Способ получения генератора рения-188

 

Использование: в ядерной медицине для терапевтических целей, для научных исследований и технологического контроля. Сущность изобретения: разработан способ получения генератора рения-188 с высокой радионуклидной чистотой и объемной активностью целевого радионуклида. Мишень из оксида вольфрама облучают нейтронами и растворяют в щелочи. Нерастворенный осадок растворяют в перекиси водорода. Полученный раствор подщелачивают до pH 12-14. Проводят очистку щелочного раствора пропусканием через колонку с оксидом алюминия в OH^--форме и подкисляют раствором соляной кислоты. Затем вольфрам-188 переводят в матрицу, сорбцией на оксиде алюминия в H⁺-форме в динамическом режиме, либо в статистическом с переносом матрицы в колонку с фильтрующим слоем из оксида алюминия в H⁺-форме. Элюирование рения-188 проводят растворами натриевых солей. 3 табл.

Изобретение относится к области преобразования химических элементов и получению радиоактивных источников, а именно к способам выделения радионуклида рения-188 из облученной мишени вольфрама радиохимическим методом, и может быть использовано в ядерной медицине для терапевтических целей, для научных исследований и технологического контроля.

Известны способы получения генератора рения-188, заключающиеся в том, что облучают мишень из оксида вольфрама или вольфрамовой кислоты нейтронами, растворяют мишень, переводят в сорбируемую форму и затем в нерастворимую матрицу путем сорбции на оксиде алюминия и элюируют рений-188 растворами минеральных кислот и их солей [1-3] С помощью этих способов невозможно получить генератор рения-188 с высокой объемной активностью, радионуклидной и химической чистотой целевого радионуклида. Представлены невыгодные условия сорбции вольфрама и элюирования рения. Недостаточны либо отсутствуют данные о характеристиках элюата рения-188. Не разработаны режимы изготовления и эксплуатации генераторной колонки, позволяющие создать технологию получения генератора нения-188 и использовать генератор для медицинских целей.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления генератора рения-188, заключающийся в том, что облучают мишень из вольфрама (оксида вольфрама) потоком нейтронов 3·10¹⁴ н/см²·с, растворяют оксид вольфрама в 2-10 М щелочи, нагретой до 50-90^oC, перевод в матрицу осуществляют взаимодействием щелочного раствора вольфрамита с кислым раствором, содержащим цирконил-ион, для образования осадка вольфрамита циркония, содержащего W-188, дополнительной обработкой этого осадка - доведением pH от 2,8 до 6, преимущественно 4,3, последовательной промывкой водой или физраствором, центрифугированием, декантацией водой, промывкой полярным органическим растворителем, смешивающимся с водой, затем органическим растворителем, смешивающимся с полярным органическим растворителем с низкой температурой кипения, сушкой осадка, причем однородность осадка достигается механической (шпателем) или ультразвуковой разбивкой стекловидного геля вольфрамита циркония, либо добавкой инертного носителя (оксида алюминия, кварца). Матрицу помещают в емкость для элюирования, а элюирование проводят из колонки растворами натриевых солей. Для очистки элюата рения-188 от примеси вольфрама-188 используется оксид алюминия или циркония в виде второй колонки либо слоя под матрицей, содержащей цирконилвольфрамат, через которую проходит элюент [4] Известный способ является трудоемким. Он включает проведение большого числа операций, применение различных реактивов, органических растворителей, посуды, приборов (например, центрифуги), что осложняет процесс изготовления генератора рения-188 в серийном варианте в условиях высокой радиационной нагрузки. Невысок выход целевого продукта 55-65% Отсутствуют данные о радионуклидной чистоте рения-188 за исключением примеси W-188, необходимые для использования генератора рения-188 в терапевтических целях.

Цель изобретения упрощение технологического процесса, позволяющего наладить промышленный выпуск генераторов рения-188 с обеспечением высокой объемной активности и радионуклидной чистоты целевого продукта.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения генератора рения-188, включающем облучение мишеней из оксида вольфрама нейтронами, растворение мишени в щелочи, перевод в матрицу, содержащую W-188, помещение матрицы в емкость для элюирования и элюирование рения-188, нерастворенный в щелочи осадок оксидов низковалентных состояний вольфрама растворяют в перекиси водорода, подщелачивают до pH 12-14, объединенный щелочной раствор вольфрама подвергают очистке от радионуклидных примесей пропусканием через колонку с оксидом алюминия в OH^-форме, подкисляют раствором соляной кислоты и переводят в матрицу, содержащую W-188, сорбцией на оксиде алюминия в H⁺-форме. Сорбцию проводят в динамическом режиме на колонке либо в статическом режиме с переносом матрицы в емкость для элюирования с фильтрующим слоем из оксида алюминия в H⁺-форме.

Одним из основных условий получения генератора рения-188 высокой объемной активности и радионуклидной чистоты является получение радиоактивного сырья -материнского радионуклида вольфрама-188 оптимальной удельной и объемной активности и радионуклидной чистоты. Высокая удельная активность достигается использованием высоких потоков нейтронов для облучения мишеней, увеличением времени облучения, использованием мишеней из вольфрама, обогащенного по изотопу W-186. Однако, при этом наблюдается частичное восстановление вольфрама и образование оксидов низковалентных состояний вольфрама в виде нерастворимого в щелочи осадка, количество которого увеличивается при облучении в высоких потоках нейтронов и составляет 5-8% от общего количества W-188 при облучении в потоке (1-2)·10¹⁵ н/см²·с в течение 30-40 эффективных суток и примерно 1% при облучении в потоке 10¹⁴ н/см²·с в течение 100 эффективных суток.

Ввиду высокой стоимости радиоактивного сырья имеет смысл использовать W-188 из осадка в технологическом процессе изготовления генератора.

Обработка нерастворенного в щелочи осадка раствором перекиси водорода после декантации или фильтрации щелочного раствора вольфрама при комнатной температуре позволили перевести его в раствор, а обработка щелочью до pH 12-14 позволила разрушить избыток перекиси водорода и объединить с основным щелочным раствором для участия в дальнейшем технологическом процессе.

Очистка радиоактивных растворов вольфрама позволяет снизить возможность попадания в элюат рения-188 долгоживущих радионуклидных примесей, нарабатываемых в процессе длительного облучения мишенного материала из различных соединений вольфрама, содержащих малые и ультрамалые химические примеси (по паспорту <0,01%).

186WO₃ с обогащением 99,79% в облученной мишени обнаруживается ^110mAg (≈0,2% ), ¹³⁷Cs (0,17%), ⁶⁵Zn (0,06%), ⁹⁵Zr-⁹⁵Nb (2,2%), ¹⁰³Ru-¹⁰³Rh (1%), ¹⁰⁶Ru-¹⁰⁶Rh (0,13%), ¹⁴⁰Ba-¹⁴⁰La. В случае WO₃ "для оптического стекловарения" естественного состава большое количество ¹³⁴Cs.

В случае наиболее чистого мишенного материала ¹⁸⁶WO₃ с обогащением 96% содержание радионуклидных примесей незначительно, однако вклад их в общую активность увеличивается по мере хранения радиоактивного сырья вследствие распада W-188, тем самым снижая срок годности радиоактивного сырья и генератора, что особенно существенно для генераторов медицинского назначения.

При облучении в менее интенсивных потоках нейтронов-ное содержание радионуклидных примесей выше, чем при облучении в потоках 10¹⁵ н/см²·с.

Часть радионуклидных примесей при элюировании попадает в раствор целевого радионуклида Re-188. основными радионуклидными примесями, обнаруженными в элюатах генераторов ¹⁸⁸W-¹⁸⁸Re, приготовленных из различного радиоактивного сырья, являются ^134,137Cs, ^110mAg, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, а также ¹⁴⁰Ba в свежезаряженных генераторах (Т_1/2 12,8 дн). γ-спектры элюатов рения-188 генераторов активностью 100 мКи приготовлены из неочищенного вольфрама-188. Пример радионуклидных примесей в нескольких элюатах, отобранных в течение месяца после изготовления генераторов 2 мес. после окончания облучения (1) и через 5-6 мес. после изготовления (2) -приведен в табл.1.

Проведение очистки от радионуклидных примесей на оксиде алюминия в OH^--форме позволяет сорбировать основную их часть, практически не извлекая вольфрам-188, оптимальные условия разделения наблюдаются в случае использования в качестве сорбента Al₂O₃, обработанного непосредственно перед использованием 0,1-1 н NaOH, в качестве водной среды - растворы вольфрама pH 12-14 (табл.2).

Обработка оксида алюминия 0,1-1 н NaOH и заправка очистительной колонки непосредственно перед проведением очистки позволяет максимально активировать сорбент и снизить количество растворенного алюминия в очищенном щелочном раствора вольфрама, что наблюдается при использовании необработанного сорбента.

Проведение очистки W от радионуклидных примесей в динамических условиях обеспечивает количественное извлечение Cs, Co, Ag, Zn, Ba и распределение их в верхней части хроматографической колонки (табл.3), так как коэффициенты распределения на порядок выше, чем в статических условиях.

Подкисление очищенного щелочного раствора вольфрама 1-2 н HCl при переводе в сорбируемую форму изополивольфраматы обеспечивает оптимальную концентрацию вольфрама (50±5) мг/мл и соответственно оптимальную объемную активность. Использование более концентрированных растворов HCI может привести к выпадению W в осадок, более разбавленных к снижению концентрации и объемной активности W-188.

Доведение до pH 12-14 щелочного раствора, полученного при растворении нерастворенного в 2 н NaOH осадка оксидов низковалентных состояний вольфрама в перекиси водорода с последующим подщелачиванием, обеспечивает оптимальную очистку от Cs, Co, Ag, Zn, Ba и минимальную потерю вольфрама на очистительной колонке. Подкисление щелочных растворов вольфрама соляной кислотой и обработка сорбента соляной кислотой обеспечивают оптимальную сорбцию вольфрама в виде изополивольфраматов на оксиде алюминия в H⁺-форме. Наилучшая сорбция достигается при значении pH раствора вольфрама, равном 3-4, и при обработке оксида алюминия 0,1 н HCl.

Сорбция вольфрама в динамических условиях обеспечивает серийный выпуск генераторов в условиях работы с высокой радиоактивностью и дистанционного управления технологическим процессом.

Сорбция вольфрама в статических условиях с переносом сорбата в колонку с фильтрующим слоем в случае низкой удельной или объемной активности, т.е. большого весового или объемного количества вольфрама, позволяет получить генератор максимальной активности для данного радиоактивного сырья и при этом снизить вероятность попадания W-188 в элюат целевого радионуклида рения-188, продлить срок годности несвоевременно перерабатываемого радиоактивного сырья или изготовленного генератора.

Пример 1. 1 г WO₃ (H₂WO₄), обогащенного по изотопу W-186 (96-99,8%) или естественного состава, облучали в потоке (1-2)·10¹⁵ н/см²·с в течение 28 сут. Образец после охлаждения в течение 20 сут вскрывали, переносили в колбу 1 на 50 мл (1), содержащую 8 (7,2) мл 2 н NaOH, нагревали на плитке при 200-300^oC в течение 10-20 мин, остужали.

Оксид алюминия (2 г) обрабатывали в стакане на 50 мл 0,1-1 н NaOH при нагревании на плитке в течение 5-10 мин, переносили в колонку размером h 10 см, ⊘=0,8 см.

Щелочной раствор, осторожно отделяя от нерастворенного осадка, пропускали через колонку с Al₂O₃ в OH^--форме, промывали осадок в колбе и колонку 2-4 мл 1 н NaOH, собирали элюат в колбе на 50 мл. Нерастворимый в щелочи осадок в колбе 1 растворяли в 2 мл 15-20% H₂O₂, подщелачивали 2 мл 2 н NaOH до pH 12-14, пропускали щелочной раствор через ту же колонку с Al₂O₃ в OH^--форме. Объединенный щелочной раствор подкисляли 1 н HCl (≈12 мл) до pH 3-5, переносили в цилиндр, измеряли объем, отбирали аликвоту для измерения объемной активности, радионуклидных примесей, рассчитывали удельную активность и концентрацию вольфрама.

С помощью дозатора готовили флаконы с радиоактивным раствором, обеспечивающим зарядку генератора заданной активности из расчета ^A188_w : ^A188_Re= 1,3.

Готовили серию колонок высотой 7-10 см, ⊘ 0,8-1,2 см с содержанием Al₂O₃ 1-5 г, предварительно обработанным 0,1 н HCl при нагревании 5-10 мин.

Колонки и флаконы с радиоактивным раствором стерилизовали в автоклаве в течение 15 мин при 120^oC и давлении 1,1 атм. Колонки помещали в защитный контейнер с внутренними коммуникациями (типа ГТ-2).

зарядку генераторной колонки проводили с помощью вакуумированных флаконов или системы разрежения со скоростью 8-20 мл/мин. Промывали генератора 0,9% NaCl pH 3-4 (30 мл) через 18 ч после зарядки и элюировали Re-188 в виде Na¹⁸⁸ReO₄ тем же раствором с помощью вакуумированных флаконов объемами по 10 мл.

Отбирали и исследовали элюаты Re-188 периодически в течение срока годности генератора полугода, года. Определяли объемную активность, радиохимический выход, радиохимическую чистоту (РХЧ), pH, состав химических и радионуклидных примесей и другие характеристики элюата. Объемная активность составляла 0,1-10 мКи/мл, радиохимический выход 75±5% в объеме 10 мл, РХЧ 99,9% pH 5,5±1, содержание неактивных примесей Al, Fe, Cu менее 5 мкг/мл, радионуклидных примесей ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, ^110mAg, ¹⁴⁰Ba менее 10^{-6 188}W менее 10^-3 Характеристики элюата удовлетворяют медико-техническим требованиям.

Пример 2. Поясняет второй вариант зарядки генератора с наружными коммуникациями. Облучение, растворение образцов, очистку от радионуклидных примесей, перевод в сорбируемую форму проводили как в примере 1. Готовили колонки размером h 10 см, o 1,2 см с содержанием Al₂O₃ в H⁺-форме 3-6 г, завальцовывали. Рассчитанный объем радиоактивного раствора 2-10 мл вносили в колонки с помощью дозатора с иглой либо флаконов и системы разрежения. Колонки помещали в защитный контейнер с наружными коммуникациями типа КСУ-2 НРЖ, промывали через 6-18 ч 30-60 мл 0,9% NaCl pH 3-4 и затем элюировали Re-188 растворами натриевых солей периодически в течение года. Характеристики элюата существенно не отличались от характеристик элюатов генераторов, приведенных в примере 1, активностью 1-100 мКи.

Пример 3. Поясняет вариант зарядки генераторов с наружными коммуникациями в статическом режиме в случае растворов вольфрама низкой объемной активности. Облучение мишеней из вольфрама проводили в потоках 10¹⁴ н/см²·с в течение 100-120 сут эффективного времени. Переработку и очистку щелочных растворов от радионуклидных примесей, перевод в сорбируемую форму проводили как в примерах 1, 2.

Сорбцию проводили из больших объемов растворов вольфрама низкой удельной и объемной активности (≥10 мл) в статическом режиме в колбах на 50 мл, содержащих 2-5 г Al₂O₃ в H⁺-форме в течение 2 ч при перемешивании.

Готовили колонки с 1-2 г Al₂O₃ в H⁺-форме в качестве фильтрующего слоя, сорбат из колбы переносили на воронку с бумажным фильтром, промывали 0,9% NaCl pH 3-4 (50-60 мл), переносили в колонку протыканием фильтра стеклянной палочкой, обмывая 5 мл 0,9% NaCl pH 3-4. Колонку завальцовывали, стерилизовали в автоклаве в течение 15 мин при 120^oC и давлении 1,1 атм, помещали в защитный контейнер типа КСУ-2 НРЖ. Содержание W в генераторах до 500 мг. Характеристики элюата за исключением объемной активности Re-188 аналогичны характеристикам элюатов генераторов высокой удельной активности. Содержание радионуклидных примесей не превышало 10^-6 Таким образом, сочетание предлагаемых существенных отличий: растворение нерастворенного в щелочи осадка вольфрама в перекиси водорода и подщелачивание его до pH 12-14, проведение очистки щелочного раствора от радионуклидных примесей пропусканием через колонку со специально обработанным оксидом алюминия, перевод в сорбируемую форму и в матрицу сорбцией на оксиде алюминия в H⁺-форме в динамическом и статическом режимах с известными признаками является необходимым и достаточным для решения поставленной задачи: упрощения технологического процесса, позволяющего наладить промышленный выпуск генераторов рения-188 с обеспечением высокой объемной активности и радионуклидной чистоты целевого продукта.

Формула изобретения

Способ получения генератора рения-188, включающий облучение мишени из оксида вольфрама нейтронами, растворение мишени в щелочи, перевод вольфрама-188 в матрицу, помещение матрицы в емкость для элюирования и элюирование рения-188 растворами натриевых солей, отличающийся тем, что после растворения мишени нерастворенный в щелочи осадок вольфрама растворяют в перекиси водорода, подщелачивают до pH 12 14, объединяют с основным щелочным раствором вольфрама, полученный раствор подвергают очистке от радионуклидных примесей пропусканием через колонку с оксидом алюминия, обработанным непосредственно перед употреблением 0,1 1 н. раствором щелочи, подкисляют раствором соляной кислоты до pH 2 4 и переводят в матрицу сорбцией на оксиде алюминия в H⁺-форме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2