从反应堆到回旋加速器：放射性核素的生产方式与未来发展

From Reactors to Cyclotrons: How Radionuclides Are Made and Where Next

放射性核素的生产在现代医学、工业和科学研究中扮演着至关重要的角色。本文全面概述了放射性核素的生产方法，特别聚焦于核反应堆和回旋加速器，以及涉及加速器和发生器的新兴技术。文章还探讨了它们在医学诊断和治疗、工业射线照相以及科学研究中的应用，并审视了监管环境，概述了推动这一重要领域未来发展的关键挑战与创新。

放射性核素生产的基本原理

放射性核素是用于各个领域的放射性同位素，尤其是在核医学和工业中最为显著。其受控生产使许多有益的应用成为可能，从疾病的成像到基础设施完整性的评估。尽管其放射性可能引发担忧，但在受监管环境中操作时，放射性核素既安全又极其有用。对精准诊断和靶向治疗需求的增加进一步激发了对高效且可扩展的放射性核素生产的兴趣。

放射性核素是通过改变原子核中质子或中子数量的核反应人工生成的。两种最成熟的生产途径分别是核反应堆中的中子活化和回旋加速器中的粒子轰击。

在核反应堆中，稳定的靶材料被中子轰击，通常会产生富含中子的放射性核素。相比之下，回旋加速器通过加速质子或氘核等带电粒子撞击靶原子，产生缺乏中子的放射性核素。选择哪种方法取决于目标同位素、其半衰期及其衰变模式。

生产过程中使用的核反应包括：

• (n,γ) 反应：原子核捕获一个中子并变得具有放射性。
• (p,n) 或 (d,n) 反应：添加一个质子或氘核并发射一个中子。
• (α,n) 反应：使用α粒子。

入射粒子的能量、靶材料的类型和辐照时间都是决定所得放射性核素产率和纯度的关键参数。

生产方法

基于核反应堆的生产

核反应堆传统上是许多放射性核素的主要来源，包括锝-99m（由钼-99衍生）、碘-131和磷-32。它们依赖于连续的中子通量，因此非常适合大规模生产。

钼-99通常通过铀-235的裂变或钼-98的中子活化来生产。虽然裂变途径效率高，但涉及使用高浓缩铀（HEU），这引发了核扩散的担忧。因此，正在努力转向低浓缩铀（LEU）或其他非裂变方法。

基于反应堆的方法适合生产高活性水平，并允许同时生成多种同位素。然而，反应堆的运行和维护成本高昂，且地理分布有限，往往导致供应链问题。

基于回旋加速器的生产

回旋加速器在放射性核素生产中的重要性日益增加，特别是在医疗领域。它们可以按需生产短寿命同位素，并靠近使用点，这对于氟-18（用于PET扫描）和碳-11等同位素至关重要。

回旋加速器通过磁场加速带电粒子沿螺旋路径运动，这些粒子随后与靶材料碰撞，引发核反应。通过18O(p,n)18F反应生产氟-18是最常见的应用之一。

回旋加速器因其以下特点而受到青睐：

• 生产缺乏中子的放射性核素。
• 避免与裂变相关的核废料。
• 实现分散式生产。

然而，回旋加速器设施需要高额资本投资和熟练的操作员，并非所有同位素都能通过这种方法获得。

放射性核素发生器

发生器提供了一种便携且高效的解决方案，可以从长寿命母体中生产短寿命同位素。一个经典例子是锝-99m发生器，它从钼-99源中提取同位素。

这些系统在无法立即获取反应堆或回旋加速器的临床环境中尤其有价值。它们减少了同位素供应链的物流复杂性，并允许现场洗脱放射性核素。

其他著名的发生器包括：

• 68Ge/68Ga用于PET成像。
• 82Sr/82Rb用于心肌灌注研究。

发生器设计和效率方面仍存在挑战，特别是在确保高放射性和化学纯度方面。

其他加速器技术

除了回旋加速器，直线加速器（linacs）和散裂源也正在被探索。直线加速器在一些实验环境中用于生产非传统同位素，并对能量输入进行精确控制。

散裂涉及高能质子轰击重核，产生广泛光谱的放射性核素。尽管前景广阔，但由于其高基础设施要求，这些方法并不常见。

新兴的紧凑型加速器系统旨在小型设施中提供反应堆级别的同位素产量，为分散式生产开辟了新可能性。

放射性核素的应用

医学诊断与治疗

放射性核素最显眼的应用是在核医学中。诊断成像利用发射伽马射线或正电子的示踪剂，这些示踪剂可以被伽马相机或PET扫描仪检测到。

常见的诊断放射性核素包括：

• 锝-99m：骨扫描、心脏成像、肾功能测试。
• 氟-18：用于癌症和神经疾病PET扫描。
• 镓-68：神经内分泌肿瘤成像。

在治疗中，放射性核素将细胞毒辐射传递给病变组织，同时保留健康细胞。例如：

• 碘-131：治疗甲状腺癌和甲状腺功能亢进。
• 镥-177：用于肽受体放射性核素治疗（PRRT）。
• 锕-225：正在研究用于靶向α治疗。

诊疗一体化结合了诊断和治疗，使用单一放射性核素或匹配对，正在兴起，提供个性化的治疗途径。

工业和环境用途

在医学之外，放射性核素支持各种行业。在射线照相中，铱-192等同位素用于检查焊缝和评估结构完整性。在农业中，放射性示踪剂用于监测植物的养分吸收，并评估害虫控制技术，如不育昆虫技术（SIT）。

环境监测也受益于示踪研究，有助于追踪污染物、地下水流动和沉积速率。

放射性核素生产面临的挑战

几个问题继续影响放射性核素的生产：

• 供应稳定性：许多关键放射性核素依赖于少数老化反应堆。任何中断都会影响全球医疗保健的提供。
• 法规合规性：放射性核素的运输和使用受严格的国家和国际法律约束，这可能使跨境供应复杂化。
• 扩散担忧：某些反应堆工艺中使用HEU引发了安全和伦理问题。
• 废物管理：安全处理放射性废物增加了成本和复杂性。
• 生产成本：新设施和替代方法需要大量投资，回报不确定。

未来方向与创新

正在进行现代化放射性核素生产的努力，以减少对传统反应堆的依赖。关键发展包括：

• 基于LEU的生产：转向LEU以提高安全性并减少扩散风险。
• 自动化合成模块：简化医院环境中的放射性药物生产。
• 新型同位素：加强对α发射体和诊疗一体化对的研究，以治疗以前无法治愈的癌症。
• 分布式生产模式：在医院或区域中心使用紧凑型加速器实现分散式供应。
• 公私合作伙伴关系：鼓励合作，确保长期基础设施可持续性。

在英国及其他地区，政府和学术界正在关注放射性核素生产的韧性、创新和可持续性，旨在满足不断增长的临床和工业需求。

结论

放射性核素生产是现代科学和医学实践的基石。尽管现有方法非常有效，但并非没有局限性。反应堆和回旋加速器支撑了迄今为止的进步，但新兴技术和战略有望改变这一领域。随着对靶向诊断和治疗的需求不断增加，以及对分散式和可持续供应的需求，对该领域的投资既是及时的，也是必不可少的。放射性核素生产的未来在于结合创新、安全性和可及性，以支持当前需求和未来的突破。

(全文结束)