周永勝　謝全新　耿冰霜

【摘 要】高豐度的氙同位素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、慣性導(dǎo)航、基礎(chǔ)物理以及放射性同位素生產(chǎn)等領(lǐng)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(guān)鍵材料，而136Xe被用于濃縮氙觀測(cè)站。采用專用設(shè)備進(jìn)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(duì)氙同位素的應(yīng)用領(lǐng)域、分離方法以及氙同位素的生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

【關(guān)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(xué)符號(hào)Xe，原子序數(shù)54，氙單質(zhì)在常溫下是無色無味的氣體，分子以單原子構(gòu)成，相對(duì)分子質(zhì)量為131.30。氙屬于惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)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(yīng)用于醫(yī)療診斷、慣性導(dǎo)航技術(shù)、基礎(chǔ)物理研究以及放射性同位素生產(chǎn)等諸多領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域、氙同位素分離方法的技術(shù)特點(diǎn)以及國內(nèi)外氙同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀。

1 Xe同位素的應(yīng)用

應(yīng)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(yīng)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(duì)人體產(chǎn)生的輻射損傷小，因此125I在生物醫(yī)學(xué)、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(yīng)用。尤其是近年來，在放射物理和放射生物學(xué)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，粒子植入治療計(jì)劃系統(tǒng)不斷提高與完善，植入治療設(shè)備不斷改進(jìn)，近距離治療取得良好的臨床療效[1]。國內(nèi)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(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、中國原子能科學(xué)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(guān)鍵試驗(yàn)材料。陀螺儀是慣性導(dǎo)航和慣性測(cè)量的核心部件，主要是測(cè)量運(yùn)載體的角速度，在航天、航空、航海等領(lǐng)域的各種運(yùn)載體中通過數(shù)學(xué)變換后可以測(cè)量出運(yùn)載體行進(jìn)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(yùn)動(dòng)部件，性能由原子材料決定，理論上動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍無限，綜合運(yùn)用了量子物理、光、電磁和微電子等領(lǐng)域中的技術(shù)，是未來陀螺儀發(fā)展的新方向，它的誕生和發(fā)展將更進(jìn)一步開拓核磁共振陀螺儀在軍事和民用中的應(yīng)用[2]。可以預(yù)見，隨著核磁共振陀螺儀的應(yīng)用與推廣，129Xe和131Xe同位素的需求將不斷增加。

129Xe的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)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(duì)肺部形態(tài)與功能進(jìn)行多方面評(píng)估。超極化129Xe磁共振成像不僅能反映肺部的形態(tài)學(xué)信息，也可提供肺部重要的氣體交換功能信息，是對(duì)現(xiàn)有肺部成像技術(shù)的補(bǔ)充。中國肺部疾病形勢(shì)嚴(yán)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(yù)計(jì)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(yán)重的公共衛(wèi)生問題，因此發(fā)展對(duì)肺部疾病影像學(xué)診斷技術(shù)刻不容緩。目前，受限于129Xe同位素的價(jià)格和超極化儀器的高技術(shù)門檻，超極化氣體肺部磁共振成像尚未用于臨床，但國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界均已意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的潛力，并正在開展相關(guān)技術(shù)研究。隨著氙同位素生產(chǎn)技術(shù)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(shù)將得到廣泛應(yīng)用。

136Xe國際上有大量需求，比如由美國斯坦福大學(xué)主導(dǎo)，俄羅斯、加拿大、意大利等國參與的濃縮氙觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)目EXO（Enriched Xenon Observatory）大量需要136Xe同位素。EXO項(xiàng)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(xiàng)目分階段進(jìn)行，初始階段叫EXO-200，于2008-2009年實(shí)施。EXO-200是指在項(xiàng)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(fèi)用花在136Xe的濃縮上，折合人民幣近1億元。接下來將擴(kuò)大試驗(yàn)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(shù)特點(diǎn)

當(dāng)前對(duì)于氙同位素主要是利用專用設(shè)備進(jìn)行分離，該方法具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

第一，對(duì)分離工質(zhì)有嚴(yán)格要求，分離工質(zhì)必須是氣體或具有一定飽和蒸氣壓的單質(zhì)或化合物，飽和蒸氣壓過低，將無法進(jìn)行通料運(yùn)行；分離工質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與設(shè)備材料必須相容，即不與接觸的材料發(fā)生反應(yīng)或腐蝕，如果工質(zhì)的腐蝕性太強(qiáng)，將會(huì)損壞工作設(shè)備和系統(tǒng)，不能保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行；此外，分離工質(zhì)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(xué)性質(zhì)不活潑，穩(wěn)定性強(qiáng)，很難與其它物質(zhì)發(fā)生作用，滿足上述對(duì)分離工質(zhì)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(zhì)合成以及分離后的工質(zhì)還原。因此在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，就分離氙同位素而言，采用專用設(shè)備進(jìn)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(jí)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(tái)專用設(shè)備是不可能完成的，必須借助一定規(guī)模的級(jí)聯(lián)。所謂級(jí)聯(lián)，是由一定數(shù)量的專用設(shè)備通過串并聯(lián)方式組成的分離裝置。級(jí)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(jí)聯(lián)具有通用性，一般設(shè)計(jì)成矩形級(jí)聯(lián)，考慮到輕雜質(zhì)等因素的影響，級(jí)聯(lián)一般不會(huì)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(fù)，直到同位素產(chǎn)品達(dá)到豐度要求。

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

第五，分離氙同位素，必須有切實(shí)可行的質(zhì)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(jí)聯(lián)工作狀態(tài)必須根據(jù)上一遍目標(biāo)同位素的豐度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，因此及時(shí)而準(zhǔn)確的質(zhì)譜分析是氙同位素生產(chǎn)的必要條件。

3 國內(nèi)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(shù)研究始于20世紀(jì)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(shè)備分離技術(shù)的不斷發(fā)展，以及專門針對(duì)穩(wěn)定同位素分離的不同機(jī)型的問世，單機(jī)分離功率逐步提升，同時(shí)級(jí)聯(lián)運(yùn)行工藝也不斷改進(jìn)，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(chǎng)具有絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)占有份額較小。

國內(nèi)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(shù)研究起步于20世紀(jì)90年代末。相繼開展了氙同位素分離理論與試驗(yàn)研究，系統(tǒng)掌握了穩(wěn)定同位素分離級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)技術(shù)及運(yùn)行技術(shù)。2001年建成試驗(yàn)性級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，2002年至2004年與清華大學(xué)合作，進(jìn)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(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，2008年底新建了小批量生產(chǎn)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，并于2009年投入運(yùn)行，到目前該級(jí)聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了六年多。經(jīng)過10多年的技術(shù)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(shù)以及產(chǎn)品凈化技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)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(chǎng)。

4 結(jié)論

隨著氙同位素在醫(yī)療診斷、慣性導(dǎo)航以及基礎(chǔ)物理等軍民領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)氙同位素分離技術(shù)以及規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)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(huì)使氙同位素的價(jià)格趨于用戶可接受的合理水平，從而更進(jìn)一步促進(jìn)氙同位素在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

幾年以前，國內(nèi)氙同位素產(chǎn)品幾乎全部從國外進(jìn)口，產(chǎn)品昂貴且供貨周期長?，F(xiàn)在國內(nèi)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(shù)，并已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)，可根據(jù)用戶需求，及時(shí)提供各種豐度的氙同位素產(chǎn)品。這意味著氙同位素市場(chǎng)被俄羅斯和Urenco公司壟斷的局面已被打破，國內(nèi)氙同位素應(yīng)用單位有了更多的選擇渠道。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]