放射性同位素生产与应用现状及其发展趋向

1、第12卷第1期放射性同位素生产与应用现状及其发展趋向蔡善钰(中国原子能科学研究院同位素研究所,北京102413)摘要简要概述了全球放射性同位素的生产能力、地理分布及放射性同位素在医学、工业、农业、科研和其它领域的应用现状,并探讨了同位素生产和应用的发展趋向。关键词放射性同位素放射性同位素生产放射性同位素应用放射性同位素发展趋向中图法分类号O615一百年前天然放射性的发现,1。正是由于这场科学思想上的革命,库。当今全世界有437,30,核电已占世界总发电量的17%2。、工业、农业和科学研究等各个领域。,;在很多其它应用场合,它要比现有可替代的、。目前,世界上总共有32个国家拥有核电。与此相比,放

2、射性同位素几乎已在全球所有国家使用。其中有50个国家拥有进行同位素生产或分离的设施。其中一些国家的同位素生产部门已成为经济活动中一个相当重要的组成部分3。本文试将第十一届太平洋区域核会议前后收集到的有关文章、资料予以综合、分析,概要地阐述全球放射性同位素生产、应用的现状和发展趋向,供有关人士参考。1放射性同位素生产放射性同位素(以下简称同位素)主要由研究反应堆和回旋加速器生产。同位素生产设施还包括了核动力厂、同位素分离装置和非专门从事同位素生产的普通加速器。当今正在运行的主要同位素生产设施列于表1。全球有将近300台放射性同位素生产装置或设备。重要的同位素生产设施大约只有50个国家拥有。大量共

3、享的生产设施属于经济合作和发展蔡善钰:男,58岁,研究员,放射源研制和应用专业50同位素第12卷组织(OECD)。此外,主要的同位素生产国家还有中国、印度、俄罗斯和南非3。111反应堆正在运行的研究堆在全世界有300个,但只有将近100个堆用作同位素生产(占运行时间的5%或更多一些)。其中包括6个高通量堆,主要生产60Co和252Cf。俄罗斯的2个快中子堆生60192131产89Sr。大多数同位素由研究堆生产,主要有99Mo、Co、Ir和I等。不同功率研究堆的地理分布列于表2。从表2可知,同位素生产研究堆在各地区之间的分布状况不尽相同。亚洲正在建造或计划建造新的研究堆,同位素生产能力期望会迅速

4、增加。而欧洲和北美,现有的反应堆在老化,一旦关闭,还没有计划用新的装置来取代他们。目前有几个核电厂,如加拿大、阿根廷的压管式重水堆和俄国的RBMKS堆正在生产60俄国、英国和美国在用一些研究堆生产民用氚。Co。另一些国家包括法国、表2同位素生产研究堆的地理分布地区(国家)<5MW反应堆数量530MW6127531534>30MW533261018总计西欧地区东欧和前苏联地区其中俄罗斯北美地区其中美国亚洲和中东其中日本总计112加速器全世界有180多台加速器在生产放射性同位素。其中约有50台回旋加速器致力于放射性67111药物生产,其地理分布列于表3。他们生产的主要同位素是201Tl

5、以及少量的123I、还Ga和In。有大约125台回旋加速器致力于PET工作,其地理分布列于表4。由于这类应用正在扩展,全表3从事放射性药物生产的回旋加速器的地理分布地区(国家)西欧地区东欧和前苏联北美地区其中美国亚洲和中东地区其中日本世界其余地区总计回旋加速器数量私人表4PET回旋加速器的地理分布地区(国家)西欧地区其中比利时德国意大利英国东欧和前苏联北美地区其中美国加拿大亚洲和中东地区其中日本世界其余地区总计回旋加速器数量公共200084111总计第1期蔡善钰:放射性同位素生产与应用现状及其发展趋向51111315球估计每年要建造25台。由PET回旋加速器生产的主要同位素有18F、此外,还C

6、、N和O。有一些非专门从事同位素生产的普通加速器,其地理分布列于表5。表5非专门从事同位素生产的普通加速器地区(国家)30-130MeV加速器数量>500MeV103004总计6132113西欧东欧和前苏联北美亚洲和中东世界其余地区(南非)总计510219113同位素分离设施同位素分离设施包括工厂,车间和热室。提取出来。4家具有工业规模的设施(在比利时、(在阿根廷、澳大利亚、挪威、俄罗斯和中国运行另一些设施(包括热室)137Cs85、俄罗斯和美国运行。大约10()采用很成熟的流程,从乏燃料中分离出2放射性同位素应用在科学研究中同位素的应用已深入到了生物医学、遗传工程、材料科学和地球科学。

7、医学应用在同位素诸多有益应用领域里最为活跃。广泛而又多样的工业应用覆盖了众多的工业部门。辐射育种、昆虫不育和食品保藏等技术促进了农业的可持续发展。另一些应用还包括环境污染的监测与去除以及正在扩大的安全检查体系等。211医学应用在医学上同位素主要用于显像、诊断和治疗,另外还包括医疗用品消毒、药物作用机理研究和生物医学研究。核素显像是利用照相机、单光子发射计算机断层(SPECT)或正电子发射断层(PET)来探测给予病人的放射性药物所产生的辐射,从而确定病灶部位。很多器官的显像,如肺、甲状腺、肾和脑可用于疾病诊断。现在全球约有2万台照相机用于大约5000家医院的核医学部。相机的使用每年增长5%3,但

8、是发展也不平衡,若以每百万人口计算,在日本和澳大利亚有16台以上的相机,韩国、台湾、新加坡和香港只有25台,亚洲其他国家拥有不到1台。用于诊断的主要放射性同位素列于表64。52同位素第12卷表6用于诊断的主要放射性同位素同位素用照相机闪烁显像99半衰期主要用途标记人体白蛋白:肝、脾、骨髓、肺标记二膦酸脂:骨头标记膦酸脂:MIBI,心肌DTPA络合物:肾HMPAO络合物:脑Tcm6.01h标记抗体:肿瘤201TlII心肌检查甲状腺功能测定和标记载体分子甲状腺功能测定和标记载体分子,诊断内分泌肿瘤、胰腺癌和胃癌标记蛋白、肽和低聚核苷酸,诊断内分泌肿瘤,胰腺癌和胃癌肺通气功能测定)(调查贫血症中维生

9、素B12的吸收)免疫分析用示踪剂标记13112311113367XeGaCrFe5147Ca5957I体内放射性药物已走向商品化。如99Tcm易从钼2锝发生器获得,又因其具有良好的核性质,能形成多种价态,并能与多种配体相结合,制成的药物几乎可进入人体各个器官,如脑、心、肝、肺、脾、肾和骨髓等,故而锝药物显像剂在市场上的占有量达到6070%。其次是201Tl占市医用核仪器。受体2配体类放射性药物发展迅速。如1990年,首次用生长激素抑制素受体与标记的配体结合,使内分泌肿瘤显像取得了成功。1994年即开始销售能与生长激素抑制素受体结合的第一种肽放射性药物,用于肉芽瘤和自身免疫系统疾病的显像5。PE

10、T的使用,特别是对于心脑血管系统疾病的诊断正在不断地增加。PET中心运行数量全世界每年增长15%。目前全世界大约有200个服务中心在运作300台左右的PET。其中2 3的PET中心在现场生产所需要的同位素,主要是18F(占市场的90%)和少量的11C,13N和1568O。作为校正PET相机用的医用参考源与照相机相同,再加上Ga。目前很多核医学或老年医学中心使用了241Am同位素骨密度计。虽然它正在逐渐被另一些技术更替,但是不会在短时间内被取代。放射免疫分析技术(RIA)已广泛用于体外诊断。用同位素标记肿瘤或激素以及分析病人的血液或体液可以探查出很多疾病。使用的主要同位素示踪剂是125I标记物,

11、少数情况使用3H和57Co。第1期蔡善钰:放射性同位素生产与应用现状及其发展趋向53放射治疗包括代谢放疗、遥控钴治疗(远距放疗)和近距放疗。其中甲状腺机能亢进和癌症的代谢治疗有较大的市场。全世界大约有800个中心具有丰富的钴治疗经验。每年约新增100台钴治疗机。然而用60Co放射源来破坏癌细胞正期待着被更有选择性的技术逐步取代。此外,大约有5000台近距治疗机也已用于癌症治疗,并每年扩大10%左右。可用于治疗的放射性同位素列于表74,6。眼敷贴治疗属于一种近距治疗。它既可用于表面敷贴,也可用于腔内敷贴。在皮肤科、科、泌尿科(治疗前列腺增生症)和心血管疾病的治疗中具有很好的疗效。用于治疗的同位素

12、9032106106166711有90Sr 。据法国统计,40%50%患者接受放疗。该法经常Y、P、Ru Rh和Ho等与化疗或手术结合进行。表7用于治疗的主要放射性同位素同位素)密封放射源(发射体、60半衰期主要用途远距放疗近距放疗近距放疗(后装机)、,用络合物HEDP(Re)处理癌性骨疼痛,用络合物EDTMP(Sm)血液学处理皮肤病治疗、前列腺增生症治疗放射滑膜切除术、肝癌治疗采用胶体形式处理骨关节肝癌治疗CoCsIrII137192125放射性药物13189SrRe18615390Sr(90Y)9016916632YEr186153近年来缓解骨(癌)疼痛的放射性治疗药物如89SrCl2、R

13、e2HEDP、Sm2EDTMP,由于镇痛效果明显、毒副作用小,可改善病人的生活质量而受到了广泛的关注。辐射是一种低温消灭真菌、细菌、病毒等微生物的首选方法。在物品灭菌消毒方面,特别是医疗外科器械消毒方面已广为应用1。212工业应用实际上所有的工业部门因多种不同的目的而广泛使用了同位素,包括过程控制与最优化、测量与自动化、质量控制和各种测试等。在大多数应用中,同位素技术尚不可能被现有可更替的技术所取代,因为它在目前尚是最有效、最便宜的选择。就全球而言,在大多数工业部门中同位素应用的市场是稳定的3。13760在生产过程控制领域,采用241Am、料Cs和Co等放射源制成的同位素仪表,如密度计、位计和

14、称重计(核子秤),用于在线非破坏性测量。厚度计和比重量计(SpecificWeight)结合1378514790了241Am、塑料工业和造纸工业。对于上述Cs、Kr、Pm和Sr放射源,主要用于钢铁制造、这两类应用,同位素正在与雷达及X射线技术相竞争。在现场检测领域(on2sideinspection),同位素依赖了很多技术,包括2照相机、X2射线荧54同位素第12卷光分析仪及湿度、密度传感器。这些技术专门用于汽车制造业、飞机制造业、钢铁制造业、冶金工业和建筑工业。在石油勘探领域,用同位素可进行测井(如测井、中子测井等)、检测用酸处理生油地层富集油的效率等。在后者,使用了放射性示踪剂随酸流动以进

15、行跟踪。99m8520382131在过程开发及最佳化领域,同位素示踪剂如127Xe、Tc、Kr、Hg、Br和I被用来进行液体流动测量和泄漏探测。在其它领域,如造纸、印刷、汽车、涂料和磁带生产等工业部门还使用了210Po静电消除器,以消除静电的积累。这种高达数千至几万伏的静电增加了对操作人员的危害,并降低了生产过程的质量和效率。作为工业应用实例,法国在1995年总计有约5000个行业使用了10000台以上的同位素仪表,具体情况列于表8。其涉及的工业部门包括:石油和天然气、采矿和矿物原料的输送、核燃料循环、钢铁、冶金、化学、塑料、民用建筑、宇航、造纸和卷烟工业等12。表8法国使用的各种同位素仪表(

16、1995年统计)辐射加工在一些发达国家已形成专用同位素仪表密封放射源台数一定规模的独立产业(如美国、日本、137俄罗斯等)。辐射加工产品包括热缩材密度测量,称重计2471Cs料、电线电缆绝缘体、发泡聚乙烯、电池隔膜、涂层固化、复合材料、高分子絮凝剂等。射源与电子加速器。用60Co少的137s置13厚度测量,料位测量60r241Ni90Am55109238Fe,Co,Sr50924157Cd,153Gd,192Ir,244。,213农业应用同位素的辐射育种技术为农业提供了改进质量、增加产量的多种有效手段。辐射诱变已经产生了更能抗病或更能适应地区条件生长的新品种,从而增加了谷物产量,并改进了食品的

17、质量。利用同位素示踪技术,可用于检测并确定植物的最佳肥料吸入量和农药吸入量。昆虫不育技术基于用辐射使昆虫不育(丧失繁衍能力)已成功地用于铲除损害谷物的昆虫种类,而对于人类健康和环境无任何副作用。至于动物生产,同位素常常用于监测和改进牛的健康3。对于食品保藏,辐射已成为一种很有效的手段。食品辐照可控制微生物引起的食品腐败和食源性疾病的传播。据1995年统计,已有38个国家批准了224种辐照食品的卫生标准。这些国家有南非、墨西哥、法国、比利时、荷兰、克罗地亚、巴西、泰国、韩国和中国等13。214科研应用二十世纪中叶以来,许多前沿学科的研究活动都与同位素应用有关。如基因组的功能、细胞代谢、光合作用、

18、人体的化学信息传递(激素、神经介质)等1。同位素标记核酸和蛋白质已用于研究植物、动物和人体的生物医学研究中。这些同位素主331253514要包括32P、同位素标记原子在遗传研究中起着P、IS(用于核酸)、C和氚(用于胺基酸)。重要的作用3。同位素标记物可用来示踪水流,例如从水源源头到海洋。氚的测量可用于地质学。第1期蔡善钰:放射性同位素生产与应用现状及其发展趋向55标记分子已广泛用于化学领域,它们能提供更为灵敏的分析方法。215其它应用在环境污染监测上,近年来同位素的应用日趋增加。同位素在测定从工厂排放出来的CO2和调查温室(效应)气体的途径及其被植物同化方面起了重要的作用,从而增加了我们对C

19、O2带来的环境冲击的了解。另一些大气排放物如硫氧化物、氮氧化物,也能用带有同位素的在线分析仪监测出来。放射性示踪剂可用来测量水库污染和土壤污染,例如被农药或油管泄漏造成的污染。辐射源还可用来处理有毒废物。在一些安全场所,如飞机场、火车站和海关,252Cf中子源已广泛用于检查行李,以探测爆炸物和麻醉品。采用241Am的烟雾探测器已装置在很多类型的建筑物内,并用于家庭住宅作为火灾报警用。通过射线处理,能够消灭物体内部的真菌、幼虫、成虫和细菌,使物体不受损坏。这种技术也已应用于保存和修复艺术品以及人种学和考古学领域1。在核能领域,作为核电站启动,生产过程控制和仪器校正,使用了各类密封放射源,如一次2

20、52239)。中子源(210Po2二次中子源(124Sb2Be源或Cf源)、Be源),Pu(在航天领域,。严峻环境,如月球自动观察、外层行星探索、210数为发射体,如238Pu、Po;发射体,如90Sr14。3从同位素需求来说,今后虽然需要的同位素品种会有变化,需求的部门也会有所不同,但就全球而言,对于同位素有益应用的市场随着同位素在很多传统领域未能被取代而保留下来,以及新的应用又在继续发展而不断地扩大。在医学领域,同位素应用仍在继续稳定地增长,尤其是代谢治疗、近距治疗和PET显像。体内放射性药物的显像技术现正处于蓬勃发展阶段,新的方法层出不穷。前已述及照相机每年增长5%,而PET数量更是每年

21、增长15%。PET进入临床标志着医学进入了一个崭新的时代,它对人体内部脏器的形态与功能可进行动态、定量、立体地观察。核医学显像技术的进步带动了体内放射性药物的发展。其中99Tcm的放射性药物已达数百种,它和其它能量适中的放射性同位素药物一起应用于照相机或SPECT。近年来出现的超短寿命正电子药物适应了1818PET的飞速发展,其中放射性药物F标记的脱氧葡萄糖(F2FDG),由于既可诊断心肌和脑部疾病,又可用于人体任何部位肿瘤的定位,因而用量日渐增加。医用同位素除了在临床诊断上可发挥作用外,在放射治疗方面,尤其是近距治疗具有很大的应用潜力。可以相信,将来的医学诊断和治疗要比今天具有更好的导向性和

22、可靠性。此外,在设备上会进一步加以改进。例如增加显像的空间分辨率(清晰度)和开发更好的装置,以检查人体的特殊器官或特殊部位6。在航天技术领域,下一世纪人类将重返月球,实现载入火星飞行,建立空间站,继续进行深空探索,乃至星际旅行,而要完成这些宏伟的航天任务,都离不开使用238Pu同位素温差发电器(<1kW)或空间反应堆(>5kW)。前者期望继续增加电功率并延长使用寿命(>10年)14。56同位素第12卷在另一些领域,对同位素的需求总的来说也是稳定的,而在某些特殊部门,如矿产品的在线分析、安全检查、环境监测正在明显增长。至于同位素生产能力的发展,各个地区不尽相同。一方面是经合组织

23、拥有的大多数同位素生产设施已经老化,需要退役,而尚无计划更替;另一方面是发展中国家正在兴建一批同位素生产设施。同位素生产部门像其它许多部门一样,受到了市场自由化和工业私有化这一全球性趋向的影响。过去大量的同位素生产设施一直是由政府拥有的实体进行建造和操纵。然而,尤其是一些经合组织,私人部门卷入同位素生产在逐年增加,这种向竞争的市场经济体制的转变产生了新的问题,并导致了对同位素供应安全性的忧虑3。为了确保同位素的供应,加强国际交流是必需的,因为实际上没有一个国家对使用的所有同位素都能自给自足,而某些需要特殊设备的同位素仅仅几个国家能供应。生产部门的私有化和需求方面的发展也要求加强国际合作,旨在充分、有效地利用全球性的同位素生产能力。5SeaborgGT,WagnerHN.NuclearMedicine100YearsintheMaking(1986-1996).1996.6KnappJrFF,MirzadehS,BeetsSL.ReactorProductionandProceessingofRadioisotopeforTherapeutic7CaiShanyu,SunYu