必須是氣體或具有一定飽和蒸氣壓的單質或化合物，飽和蒸氣壓過低，將無法進行通料運行；分離工質的化學性質與設備材料必須相容，即不與接觸的材料發(fā)生反應或腐蝕，如果工質的腐蝕性太強，將會損壞工作設備和系統(tǒng)，不能保證系統(tǒng)長期可靠運行；此外，分離工質必須具有良好的熱穩(wěn)定性。氙屬于惰性氣體，原子最外電子層的量子軌道恰好被填滿，所以化學性質不活潑，穩(wěn)定性強，很難與其它物質發(fā)生作用，滿足上述對分離工質的所有要求。與其它同位素生產(chǎn)不同，氙氣作為工作氣體，其同位素產(chǎn)品可直接供用戶使用，無需分離前的工質合成以及分離后的工質還原。因此在未來相當長的時間內，就分離氙同位素而言，采用專用設備進行分離是無可替代的主流方法。

第二，分離氙同位素，必須由具有一定規(guī)模的級聯(lián)來完成。要把氙同位素從天然豐度濃縮到用戶所需的產(chǎn)品豐度，單靠一臺專用設備是不可能完成的，必須借助一定規(guī)模的級聯(lián)。所謂級聯(lián)，是由一定數(shù)量的專用設備通過串并聯(lián)方式組成的分離裝置。級聯(lián)規(guī)模的大小取決于同位素產(chǎn)品的豐度和需求量。

第三，高豐度的氙同位素產(chǎn)品必須經(jīng)過多遍分離。為使級聯(lián)具有通用性，一般設計成矩形級聯(lián)，考慮到輕雜質等因素的影響，級聯(lián)一般不會太長。因此通過一遍分離，很難獲得高豐度的氙同位素產(chǎn)品，要使氙同位素產(chǎn)品滿足豐度要求，一般要通過多遍分離，即上一遍的產(chǎn)品作為下一遍的供料，如此循環(huán)反復，直到同位素產(chǎn)品達到豐度要求。

第四，分離氙同位素，必須解決輕雜質的凈化問題。所用天然氙原料中多少含有一定的輕雜質，同時在生產(chǎn)過程中，由于級聯(lián)系統(tǒng)中存在放氣、微量漏氣、滲氣等現(xiàn)象，在級聯(lián)運行過程中也會產(chǎn)生一些輕雜質，如H2O、N2、O2等。這些輕雜質會隨著精料餾分逐漸向級聯(lián)精料端傳遞、累積，不僅影響同位素產(chǎn)品的化學純度，同時也嚴重影響級聯(lián)穩(wěn)定運行。因此，輕雜質的凈化是生產(chǎn)氙同位素必須解決的關鍵技術之一。

第五，分離氙同位素，必須有切實可行的質譜分析手段。由于高豐度的氙同位素必須通過多遍分離，每一遍的級聯(lián)工作狀態(tài)必須根據(jù)上一遍目標同位素的豐度進行適當調整，因此及時而準確的質譜分析是氙同位素生產(chǎn)的必要條件。

3 國內外氙同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀

俄羅斯分離氙同位素的生產(chǎn)技術研究始于20世紀80年代初，90年代初已經(jīng)形成規(guī)?；a(chǎn)，目前已把氙的所有同位素都濃縮到了99%以上[4]。早期生產(chǎn)的氙同位素非常昂貴，尤其是天然含量極低的124Xe和126Xe同位素。隨著俄羅斯專用設備分離技術的不斷發(fā)展，以及專門針對穩(wěn)定同位素分離的不同機型的問世，單機分離功率逐步提升，同時級聯(lián)運行工藝也不斷改進，現(xiàn)在俄羅斯的氙同位素的分離成本已大幅度降低，因此其氙同位素產(chǎn)品在國際市場具有絕對的競爭優(yōu)勢。除了俄羅斯，國外另一氙同位素生產(chǎn)廠家為Urenco公司，但其產(chǎn)量有限，國際市場占有份額較小。

國內氙同位素生產(chǎn)主要集中在核工業(yè)理化工程研究院。該研究院的氙同位素分離技術研究起步于20世紀90年代末。相繼開展了氙同位素分離理論與試驗研究，系統(tǒng)掌握了穩(wěn)定同位素分離級聯(lián)的設計技術及運行技術。2001年建成試驗性級聯(lián)系統(tǒng)，2002年至2004年與清華大學合作，進行了氙同位素的試生產(chǎn)，成功將124Xe同位素從0.096%濃縮到了99%。為擴大生產(chǎn)規(guī)模，2008年底新建了小批量生產(chǎn)級聯(lián)系統(tǒng)，并于2009年投入運行，到目前該級聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行了六年多。經(jīng)過10多年的技術開發(fā)，核工業(yè)理化工程研究院已經(jīng)掌握了高豐度氙同位素濃縮技術以及產(chǎn)品凈化技術等一系列關鍵技術，并實現(xiàn)了氙同位素產(chǎn)品的小批量化與系列化生產(chǎn)，其氙同位素產(chǎn)品及產(chǎn)能如表1所示。表1中的所有氙同位素產(chǎn)品已經(jīng)成功投入市場。

4 結論

隨著氙同位素在醫(yī)療診斷、慣性導航以及基礎物理等軍民領域的應用與推廣，氙同位素尤其是124Xe、129Xe、131Xe以及136Xe等同位素的需求將逐年增加，這將促進氙同位素分離技術以及規(guī)?；a(chǎn)技術的不斷發(fā)展和成熟，從而降低氙同位素的生產(chǎn)成本。生產(chǎn)成本的降低會使氙同位素的價格趨于用戶可接受的合理水平，從而更進一步促進氙同位素在相關領域的應用。

幾年以前，國內氙同位素產(chǎn)品幾乎全部從國外進口，產(chǎn)品昂貴且供貨周期長?，F(xiàn)在國內核工業(yè)理化工程研究院已經(jīng)掌握了氙同位素生產(chǎn)的核心技術，并已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品已經(jīng)投入市場，可根據(jù)用戶需求，及時提供各種豐度的氙同位素產(chǎn)品。這意味著氙同位素市場被俄羅斯和Urenco公司壟斷的局面已被打破，國內氙同位素應用單位有了更多的選擇渠道。

【參考文獻】

[1]葛巨龍.125I生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景展望[J].同位素，2013，26（4）：204-207.Ge Julong， Current status and prospect of 125I production[J]. Journal of isotope， 2013， 26（4）： 204-207.

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[3]張智穎，李海東，李昭，等.肺部超極化氣體MR成像[J].中國醫(yī)學影像技術，2013，29（5）：813-817. Zhang Zhiying， Li Haidong， Li Zhao， et al， Pulmonary MRI with hyperpolarized gas[J]. Chin J Med Imaging， 2013， 29（5）： 813-817.

[4]Baranov V YU. Isotopes： Properties， Production， Application[M]. 1st ed. Мoscow， IzDAT， 2000： 72-107.

[責任編輯：楊玉潔]